(57)【要約】【課題】基板の搭載部品が、その使用時に高温の温度履歴を受けたか否かを知ることができる、安価で簡便な温度履歴の記録方法を提供する。【解決手段】第一の電極層と、所定の温度範囲にキュリー温度を有する誘電体により構成される第一の誘電体層と、第二の電極層と、圧電特性を有する誘電体により構成される第二の誘導体層と、第三の電極層と、が順次積層されている温度履歴記録素子。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の電極層と、
所定の温度範囲にキュリー温度を有する誘電体により構成される第一の誘電体層と、
第二の電極層と、
圧電特性を有する誘電体により構成される第二の誘導体層と、
第三の電極層と、が順次積層されていることを特徴とする温度履歴記録素子。
【請求項２】
第一の誘電体層が、ポリフッ化ビニリデン、及び／または、テトラフルオロエチレン・パー フルオロアルキルビニルエーテル共重合体により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の温度履歴記録素子。
【請求項３】
前記第一の電極層の前記第一の誘導体層とは反対の面側にヒータを配置したことを特徴とする請求項１または請求項２の温度履歴記録素子。
【請求項４】
前記第一の電極層が、端子部を２つ以上有することを特徴とする請求項１または請求項２の温度履歴記録素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、本発明は、電装品や電子機器等の基板に表面実装して用いるのに好適な温度履歴記録素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温にさらされることがある電子部品基板を含むモジュール、特にＥＣＵ（エンジン コントロール ユニット）等の電装基板を含むモジュールにおいて、動作不良を起こした場合に、半導体が破壊されてしまうような高温（１６０℃ないし１８０℃）に、その基板がさらされたかどうかを知りたいと云う要求がある。
【０００３】
モジュールが動作不良を起こした理由の調査時に、その基板における上記のような高温の温度履歴の有無を知ることができれば、その基板上の半導体の破壊の有無の調査結果と併せ、温度が適正な範囲を超えていたために半導体が破壊するに至ったと判断することができる。しかし、温度履歴情報がない場合には、先に半導体が壊れて他の部品が壊れたのか、あるいは、半導体が壊れる前に他の部品が壊れたのか、の判断は困難である。このように、モジュールの破壊理由の検証において、温度履歴を知ることは重要な意味がある。
【０００４】
このような温度履歴を記録するためには、基板に温度記録ユニットを搭載する方法が考えられるが、試験時であれば問題なくても、実際の量産時に、基板に温度記録ユニットを搭載することは、体積・重量が大きくなるうえ、コストが大きく上昇してしまうので現実的ではない。また、基板に温度センサのみを配置し、この温度センサを基板とは別に設置した記録ユニットに接続して温度を記録すると云う方法も考えられる。この場合には基板の体積・重量の上昇はある程度抑制できるが、記録ユニットが必要となることに変わりはなく、さらに、配線が煩雑になるという欠点も生じる。
【０００５】
上記のような課題では、温度記録ユニットや、温度センサと記録ユニットとの組み合わせのように、基板の温度変化の経緯を全て記録する必要はなく、所定温度以上の履歴の有無を記録できればよい。
【０００６】
ここで、所定温度以上で物理的変化や化学反応を起こす材料（例えば、特許文献１に記載された材料）などを利用する温度履歴記録では、上記の課題は解決できない。すなわち、基板へはんだを使って部品を搭載するときの温度が、温度履歴を残したい上記温度に近いか、それよりも高い温度であり、そのために、このような物理的変化や化学反応する材料では、その変化や反応が、はんだによる部品搭載時の熱で生じたのか、あるいは、使用時に生じた異常温度履歴によるものであるのか、を判断することは困難である。
【０００７】
また、特許文献２では、Ａｕ−Ｐｔの薄膜を利用した素子の抵抗率により温度履歴を判定する技術が提案されている。履歴が電気的に読み取れる点では使用しやすいが、この素子の抵抗率が変化する領域は６００℃以上と高く、半導体に対する異常温度履歴の有無を調べるためには適していない。
【０００８】
また、特許文献３には、フォトクロミック材を用い、光の照射によりセットされた色が温度履歴を受けると変化する素子が開示されている。はんだにより部品を基板に搭載した後に光でセットされた状態にしておくことで、高温での温度履歴を受けたときにはフォトクロミック材料が変化し脱色するのでそのことを知ることができる。しかし、この技術では光を照射する工程が必要となり、さらに、確認は目視が必要であり、樹脂モールドやカバーで保護されている基板への応用は困難である。
【０００９】
このように、基板の搭載部品が、その使用時に高温の温度履歴を受けたか否かを知ることができる、より安価で簡便な温度履歴の記録方法が望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許４９４７８６３号公報
【特許文献２】特公平３−１２２４７号公報
【特許文献３】特開２００９−１２８１３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
基板の搭載部品が、その使用時に高温の温度履歴を受けたか否かを知ることができる、安価で簡便な温度履歴の記録方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の温度履歴記録素子は、第一の電極層と、所定の温度範囲にキュリー温度を有する誘電体により構成される第一の誘電体層と、第二の電極層と、圧電特性を有する誘電体により構成される第二の誘導体層と、第三の電極層と、が順次積層されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の温度履歴記録素子は、上記構成において、第一の誘電体層を、ポリフッ化ビニリデン、及び／または、テトラフルオロエチレン・パー フルオロアルキルビニルエーテル共重合体により構成することができる。
【００１４】
本発明の温度履歴記録素子は、上記構成に加えて、前記第一の電極層の前記第一の誘導体層とは反対の面側にヒータを配置することができる。あるいは、上記構成に加えて、前記第一の電極層が、前記温度履歴記録素子を加熱するヒータとして用いられるための端子部を２つ以上有することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の温度履歴記録素子は、第一の電極層と、所定の温度範囲にキュリー温度を有する誘電体により構成される第一の誘電体層と、第二の電極層と、圧電特性を有する誘電体により構成される第二の誘導体層と、第三の電極層と、が順次積層されている構成を有しており、はんだ付け温度よりも低い、キュリー温度の誘電体を第一の誘電体層の材料として選択し、はんだ付けによる部品の基板への搭載と同時にこの温度履歴記録素子を基板に取り付けることにより、搭載後であっても上記のキュリー温度以上の高温の温度履歴の有無を知ることができる。
【００１６】
本発明の温度履歴記録素子において、第一の誘電体層が、ポリフッ化ビニリデン、及び／または、フッ化ビニリデン−三フッ化エチレン共重合体により構成することより、誘電体層を構成するキュリー温度以上の高温の温度履歴の有無を、誘電体層に記録することができる。
【００１７】
また、本発明の温度履歴記録素子において、前記第一の電極層の前記第一の誘導体層とは反対の面側にヒータを配置するか、前記第一の電極層が端子部を２つ有しており、ヒータとして通電可能とすることにより、後述する動作モード１の第一の誘電体層を構成する誘電体への分極操作を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の温度履歴記録素子の一例の構造を示すモデル断面図である。
【図２】図２は、本発明の温度履歴記録素子の他の一例を示す上面図である。
【図３】図２に示した本発明の温度履歴記録素子の一例の製造方法を説明するためのモデル説明図である。
【図４】本発明の温度履歴記録素子の、さらに別の一例を示すモデル断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１に、本発明の温度履歴記録素子の一例の構造を示すモデル断面図を示した。
【００２０】
この温度履歴記録素子は、図１中下から、絶縁基板１、ヒータ層１１、第一の電極層２、第一の誘電体層５、第二の電極層６、第二の誘導体層７、及び、第三の電極層８、が順次積層されて構成されている。
【００２１】
ここで、絶縁基板１は、例えばアルミナや耐熱樹脂などの絶縁材料により構成されている。
【００２２】
ヒータ層１１は、温度履歴記録素子の第一の誘電体層４を、第一の誘電体層４を構成する誘電体のキュリー温度以上に加熱できるように構成する必要がある。その材料としては導電性を有する金属酸化物や炭素或いは金属被膜や、その他の発熱可能な材料などにより、既知の薄膜プロセスやスクリーン印刷プロセスを用いて形成する。
【００２３】
第一の電極層２は、銅や銅合金などの金属で、既知の薄膜法（薄膜プロセス）または厚膜法を用い形成する。材質としては特に限定されるものではないが、第一の誘電体層との密着性が重要であるので、誘電体層との密着性が良いか、表面平滑すぎない形状であることが好ましい。第一の電極層２の厚さとしては０．１μｍ以上５０μｍ以下とすることが好ましい。薄すぎると電極層としての性能が不安定となりやすく、厚すぎると絶縁基板1との応力差から剥離が起きやすい。
【００２４】
なお、第一の電極層２に端子部を２つ、あるいはそれ以上設けて、第一の電極層２自体に通電できる構成とすることで、ヒータ兼用として、上記のヒータ層１１を省略することができる。
【００２５】
第一の誘電体層５は、所定の温度範囲にキュリー温度を有する誘電体（分極させることが可能で、かつ、所定の温度に上昇するとその分極が解消する材料）により構成される。このような誘電体として、膜を形成できるような誘電体材料であれば特に限定されないが、ポリフッ化ビニリデン（キュリー温度（Ｔｃ）は９０〜１３０℃）であると溶剤に可溶であり薄膜化が容易であるので好ましい。または、フッ化ビニリデン−三フッ化エチレン共重合体であると共重合体の比率によってキュリー温度を制御すことができ、また簡便に圧電特性を付与することができるので好ましく、さらにポリフッ化ビニリデンと混合して用いることもできる。
【００２６】
また、所定の温度範囲にキュリー温度を有する誘電体は、キュリー温度を有する単体物質だけでなく、所定の温度範囲にガラス転移温度を持つ高分子に極性をもつ誘電体フィラを混合したものでも良い。例えば、エポキシ樹脂に誘電体フィラ（フィラー）を混合して誘電率を調整した混合組成物を使用することができる。このような誘電体フィラの例としては、塩化ナトリウムや、極性を有するタイプの液晶が使用できる。エポキシ樹脂はガラス転移点が１００〜２００℃の範囲のものが知られており、エポキシ樹脂に誘電体フィラを添加した複合材の場合、そのエポキシ樹脂のガラス転移点がキュリー温度となる。
【００２７】
また、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）もキュリー温度が１２０℃程度であり、ＴｉまたはＢａを別の金属で置換することによりキュリー温度を変更することができるため、第一の誘電体層の材料として用いることができる。その他、ロッシェル塩、チオ尿素、リン酸２水素カリウム（ＫＨ2ＰＯ4）、ポリアミド、有孔性ポリプロピレン（ＣＰＰ）、フッ化ビニリデン（ＶＤＦ）と三フッ化エチレン（ＴｒＦＥ）との共重合体なども利用可能である。
【００２８】
このような第一の誘電体層５は、第一の電極層２の上に、上記のポリフッ化ビニリデンのような樹脂を溶媒、例えばＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡ）、あるいは、ＮＭＰ（Ｎ−メチルピロリドン）等の有機溶媒に溶解して塗布あるいはスクリーン印刷することにより、あるいは、第一の誘電体層５不要部にレジストを形成した後、これらの溶液のスピンコートあるいはディップコートを行った後、リフトオフすることにより形成する。
【００２９】
あるいは、このような所定の温度範囲にキュリー温度を有する誘電体を予めシート、フィルム状に加工したものを第一の電極に重ね合わせた後、レーザー等の熱加工により積層して第一の誘電体層５を形成してもよい。
【００３０】
第一の誘電体層５の厚さとしては、０．１μｍ以上２００μｍ以下の範囲であることが好ましい。薄すぎると均一な厚みの成形が困難となりやすく、厚すぎると静電容量が小さくなりすぎて測定値の変化が読みにくくなったりコスト高となりやすい。
【００３１】
第二の電極層６は、第一の誘電体層５の上に形成するが、このとき、第一の誘電体層５を構成する誘電体に熱による変質や変性を生じないよう、例えば、１５０℃以下の温度で硬化する樹脂銀ペーストや導電性接着剤等を用いる。第二の電極層６の厚さとしては０．１μｍ以上５０μｍ以下とすることが好ましい。薄すぎると電極層としての性能が不安定となりやすく、厚すぎるとコスト高となりやすい。
【００３２】
第二の誘導体層７は、圧電特性を有する誘電体により、第二の電極層６の上に形成する。このような圧電特性を有する誘電体としては、ＰＺＴ（ジルコニウム酸-チタン酸鉛）や、ＢａＴｉＯ3（チタン酸バリウム）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、ニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ3）、チタン酸ビスマス（Ｂｉ4Ｔｉ3Ｏ12）などの既知の圧電セラミックス等が挙げられ、スパッタ等の薄膜法を用いて 形成する。また、その他の圧電特性を有する誘電体、例えば、ポリフッ化ビニリデン等であってもよく、このとき、第二の誘導体層７の形成が容易となる。第二の誘導体層７の厚さとしては、０．１μｍ以上１００μｍ以下の範囲であることが好ましい。薄すぎると圧電特性が得られにくくなりやすく、厚すぎると電極との応力差から剥離しやすい。
【００３３】
第三の電極層８は、第二の誘導体層７の上に、第二の電極層６と同様にして形成することができる。
【００３４】
図１には図示しないが、温度履歴記録素子のヒータ層１１及び各電極層の端子部以外の箇所に、エポキシ樹脂などの樹脂により保護層や保護カバーを設けてもよい。
【００３５】
ここで、本発明の温度履歴記録素子を用いて、キュリー温度以上の高温の温度履歴の有無を知る方法として、下記の２つの動作モードが選択できる。
【００３６】
＜動作モード１＞
基板への搭載後に、一旦、第一の誘電体層を構成する誘電体のキュリー温度以上の温度となるように加熱しながら、第二の電極層と第三の電極層との間に、すなわち、第二の誘電体に連続またはパルス状の電圧を印加して、第二の誘電体層により第一の誘電体層に物理的衝撃波を与えて分極（ポーリング）させておく。パルス状の電圧は連続印加に比較して３倍から５倍の電圧を印加するが、短時間の印加で分極を生じさせることができる。
【００３７】
そして、この温度履歴記録素子が第一の誘電体層を構成する誘電体のキュリー温度以上の温度にさらされると、上記の分極が消失する。
【００３８】
この分極、すなわち、第一の誘電体層内の電荷分布の偏りの有無は、ＰＥＡ法（静電パルス応力法（Pulsed Electro-Acoustic）により判定することができる。具体的には、第一の電極と第二の電極との間、すなわち、第一の誘電体層にパルス電圧を印加し、そのときに発生する振動圧力波により第二の誘電体層で、すなわち、第二の電極層と第三の電極層との間で発生する電圧変化の有無（分極が存在するときには電圧変化がある）をオシロスコープ等で観察することにより判定できる。
【００３９】
＜動作モード２＞
第一の電極層と第二の電極層とに、すなわち、第二の誘電体に常に一定の電圧（例えば、１０〜３００Ｖ程度）を印加しておく。そして、温度履歴記録素子がそのキュリー温度以上の温度にさらされると、印加されている電圧によって極性分子が配向し温度履歴記録素子に分極が生じる。この分極の有無は、上記同様にＰＥＡ法により検出できる。
【００４０】
さらに、本発明の温度履歴記録素子では、検知したい温度に適合する第二の誘電体の種類を選択することで、幅広い温度範囲に対応するものとすることができる。
【００４１】
ここで、図１は、第一の誘電体層２の全体が同じ材料により構成されている温度履歴記録素子の例のモデル断面図であるが、互いにキュリー温度が異なる誘電体を、それらすべてが第一の電極層と第二の電極層との両者に接触するようにして複数配置して第一の誘電体層２が構成された温度履歴記録素子を用いることで、これらの複数のキュリー温度の履歴の有無を知ることができる。なお、この場合、温度履歴の検出は、ＰＥＡ法により、内部分極量を定量的に測定し、消失した或いは発生した分極量をあらかじめ既知の温度下で測定した結果と比較して行う。
【００４２】
本発明の温度履歴記録素子は、基板上やモジュール内はもちろん、温度履歴を知りたい場所であればどこであっても取り付けることができる。
【００４３】
また、本発明の温度履歴記録素子をモジュール内に組み込んだ場合、その故障時に、モジュールを分解して、温度履歴記録素子の状態を確認することで組み込んだ部分付近の温度履歴を知ることができる。ここで、予めモジュールの外に、この温度履歴記録素子と接続する、専用の電極や信号線を設けておくことで、例えば樹脂モールドで密閉されたユニット内部の温度履歴を、モジュールを分解することなしに知ることができる。
【００４４】
ここで、図２及び図３を用いて、本発明の温度履歴記録素子のより具体的な一例と、その製造方法を説明する。この例では、第一の電極層２に端子部を２つ設けており、これら端子部間に電流を流すことで第一の電極層２は抵抗加熱ヒータとしても機能する。
【００４５】
まず、アルミナの絶縁基板１上に薄膜法によって、例えば銅により形成される第一の電極層２を設ける。このとき同時に、第二の電極層３に接続される端子部４、及び、第三の電極層に接続される端子部３も形成する。
【００４６】
つぎに、例えばポリフッ化ビニリデンにより形成される第一の誘電体層５を、例えばポリフッ化ビニリデンのＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド溶液を用いて、スクリーン印刷プロセスにより形成する。
【００４７】
その後、第一の誘電体層５の上に第二の電極層６を、端子部４に接続するように、例えば樹脂銀ペーストを用いたスクリーン印刷プロセスにより第二の電極層６を形成し、さらに、この第二の電極層６の上に第二の誘電体層７を、例えば第一の誘電体層５同様にして形成する。
【００４８】
次いで、第二の誘電体層７の上に、かつ、端子部３に接続するように、第三の電極層８を、例えば樹脂銀ペーストを用いたスクリーン印刷プロセスにより形成する。
【００４９】
そして、温度履歴記録素子の端子部２、３及び４を除いた部分を保護する保護層１０を例えばエポキシ樹脂を用いて形成し、その端子部３付近部分に、温度履歴記録素子の基板への搭載時の間違えを予防するために、この例ではシール１０を貼ってある。
【００５０】
上記の温度履歴記録素子の例は、共に基板を用いるものであったが、基板なしに、本発明の温度履歴記録素子を構成することができる。そのような温度履歴記録素子の例を図４に示す。このような温度履歴記録素子は次のようにして作成することができる。
【００５１】
すなわち、第二の誘電体層７として、例えば圧電体セラミックスにより構成された板状体の両面にそれぞれ、第二の電極層６及び第三の電極層８を形成し、その第二の電極層６の第二の誘電体層７とは反対の面に第一の誘電体層５を形成、さらに、この第一の誘電体の誘電体１の上にヒータ兼用の第一の電極層２を形成する。
【００５２】
以上、本発明について、好ましい実施形態を挙げて説明したが、本発明の温度履歴記録素子は、上記実施形態の構成に限定されるものではない。
【００５３】
当業者は、従来公知の知見に従い、本発明の温度履歴記録素子を適宜改変することができる。このような改変によってもなお、本発明の温度履歴記録素子の構成を具備する限り、もちろん、本発明の範疇に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５４】
１    絶縁基板
２    第一の電極層
３、４    端子部
５    第一の誘電体層
６    第二の電極層
７    第二の誘電体層
８    第三の電極層
９    保護層
１０  シール
１１  ヒータ
【図１】
2015224890.tif 000003
【図２】
2015224890.tif 000004
【図３】
2015224890.tif 000005
【図４】
2015224890.tif 000006