加热器.pdf

本发明的加热器具备：陶瓷结构体；发热电阻体，其埋设于陶瓷结构体；导体线路，其与发热电阻体连接；通孔导体，其一端与导体线路连接，另一端向陶瓷结构体的表面导出；以及电极焊盘，其以覆盖通孔导体的方式设置在陶瓷结构体的表面上，且与通孔导体连接。通孔导体具有比陶瓷结构体的表面向外侧突出的突出部。

权利要求书1.  一种加热器，其具备：陶瓷结构体；发热电阻体，其埋设于该陶瓷结构体；导体线路，其埋设于所述陶瓷结构体且与所述发热电阻体连接；通孔导体，其设置于所述陶瓷结构体，一端与所述导体线路连接，且另一端向所述陶瓷结构体的表面导出；以及电极焊盘，其以覆盖该通孔导体的方式设置在所述陶瓷结构体的表面上，且与所述通孔导体连接，其中，所述通孔导体具有比所述陶瓷结构体的表面向外侧突出的突出部。2.  如权利要求1所述的加热器，其中，所述突出部的表面为曲面状。3.  如权利要求1或2所述的加热器，其中，所述通孔导体的所述一端进入所述导体线路。4.  如权利要求3所述的加热器，其中，所述通孔导体的所述一端的与所述导体线路的连接面为曲面状。5.  如权利要求1至4中任一项所述的加热器，其中，所述突出部具有多个凸部。6.  如权利要求1至5中任一项所述的加热器，其中，所述通孔导体为圆柱状。7.  如权利要求1至6中任一项所述的加热器，其中，所述通孔导体的所述突出部的外周随着该突出部向外侧突出而扩展。

说明书加热器
技术领域
本发明涉及一种在烫发器、水加热用加热器、氧传感器、空燃比传感器、电热塞或半导体制造装置等中使用的加热器。
背景技术
作为在上述烫发器等中使用的加热器，例如可以举出在日本特开平11-273837号公报(以下称为专利文献1)中公开的陶瓷加热器。专利文献1所公开的陶瓷加热器具备：陶瓷基材；加热器部，其设置在陶瓷基材的内部；引线部，其设置在陶瓷基材的内部且与加热器部连接；以及导电层，其设于陶瓷基材，一端与引线部连接，且另一端向陶瓷基材的表面导出。
然而，在专利文献1所公开的陶瓷加热器(以下，有时仅称为加热器)中，加热器部(发热电阻体)处产生的热量有时会经由引线部(导体线路)而向导体层(通孔导体)传导。并且，由于热量积滞在该通孔导体中，从而在通孔导体与陶瓷基材(陶瓷结构体)之间有时会产生热应力。其结果是，难以提高加热器的长期可靠性。
发明内容
本发明的一个方案的加热器具备：陶瓷结构体；发热电阻体，其埋设于该陶瓷结构体；导体线路，其埋设于所述陶瓷结构体且与所述发热电阻体连接；通孔导体，其设置于所述陶瓷结构体，一端与所述导体线路连接，且另一端向所述陶瓷结构体的表面导出；以及电极焊盘，其以覆盖该通孔导体的方式设置在所述陶瓷结构体的表面上，且与所述通孔导体连接，其中，所述通孔导体具有比所述陶瓷结构体的表面向外侧突出的突出部。
附图说明
图1是示出本发明的一个实施方式的加热器的局部剖视立体图。
图2是本发明的一个实施方式的加热器的示意图。
图3是本发明的一个实施方式的加热器中的通孔导体附近的局部放大图。
图4是示出本发明的变形例的加热器的局部放大图。
图5是示出本发明的变形例的加热器的局部放大图。
图6是示出本发明的变形例的加热器的局部放大图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一个实施方式的加热器进行详细地说明。
图1是示出本发明的一个实施方式的加热器10的局部剖视立体图。图2是示出本发明的一个实施方式的加热器10的示意图。如图2所示，本发明的一个实施方式的加热器10具备陶瓷结构体1、发热电阻体2、导体线路3、通孔导体4以及电极焊盘5。加热器10例如在烫发器、水加热用加热器、氧传感器、空燃比传感器、电热塞或半导体制造装置等中使用。
<陶瓷结构体1的结构>
陶瓷结构体1是用于将发热电阻体2以及导体线路3保持于内部的构件。通过在陶瓷结构体1的内部设置发热电阻体2以及导体线路3，从而能够提高发热电阻体2以及导体线路3的环境耐受性。陶瓷结构体1是棒状的构件。陶瓷结构体1是圆柱状的构件。陶瓷结构体1由多个陶瓷层构成。具体而言，在中央设有棒状的陶瓷体，以包围该陶瓷体的外周面的方式层叠多个陶瓷层。发热电阻体2以及导体线路3设置在这多个陶瓷层之间。陶瓷结构体1由氧化铝、氮化硅、氮化铝或碳化硅等陶瓷材料构成。陶瓷结构体1例如外径为1～30mm，长边方向的长度为5～200mm。
<发热电阻体2的结构>
发热电阻体2是用于发热的构件。发热电阻体2设置在多个陶瓷层 之间，埋设在陶瓷结构体1中。发热电阻体2沿着陶瓷结构体1的外周面而设置。发热电阻体2通过具有多个折回部而形成在大范围内。发热电阻体2由金属材料形成。发热电阻体2优选由能够与陶瓷结构体1同时烧成的金属材料形成。作为能够与陶瓷结构体1同时烧成的金属材料，例如可以使用钨、钼或铼等。发热电阻体2的宽度例如为0.1～5mm，厚度为0.01～1mm。发热电阻体2发出的热量在陶瓷结构体1的内部传导，从陶瓷结构体1的表面向外部发出。
<导体线路3的结构>
导体线路3是用于与通孔导体4以及电极焊盘5等一起将发热电阻体2与陶瓷结构体1的外部的电源(未图示)电连接的构件。导体线路3埋设在陶瓷结构体1中。导体线路3设置在与设有发热电阻体2的陶瓷层之间相同的陶瓷层之间。导体线路3的一端与发热电阻体2的端部电连接。另一方面，为了与外部的电源连接，导体线路3的另一端与通孔导体4连接。导体线路3优选由能够与陶瓷结构体1同时烧成的金属材料形成。作为能够与陶瓷结构体1同时烧成的金属材料，例如可以使用钨、钼或铼等。导体线路3的宽度例如为0.1～2mm，厚度例如为1～100μm。
<通孔导体4的结构>
通孔导体4是用于对导体线路3与电极焊盘5进行电连接的构件。通孔导体4设置于陶瓷结构体1。通孔导体4的一端与导体线路3连接，另一端向陶瓷结构体1的表面导出。另外，如图3所示，通孔导体4的另一端通过由电极焊盘5覆盖而与电极焊盘5电连接。需要说明的是，图3是通孔导体4附近的局部放大图。通孔导体4优选由能够与陶瓷结构体1同时烧成的金属材料形成。作为能够与陶瓷结构体1同时烧成的金属材料，例如可以使用钨、钼或铼等。
通孔导体4在另一端具有突出部41。突出部41比陶瓷结构体1的表面向外侧突出。具体而言，突出部41从陶瓷结构体1的表面呈拱顶状突出。由此，能够增加通孔导体4与电极焊盘5接触的面积。其结果是，能够使热量容易从通孔导体4向外部散逸。因此，即便发热电阻体2产生的热量经由导体线路3向通孔导体4传导，也能够减少热量积滞 在通孔导体4中的情况。从而，能够抑制通孔导体4过度高温，因而能够减少在通孔导体4与陶瓷结构体1之间产生的热应力。其结果是，能够减少在通孔导体4或陶瓷结构体1上产生裂纹的可能性，因而能够提高加热器10的长期可靠性。
通孔导体4为圆柱状。通过通孔导体4为圆柱状，从而能够抑制热应力集中在通孔导体4的一部分。就通孔导体4为圆柱状时的尺寸而言，例如可以将外径设定为0.1～1mm。另外，外径为0.1mm时的包括突出部41在内的总长例如可以设定为0.1～1mm左右。另外，此时的通孔导体4中的突出的部分(突出部41)的长度例如可以设定为0.003mm～0.1mm左右。通过使突出部41的长度比0.003mm长，从而能够增大通孔导体4与电极焊盘5的接触面积。因此，能够使热量容易从通孔导体4向外部散逸。另外，通过使突出部41的长度比0.1mm短，从而能够减少外力施加于突出部时突出部破坏的可能性。
突出部41的表面形成为突出部41的中央部向外侧突出的曲面状。通过突出部41的表面为曲面状，从而能够减少突出部41处的噪声的产生。具体而言，在突出部41的表面具有尖锐地突出的部分的情况下，在通孔导体4与电极焊盘5之间流动的电流的能量会集中于突出部41中的突出的部分的前端，有时会产生火花等。其结果是，有时会在突出部41处产生噪声。通过使突出部41的表面形成为曲面状，从而能够减少噪声的产生。通过减少噪声的产生，从而能够减少噪声对设于加热器10的周围的电子部件产生的恶劣影响。
另外，通孔导体4的一端的与导体线路3连接的连接面形成为向下侧(导体线路3侧)突出的曲面状。通过将与导体线路3连接的连接面形成为曲面状，从而能够减少连接面处的噪声的产生。具体而言，在连接面的表面具有尖锐地突出的部分的情况下，在通孔导体4与导体线路3之间流动的电流的能量会集中于连接面中的突出的部分的前端，有时会产生火花等。其结果是，有时会产生噪声。通过使连接面为曲面状，从而能够减少噪声的产生。通过减少噪声的产生，从而能够减少噪声对设于加热器10的周围的电子部件产生的恶劣影响。
<电极焊盘5的结构>
电极焊盘5是用于将通孔导体4与外部的电源进行电连接的构件。电极焊盘5设置在陶瓷结构体1的表面上。电极焊盘5与通孔导体4的突出部41密接并覆盖通孔导体4的突出部41。由此，电极焊盘5与通孔导体4电连接。在电极焊盘5上，以向发热电阻体2所设置这侧的相反侧引出的方式接合有棒状的引线端子7。引线端子7例如由镍等导电性优异的金属材料形成。在电极焊盘5与引线端子7的接合中例如使用焊料8。作为焊料8，例如使用银焊料等。焊料8在电极焊盘5中从设置引线端子7的区域到覆盖通孔导体4的区域地设置。在本实施方式的加热器10中，通过减少在通孔导体4与陶瓷结构体1之间产生的热应力，从而能够减少通孔导体4歪曲的可能性。因此，能够减少在电极焊盘5与通孔导体4之间产生剥离的可能性。因此，能够减少由于在电极焊盘5与通孔导体4之间产生剥离而电极焊盘5发生变形，从而在电极焊盘5与焊料8之间产生应力的可能性。其结果是，能够减少在焊料8中产生裂纹的可能性。因此，还能够减少在引线端子7中产生剥离的可能性。其结果是，能够提高加热器10的长期可靠性。
在电极焊盘5的上表面设有镀层6。例如，可以使用镀镍层作为镀层6。通过设置镀镍层，从而能够提高电极焊盘5与引线端子7的接合性。
另外，通孔导体4的突出部41进入电极焊盘5。具体而言，电极焊盘5的一部分凹陷，且通孔导体4的突出部41位于该凹陷内。通过使突出部41进入电极焊盘5，从而使电极焊盘5难以向沿着陶瓷结构体1的表面的方向偏离。其结果是，能够进一步减少在电极焊盘5产生剥离的可能性。
电极焊盘5优选由能够与陶瓷结构体1同时烧成的金属材料形成。作为能够与陶瓷结构体1同时烧成的金属材料，例如可以使用钨、钼或铼等。就电极焊盘5的尺寸而言，例如可以将宽度设定为0.5～15mm。在宽度为0.5mm左右时，可以将长度例如设定为0.5mm。另外，在宽度为15mm左右时，可以将宽度设定为20mm左右。
需要说明的是，本发明不受上述的实施方式的限定，能够在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种变更、改良。例如，如图4示出的变形 例的加热器10那样，通孔导体4的突出部41的外周也可以随着突出部41向外侧突出而扩展。通过使电极焊盘5进入突出部41中的扩展的部分的下侧，由此突出部41中的扩展的部分被电极焊盘5从上下方向夹持。其结果是，能够通过通孔导体4来牢固地固定电极焊盘5。
另外，如图5示出的变形例的加热器10那样，突出部41也可以在与电极焊盘5相接的部分具有朝向外侧突出的多个凸部。通过突出部41具有多个凸部，从而能够将电流集中的部位分为多个。其结果是，能够减少电流集中于局部的情况。其结果是，能够减少在通孔导体4中产生局部的发热的情况。其结果是，能够提高加热器10的长期可靠性。
另外，优选凸部沿着通孔导体4的外周而设有多个。由此，能够将电流集中的部位分散到大范围。其结果是，能够将在凸部产生的发热分散到大范围。就凸部的尺寸而言，例如高度设为0.001～0.07mm。另外，高度为0.07mm时的凸部的宽度例如可以设定为0.5mm左右。
另外，优选突出部41的表面中的外周侧以及中心部分凹陷。换言之，优选位于突出部41的表面中的外周侧与中心部分之间的区域成为框状。通过使电极焊盘5进入该框的内部，从而能够使突出部41与电极焊盘5相接的区域为大范围。由此，能够减少电流集中于突出部41与电极焊盘5之间的一部分的情况。
另外，如图6示出的变形例的加热器10那样，也可以在通孔导体4具有突出部41的同时，使通孔导体4的表面的一部分比陶瓷结构体1的表面向内侧凹陷。由此，能够进一步增大通孔导体4与电极焊盘5接触的面积。由此，能够使热量更容易从通孔导体4向外部散逸。
<加热器10的制造方法>
接下来，对本实施方式的加热器10的制造方法进行说明。
首先，为了制作陶瓷结构体1，使氧化铝质陶瓷、氮化硅质陶瓷、氮化铝质陶瓷或碳化硅质陶瓷等陶瓷成分含有二氧化硅、氧化钙、氧化镁以及氧化锆等烧结助剂来进行调制，从而得到陶瓷浆料。将该陶瓷浆料成形为片状，制作陶瓷生片。或者，混合上述成分而通过冲压成型、挤出成型等来制作板状或棒状的成型体。
此时，为了将来自外部的电力经由引线端子7、焊料8以及镀镍层 而向发热电阻体2传导，而设置通孔导体4。通孔导体4通过在陶瓷生片上开孔并向内部压入导电性膏剂来制作。此时，重要的是以导电性膏剂的端部位于比生片的表面靠外侧的方式来设置导电性膏剂。该部分在烧成后成为通孔导体4的突出部41。
在该成为陶瓷结构体1的陶瓷生片或成型体的一方的主面上，分别使用丝网印刷等方法来形成成为发热电阻体2以及导体线路3的导电性膏剂。另外，在背面上使用丝网印刷等方法来形成成为电极焊盘5的导电性膏剂的印墨。
作为发热电阻体2、导体线路3以及电极焊盘5的材料，使用以能够与陶瓷结构体1同时烧成来制作的例如钨、钼或铼等高熔点金属为主成分的材料。
另外，成为通孔导体4的导电性膏剂可以通过向这些高熔点金属中适当调配陶瓷原料、粘合剂以及有机溶剂等并混匀来制作。
此时，根据加热器10的用途，对成为发热电阻体2的导电性膏剂的图案的长度、折回图案的距离及间隔、以及图案的线宽进行变更，由此将导体线路3的发热位置、电阻值设定为期望的值。
并且，通过使用层叠液在该形成有图案的陶瓷生片或成型体上进一步层叠同一材质的陶瓷生片或成型体并使之密接，从而能够得到成为在内部具有发热电阻体2以及导体线路3的陶瓷结构体1的棒状或板状的成型体。
接下来，将得到的成形体在1500℃～1600℃左右进行烧成。然后，在陶瓷结构体1的主面的电极焊盘5上通过电镀来设置镀镍层6。然后，使用银焊料作为焊料8，将电极焊盘5与由Ni构成的引线端子7接合。通过以上能够制作出加热器10。
实施例
如以下那样制作本发明的实施例的加热器10。
首先，制作出以将氧化铝作为主成分、且使二氧化硅、氧化钙、氧化镁以及氧化锆合计成为10质量％以内的方式调制而成的陶瓷生片。
接下来，混合钼粉末、钨粉末以及粘合剂，制作出导电性膏剂。通过在陶瓷生片上开孔并向内部填充导电性膏剂，从而制作出成为通孔导 体4的部分。此时，以导电性膏剂的端部位于比生片的表面靠外侧0.05mm左右的方式设置导电性膏剂。作为像这样用于使导电性膏剂的端部比生片的表面靠外侧的方法，例如可以举出一边使用夹具施加压力一边将导电性膏剂向孔中填充的方法。
然后，在该陶瓷生片的表面上，将成为发热电阻体2、导体线路3以及电极焊盘5的以钼以及钨为主成分的导电性膏剂通过丝网印刷法印刷成各自的图案。在印刷有上述图案的陶瓷生片、以及由与该陶瓷生片相同的材料通过挤出成型制作出的棒状的成型体上涂敷分散有相同组成的陶瓷的层叠液来进行层叠，从而得到棒状的层叠体。将这样得到的棒状的层叠体在1500～1600℃的还原气氛(氮气氛)中进行烧成。
接下来，在陶瓷结构体1的主面的电极焊盘5上通过电镀来设置厚度为2～4μm的镀镍层。然后，在电极焊盘5上接合引线端子7。接合使用了银焊料。这样，制作出试样1的加热器10。
作为比较例，制作出在陶瓷结构体上开孔并向内部填充导电性膏剂时，使导电性膏剂仅位于孔的内部的试样2。其他条件与试样1的情况相同。
然后，对试样1的加热器10以及试样2的加热器施加直流电压直至表面温度成为1200℃为止，并在表面温度到达1200℃后停止直至表面温度成为室温为止，以此为一个循环来进行循环通电。然后，确认试样1的加热器10以及试样2的加热器的外观。其结果是，在试样1的加热器10中，即便在进行了1000次循环的循环通电之后，也未确认到陶瓷结构体1中的裂纹的产生。与此相对，在试样2的加热器中，在进行了大致1000次循环的循环通电之后，在陶瓷结构体中产生了裂纹。裂纹的起点为与通孔导体相接的区域。
另外，针对试样1以及试样2，测定了加热器的表面温度到达1200℃时的通孔导体4的附近的温度。具体而言，在电极焊盘5中位于通孔导体4的正上方的区域安装直径为0.1mm的热电偶来测定了温度。其结果是，在试样1的加热器10中测定结果为238℃，而在试样2的加热器中测定结果为270℃。即，能够确认到：在不具有突出部41的试样2的加热器中，热量积滞于通孔导体4，而在具有突出部41的试样1的加 热器10中，热量容易从通孔导体4向外部散逸。其结果是，能够确认到在试样1的加热器10中减少了裂纹产生的可能性。
符号说明：
1：陶瓷结构体
2：发热电阻体
3：导体线路
4：通孔导体
41：突出部
5：电极焊盘
6：镀层
7：引线端子
8：焊料
10：加热器