(57)【要約】【課題】正特性サーミスタ素子と放熱性基板との間の電気的導通を確実に得ることができ、それらの間の十分な接着強度を得ることができ、それらの間の熱ストレスによる抵抗増加を抑えられる正特性サーミスタ装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】正特性サーミスタ素子４と、正特性サーミスタ素子４に形成された電極３表面にシリコン系接着剤２によって接着された放熱性基板１とからなる正特性サーミスタ装置５であって、放熱性基板１の熱膨張係数が正特性サーミスタ素子４の熱膨張係数の２．８〜６．０倍であり、かつ、シリコン系接着剤２の熱膨張係数が正特性サーミスタ素子４の熱膨張係数の１５．０〜４３．１倍であり、放熱性基板１における正特性サーミスタ素子４との接着面が、十点平均面粗さＲｚ：１５〜６５μｍに粗面化されているようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正特性サーミスタ素子と、該正特性サーミスタ素子に形成された電極表面にシリコン系接着剤によって接着された放熱性基板とからなる正特性サーミスタ装置であって、
前記放熱性基板の熱膨張係数が前記正特性サーミスタ素子の熱膨張係数の２．８〜６．０倍であり、かつ、前記シリコン系接着剤の熱膨張係数が前記正特性サーミスタ素子の熱膨張係数の１５．０〜４３．１倍であり、
前記放熱性基板における前記正特性サーミスタ素子との接着面が、十点平均面粗さＲｚ：１５〜６５μｍに粗面化されていることを特徴とする正特性サーミスタ装置。
【請求項２】
前記粗面化は、塩酸およびリン酸を主成分とするエッチング溶液を用いた化学エッチングまたは電解エッチングによるものであることを特徴とする請求項１に記載の正特性サーミスタ装置。
【請求項３】
前記放熱性基板の熱膨張係数が、２０〜３００℃のとき、２．１×１０−５〜３．５×１０−５／℃であり、前記シリコン系接着剤の熱膨張係数が、２０〜２５０℃のとき、１．１×１０−４〜２．５×１０−４／℃であることを特徴とする請求項１または２に記載の正特性サーミスタ装置。
【請求項４】
正特性サーミスタ素子に形成された電極表面に、シリコン系接着剤によって放熱性基板を接着する工程を有する正特性サーミスタ装置の製造方法であって、
前記放熱性基板の熱膨張係数が前記正特性サーミスタ素子の熱膨張係数の２．８〜６．０倍であり、かつ、前記シリコン系接着剤の熱膨張係数が前記正特性サーミスタ素子の熱膨張係数の１５．０〜４３．１倍であり、
前記接着する工程の前に、前記放熱性基板における前記正特性サーミスタ素子との接着面を、十点平均面粗さＲｚ：１５〜６５μｍに粗面化する工程を有していることを特徴とする正特性サーミスタ装置の製造方法。
【請求項５】
前記粗面化は、塩酸およびリン酸を主成分とするエッチング溶液を用いた化学エッチングまたは電解エッチングによるものであることを特徴とする請求項４に記載の正特性サーミスタ装置の製造方法。
【請求項６】
前記放熱性基板の熱膨張係数が、２０〜３００℃のとき、２．１×１０−５〜３．５×１０−５／℃であり、前記シリコン系接着剤の線膨張係数が、２０〜２５０℃のとき、１．１×１０−４〜２．５×１０−４／℃であることを特徴とする請求項４または５に記載の正特性サーミスタ装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正特性サーミスタ素子の表面に、放熱性基板をシリコン系接着剤により接着してなる正特性サーミスタ装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
チタン酸バリウム系の正特性サーミスタ装置は、主成分であるチタン酸バリウムにＹ、Ｌａ等の希土類元素を添加して半導体化させた正特性サーミスタ素子の表面に、接着剤によって金属製の放熱性基板を固着してなるものである。
正特性サーミスタ装置は、抵抗値が常温では低く、キュリー点を超えると急激に増大（ジャンプ）するという、正の抵抗温度特性を有しており、従来からヒータ用、過電流保護、温度検知用等の用途に幅広く用いられている。特に、ヒータ用の正特性サーミスタ装置は、自己温度制御による定温発熱が可能であり、安全かつ取扱い容易であるとして、広く使用されている。
【０００３】
正特性サーミスタ装置に関する従来の技術を開示するものとして、たとえば、特開平１０−９２５５４号公報がある。この公報に記載された正特性サーミスタ装置は、正特性サーミスタ素子の表面に、導電体粒子よりなる凸部を設けることにより、正特性サーミスタ素子と放熱性基板との電気的導通を確保している。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−９２５５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１記載の正特性サーミスタ装置では、導電体粒子を含む導電性ペーストを、スクリーンを介して正特性サーミスタ素子上に印刷しているため、スクリーンに導電体粒子が詰まる場合があった。
また、導電体粒子と導電性ペーストとを均一に混合することが困難なため、印刷後の導電性粒子は正特性サーミスタ素子上にランダムに存在することになり、均一な凹凸を形成することができなかった。
そのため、正特性サーミスタ素子と放熱性基板との接着状態が不均一となり、十分な接着強度を安定して得ることができなかった。
【０００６】
また、正特性サーミスタ素子、放熱性基板、導電体粒子を含む導電性ペーストの三者間に熱膨張係数の差があるため、正特性サーミスタ装置に熱ストレスを付加した際、これら三者間に空隙ができ、抵抗値が増加する傾向にあった。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、正特性サーミスタ素子と放熱性基板との間の電気的導通を確実に得ることができ、それらの間の十分な接着強度を得ることができる正特性サーミスタ装置およびその製造方法を提供することにある。
また、本発明は、熱膨張係数の異なる、正特性サーミスタ素子とシリコン系接着剤と放熱性基板とを接合させるにあたって、放熱性基板の粗面化度を規定することで、これら三者間の接合強度を向上させ、熱ストレスによる抵抗増加を抑えることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する本発明は、正特性サーミスタ素子と、該正特性サーミスタ素子に形成された電極表面にシリコン系接着剤によって接着された放熱性基板とからなる正特性サーミスタ装置であって、前記放熱性基板の熱膨張係数が前記正特性サーミスタ素子の熱膨張係数の２．８〜６．０倍であり、かつ、前記シリコン系接着剤の熱膨張係数が前記正特性サーミスタ素子の熱膨張係数の１５．０〜４３．１倍であり、前記放熱性基板における前記正特性サーミスタ素子との接着面が、十点平均面粗さＲｚ：１５〜６５μｍに粗面化されていることを特徴とする正特性サーミスタ装置である。
【０００９】
また、本発明は、上記構成において、前記粗面化が、塩酸およびリン酸を主成分とするエッチング溶液を用いた化学エッチングまたは電解エッチングによるものであることを特徴とする正特性サーミスタ装置である。
【００１０】
さらに、本発明は、上記構成において、前記放熱性基板の熱膨張係数が、２０〜３００℃のとき、２．１×１０−５〜３．５×１０−５／℃であり、前記シリコン系接着剤の熱膨張係数が、２０〜２５０℃のとき、１．１×１０−４〜２．５×１０−４／℃であることを特徴とする正特性サーミスタ装置である。
【００１１】
そして、本発明は、正特性サーミスタ素子に形成された電極表面に、シリコン系接着剤によって放熱性基板を接着する工程を有する正特性サーミスタ装置の製造方法であって、前記放熱性基板の熱膨張係数が前記正特性サーミスタ素子の熱膨張係数の２．８〜６．０倍であり、かつ、前記シリコン系接着剤の熱膨張係数が前記正特性サーミスタ素子の熱膨張係数の１５．０〜４３．１倍であり、前記接着する工程の前に、前記放熱性基板における前記正特性サーミスタ素子との接着面を、十点平均面粗さＲｚ：１５〜６５μｍに粗面化する工程を有していることを特徴とする正特性サーミスタ装置の製造方法である。
【００１２】
また、本発明は、上記構成において、前記粗面化は、塩酸およびリン酸を主成分とするエッチング溶液を用いた化学エッチングまたは電解エッチングによるものであることを特徴とする正特性サーミスタ装置の製造方法である。
【００１３】
さらに、本発明は、上記構成において、前記放熱性基板の熱膨張係数が、２０〜３００℃のとき、２．１×１０−５〜３．５×１０−５／℃であり、前記シリコン系接着剤の線膨張係数が、２０〜２５０℃のとき、１．１×１０−４〜２．５×１０−４／℃であることを特徴とする正特性サーミスタ装置の製造方法である。
【００１４】
なお、本明細書中における「十点平均面粗さＲｚ」は、ＪＩＳ規格によるものを意味する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の正特性サーミスタ装置は、放熱性基板の表面に、エッチングにより、ピット状の凹凸における凸部の高さがほぼ一定に揃った無数の凹凸が均一に形成されている。
したがって、本発明にかかる正特性サーミスタ装置によれば、放熱性基板と正特性サーミスタ素子との電気的導通を均一かつ確実に得ることができる。
【００１６】
また、本発明の正特性サーミスタ装置によれば、放熱性基板と電極が形成された正特性サーミスタ素子との間に供給されたシリコン系接着剤が凹部に十分入り込むことにより、放熱性基板と正特性サーミスタ素子とを強固に接着することができる。
【００１７】
そして、熱膨張係数の異なる、正特性サーミスタ素子とシリコン系接着剤と放熱性基板とを接合させるにあたって、放熱性基板の粗面化度を規定することで、これらの接合強度が向上し、熱ストレスが連続して加えられた時の抵抗増加を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
［放熱性基板の粗面化、シリコン系接着剤の使用］
［実施例１］
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例に基づき、当該実施例にかかる正特性サーミスタ装置の特性について説明する。
図１は本発明にかかる正特性サーミスタ装置を示す斜視図、図２は図１の正特性サーミスタ装置の要部を模式的に示す断面図、図３は放熱性基板における正特性サーミスタ素子との接着面を示す図、図４は引張り強度試験に用いた正特性サーミスタ装置を示す概略斜視図である。
【００１９】
まず、チタン酸バリウム系の磁器４を表面研磨にて、サイズ２５ｍｍ×２０ｍｍ×１．５ｍｍの角形、平面度１０±５μｍに加工した後、超音波洗浄した。超音波洗浄後の正特性サーミスタ素子４の両主面に、オーミック電極として厚さが１０〜２０μｍのアルミニウム電極３をスクリーン印刷し、所定の温度で焼付けた（図１参照）。
【００２０】
一方、放熱性基板１を、５〜２０ｗｔ％塩酸、５〜１５ｗｔ％リン酸を成分とするエッチング溶液に浸漬し、放熱性基板１を陽極として電解エッチングを行った。
このとき、エッチング溶液の温度を３０〜４０℃、印加電圧を１０〜２５０Ｖ、印加時間を０．５〜１０分間とし、十点平均面粗さＲｚ：１５〜６５μｍの放熱性基板１を得た。
このうち、エッチングによって十点平均面粗さＲｚを３４．５μｍとした放熱性基板１の表面状態図を、図３に示す。
【００２１】
次いで、正特性サーミスタ素子４上のアルミニウム電極３と放熱性基板１との間に、熱伝導性および耐熱性に優れた接着剤であるシリコン系接着剤２を供給し、所定の圧力を加えつつ１５０℃の温度で熱圧着させ、正特性サーミスタ装置５を得た（図１参照）。
このとき、放熱性基板は、熱膨張係数が２０〜３００℃で２．３×１０−５〜２．５×１０−５／℃、シリコン系接着剤は、熱膨張係数が２０〜２５０℃で１．５×１０−４〜２．０×１０−４／℃、正特性サーミスタ素子は、熱膨張係数が２０〜２５０℃で６．５×１０−６〜７．０×１０−６／℃のものを使用した。
【００２２】
正特性サーミスタ装置５における放熱性基板１の表面は、図２および図３に示す如く、電解エッチングにより粗面化され、ピット状の凹凸における凸部の高さがほぼ一定に揃った無数の凹凸が均一に形成されている。また、該凹凸における凸部は高さがほぼ一定に揃っている。
したがって、本発明にかかる正特性サーミスタ装置５によれば、放熱性基板１と正特性サーミスタ素子４との電気的導通を均一かつ確実に得ることができる。
【００２３】
また、本発明の正特性サーミスタ装置５によれば、放熱性基板１と正特性サーミスタ素子４上のアルミニウム電極３との間に供給されたシリコン系接着剤が、上記凹部に十分浸入することにより、放熱性基板１と正特性サーミスタ素子４とを強固に接着することができる。
【００２４】
（従来例）
比較のために、導電体粒子を含むペーストを十分に攪拌した後、印刷した従来例にかかる正特性サーミスタ素子の表面図を、図３と同じスケールで図７に示す。
図３および図７より、導電体粒子を印刷した場合では、数個の比較的大きな凹凸が不均一に形成されるだけであるのに対し、エッチングにより粗面化した場合では、表面に微細な凹凸が無数にかつ均一に形成されていることが分かる。
【００２５】
［表面粗さと引張り強度との関係調査］
［実施例２］
次に、エッチングにより、放熱性基板１の表面の十点平均面粗さＲｚを、１５．０μｍ、２３．６μｍ、３３．６μｍ、５２．８μｍ、６５．０μｍとし、上記と同様の方法にて、本発明にかかる正特性サーミスタ装置５をそれぞれ作製した。
そして、図４に示す如く、上側の放熱性基板１の端部を直角かつ上方に折り曲げ、曲げ部６を形成した。次いで、下側の放熱性基板１を固定冶具にて強固に固定した後、曲げ部６の上端部７を引張り強度試験用の冶具にて固定し、下側の放熱性基板１に対して垂直な方向に引っ張り、引張り強度（接着強度）を測定した。その結果を図５に示す。
【００２６】
（比較例）
また、比較のために、放熱性基板１の表面の十点平均面粗さＲｚを、２．０μｍ（エッチング処理なし）と、５．１μｍ、７．５μｍ、７５．０μｍ、８５．１μｍ（エッチング処理あり）とした正特性サーミスタ装置５０に対しても、上記と同様の方法で引張り強度を測定した。その結果を図５に示す。
【００２７】
［表面粗さと引張り強度との関係］
図５から分かるように、表面粗さＲｚ：２．０μｍ〜５．１μｍまでは、引張り強度はほとんど変化せず、接着性は弱かった。これは、放熱性基板１の表面粗さがＲｚ：２．０〜５．１μｍの範囲では、形成された凹部の容積が非常に小さく、凹部に入り込むシリコン系接着剤の量が少ないためと考えられる。
【００２８】
これに対し、表面粗さＲｚを１５μｍ以上にすると、引張り強度が向上していくことが分かる。これは、接着剤が深く形成された凹部に十分に入り込んでいることにより、非常に強固な接着がなされているためと考えられる。
【００２９】
また、図５より、表面粗さＲｚが６５μｍを超えると、引張り強度がほとんど変化しなくなることが分かる。これは、凹部に入り込む接着剤の量がある程度以上に増えても、接着強度の増大に寄与しなくなるためと考えられる。
【００３０】
［表面粗さと抵抗変化率との関係調査］
［実施例３］
次に、エッチングにより放熱性基板１の表面粗さＲｚを１５．７μｍ（図６中のプロット●）、３３．６μｍ（図６中のプロット■）とした本発明に係る正特性サーミスタ装置５に対し、８０℃の雰囲気で１００Ｖの電圧を1分間印加した後、１０分間放置する断続サイクルを３０００サイクル行った場合の抵抗の変化率を測定した。その結果を図６に示す。
【００３１】
（比較例）
また、比較のために、放熱性基板１の表面粗さＲｚを２．０μｍ（エッチング処理なし、図６中のプロット▲）、８５．３μｍ（図６中のプロット×）とした正特性サーミスタ装置５０に対しても、上記と同様の方法で抵抗変化率を測定した。その結果を図６に示す。
【００３２】
（従来例）
また、導電体粒子を含むペーストを十分に攪拌した後、印刷した従来例に係る正特性サーミスタ装置５’（図６中のプロット＊）に対しても、上記と同様の方法で抵抗変化率を測定した。その結果を図６に示す。
【００３３】
［表面粗さと抵抗変化率との関係］
図６から分かるように、エッチング処理を施していない従来例の場合、１０サイクル後には抵抗が初期抵抗より２０％高くなり、１００サイクル後になると５０％高くなった。これは、シリコン系接着剤２の熱膨張係数が、正特性サーミスタ素子４の熱膨張係数の２１．４〜３０．８倍であり、放熱性基板１の熱膨張係数が正特性サーミスタ素子４の熱膨張係数の３．３〜３．８倍であって、その差が大きいため、熱ストレスによって少しずつ放熱性基板１側から剥離し、オーミック性が低下していったことによると考えられる。
【００３４】
これに対し、図６に示すように、表面粗さＲｚを１５μｍ以上にすることで、抵抗変化率を低く抑え、３０００サイクル後の抵抗変化率を最大でも１５％に抑えることができる。
さらに、図６に示すように、本発明に係る正特性サーミスタ装置は、従来例に係る正特性サーミスタ装置と比較して、抵抗変化率を１０％以上抑えることができる。
これは、従来例に係る正特性サーミスタでは数個の比較的大きな凹凸が不均一に形成されるだけであるのに対し（図７参照）、本発明にかかる正特性サーミスタ装置５では、放熱性基板１の表面に微細な凹凸が、無数にかつ均一に形成されるため、放熱性基板１と正特性サーミスタ素子４上のアルミニウム電極３との間の電気的導通が均一に得られると共に、凹部にシリコン系接着剤２が十分に入り込み、放熱性基板１と正特性サーミスタ素子４とが強固に接合されていることによる。
【００３５】
上記の表面粗さと引張り強度、抵抗変化率との関係調査より、放熱性基板１の表面粗さＲｚは、抵抗率変化が小さく接着強度の高い、１５μｍ〜６５μｍの範囲が好適であることが分かった。
【００３６】
また、表面粗さを上記の範囲とする場合、前記放熱性基板の熱膨張係数は正特性サーミスタ素子の熱膨張係数の２．８〜６．０倍、かつ、前記シリコン系接着剤の熱膨張係数は正特性サーミスタ素子の熱膨張係数の１５．０〜４３．１倍とし、放熱性基板の熱膨張係数は２０〜３００℃で２．１×１０−５〜３．５×１０−５／℃、シリコン系接着剤の熱膨張係数は２０〜２５０℃で１．１×１０−４〜２．５×１０−４／℃、正特性サーミスタ素子の熱膨張係数は２０〜２５０℃で５．８×１０−６〜７．３×１０−６／℃としておくことが望ましい。
上記範囲を外れると、熱膨張係数の異なる、正特性サーミスタ素子とシリコン系接着剤と放熱性基板との接合強度が低下し、熱ストレスが連続して加えられた時、抵抗増加を抑えることができず、剥離等を生じることもある。
【００３７】
なお、放熱性基板１の粗面化は、塩酸およびリン酸を主成分とするエッチング溶液に浸漬させ、電解エッチングを行ったが、塩酸およびリン酸を主成分とするエッチング溶液による化学エッチングでも、上記実施例と同等の効果があった。
上記粗面化方法が望ましいが、物理的なエッチングでもよく、例えば三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）および四塩化炭素（ＣＣｌ４）の塩素系ガスによるプラズマエッチングでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る正特性サーミスタ装置を示す斜視図である。
【図２】図１の正特性サーミスタ装置の要部を模式的に示す断面図である。
【図３】放熱性基板における正特性サーミスタ素子との接着面を示す図である。
【図４】引張り強度試験に用いた正特性サーミスタ装置を示す概略斜視図である。
【図５】引張り強度測定の結果を示す図である。
【図６】抵抗変化率測定の結果を示す図である。
【図７】導電性粒子を含むペーストを十分に攪拌した後印刷した従来例にかかる正特性サーミスタ素子の表面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  放熱性基板
２  シリコン系接着剤
３  アルミニウム電極
４  正特性サーミスタ素子
５  正特性サーミスタ装置
６  曲げ部
７  上端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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