JP2003197351A - 窒化セラミックヒーター - Google Patents

窒化セラミックヒーター

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JP2003197351A
JP2003197351A JP2001395677A JP2001395677A JP2003197351A JP 2003197351 A JP2003197351 A JP 2003197351A JP 2001395677 A JP2001395677 A JP 2001395677A JP 2001395677 A JP2001395677 A JP 2001395677A JP 2003197351 A JP2003197351 A JP 2003197351A
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Akio Tamura
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 Pt−Pd粉体とガラス・フリットを用い、
抵抗温度係数(T・C・R)を重視した、抵抗発熱体ペ
ーストを印刷,焼成したAlN・セラミック・ヒーター
は最高保持温度350℃以上の可逆過程を有するヒート
・サイクル・運転に於いて、ヒート・サイクル回数の増
加に伴わない初期抵抗値が増加し、性能が劣化する。 【解決手段】 本発明はAlN・セラミック・ヒーター
が大気雰囲気中に使用される事を前提とし、当該抵抗発
熱体、ペーストの焼成条件より100℃以上余裕を持つ
1200〜1400℃の範囲にて、AlN・セラミック
・基板上にAl2O3 被膜を生成せしめ、前記反応を防
止し、当該抵抗発熱体ペーストを当該基板に印刷し、1
100〜1300℃にて焼成し、前記課題を解決した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、Pt100%粉体
とAl2 O3 被膜と親和性の有る結晶化温度950℃の
SiO2 ,Al2 O3 ,BaOおよびCaO系ガラス・
フリットよりなる抵抗発熱体ペーストをAlNセラミッ
ク基板に印刷し、1200℃10mins焼成する事によ
り、最高保持温度600℃の可逆過程を有するヒート・
サイクル運転に於いてサイクル回数20万回、初期抵抗
値の変化は15%以下となるAlN・セラミック・ヒー
ターとその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】(1)AlNセラミック基板は、大気雰
囲気600℃以上に於いて、容易に酸化が観察出来、9
00℃以上に至ると、AlNセラミック基板上にAl2
O3 を顕著に表出せしめる。従って、AlNセラミック
基板に、ガラス・フリットと貴金属系(Pt,Pd,A
u,Ag)粉体を用いた抵抗発熱体ペーストを印刷し、
大気雰囲気900℃以上にて焼成すると、ガラス成分酸
化物とAlNが反応し、焼成体中に気泡を生成し、密着
強度が弱くなる。 (2)Pt−Pd粉体とガラス・フリットを用い、抵抗
温度係数(T・C・R)を重視した、抵抗発熱体ペース
トを印刷,焼成したAlN・セラミック・ヒーターは最
高保持温度350℃以上の可逆過程を有するヒート・サ
イクル・運転に於いて、ヒート・サイクル回数の増加に
伴わない初期抵抗値が増加し、性能が劣化する。 従来の開示技術を示せば次のとおりである。特許第21
12550号、特許第2730794号および特許第3
033852号の各特許公報、特開昭63−14648
号および特開平11−219774号並に田中貴金属工
業株式会社厚木工場製造技術センター発行(November/1
6/2000)のパンフレット中のセンサー用ペーストの紹介
記事。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】この発明は従来技術の
欠点を改良したものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明はAlN・セラミ
ック・ヒーターが大気雰囲気中に使用される事を前提と
し、当該抵抗発熱体、ペーストの焼成条件より100℃
以上余裕を持つ1200〜1400℃の範囲にて、Al
N・セラミック・基板上にAl2 O3 被膜を生成せし
め、前記反応を防止し、当該抵抗発熱体ペーストを当該
基板に印刷し、1100〜1300℃にて焼成し、前記
課題を解決した。
【0005】
【発明の実施の形態】本発明は、Pt100%粉体とA
l2 O3 被膜と親和性の有る結晶化温度950℃のSi
O2 −BaO−CaO系ガラスフリットより成る抵抗発
熱体ペーストを当該基板上に印刷し、1200℃10mi
ns焼成する事により前記課題を解決し、最高保持温度6
00℃の可逆過程を有するヒート・サイクル運転に於い
てサイクル回数20万回、初期抵抗値の変化は15%以
下なるAlN・セラミック・ヒーターを得た。
【0006】
【実施例】〔実施例I〕セラミック・ヒーターの製造方
法の実施例を説明すれば次のとおりである。その工程を
示せば次のとおりである。 (1)AlN・セラミック・基板を大気雰囲気900℃
以上にて焼成してAl2O3 被膜を基板表面に形成す
る。この場合1200℃以上で焼成し、使用炉に通気性
を持たす事が効果的である。またヒート・サイクル・パ
ターンとして表1に示すように行い、AlN・セラミッ
ク・基板上に0.1〜0.2μm以上のAl2 O3 被膜
を形成する。 (2)Pt/Pd=6/4,Pt/Pd=9/1,Pt
=100%の粉体とそれぞれに適合したガラス・フリッ
トよりなるペースト(A),(B),(C)を製作し、
ペースト(A),(B)をAlN・セラミック基板に、
ペースト(C)を当該Al2 O3 被膜処理されたAlN
・セラミック基板に印刷し、それぞれの焼成条件にて焼
成し、AlNセラミックヒーターを形成する。
【0007】
【表1】
【0008】前記したペーストの詳細につき説明すれば
次のとおりである。 〔1〕AlN基板ヒーター用発熱抵抗体ペースト組成成分 ペースト(A),(B),(C)を使用される組成材料 (1)Pt及びPd粉末 粉末状 平均粒子粒 0.8〜1.0μm (2)ガラスフリット (i)ペースト(A),(B)に使用される高温,中温用組成 高温用 Al2 O3 −CaO−SiO2 系 結晶化温度875℃ 中温用 ZnO −B2 O3 −SiO2 系 結晶化温度750℃ (ii)ペースト(C)に使用される組成 SiO2 :Al2 O3 :BaO:CaO= 結晶化温度950℃ 40 : 20 : 20: 15 (3)ビヒクル 有機バインダー(エチル・セルローズ、他) 有機溶剤 (ターピネオール、他) 〔2〕ペースト(A),(B),(C)の組成成分重量比及び焼成条件 (1)ペースト(A)
【0009】
【表2】
【0010】(2)ペースト(B)
【0011】
【表3】
【0012】(3)ペースト(C)
【0013】
【表4】
【0014】共に固有抵抗値の中心値は120mΩ/□
/10μm
【0015】〔実施例2〕下記に表記されたペーストを
酸化処理された当該基板に印刷し、大気雰囲気中にて仮
焼成を行い、下記ペースト成分よりPt100%粉体を
除外した保護被膜用ペーストを印刷し、下記焼成条件に
て焼成した。
【0016】
【表5】
【0017】〔評価試験結果〕〔実施例1〕に示される
ヒータ(c)と同等の結果を得た。 (1)初期抵抗値 18.8Ω (2)抵抗温度係数 21.9×10-4 (3)初期昇温特性 5.5sec (4)ヒートサイクル回数20万回後の抵抗値20.3
Ω
【0018】
【発明の効果】AlN基板にペースト(A),(B)又
除く焼成処理されたAlN基板にペースト(C)を図1
のマスクを用い、印刷し、各焼成条件にて焼成し、図2
のセラミックヒーター装置に基づき、他の工程、発熱抵
抗体保護膜の生成、発熱体部と台座部の接着、他を行
い、ヒーター(A),(B),(C)を組立製作をし
た。各ヒーターの初期抵抗値は室温に於いて ヒーター(A)→20.9Ω ヒーター(B)→19.9Ω ヒーター(C)→20.2Ω (1)ヒーター(A),(B),(C)抵抗温度特性
【0019】
【表6】
【0020】図表より、ヒーター(A),(B),
(C)の抵抗温度係数(TCR)は ヒーター(A)→α(A) =7.7×10-4 ヒーター(B)→α(B) =13.1×10-4 ヒーター(C)→α(C) =23.3×10-4 (測定回路)
【0021】
【表7】
【0022】各設定温度に於いてVpeak−peak,Ipeak
−peakを測定 Rt=VT peak−peak/IT peak−peakにてRtを算出
【0023】(2)ヒーター(A),(B),(C)の
初期昇温特性
【0024】
【表8】
【0025】AC200Vをヒーター(A),(B),
(C)に印加し、室温より450℃に達する時間を記録
計にて計測した。
【0026】(3)ヒーター(A),(B),(C)の
ヒートサイクル回数に依る抵抗値変化 (i)ヒート・サイクル・パターン
【0027】
【表9】
【0028】(ii)ヒート・サイクル回転に依る抵抗値
変化
【0029】
【表10】
【0030】(iii )ヒート・サイクル5万回後のヒー
ター(A),(B),(C)の室温抵抗値は ヒーター(A)→30.0Ω ヒーター(B)→25.9Ω ヒーター(C)→20.6Ω であった。抵抗温度特性は
【0031】
【表11】
【0032】となり、昇温特性はヒート・サイクル数5
万回後は明らかに初期とは逆転した。
【0033】
【表12】
【0034】又、ヒーター(A)はヒート・サイクル1
0万回以下、ヒーター(B)は15万回以下で断線破壊
した。 〔4〕評価試験結果とヒーター(C)の改善 (1)ヒーター(A),(B)はヒート・サイクル回数が
増加すると共に劣化し、ヒーター寿命は ヒーター(A)→ヒート・サイクル5万回 ヒーター(B)→ヒート・サイクル10万回 ヒーター(C)→ヒート・サイクル20万回以上となり ヒート・サイクル5万回以上に於いて、全ての性能に於
いてヒーター(C)が優位となる。 (2)ヒーター(C)の初期昇温特性は初期抵抗値の変更
に依り、ヒーター(A)と同等程度にする事が出来る。
ヒーター(A)の初期450℃に於ける抵抗値は R(A) =20.8〔1+α(A) (450−2
5)〕 t=450℃ 但し〔α(A) =7.7×10-4〕 =27.7Ω 従って、ヒーター(C)の450℃に於ける抵抗値R
(C) =27.7Ω t=450℃ とし、次式を得る。 R(C) =27.7=R(C) 〔1+α(C) (450
−25)〕 t=450℃ 〔α(C) =23.3×
10-4〕 R(C) =13.9Ωを得る。 t=25℃印刷条件を変更する事(ダブル・パス等)に
より、印刷厚みを1.5倍程度を目度として、初期抵抗
R (C)′=14.6Ωの当該AlN・セラミック・ヒー
ター (C)′を得た。 ヒーター (C)′の評価 (i)昇温特性
【0035】
【表13】
【0036】(ii)ヒート・サイクル試験
【0037】
【表14】
【0038】
【表15】
【0039】(3)以上の評価試験結果より以下の事が主
張出来る。 Pt−Pd粉体を組成成分とする抵抗発熱体ペーストを
印刷し、焼成されたAlN・セラミック・ヒーターは、
ヒート・サイクル回数が増加すると、Pdを含む割合が
多くなれば、劣化も早まる。従って、Ptのみで形成さ
れ、なおかつAl2 O3 と親和性を持つガラス・フリッ
トより成る、抵抗発熱体ペーストを用い、Al2 O3 被
膜を処理されたAlN・セラミック・ヒーターがベスト
で有ると言える。
【図面の簡単な説明】
【図1】窒化セラミック基板の説明図である。
【図2】窒化セラミックヒーターの説明図である。
【図3】窒化セラミックヒーターの要部断面説明図であ
る。
【符号の説明】
AlN 窒化アルミ Pt 白金 Pd パラジウム MgO マグネシア SiO2 シリカ CaO カルシア

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 AlNセラミック基板を、大気雰囲気
    中、当該抵抗発熱体ペースト焼成条件以上で焼成し、基
    板表面にAl2 O3 被膜を生成せしめ、結晶化温度95
    0℃以上のAl2 O3 と親和性の有るガラス・フリット
    とPt100%粉体より成る抵抗発熱体ペーストを当該
    基板に印刷し、大気雰囲気中1100〜1300℃の範
    囲で焼成するAlN・セラミック・ヒーターの製造方
    法。
  2. 【請求項2】 当該AlN・セラミック・ヒーターを使
    用し、保持温度50〜300℃の範囲、最高保持温度3
    50〜700℃の範囲で可逆過程を有するヒート・サイ
    クル運転を目的とするセラミック・ヒーターの製造方
    法。
  3. 【請求項3】 大気雰囲気中で焼成、酸化処理されたA
    lNセラミック基板にAl2 O3 を主成分とし、SiO
    2 、CaO、MgO、他、等の無機酸化物粉体とPt1
    00%粉体より成る抵抗発熱体ペーストを当該基板に印
    刷し、大気雰囲気中1250〜1500℃の範囲で焼成
    するAlN・セラミック・ヒーターの製造方法。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7928347B2 (en) * 2006-04-12 2011-04-19 Rohm Co., Ltd. Heating unit and method of making the same

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7928347B2 (en) * 2006-04-12 2011-04-19 Rohm Co., Ltd. Heating unit and method of making the same

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