JP4629356B2 - Manufacturing method of ceramic heater - Google Patents
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Description
本発明は、セラミックヒータの製造方法に関する。更に詳しくは、本発明は、複数の未焼成導体パターン、例えば、５〜５００個の未焼成導体パターンが設けられた未焼成セラミックシートを用いて、多数の未焼成セラミックヒータを作製し、これらを焼成してセラミックヒータを製造する場合に、導体パターンの電気抵抗が設計値の範囲内となるように、予め未焼成導体パターンの線幅を調整しておくセラミックヒータの製造方法に関する。
本発明は、車両用の各種センサ、ディーゼルエンジンのグロープラグの加熱及び半導体基板の加熱等の加熱源などの用途において利用することができる。
The present invention relates to a method for manufacturing a ceramic heater. More specifically, the present invention produces a plurality of unfired ceramic heaters using unfired ceramic sheets provided with a plurality of unfired conductor patterns, for example, 5 to 500 unfired conductor patterns. The present invention relates to a method for manufacturing a ceramic heater in which the line width of an unfired conductor pattern is adjusted in advance so that the electrical resistance of the conductor pattern falls within a design value range when the ceramic heater is manufactured by firing.
The present invention can be used in applications such as various sensors for vehicles, heating sources such as heating of glow plugs of diesel engines and heating of semiconductor substrates.
従来、セラミックヒータは、アルミナ等の絶縁性の高いセラミックからなる未焼成セラミックシートに、白金粉末等の導電粉末を含有する導体用ペーストをスクリーン印刷等により塗布し、乾燥し、その後、一体に焼成することによって製造されている。 Conventionally, ceramic heaters are made by applying a conductive paste containing conductive powder such as platinum powder to an unfired ceramic sheet made of highly insulating ceramic such as alumina by screen printing or the like, drying, and then firing integrally. It is manufactured by
セラミックヒータは、上記のように未焼成セラミックシートと導体用ペーストとを用いて製造されているが、特に、車両用の各種センサ等に用いられるヒータでは、個々のヒータを別個に作製したのでは効率よく製造することができない。そのため、多数個取りが可能な大きさの未焼成セラミックシートに多数の未焼成導体パターンを形成し、その後、各々の未焼成導体パターンを有する小片を切り出し、次いで、焼成する効率のよい方法が提案され、実施されている（例えば、特許文献１参照）。 Ceramic heaters are manufactured using unfired ceramic sheets and conductor pastes as described above. Especially, heaters used for various sensors for vehicles, etc., are not prepared individually. It cannot be manufactured efficiently. Therefore, an efficient method is proposed in which a large number of unfired conductor patterns are formed on an unfired ceramic sheet that is large enough to be picked, and then a small piece having each unfired conductor pattern is cut out and then fired. (See, for example, Patent Document 1).
しかし、この多数の未焼成セラミックヒータを未焼成セラミックシートから切り出して同時に形成する方法では、同一品番のセラミックヒータを繰り返し生産（言い換えれば量産）するにあたって、焼成後におけるヒータの導体パターンの電気抵抗が、未焼成セラミックシート間でばらつくという問題（第１の問題）があった。このように、得られるヒータの導体パターンの電気抵抗が未焼成セラミックシート間にてばらつきを生じるのは、未焼成セラミックシートや導体用ペーストを構成する原料ロット間に生じる微妙な性状のばらつきが主な要因になっていると考えられる。なお、ここでいう原料ロットとは、同一品番のセラミックヒータを複数生産する目的で、未焼成セラミックシートあるいは未焼成導体ペーストとなる原料を所定量取りまとめて調製した集まり（単位）のことである。また、多数の未焼成セラミックヒータを未焼成セラミックシートから切り出して同時に形成する方法では、焼成後における各ヒータの導体パターンの電気抵抗が、同一の未焼成セラミックシート内にてばらつくといった問題（第２の問題）もあった。これは、導体用ペーストを用いてスクリーン印刷等により複数の未焼成導体パターンを未焼成セラミックシートに一度に形成する場合、複数の未焼成導体パターンを均一に一度で形成することが現実的に困難であることに起因している。 However, in the method in which a large number of unfired ceramic heaters are cut out from the unfired ceramic sheet and formed simultaneously, the electrical resistance of the conductor pattern of the heater after firing is reduced when repeatedly producing (in other words, mass production) the same number of ceramic heaters. There was a problem (a first problem) that the green ceramic sheets varied. As described above, the electrical resistance of the conductor pattern of the heater obtained varies among the unfired ceramic sheets mainly due to subtle variations in the properties that occur between the raw ceramic sheets and the raw material lots constituting the conductor paste. This is thought to be a major factor. The raw material lot referred to here is a group (unit) prepared by collecting a predetermined amount of raw materials to be an unfired ceramic sheet or an unfired conductor paste for the purpose of producing a plurality of ceramic heaters having the same product number. Further, in the method in which a large number of unfired ceramic heaters are cut out from the unfired ceramic sheet and simultaneously formed, the electrical resistance of the conductor pattern of each heater after firing varies within the same unfired ceramic sheet (second) Problem). This is because it is practically difficult to form a plurality of unfired conductor patterns uniformly at a time when a plurality of unfired conductor patterns are formed on the unfired ceramic sheet by screen printing or the like using a conductor paste. This is due to the fact that
そして、上述した要因によって、ヒータの導体パターンの抵抗値が設計値の範囲を外れることがあると、歩留まりが低下することにつながる。そこで、従来より、予め抵抗値が設計値より低くなるように未焼成導体パターンを形成し、焼成後、ＹＡＧレーザ等により導体パターンをカットし、設計値の範囲内となるまで抵抗値を調整する、所謂、トリミング法により補正する手法が知られている。 When the resistance value of the conductor pattern of the heater may be out of the design value range due to the above-described factors, the yield decreases. Therefore, conventionally, an unfired conductor pattern is formed in advance so that the resistance value is lower than the design value, and after firing, the conductor pattern is cut with a YAG laser or the like, and the resistance value is adjusted until it is within the design value range. A so-called trimming method is known.
しかし、トリミング法では、導体パターンの一部がカットされるため、その近傍における抵抗値が高くなり、このような導体パターンに通電した場合、局所的な発熱により導体パターンが断線することもある。また、このトリミング法は、多数個取りされた小片（セラミックヒータ）に対して個々に実施しなければならず、同一品番のセラミックヒータを作製するにあたっても手間がかかり、製造効率上好ましいとは言い難いものであった。 However, in the trimming method, since a part of the conductor pattern is cut, the resistance value in the vicinity thereof becomes high, and when the conductor pattern is energized, the conductor pattern may be disconnected due to local heat generation. In addition, this trimming method must be performed individually for a large number of small pieces (ceramic heaters), and it takes time to produce ceramic heaters of the same product number, which is preferable in terms of manufacturing efficiency. It was difficult.
本発明は、上記の従来の問題を解決するものであり、導体パターンの電気抵抗が設定値となるように、原料ロット毎に未焼成導体パターンの線幅を調整して、本セラミックヒータを製造するセラミックヒータの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and manufactures the ceramic heater by adjusting the line width of the unfired conductor pattern for each raw material lot so that the electric resistance of the conductor pattern becomes a set value. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a ceramic heater.
本発明は以下のとおりである。
１．未焼成セラミックシートと、該未焼成セラミックシートに配設された複数の未焼成導体パターンとを備えるセラミックヒータ用未焼成基板を作製し、その後、該セラミックヒータ用未焼成基板から、未焼成セラミック層と、該未焼成セラミック層に配設された未焼成導体パターンとを備える複数の未焼成セラミックヒータを切り出し、次いで、各々の該未焼成セラミックヒータを焼成し、その後、それぞれの該未焼成導体パターンが焼成されてなる各々の導体パターンの電気抵抗を測定し、次いで、それぞれの導体パターンの電気抵抗の平均値を算出し、その後、該平均値と、電気抵抗の設計値との差が小さくなるように線幅が調整された複数の線幅調整未焼成導体パターンを備えるセラミックヒータ用未焼成基板を、該未焼成セラミックシート及び該未焼成導体パターンを作製した原料ロットと同じ原料ロットより作製し、次いで、該セラミックヒータ用未焼成基板から、未焼成セラミック層と、該未焼成セラミック層に配設された該線幅調整未焼成導体パターンとを備える複数の線幅調整後未焼成セラミックヒータを切り出し、その後、各々の該線幅調整後未焼成セラミックヒータを焼成してセラミックヒータを得るものであって、
同一品番の当該セラミックヒータを複数の原料ロットを用いて得るにあたり、該原料ロットが代わる毎に、前記平均値を算出し、その後、該平均値と、電気抵抗の設計値との差が小さくなるように線幅が調整された前記複数の線幅調整未焼成導体パターンを形成して、セラミックヒータを得ることを特徴とするセラミックヒータの製造方法。
２．前記導体パターンの面積と、前記平均値とから、該平均値が前記設計値となる面積を算出し、算出された該面積に基づき前記線幅の調整値を設定する前記１．に記載のセラミックヒータの製造方法。
The present invention is as follows.
1. An unsintered ceramic layer comprising a non-sintered ceramic sheet and a plurality of unsintered conductor patterns disposed on the unsintered ceramic sheet is produced, and then the unsintered ceramic layer is formed from the unsintered substrate for the ceramic heater. A plurality of unfired ceramic heaters, and then firing each unfired ceramic heater, and then firing each unfired conductor pattern. Is measured, and then the average value of the electrical resistance of each conductor pattern is calculated. Thereafter, the difference between the average value and the design value of the electrical resistance is reduced. An unfired ceramic substrate for a ceramic heater comprising a plurality of line width adjusted unfired conductor patterns with adjusted line widths From the same raw material lot as the raw material lot from which the green conductor pattern was manufactured, and then from the green substrate for the ceramic heater, the green ceramic layer and the line width disposed on the green ceramic layer Cutting out a plurality of line width adjusted unfired ceramic heaters with adjusted unfired conductor patterns, and then firing each line width adjusted unfired ceramic heater to obtain a ceramic heater,
In obtaining the ceramic heater of the same product number using a plurality of raw material lots, the average value is calculated every time the raw material lots are changed, and thereafter, the difference between the average value and the design value of the electric resistance is reduced. A method of manufacturing a ceramic heater, comprising: forming a plurality of line width adjusted unfired conductor patterns with adjusted line widths to obtain a ceramic heater.
2. From the area of the conductor pattern and the average value, an area where the average value becomes the design value is calculated, and the adjustment value of the line width is set based on the calculated area. A method for producing the ceramic heater according to 1.
本発明のセラミックヒータの製造方法によれば、特定の原料ロットを用いて事前に未焼成セラミックヒータを複数作製し、その未焼成セラミックヒータを焼成して導体パターンの平均値を測定している。そして、事前に作製された未焼成セラミックヒータの未焼成セラミックシートと未焼成導体パターンと同じ原料ロットを用いて、上記平均値と設計値との差が小さくするように線幅が調整された未焼成導体パターンを備える線幅調整後未焼成セラミックヒータを作製している。つまり、本発明のセラミックヒータの製造方法によれば、特定の原料ロットを用いて未焼成セラミックヒータを作製するのに先立って、その原料を用いたときに形成される導体パターンの平均値を事前に把握し、かつその平均値と設計値との差を小さくするように線幅調整後未焼成セラミックヒータを作製するようにしている。これにより、同一品番のセラミックヒータを作製するにあたって原料ロットが異なる場合にも、原料ロット毎に各セラミックヒータの電気抵抗を設計値に合わせ込む、又は設計値に近付けることができ、セラミックヒータの量産時における原料ロット間のばらつきを低減することができる。また、このように原料ロットが代わる毎に導体パターンの電気抵抗を事前に把握し、その原料ロットに適した線幅調整後未焼成セラミックヒータを作製するだけで、原料ロット間のばらつきを低減することができるため、従来のトリミング法を用いる場合と比較して製造効率の観点からも優れる。
また、導体パターンの面積と、平均値とから、平均値が設計値となる面積を算出し、算出された面積に基づき未焼成導体パターンの線幅の調整値を設定する場合は、簡便な方法で容易に所定の抵抗を有する導体パターンを備えるセラミックヒータとすることができる。なお、未焼成導体パターンの線幅は、通常、厚み（膜厚）に対して１０倍以上の大きさを有していることから、線幅の調整は、膜厚の調整に比較して細かい調整を容易に行うことができ、ひいては導体パターンの電気抵抗の調整を容易に行うことができる。
According to the ceramic heater manufacturing method of the present invention, a plurality of unfired ceramic heaters are prepared in advance using a specific raw material lot, and the unfired ceramic heaters are fired to measure the average value of the conductor pattern. Using the same raw material lot as the unfired ceramic sheet and the unfired conductor pattern of the unfired ceramic heater prepared in advance, the line width was adjusted so that the difference between the average value and the design value was reduced. An unsintered ceramic heater is prepared after adjusting the line width with the sintered conductor pattern. That is, according to the method for manufacturing a ceramic heater of the present invention, prior to producing an unfired ceramic heater using a specific raw material lot, the average value of the conductor pattern formed when using the raw material is determined in advance. The green ceramic heater is prepared after adjusting the line width so as to reduce the difference between the average value and the design value. This enables the electrical resistance of each ceramic heater to be adjusted to or close to the design value for each raw material lot even if the raw material lots are different when producing the same part number ceramic heater. Variations between raw material lots at the time can be reduced. In addition, each time a raw material lot is changed in this way, the electrical resistance of the conductor pattern is grasped in advance, and the variation between the raw material lots can be reduced simply by producing an unfired ceramic heater after adjusting the line width suitable for the raw material lot. Therefore, it is excellent from the viewpoint of manufacturing efficiency as compared with the case of using the conventional trimming method.
Also, when calculating the area where the average value is the design value from the area of the conductor pattern and the average value, and setting the adjustment value of the line width of the unfired conductor pattern based on the calculated area, a simple method Thus, a ceramic heater having a conductor pattern having a predetermined resistance can be easily obtained. Since the line width of the unfired conductor pattern usually has a size of 10 times or more with respect to the thickness (film thickness), the adjustment of the line width is finer than the adjustment of the film thickness. Adjustment can be performed easily, and consequently the electrical resistance of the conductor pattern can be adjusted easily.
更に、幅方向の中央部及び両端部側の各々の導体パターンの電気抵抗の差が小さくなるように、両端部側に設けられた未焼成導体パターンの線幅を大きくした線幅調整後未焼成セラミックヒータを焼成してなる参考発明のセラミックヒータの製造方法によれば、電気抵抗が大きくなる傾向にある両端部側の導体パターンの抵抗を小さくすることができ、不良品の発生を防止、又は少なくとも抑えることができるとともに、各々の導体パターンの抵抗の差を小さくすることもできる。
また、未焼成導体パターン及び線幅調整未焼成導体パターンが、スクリーン印刷法又はスパッタ法により設けられた場合は、両端部側の未焼成導体パターン及び線幅調整未焼成導体パターンの厚さが薄くなる傾向にあるため、両端部側の線幅調整未焼成導体パターンの線幅を大きくすることによる中央部と両端部側との導体パターンの電気抵抗の差を小さくする作用、効果がより顕著である。
Furthermore, the line width of the unfired conductor pattern provided on both ends is increased and the unfired line width is adjusted so that the difference in electrical resistance between the conductor patterns on the center and both ends on the width direction is reduced. According to the method for manufacturing a ceramic heater of the reference invention obtained by firing the ceramic heater, the resistance of the conductor pattern on both end sides where the electrical resistance tends to increase can be reduced, and the occurrence of defective products can be prevented, or At least, the difference in resistance between the conductor patterns can be reduced.
Also, when the unfired conductor pattern and the line width adjusted unfired conductor pattern are provided by the screen printing method or the sputtering method, the unfired conductor pattern and the line width adjusted unfired conductor pattern on both ends are thin. Therefore, the action and effect of reducing the difference in electrical resistance of the conductor pattern between the center part and both end parts by increasing the line width of the unfired conductor pattern on both ends are more remarkable. is there.
以下、本発明を詳細に説明する。
上記「未焼成セラミックシート」は、セラミック粉末、有機バインダ、可塑剤、溶媒等を混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いてドクターブレード法等によりシートを成形し、その後、乾燥させて溶媒を除去し、次いで、加熱して有機バインダを除去する等の方法により形成することができる。セラミック粉末としては、アルミナ、ムライト、スピネル等が挙げられ、絶縁性に優れ、十分な耐熱性及び機械的強度等を有するアルミナが特に好ましい。また、スラリーには焼結助剤を含有させることもできる。この焼結助剤としては、例えば、シリカ、カルシア、マグネシア及び加熱によって酸化物となる炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等が挙げられる。焼結助剤は１種のみを用いてもよいし、２種以上を用いてもよい。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The “unfired ceramic sheet” is prepared by mixing a ceramic powder, an organic binder, a plasticizer, a solvent, etc., and preparing a slurry by using this slurry, forming a sheet by a doctor blade method or the like, and then drying to form a solvent. Then, it can be formed by a method such as heating to remove the organic binder. Examples of the ceramic powder include alumina, mullite, spinel and the like, and alumina having excellent insulating properties and sufficient heat resistance and mechanical strength is particularly preferable. The slurry may contain a sintering aid. Examples of the sintering aid include silica, calcia, magnesia, and calcium carbonate and magnesium carbonate that become oxides when heated. Only one kind of sintering aid may be used, or two or more kinds may be used.
上記「未焼成導体パターン」は、未焼成発熱部と、この未焼成発熱部に連設された未焼成リード部とを有する。未焼成発熱部は、焼成後、発熱部となり、通電により発熱する部分である。更に、未焼成リード部は、焼成後、リード部となり、ヒータ端子と接続される部分である。この未焼成発熱部と未焼成リード部とは、一体に形成されることもあり、各々が別体として形成されることもある。この未焼成導体パターンは、未焼成セラミックシートの表面に、少なくとも導電粉末を含有する導体用ペーストを、スクリーン印刷法等により塗布する方法により形成することができる。導電粉末は特に限定されず、白金、金、タングステン及びモリブデン等が挙げられる。未焼成導体パターンは、白金、金、タングステン及びモリブデン等を用いて、スパッタ法などにより形成することもできる。 The “unfired conductor pattern” has an unfired heat generating portion and unfired lead portions connected to the unfired heat generating portion. The unfired heat generating portion is a portion that becomes a heat generating portion after firing and generates heat when energized. Further, the unfired lead portion becomes a lead portion after firing and is a portion connected to the heater terminal. The unsintered heat generating part and the unsintered lead part may be formed integrally, or each may be formed separately. This unfired conductor pattern can be formed by applying a paste for conductor containing at least a conductive powder on the surface of an unfired ceramic sheet by a screen printing method or the like. The conductive powder is not particularly limited, and examples thereof include platinum, gold, tungsten, and molybdenum. The unfired conductor pattern can also be formed by sputtering or the like using platinum, gold, tungsten, molybdenum, or the like.
この未焼成導体パターンは、導電粉末と、未焼成セラミックシートに含まれるセラミック成分とを含有するペーストを用いて形成することもできる。未焼成セラミックシートに含まれるセラミック成分は、未焼成導体パターンを１００質量部とした場合に、１〜３０質量部、特に３〜２０質量部であることが好ましい。セラミック成分の含有量が１〜３０質量部であれば、焼成後、セラミック層と導体パターンとが十分に密着し、耐久性の高いセラミックヒータとすることができる。 This unfired conductor pattern can also be formed using a paste containing conductive powder and a ceramic component contained in the unfired ceramic sheet. The ceramic component contained in the unfired ceramic sheet is preferably 1 to 30 parts by weight, particularly 3 to 20 parts by weight, when the unfired conductor pattern is 100 parts by weight. If content of a ceramic component is 1-30 mass parts, after baking, a ceramic layer and a conductor pattern will fully adhere | attach, and it can be set as a highly durable ceramic heater.
未焼成セラミックシートには複数の未焼成導体パターンが配設される。この未焼成導体パターンの個数は特に限定されないが、５〜５００個、特に１０〜２００個とすることができる。また、未焼成セラミックシートの表面における未焼成導体パターンの配置も特に限定されないが、通常、同一の形状及び寸法を有する未焼成導体パターンが、縦方向及び横方向に等間隔に配設される。このようにすれば、同一規格のセラミックヒータを効率よく量産することができる。 The green ceramic sheet is provided with a plurality of green conductor patterns. The number of the unfired conductor patterns is not particularly limited, but may be 5 to 500, particularly 10 to 200. Further, the arrangement of the unfired conductor pattern on the surface of the unfired ceramic sheet is not particularly limited, but usually unfired conductor patterns having the same shape and dimensions are arranged at equal intervals in the vertical direction and the horizontal direction. By doing so, ceramic heaters of the same standard can be mass-produced efficiently.
上記「未焼成セラミックヒータ」は、複数の未焼成導体パターンが配設された未焼成セラミックシートから、未焼成セラミック層と、各々の未焼成導体パターンとを有する個々の小片を切り出すことにより作製することができる。この未焼成セラミックヒータは、未焼成セラミック層と、この未焼成セラミック層の表面に接して設けられた未焼成導体パターンとを有し、それぞれの未焼成セラミックヒータを焼成することで複数のセラミックヒータを同時に製造することができる。 The “unfired ceramic heater” is produced by cutting out individual pieces having an unfired ceramic layer and each unfired conductor pattern from an unfired ceramic sheet on which a plurality of unfired conductor patterns are arranged. be able to. This unfired ceramic heater has an unfired ceramic layer and an unfired conductor pattern provided in contact with the surface of the unfired ceramic layer, and firing each unfired ceramic heater to produce a plurality of ceramic heaters Can be manufactured at the same time.
製造された複数のセラミックヒータは、各々のセラミックヒータの導体パターンの電気抵抗を測定し、その後、それぞれの導体パターンの電気抵抗の平均値を算出し、次いで、この平均値と、電気抵抗の設計値との差が小さくなるように、未焼成導体パターンのうちの少なくとも未焼成発熱部の線幅を調整して上記「線幅調整未焼成導体パターン」とすることにより、抵抗値を補正することができる。このとき、線幅調整未焼成導体パターンを含む線幅調整後未焼成セラミックヒータは、事前に導体パターンの電気抵抗の平均値を測定するために作製されたセラミックヒータの未焼成セラミックシート及び未焼成導体ペーストと同じ原料ロットを用いて作製することが重要である。このように、線幅を調整し、以後、この調整された線幅を有する線幅調整未焼成導体パターンとすることで、焼成後、各々のセラミックヒータの導体パターンの線幅等を調整する場合に比べて、極めて容易にセラミックヒータの抵抗値を設計値の範囲内とすることができ、又は少なくとも設計値を外れるヒータを減少させることができ、歩留まりを向上させることができる。また、同一品番のセラミックヒータを複数の原料ロットを用いて作製するにあたり、原料ロット毎に上述した線幅調整未焼成導体パターンを形成するようにしたことで、原料ロット間における導体パターンの抵抗値のばらつきが生じるのを効果的に抑えることができる。 A plurality of manufactured ceramic heaters measure the electric resistance of the conductor pattern of each ceramic heater, and then calculate the average value of the electric resistance of each conductor pattern, and then the average value and the design of the electric resistance The resistance value is corrected by adjusting the line width of at least the unfired heat generating portion of the unfired conductor pattern so as to make the above-mentioned “line width adjusted unfired conductor pattern” so that the difference from the value becomes small Can do. At this time, the non-fired ceramic heater after the line width adjustment including the line width-adjusted unfired conductor pattern is obtained by measuring the average value of the electrical resistance of the conductor pattern in advance. It is important to produce using the same raw material lot as the conductor paste. In this way, the line width is adjusted, and thereafter the line width adjustment unfired conductor pattern having the adjusted line width is used to adjust the line width and the like of each ceramic heater conductor pattern after firing. As compared with the above, the resistance value of the ceramic heater can be set within the range of the design value very easily, or at least the number of heaters that deviate from the design value can be reduced, and the yield can be improved. In addition, when manufacturing ceramic heaters of the same product number using a plurality of raw material lots, the resistance value of the conductor pattern between the raw material lots is formed by forming the above-described line width adjusted unfired conductor pattern for each raw material lot. Can be effectively suppressed.
線幅を調整する方法は特に限定されないが、セラミックヒータの導体パターンの面積（導体パターンの面積の設計値でもよいし、各々の導体パターンの面積を実測し、それぞれの面積値から算出される平均値でもよい。）と、抵抗値の平均値とから、この平均値が抵抗値の設計値となる面積を算出し、算出された面積に基づき線幅調整未焼成導体パターンの線幅の調整値を設定することができる。この方法では、それぞれのセラミックヒータの導体パターンの電気抵抗を、全体に上方又は下方に移行させることで、抵抗値が設計値の範囲から外れた導体パターンを有するセラミックヒータをなくす、又は少なくとも減少させることができる。 The method of adjusting the line width is not particularly limited, but the area of the conductor pattern of the ceramic heater (the design value of the area of the conductor pattern may be used, or the area of each conductor pattern may be measured and the average calculated from each area value. And an average value of the resistance value, an area where the average value is a design value of the resistance value is calculated, and the line width adjustment value of the unfired conductor pattern is adjusted based on the calculated area Can be set. In this method, the electrical resistance of the conductor pattern of each ceramic heater is shifted upward or downward as a whole, thereby eliminating or at least reducing the ceramic heater having a conductor pattern whose resistance value is out of the design value range. be able to.
ところで、未焼成セラミックシートの幅方向に多数の未焼成導体パターンが並列に配置され、この未焼成導体パターンが、特に、スクリーン印刷法及びスパッタ法により設けられたときは、幅方向の中央部では未焼成導体パターンの膜厚が所定の厚さとなり、両端部側では所定の厚さより薄くなる傾向がある。そこで、この参考発明の方法では、未焼成セラミックシートの幅方向の両端部側の未焼成導体パターンの線幅を、中央部の未焼成導体パターンの線幅より大きくし、以後、この調整された線幅を有する線幅調整未焼成導体パターンとする。これにより、焼成後、個々のセラミックヒータの導体パターンの線幅等を調整する場合に比べて、極めて容易にセラミックヒータの抵抗値を設計値の範囲内とすることができ、又は少なくとも設計値の範囲を外れるヒータを減少させることができ、導体パターンの電気抵抗が同一の未焼成セラミックシート内にてばらつくことを有効に抑えることもできる。尚、隣り合う未焼成導体パターン及び線幅調整未焼成導体パターンの間隔は一定であってもよく、一定でなくてもよいが、より安定した品質のセラミックヒータを効率よく容易に量産するためには一定であることが好ましい。また、未焼成セラミックシートの幅方向における両端部側の未焼成導体パターンの線幅を調整する方法は、上述した線幅の調整方法と同様である。 By the way, when a large number of unfired conductor patterns are arranged in parallel in the width direction of the unfired ceramic sheet, and this unfired conductor pattern is provided by the screen printing method and the sputtering method, in the central portion in the width direction. The film thickness of the unfired conductor pattern has a predetermined thickness, and tends to be thinner than the predetermined thickness on both ends. Therefore, in the method of this reference invention, the line width of the unfired conductor pattern on both ends in the width direction of the unfired ceramic sheet is made larger than the line width of the unfired conductor pattern in the center, and this adjustment was performed thereafter. A line width adjusted unfired conductor pattern having a line width is used. As a result, the resistance value of the ceramic heater can be made within the range of the design value very easily compared with the case where the line width of the conductor pattern of each ceramic heater is adjusted after firing, or at least the design value of It is possible to reduce the number of heaters that are out of range, and it is possible to effectively suppress variation in the electric resistance of the conductor pattern in the same unfired ceramic sheet. The interval between adjacent unfired conductor patterns and line width adjusted unfired conductor patterns may or may not be constant, but in order to mass-produce ceramic heaters of more stable quality efficiently and easily. Is preferably constant. Further, the method for adjusting the line width of the unfired conductor pattern on both ends in the width direction of the unfired ceramic sheet is the same as the above-described line width adjustment method.
本発明のセラミックヒータの製造方法、及び参考発明のセラミックヒータの製造方法のいずれにおいても、線幅の調整は少なくとも未焼成発熱部において行うことが好ましい。未焼成リード部は発熱には影響しないため、その線幅を調整する必要はないが、未焼成発熱部と未焼成リード部とを一体に形成する場合は、スクリーンマスクのマスク孔の形状を容易に変更することができる等の理由で、未焼成リード部の線幅も同時に調整する方法とすることができる。一方、未焼成発熱部と未焼成リード部との各々を別体として形成する場合は、未焼成発熱部の線幅のみ調整すればよい。
尚、セラミックヒータの導体パターンの抵抗測定は、ミリオームハイテスタ等の測定機器により行うことができる。
In any of the manufacturing method of the ceramic heater of the present invention and the manufacturing method of the ceramic heater of the reference invention, it is preferable to adjust the line width at least in the unfired heat generating portion. Since the unfired lead part does not affect the heat generation, it is not necessary to adjust the line width, but when the unfired heat generation part and the unfired lead part are formed integrally, the shape of the mask hole of the screen mask is easy For example, the line width of the unfired lead portion can also be adjusted at the same time. On the other hand, when each of the unfired heat generating portion and the unfired lead portion is formed as a separate body, only the line width of the unfired heat generating portion needs to be adjusted.
Note that the resistance measurement of the conductor pattern of the ceramic heater can be performed by a measuring instrument such as a milliohm high tester.
以下、実施例によって本発明を詳しく説明する。
［１］セラミックヒータの製造
（１）未焼成セラミックシートの作製
アルミナ粉末９７質量％、焼結助剤としてシリカ粉末２質量％及び炭酸カルシウム粉末１質量％（以下の他の成分の配合量は、各々のセラミック粉末の合計を１００質量部とした場合の値である。）と、有機バインダとしてポリビニルブチラール１０質量部、可塑剤としてジブチルフタレート５質量部、溶剤としてメチルエチルケトン及びトルエン（質量比でメチルエチルケトン／トルエン＝３／２）５０質量部とを、ボールミルによって混合し、スラリーを調製した。その後、これを減圧脱泡し、次いで、減圧脱泡されたスラリーを用いてドクターブレード法により厚さ０．６ｍｍの未焼成アルミナシートを作製した。
Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples.
[1] Manufacture of ceramic heater (1) Production of unfired ceramic sheet 97% by mass of alumina powder, 2% by mass of silica powder as a sintering aid and 1% by mass of calcium carbonate powder (the blending amount of the following other components is And 10 parts by mass of polyvinyl butyral as an organic binder, 5 parts by mass of dibutyl phthalate as a plasticizer, methyl ethyl ketone and toluene as a solvent (methyl ethyl ketone / mass by mass ratio). Toluene = 3/2) 50 parts by mass were mixed by a ball mill to prepare a slurry. Then, this was degassed under reduced pressure, and then an unfired alumina sheet having a thickness of 0.6 mm was prepared by a doctor blade method using the slurry depressurized under reduced pressure.
（２）白金及びアルミナを含有する導体用ペーストの調製
白金粉末９５質量％と、アルミナ粉末５質量％とを、溶剤としてアセトンを使用し、球石とポットとにより混合した。その後、有機バインダとしてエチルセルロース１０質量部及びブチルカルビトール１０質量部（白金粉末とアルミナ粉末との合計を１００質量部とする。）を配合し、更に混合した。次いで、減圧脱泡し、アセトンを揮発させて白金及びアルミナを含有する導体用ペーストを調製した。
(2) Preparation of Conductive Paste Containing Platinum and Alumina 95% by mass of platinum powder and 5% by mass of alumina powder were mixed with cobblestone and a pot using acetone as a solvent. Thereafter, 10 parts by mass of ethylcellulose and 10 parts by mass of butyl carbitol (100 parts by mass of platinum powder and alumina powder) were blended as an organic binder and further mixed. Subsequently, degassing was performed under reduced pressure, and acetone was volatilized to prepare a conductor paste containing platinum and alumina.
（３）未焼成導体パターン及び未焼成スルーホール導体の形成
上記（１）で作製した未焼成アルミナシートから、図１にその一部を示すように、３００×１５０ｍｍの寸法のシート（未焼成セラミックシート）２１を切り出し、このシート２１の周辺部を除く部分に、横方向に４０個、縦方向に２列、計８０個の未焼成セラミックヒータのための未焼成導体パターン１を、上記（２）で調製した導体用ペーストを用いてスクリーン印刷法により形成した。また、シート２１には予め８０個の未焼成セラミックヒータのための計１６０個のスルーホールを設けておき、未焼成導体パターン１の形成とともにスルーホールに導体用ペーストを充填し、未焼成スルーホール導体（図４に示すこの未焼成スルーホール導体１３は、焼成後にスルーホール導体を構成するものである。）を形成した。尚、未焼成導体パターン１の未焼成発熱部１１の線幅は３００μｍ、厚さは２０μｍ、未焼成リード部１２の線幅は５００μｍ、厚さは２０μｍである。
(3) Formation of unsintered conductor pattern and unsintered through-hole conductor From the unsintered alumina sheet prepared in (1) above, as shown in part in FIG. A sheet) 21 is cut out, and the
（４）未焼成ヒータ電極パッドの作製
上記（３）のようにして未焼成導体パターン１を形成したシート２１の、未焼成導体パターン１が形成された面と反対面の未焼成スルーホール導体１３の端面を覆うように、上記（２）で調製した導体用ペーストを用いて、図３にその一部を示すように、縦１０００μｍ、横５００μｍ、厚さ２０μｍの未焼成ヒータ電極パッド１４を形成した。
(4) Production of unsintered heater electrode pad Unsintered through-
（５）未焼成セラミックヒータの作製及び焼成
上記（３）のようにして未焼成導体パターン１を形成したシート２１の、未焼成導体パターン１が形成された面に、上記（１）で作製した未焼成セラミックシートから切り出した３００×１５０ｍｍの寸法のシート（未焼成セラミックシート）２２を貼り合わせ、圧着装置によって加熱しつつ圧着し、図２にその一部を示す積層体を作製した。その後、この積層体から切断刃を用いて、図１、２を援用して示した切り出し線２３に沿って８０個の未焼成セラミックヒータＨ（図４参照）を切り出し、未焼成セラミック層２１’、２２’の間に未焼成導体パターン１を配設した未焼成セラミックヒータＨのそれぞれを大気雰囲気下、４００℃で４時間加熱して有機バインダを除去し、次いで、大気雰囲気下、１５２０℃で２時間保持し、焼成した。
(5) Fabrication and firing of unfired ceramic heater The
［２］セラミックヒータの電気抵抗の測定及び抵抗の調整
（１）すべての未焼成導体パターンの線幅を変更して抵抗を調整する方法
上記［１］の（１）〜（５）のようにして製造した４８０個のセラミックヒータの導体パターンについての電気抵抗を、ミリオームハイテスタによりで測定した。尚、この測定は、セラミックヒータに形成された一対のヒータ電極パッドにプローブを接触させ、常温下で導体パターンに通電電流を１ｍＡ流し、通電を開始してから１秒後の両端電圧を測定し、通電電流と両端電圧とから電気抵抗を測ることで行った。その結果、設計値が３．７０±０．３０Ω（３．４０〜４．００Ω）であるのに対して、最小値が３．６８Ω、最大値が４．０３Ωであり、平均値が３．８６Ωであった。また、不良率は１％で、工程能力ｃｐｋは０．７１であった。
[2] Measurement of electric resistance of ceramic heater and adjustment of resistance (1) Method of adjusting resistance by changing line width of all unfired conductor patterns As in (1) to (5) of [1] above The electrical resistance of the 480 ceramic heater conductor patterns manufactured in the above was measured with a milliohm high tester. In this measurement, the probe is brought into contact with a pair of heater electrode pads formed on the ceramic heater, a current of 1 mA is passed through the conductor pattern at room temperature, and the voltage at both ends is measured after 1 second from the start of power supply. This was done by measuring the electrical resistance from the energization current and the voltage at both ends. As a result, the design value is 3.70 ± 0.30Ω (3.40 to 4.00Ω), whereas the minimum value is 3.68Ω, the maximum value is 4.03Ω, and the average value is 3. It was 86Ω. The defective rate was 1%, and the process capability cpk was 0.71.
電気抵抗の測定値の平均値３．８６Ωを、設計値の中心値である３．７０Ωにする、即ち、抵抗値を４．１５％小さくする［｛（３．８６−３．７０）／３．８６｝×１００＝４．１５］ためには、未焼成導体パターンの面積を４．１５％大きくすればよい。この実施例の場合、未焼成導体パターンのうち未焼成発熱部の形状と面積とに基づいて算出すると、その未焼成発熱部の全長さに渡って線幅を２０μｍ大きくして３２０μｍにすれば、面積を４．１５％大きくすることができる。そこで、スクリーン印刷に用いるスクリーンマスクのうち未焼成発熱部に対応する部位の線幅を３２０μｍとした他は、上記［１］の（１）〜（５）と同様にしてセラミックヒータを製造し、４８０個のセラミックヒータの電気抵抗を、上記（１）と同様にして測定した。その結果、設計値が３．７０±０．３０Ω（３．４０〜４．００Ω）であるのに対して、図５のように、最小値が３．６２Ω、最大値が３．９１Ωであり、平均値が３．７１Ωであった。このように、抵抗値が許容範囲を外れる不良品はなく、工程能力ｃｐｋは１．３４であった。 The average value of the measured value of electrical resistance is 3.86Ω, which is the central value of the design value, that is, the resistance value is decreased by 4.15% [{(3.86-3.70) / 3. .86} × 100 = 4.15], the area of the unfired conductor pattern may be increased by 4.15%. In the case of this example, calculating based on the shape and area of the unsintered heat generating portion of the unsintered conductor pattern, the line width is increased by 20 μm over the entire length of the unsintered heat generating portion to 320 μm. The area can be increased by 4.15%. Therefore, a ceramic heater was manufactured in the same manner as (1) to (5) of [1] above, except that the line width of the portion corresponding to the unfired heat generating portion of the screen mask used for screen printing was set to 320 μm. The electrical resistance of 480 ceramic heaters was measured in the same manner as in the above (1). As a result, while the design value is 3.70 ± 0.30Ω (3.40 to 4.00Ω), the minimum value is 3.62Ω and the maximum value is 3.91Ω as shown in FIG. The average value was 3.71Ω. Thus, there was no defective product whose resistance value was outside the allowable range, and the process capability cpk was 1.34.
（２）両端部側の未焼成導体パターンの線幅を大きくして抵抗を調整する方法
未焼成導体パターンの全体（未焼成発熱部及び未焼成リード部）の線幅を３００μｍとし、厚さを２５μｍとした他は、上記［１］の（１）〜（５）と同様にしてセラミックヒータを製造し、８０個のセラミックヒータの電気抵抗を、上記（１）と同様にして測定した。その結果、設計値が２．８５±０．２０Ω（２．６５〜３．０５Ω）であるのに対して、最小値が２．６８Ω、最大値が３．１３Ωであり、平均値が２．８７Ωであった。また、不良率は１０％で、工程能力ｃｐｋは０．７９であった。
(2) Method of adjusting resistance by increasing the line width of the unfired conductor pattern on both ends The line width of the entire unfired conductor pattern (unfired heat generating part and unfired lead part) is 300 μm, and the thickness is A ceramic heater was manufactured in the same manner as in (1) to (5) of [1] except that the thickness was 25 μm, and the electrical resistance of 80 ceramic heaters was measured in the same manner as in (1) above. As a result, the design value is 2.85 ± 0.20Ω (2.65 to 3.05Ω), whereas the minimum value is 2.68Ω, the maximum value is 3.13Ω, and the average value is 2.2. It was 87Ω. The defect rate was 10% and the process capability cpk was 0.79.
８０個の未焼成セラミックヒータを切り出すことができる各々のシートのうちの１枚について、それぞれの未焼成セラミックヒータの、シートにおける位置と、焼成後の導体パターンの電気抵抗との相関を検討した。その結果、図６のように、１列目の４０個、２列目の４０個のいずれの場合も、未焼成セラミックシートの幅方向の中央部に位置していた未焼成導体パターンが焼成されてなる導体パターンの電気抵抗は設計値に近く、両端部側（図６における１列目の１〜１０、３１〜４０、２例目の４１〜５０、７１〜８０）に位置していた未焼成導体パターンが焼成されてなる導体パターンの電気抵抗は設計値を外れて大きくなっていることが分かった。 For one of each sheet from which 80 unfired ceramic heaters can be cut, the correlation between the position of each unfired ceramic heater on the sheet and the electrical resistance of the conductor pattern after firing was examined. As a result, as shown in FIG. 6, the unfired conductor pattern located at the center in the width direction of the unfired ceramic sheet was fired in both cases of 40 in the first row and 40 in the second row. The electrical resistance of the conductor pattern is close to the design value and was not located on both ends (1 to 10, 31 to 40 in the first row, 41 to 50 in the second example, 71 to 80 in FIG. 6). It was found that the electrical resistance of the conductor pattern formed by firing the fired conductor pattern was larger than the design value.
そこで、未焼成セラミックシートのうち１列目、２列目に並んだ４０個の未焼成導体パターンの各々において、右端部側の１０個（図７における３１〜４０、７１〜８０）並びに左端部側の１０個（図７における１〜１０、４１〜５０）の未焼成導体パターンの線幅が各々１０μｍ大きくなるマスク孔を有するスクリーンマスクを用いた他は、上記［１］の（１）〜（５）と同様にしてセラミックヒータを製造し、８０個のセラミックヒータの電気抵抗を、上記（１）と同様にして測定した。その結果、図７のように、設計値が２．８５±０．２０Ω（２．６５〜３．０５Ω）であるのに対して、最小値が２．７０Ω、最大値が２．９５Ωであり、平均値が２．８１Ωであった。このように、抵抗値が許容範囲を外れる不良品はなく、工程能力ｃｐｋは１．２４であった。 Therefore, in each of the 40 unfired conductor patterns arranged in the 1st row and the 2nd row of the unfired ceramic sheets, 10 on the right end side (31 to 40, 71 to 80 in FIG. 7) and the left end portion The above (1) to [1] except that a screen mask having mask holes in which the line widths of the 10 unfired conductor patterns on the side (1 to 10, 41 to 50 in FIG. 7) are each increased by 10 μm is used. Ceramic heaters were produced in the same manner as in (5), and the electrical resistance of 80 ceramic heaters was measured in the same manner as in (1) above. As a result, as shown in FIG. 7, the design value is 2.85 ± 0.20Ω (2.65-3.05Ω), whereas the minimum value is 2.70Ω and the maximum value is 2.95Ω. The average value was 2.81Ω. Thus, there was no defective product whose resistance value was outside the allowable range, and the process capability cpk was 1.24.
Ｈ；未焼成セラミックヒータ、１；未焼成導体パターン、１１；未焼成発熱部、１２；未焼成リード部、１３；未焼成スルーホール導体、１４；未焼成ヒータ電極パッド、２１、２２；未焼成セラミックシート、２１’、２２’；未焼成セラミック層、２３；切り出し線。 H: Unsintered ceramic heater, 1; Unsintered conductor pattern, 11; Unsintered heat generating part, 12; Unsintered lead part, 13; Unsintered through-hole conductor, 14; Unsintered heater electrode pad, 21, 22; Ceramic sheets, 21 ', 22'; unfired ceramic layer, 23;
Claims (2)
同一品番の当該セラミックヒータを複数の原料ロットを用いて得るにあたり、該原料ロットが代わる毎に、前記平均値を算出し、その後、該平均値と、電気抵抗の設計値との差が小さくなるように線幅が調整された前記複数の線幅調整未焼成導体パターンを形成して、セラミックヒータを得ることを特徴とするセラミックヒータの製造方法。 An unsintered ceramic layer comprising a non-sintered ceramic sheet and a plurality of unsintered conductor patterns disposed on the unsintered ceramic sheet is produced, and then the unsintered ceramic layer is formed from the unsintered substrate for the ceramic heater. A plurality of unfired ceramic heaters, and then firing each unfired ceramic heater, and then firing each unfired conductor pattern. Is measured, and then the average value of the electrical resistance of each conductor pattern is calculated. Thereafter, the difference between the average value and the design value of the electrical resistance is reduced. An unfired ceramic substrate for a ceramic heater comprising a plurality of line width adjusted unfired conductor patterns with adjusted line widths From the same raw material lot as the raw material lot from which the green conductor pattern was manufactured, and then from the green substrate for the ceramic heater, the green ceramic layer and the line width disposed on the green ceramic layer Cutting out a plurality of line width adjusted unfired ceramic heaters with adjusted unfired conductor patterns, and then firing each line width adjusted unfired ceramic heater to obtain a ceramic heater,
In obtaining the ceramic heater of the same product number using a plurality of raw material lots, the average value is calculated every time the raw material lots are changed, and thereafter, the difference between the average value and the design value of the electric resistance is reduced. A method of manufacturing a ceramic heater, comprising: forming a plurality of line width adjusted unfired conductor patterns with adjusted line widths to obtain a ceramic heater.
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