JP2012182260A - サーミスタ素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な製造工程で作製可能であると共に薄い電極であってもレーザ溶接の直接の熱影響を回避でき、所望のサーミスタ特性が得られるサーミスタ素子およびその製造方法を提供すること。
【解決手段】 チップ状のサーミスタ用金属酸化物焼結体２と、該サーミスタ用金属酸化物焼結体２の両端に形成された一対の端子電極３と、一対の端子電極３に接合された一対のリード線４とを備え、サーミスタ用金属酸化物焼結体２に絶縁体部５が接合されていると共に、一対の端子電極３が絶縁体部５上まで延在して形成され、リード線４が、端子電極３のうち絶縁体部５の直上部分でレーザ溶接されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば自動車関係等の温度計測に用いられるサーミスタ素子及びその製造方法に関する。

一般に、自動車エンジン周りの触媒温度や排気系温度等を計測する温度センサとして、サーミスタ温度センサが採用されている。このサーミスタ温度センサに用いられるサーミスタ素子は、例えば、上記自動車関連技術、情報機器、通信機器、医療用機器、住宅設備機器等の温度センサとして利用され、大きな負の温度係数を有する酸化物半導体の焼結体の素子を用いている。

近年、低温から高温までの幅広い温度領域で測定可能なワイドレンジサーミスタ素子の要求が増えている。このようなサーミスタ素子の一般的な形としてサーミスタウェハに端子電極を塗布形成し、そのウェハを切断しフレーク素子にした後、一対の端子電極にリード線を接合させ、サーミスタチップ部を絶縁被覆層でモールドするサーミスタ素子が使われている。

電極線であるリード線との接合にあたっては、電極ペーストで固定することなどが主流であり、固着強度が弱いという問題があった。一方、固着強度向上が見込める代替接合技術としてレーザ溶接が候補となるが、レーザ溶接を用いてリード線と端子電極付きサーミスタとを直接接合するにあたり、単純にサーミスタフレーク上に電極膜を形成して端子電極とし、リード線を接合するとサーミスタ部分まで溶かす場合があり、その場合にはサーミスタ特性が変化してしまうなどの問題が発生した。

これを回避する技術としては、従来、サーミスタ以外の部分にレーザ溶接を用いてリード線を接合するといった方法が提案されている。例えば、特許文献１には、電極膜上にバンプを形成し、そのバンプに引出線（リード線）をレーザ溶接した薄膜温度センサが提案されている。また、特許文献２には、リード線が、厚く成膜されたＮｉめっき層の途中までレーザ溶接された薄膜温度センサが提案されている。

特開２００８−２４１５６６号公報 特開２０１０−１９７１６３号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、薄膜サーミスタ技術を用いる場合、サーミスタ薄膜や電極のパターン形成などが必要であり、製造工程が煩雑になってしまう不都合がある。また、単純に熱影響を回避するために電極層を厚くするなどの対策は有効であるが、熱影響を回避するために電極を一様に厚くした場合には、フレーク素子などに加工する際に切断工程で電極がはがれるおそれもあり、歩留まりが低下する可能性がある。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、簡易な製造工程で作製可能であると共に薄い電極であってもレーザ溶接の直接の熱影響を回避でき、所望のサーミスタ特性が得られるサーミスタ素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明のサーミスタ素子は、チップ状のサーミスタ用金属酸化物焼結体と、該サーミスタ用金属酸化物焼結体の両端に形成された一対の端子電極と、一対の前記端子電極に接合された一対のリード線とを備え、前記サーミスタ用金属酸化物焼結体に絶縁体部が接合されていると共に、前記一対の端子電極が前記絶縁体部上まで延在して形成され、前記リード線が、前記端子電極のうち前記絶縁体部の直上部分でレーザ溶接されていることを特徴とする。

このサーミスタ素子では、サーミスタ用金属酸化物焼結体に絶縁体部が接合されていると共に、一対の端子電極が絶縁体部上まで延在して形成され、リード線が、端子電極のうち絶縁体部の直上部分でレーザ溶接されているので、レーザ溶接箇所がサーミスタ用金属酸化物焼結体の直上からずらしたダミー部である絶縁体部の直上になることで、電極が薄い場合であってもサーミスタ用金属酸化物焼結体への直接の熱影響を回避できる。また、互いに接合されたチップ状のサーミスタ用金属酸化物焼結体と絶縁体部とに端子電極を形成するので、薄膜サーミスタ技術のような複数のパターン形成工程が不要である。

また、第２の発明のサーミスタ素子は、第１の発明において、前記絶縁体部が、前記サーミスタ用金属酸化物焼結体に含有された絶縁性酸化物で形成されていることを特徴とする。
すなわち、このサーミスタ素子では、絶縁体部が、サーミスタ用金属酸化物焼結体に含有された絶縁性酸化物で形成されているので、サーミスタ用金属酸化物焼結体と絶縁体部とが互いに共通する絶縁性酸化物を含有することで良好な接合性を得ることができる。

さらに、第３の発明のサーミスタ素子は、第２の発明において、前記サーミスタ用金属酸化物焼結体が、一般式：（１−ｚ）（Ｙ_１−ｙＬａ_ｙ）（Ｃｒ_１−ｘＭｎ_ｘ）Ｏ_３＋ｚＹ_２Ｏ_３（ただし、０．０≦ｘ≦１．０、０．０≦ｙ≦１．０、０＜ｚ≦０．８）で示されるものであり、前記絶縁体部が、Ｙ_２Ｏ_３で形成されていることを特徴とする。
このサーミスタ素子では、サーミスタ用金属酸化物焼結体が、一般式：（１−ｚ）（Ｙ_１−ｙＬａ_ｙ）（Ｃｒ_１−ｘＭｎ_ｘ）Ｏ_３＋ｚＹ_２Ｏ_３（ただし、０．０≦ｘ≦１．０、０．０≦ｙ≦１．０、０＜ｚ≦０．８）で示されるものであるので、Ｃｒ，Ｍｎ系ペロブスカイト型酸化物としてＡサイトにＬａが配され、抵抗値変化に影響を及ぼす原因であるペロブスカイト型酸化物への酸素の出入りが少なくなると共に、絶縁体材料として添加されたＹ_２Ｏ_３により、抵抗値変化率を抑制することができる。

第４の発明のサーミスタ素子の製造方法は、第１から第３の発明のいずれかのサーミスタ素子を製造する方法であって、前記サーミスタ用金属酸化物焼結体となるサーミスタ原料粉末を含むスラリーで第１グリーンシートを成形する工程と、前記絶縁体部となる絶縁性原料粉末を含むスラリーで第２グリーンシートを成形する工程と、前記第１グリーンシートと前記第２グリーンシートとを積層して密着させ積層グリーンシートを作製する工程と、前記積層グリーンシートを焼成してサーミスタ層と絶縁体層とからなる積層焼結板とする工程と、前記積層焼結板を短冊状に切断して短冊状積層体とする工程と、前記短冊状積層体の切断面に端子電極となる電極層を形成する工程と、前記短冊状積層体を切断して両端に前記端子電極が形成されたチップ状積層体とする工程と、前記チップ状積層体の端子電極のうち前記絶縁体層の直上部分にリード線を配置した状態で該リード線上にレーザ光を照射して前記リード線と前記端子電極とをレーザ溶接で接合する工程とを有していることを特徴とする。

すなわち、このサーミスタ素子の製造方法では、チップ状積層体の端子電極のうち絶縁体層の直上部分にリード線を配置した状態で該リード線上にレーザ光を照射してリード線と端子電極とをレーザ溶接で接合するので、端子電極が薄い場合であってもレーザ溶接の直接の熱影響は溶接箇所直下の絶縁体部のみに及んでサーミスタ用金属酸化物焼結体への熱影響を回避することができる。また、サーミスタ用金属酸化物焼結体となる第１グリーンシートと絶縁体部となる第２グリーンシートとを積層して密着させ積層グリーンシートとし、これを焼成するので、サーミスタ用金属酸化物焼結体と絶縁体部とを容易に積層および接合することができると共にそれぞれの厚さを高精度に制御することができ、高い生産性を得ることができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るサーミスタ素子およびその製造方法によれば、サーミスタ用金属酸化物焼結体に絶縁体部が接合されると共に、一対の端子電極が絶縁体部上まで延在して形成され、リード線が、端子電極のうち絶縁体部の直上部分でレーザ溶接されるので、電極が薄い場合であってもサーミスタ用金属酸化物焼結体への直接の熱影響を回避でき、所望のサーミスタ特性を得ることができる。

本発明に係るサーミスタ素子およびその製造方法の一実施形態を示す断面図である。 本実施形態において、サーミスタ素子の製造方法を工程順に示す斜視図である。

以下、本発明に係るサーミスタ素子およびその製造方法の一実施形態を、図１および図２を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

本実施形態のサーミスタ素子１は、図１に示すように、チップ状のサーミスタ用金属酸化物焼結体２と、該サーミスタ用金属酸化物焼結体２の両端に形成された一対の端子電極３と、一対の端子電極３に接合された一対のリード線４とを備え、サーミスタ用金属酸化物焼結体２に絶縁体部５が接合されていると共に、一対の端子電極３が絶縁体部５上まで延在して形成されている。
また、このサーミスタ素子１は、リード線４が、端子電極３のうち絶縁体部５の直上部分でレーザ溶接されている。

上記サーミスタ用金属酸化物焼結体２は、Ｌａ（Ｃｒ，Ｍｎ）Ｏ_３＋Ｙ_２Ｏ_３であり、一般式：（１−ｚ）（Ｙ_１−ｙＬａ_ｙ）（Ｃｒ_１−ｘＭｎ_ｘ）Ｏ_３＋ｚＹ_２Ｏ_３（ただし、０．０≦ｘ≦１．０、０．０≦ｙ≦１．０、０＜ｚ≦０．８）で示されるものが採用される。例えば、サーミスタ用金属酸化物焼結体２は、Ｌａ（Ｃｒ_０．５Ｍｎ_０．５）Ｏ_３を５０ｍｏｌ％とＹ_２Ｏ_３を５０ｍｏｌ％とを混合焼結したものである。

上記絶縁体部５は、Ｙ_２Ｏ_３で形成されている。すなわち、上記絶縁体部５は、サーミスタ用金属酸化物焼結体２に含有された絶縁性酸化物で形成されている。この絶縁体部５は、サーミスタ用金属酸化物焼結体２に比べて十分に抵抗値が大きい絶縁性材料で形成されている。
これらサーミスタ用金属酸化物焼結体２と絶縁体部５とは、フレーク型サーミスタチップとしてチップ状積層体６を構成している。このチップ状積層体６は、６面を有するチップ状（チップ状にはブロック状も含む）とされている。

なお、サーミスタ用金属酸化物焼結体２が、一般式：（１−ｚ）（Ｙ_１−ｙＬａ_ｙ）（Ｃｒ_１−ｘＭｎ_ｘ）Ｏ_３＋ｚＹ_２Ｏ_３（ただし、０．０≦ｘ≦１．０、０．０≦ｙ≦１．０、０＜ｚ≦０．８）で示されるものであるので、Ｃｒ，Ｍｎ系ペロブスカイト型酸化物としてＡサイトにＬａが配され、抵抗値変化に影響を及ぼす原因であるペロブスカイト型酸化物への酸素の出入りが少なくなると共に、絶縁体材料として添加されたＹ_２Ｏ_３により、抵抗値変化率を抑制することができる。

また、サーミスタ素子１の電気特性を示すパラメータであるＢ定数は、一般式：（１−ｚ）（Ｙ_１−ｙＬａ_ｙ）（Ｃｒ_１−ｘＭｎ_ｘ）Ｏ_３＋ｚＹ_２Ｏ_３のｘ，ｙ，ｚ量を変えることによって調整する。ただし、例えば、Ｂ定数が小さくなると、抵抗値も小さくなるので、形状を変えて抵抗調節できない場合は、絶縁体材料を混合焼結し、抵抗値を上げる必要がある。本実施形態では、絶縁体材料をＹ_２Ｏ_３とするが、これを他の絶縁体材料、例えば、ＺｒＯ_２，ＭｇＯ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＣｅＯ_２に変更しても構わない。その場合、絶縁体部５を構成する絶縁体材料も同様の材料に変更することが好ましい。

上記リード線４は、電極線であって、ジュメット線（銅被覆ニッケル鋼線）、Ｐｔ線又はＰｔにＲｈが含有されている線、ＰｔにＩｒが含有されている線等が採用される。
上記端子電極３としては、例えばＡｇ電極などが採用される。
なお、サーミスタ用金属酸化物焼結体２と絶縁体部５との端子電極３が形成されていない表面は、保護ガラス膜７で覆うことが好ましい。また、チップ状積層体６の周囲は、ガラス等の絶縁被覆材８で被覆されている。

次に、本実施形態のサーミスタ素子１の製造方法について、図２を参照して説明する。

本実施形態のサーミスタ素子１の製造方法は、図２に示すように、サーミスタ用金属酸化物焼結体２となるサーミスタ原料粉末を含むスラリーで第１グリーンシート１１を成形する工程と、絶縁体部５となる絶縁性原料粉末を含むスラリーで第２グリーンシート１２を成形する工程と、第１グリーンシート１１と第２グリーンシート１２とを積層して密着させ積層グリーンシート１３を作製する工程と、積層グリーンシート１３を焼成してサーミスタ層１４と絶縁体層１５とからなる積層焼結板１６とする工程と、積層焼結板１６を短冊状に切断して短冊状積層体１７とする工程と、短冊状積層体１７の切断面に端子電極３となる電極層１８を形成する工程と、短冊状積層体１７を切断して両端に端子電極３が形成されたチップ状積層体６とする工程と、チップ状積層体６の端子電極３のうち絶縁体層１５の直上部分にリード線４を配置した状態で該リード線４上にレーザ光Ｌを照射してリード線４と端子電極３とをレーザ溶接で接合する工程とを有している。

本製造方法をより具体的に以下に説明する。まず、サーミスタ原料粉末として、例えばＬａ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_２粉末をｍｏｌ比で２５：２５：１２．５：１２．５の比率で秤量後、ボールミルに入れ、Ｚｒボールと純水とを適量入れて約２４時間混合を行う。取り出して乾燥させた後、１３００℃で５ｈｒにて焼成し、Ｌａ（Ｃｒ_０．５Ｍｎ_０．５）Ｏ_３＋Ｙ_２Ｏ_３仮焼粉を得る。

その後、Ｚｒボールと純水とを用いてＬａ（Ｃｒ_０．５Ｍｎ_０．５）Ｏ_３＋Ｙ_２Ｏ_３仮焼粉を粉砕した後、乾燥させる。このようにして得られた混合原料粉に、ＰＶＢ，溶剤，分散剤および可塑剤を加えてボールミルで混合してスラリーを作製する。このスラリーをドクターブレード法により、図２の（ａ）に示すように、３００μｍ厚の第１グリーンシート１１に成形する。また、ダミー層である絶縁体層１５の原料としてＹ_２Ｏ_３粉末を前述の工程と同様にして第２グリーンシート１２を成形する。

次に、図２の（ｂ）に示すように、第１グリーンシート１１と第２グリーンシート１２とを熱圧着プレスにて積層し、密着させた後、ＩＳＰ（熱間静水圧プレス）で処理して積層グリーンシート１３を得る。さらに、この積層グリーンシート１３を５０×５０ｍｍ角に切断し、脱バインダー処理を行った後、１６００℃で５時間焼成を行ってサーミスタ層１４と絶縁体層１５とからなる積層焼結板１６を形成する。その後、積層焼結板１６の両面を１００μｍ程度研磨し、平坦に加工する。

その後、図２の（ｃ）に示すように、積層焼結板１６の両面に保護ガラスを印刷して乾燥後、８５０℃で焼付けを行い保護ガラス膜７を形成する。さらに、ダイシングマシーンで幅０．３ｍｍの積層焼結板１６を短冊状に切り出し、短冊状積層体１７を作製する。次に、図２の（ｄ）に示すように、短冊状積層体１７の切断面であるサーミスタ用金属酸化物焼結体２と絶縁体部５とが露出している２面にＡｇペーストを塗布して乾燥させ、８５０℃で焼成を行って端子電極３となる電極層１８を形成する。

次に、先ほど切断した方向とは垂直にダイシングマシーンで短冊状積層体１７を切断し、図２の（ｅ）に示すように、フレーク型サーミスタチップであるチップ状積層体６を作製する。
このチップ状積層体６にリード線４を接続するため、まず、ジュメット線であるリード線４を絶縁体部５の直上に配置し、Ａｕペーストを用いて仮固定し乾燥を行う。

この状態で絶縁体部５の中央部とリード線４と照射するレーザ光Ｌとが直線上に並ぶように配置し、図２の（ｆ）に示すように、レーザ溶接を行う。このようにしてチップ状積層体６にリード線４が溶接される。なお、さらに耐環境性を向上させるために、周囲をガラス等の絶縁被覆材８で被覆することで、サーミスタ素子１が作製される。
作製されたサーミスタ素子１は、端子電極３とリード線４との接合が強固なままであると共に、図１中の二点鎖線で示すように、レーザ照射による熱影響はサーミスタ特性に影響のない絶縁体部５にのみ生じて、サーミスタ用金属酸化物焼結体２が直接的に影響を受けていないので、サーミスタ特性が変化することなく安定かつ高歩留な素子を得ることができる。

このように本実施形態のサーミスタ素子１では、サーミスタ用金属酸化物焼結体２に絶縁体部５が接合されていると共に、一対の端子電極３が絶縁体部５上まで延在して形成され、リード線４が、端子電極３のうち絶縁体部５の直上部分でレーザ溶接されているので、レーザ溶接箇所がサーミスタ用金属酸化物焼結体２の直上からずらしたダミー部である絶縁体部５の直上になることで、端子電極３が薄い場合であってもサーミスタ用金属酸化物焼結体２への直接の熱影響を回避できる。
すなわち、製造時に、チップ状積層体６の端子電極３のうち絶縁体層１５の直上部分にリード線４を配置した状態で該リード線４上にレーザ光Ｌを照射してリード線４と端子電極３とをレーザ溶接で接合するので、レーザ溶接の直接の熱影響は溶接箇所直下の絶縁体部５のみに及んでサーミスタ用金属酸化物焼結体２への熱影響を回避することができる。

また、互いに接合されたチップ状のサーミスタ用金属酸化物焼結体２と絶縁体部５とに端子電極３を形成するので、薄膜サーミスタ技術のような複数のパターン形成工程が不要である。
また、絶縁体部５が、サーミスタ用金属酸化物焼結体２に含有された絶縁性酸化物で形成されているので、サーミスタ用金属酸化物焼結体２と絶縁体部５とが互いに共通する絶縁性酸化物を含有することで良好な接合性を得ることができる。

さらに、製造時には、サーミスタ用金属酸化物焼結体２となる第１グリーンシート１１と絶縁体部５となる第２グリーンシート１２とを積層して密着させ積層グリーンシート１３とし、これを焼成するので、サーミスタ用金属酸化物焼結体２と絶縁体部５とを容易に積層および接合することができると共にそれぞれの厚さを高精度に制御することができ、高い生産性を得ることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

１…サーミスタ素子、２…サーミスタ用金属酸化物焼結体、３…端子電極、４…リード線、５…絶縁体部、６…チップ状積層体、１１…第１グリーンシート、１２…第２グリーンシート、１３…積層グリーンシート、１４…サーミスタ層、１５…絶縁体層、１６…積層焼結板、１７…短冊状積層体、１８…電極層、Ｌ…レーザ光

Claims (4)

1. チップ状のサーミスタ用金属酸化物焼結体と、
   該サーミスタ用金属酸化物焼結体の両端に形成された一対の端子電極と、
   一対の前記端子電極に接合された一対のリード線とを備え、
   前記サーミスタ用金属酸化物焼結体に絶縁体部が接合されていると共に、前記一対の端子電極が前記絶縁体部上まで延在して形成され、
   前記リード線が、前記端子電極のうち前記絶縁体部の直上部分でレーザ溶接されていることを特徴とするサーミスタ素子。
2. 請求項１に記載のサーミスタ素子において、
   前記絶縁体部が、前記サーミスタ用金属酸化物焼結体に含有された絶縁性酸化物で形成されていることを特徴とするサーミスタ素子。
3. 請求項２に記載のサーミスタ素子において、
   前記サーミスタ用金属酸化物焼結体が、一般式：（１−ｚ）（Ｙ_１−ｙＬａ_ｙ）（Ｃｒ_１−ｘＭｎ_ｘ）Ｏ_３＋ｚＹ_２Ｏ_３（ただし、０．０≦ｘ≦１．０、０．０≦ｙ≦１．０、０＜ｚ≦０．８）で示されるものであり、
   前記絶縁体部が、Ｙ_２Ｏ_３で形成されていることを特徴とするサーミスタ素子。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のサーミスタ素子の製造方法であって、
   前記サーミスタ用金属酸化物焼結体となるサーミスタ原料粉末を含むスラリーで第１グリーンシートを成形する工程と、
   前記絶縁体部となる絶縁性原料粉末を含むスラリーで第２グリーンシートを成形する工程と、
   前記第１グリーンシートと前記第２グリーンシートとを積層して密着させ積層グリーンシートを作製する工程と、
   前記積層グリーンシートを焼成してサーミスタ層と絶縁体層とからなる積層焼結板とする工程と、
   前記積層焼結板を短冊状に切断して短冊状積層体とする工程と、
   前記短冊状積層体の切断面に端子電極となる電極層を形成する工程と、
   前記短冊状積層体を切断して両端に前記端子電極が形成されたチップ状積層体とする工程と、
   前記チップ状積層体の端子電極のうち前記絶縁体層の直上部分にリード線を配置した状態で該リード線上にレーザ光を照射して前記リード線と前記端子電極とをレーザ溶接で接合する工程とを有していることを特徴とするサーミスタ素子の製造方法。

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