(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶質セラミックスからなる基体と、前記基体の表面若しくは内部又は両方に、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｎｉ，Ｃｕ，及びＦｅの中から選ばれた少なくとも三種が含まれている組成物からなる抵抗体層を形成するセラミックス基板。
【請求項２】
前記Ｃｏ，Ｍｎ，Ｎｉ、Ｃｕ及びＦｅの中から選ばれた少なくとも三種が含まれている組成物からなる抵抗体が、８Ω・ｃｍ以上、２５００Ω・ｃｍ以下の体積抵抗率を保持する請求項１に記載するセラミックス基板。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載したセラミックス基板を具備した物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセラミックスの熱拡散率に関する。                                                                        
【背景技術】
【０００２】
熱拡散率は熱伝導率値を導き出す基となり、測定方法の一つである非定常法では、その値に比熱と嵩密度を乗算する事により熱伝導率が導かれ、その中でも、セラミックスはレーザフラッシュ法（ＬＦ法）を用いて熱拡散率を測定する事が多く、本発明もこの方法を用い基準にして述べている。                                                                
【０００３】
熱伝導率は材料別に限られた範囲内の値を保持し、同様に熱拡散率も限られた範囲内で、その値の向上が熱伝導率値の向上に繋がる。                                                                      
【０００４】
例えば京セラ(株)のＨＰでの熱伝導率は、炭化珪素（ＳＣ１０００）２００Ｗ／ｍ・Ｋ、窒化アルミ（ＡＮ２１６Ａ）１５０Ｗ／ｍ・Ｋ、アルミナ（ＳＡ１００）３２Ｗ／ｍ・Ｋ等が記載されている。
【０００５】
上記値は材料の含有率、嵩密度、製造者によっても多少の差異がある。
【０００６】
特許文献１は放熱性に優れた基板として開示され、その特徴は導体層と該導体層を貫通する孔が形成され、その孔には柱状に非金属部材が挿入され放熱性を高めるもので、ハイブリット的要素が多く本発明とは異なり、単体で熱拡散度率を向上させた情報は少ない。
【０００７】
特許文献２は、アルミナ及びムライトを主成分とするセラミックスからなる基体に、被焼成体との反応を抑えるコート層を備える事で、加熱中の基体とコート層の熱拡散率が均一となる事を特徴とした発明でコート材との複合品である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１９−１４０３２１号公報
【特許文献２】特開２００４−７５３９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
急峻な温度変化に対応する電子部品は、体積を小さくしても熱拡散率が低い基板、保護材及び電極リード部等の副資材に熱を奪われ、本来の性能が発揮できない環境下にある。
【００１０】
この為に少しでも熱拡散率の高い材料を選択する事が余儀なくされ、例えばセラミックス基板においては、含有率の高い材料若しくは単結晶サファイヤ等の単価の高い部材を選択している。
【００１１】
高い部材の流用は、例えば医療用機器等に用いた場合においては装置本体価格が高くなり、最終的に患者の負担に繋がる事になる。
【００１２】
これらの問題を鑑み本発明は、含有率が低い材質の熱拡散率が向上したセラミックス基板を提供する事にある。
【００１３】
尚、以後に述べるセラミックス基板とは、粉末及び構造用のセラミックス並びにセラミックス製窯道具、陶磁器及びガラス等を指している。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
請求項１に記載する発明は、セラミックスからなる基体と、前記基体の表面若しくは内部又は両方に、遷移金属第四周期元素群の中から選ばれた少なくとも二種が含まれている層を形成するセラミックス基板である。
【００１５】
請求項２に記載する発明は、前記遷移金属第四周期元素群の中から選ばれた少なくとも二種が、マンガン（Ｍｎ）及びニッケル（Ｎｉ）若しくは銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）若しくは銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）及びマンガン（Ｍｎ）又はニッケル（Ｎｉ）及び鉄（Ｆｅ）とからなり、全体を１００ｍａｓｓ％（質量％）としたときそれぞれ下記の範囲である請求項１に記載するセラミックス基板である。
２．０≦Ｎｉ≦４０ｍａｓｓ％  残余Ｍｎ
２．０≦Ｃｕ≦４０ｍａｓｓ％  残余Ｍｎ
２．０≦Ｎｉ≦４０ｍａｓｓ％  残余Ｃｏ
２．０≦Ｃｕ≦４０ｍａｓｓ％  残余Ｃｏ
１．０≦Ｃｏ≦４０ｍａｓｓ％  残余Ｍｎ
２．０≦Ｎｉ≦４２ｍａｓｓ％  残余Ｆｅ
【００１６】
ｍａｓｓ％（質量％）とは物体に含まれている物質の量であり、地表上の位置の影響を受けない単位である。
【００１７】
請求項３に記載する発明は、請求項１又は請求項２に記載したセラミックス基板を具備した物品である。
【００１８】
マンガン及びニッケル若しくは銅、コバルト及びニッケル若しくは銅、コバルト及びマンガン或いはニッケル及び鉄の各化合物を混合し、焼成温度８００〜１３００℃で加熱すると抵抗体となり、例えばＭｎ３Ｏ４、ＮｉＯそれぞれの化合物をＡｔｍ比４：２で混合、加熱すると２５℃の体積抵抗率（ρ２５）が約２５〜３５Ω・ｃｍの組成物となり、またＭｎ３Ｏ４とＣｕＯをＡｔｍ比３：３で混合、加熱するとρ２５は約１０〜１５Ω・ｃｍの組成物となり、Ｃｏ：Ｍｎが３：３の組成物ではρ２５は約５２０〜７００Ω・ｃｍとなり、これらを成形後又は焼結体をセラミックスからなる基体と接触させ加熱する事で、熱拡散率が向上したセラミックス基板が出来上がる。
【００１９】
図６及び図７は、一部の試料の蛍光Ｘ線分析ＷＤＸ（ＳＱＸ）の分析結果一例であり、解析によりセラミックスからなる基体に拡散した組成物の観察ができる（尚図中のカーボンＣは成形時のバインダ成分残渣と思える）。
【００２０】
セラミックス基板は、結晶質では代表例としてアルミナ、フォルステライト、ステアタイト、ムライト、ジルコニア、陶磁器等、窒化物では窒化硼素、窒化チタン、窒化アルミ等、炭化物では炭化タングステン、炭化珪素等、非晶質では硬質ガラスの耐熱ガラス、例えばパイレックス（登録商標）ガラス、ｅガラス、ｓガラスが挙げられ、他の軟質ガラスでは釉薬、ソーダ石灰ガラス等が挙げられる。
【００２１】
請求項２における遷移金属第四周期群の中から選ばれた少なくとも二種の元素の範囲特定は、蛍光Ｘ線ＷＤＸ法（ＳＱＸ）によるものである。
【発明の効果】
【００２２】
表１（２５℃値）より、アルミナとフォルステライトの各基体に、遷移金属第四周期元素群の中から選ばれた少なくとも二種を拡散させると、オリジナルとの比較では拡散により熱拡散率が向上する事の効果が確認できる。
【表１】
0006821069.tif 000002
【００２３】
組成物の拡散効果は、例えば表１Ｎｏ，１より、熱拡散率８．３２（実測値）×比熱０．７５（文献値）×嵩密度３．５７（実測値）＝熱伝導率２２．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）のアルミナからなる基体が、組成物が拡散する事で熱拡散率総平均値８．８４〜９．８９×比熱０．７５（文献値）×嵩密度３．６（実測値の一例）＝熱伝導率２３．８〜２６．７Ｗ／（ｍ・Ｋ）となり、低コスト材料の熱伝導率の向上が可能となる。
【００２４】
表２（２５℃値）より、ムライトに三種以上の組成物を接触させ繰返しの加熱を行い、拡散を促進させた試料は、嵩密度の低下にも関わらずオリジナル品と比較し熱拡散率が２．７〜２２．８％の向上効果が観られた。
【表２】
0006821069.tif 000003
【００２５】
これは、匣鉢、台板等の窯道具等は度重なる焼成により嵩密度の低下が生じ、熱拡散率の低下現象が観られるが、組成物が拡散する事で嵩密度を含め熱拡散率低下が抑制でき、交換頻度が減り消耗品費用の削減となる。
【００２６】
図４及び図５は、２５、５０及び１００℃における熱拡散率測定結果の一例であり、表２のムライトは、オリジナルと比較して２５℃において嵩密度低下にも関わらず熱拡散率低下抑制ができている。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】組成物の濃度勾配があるセラミックス基板の拡大イメージ図
【図２】組成物とセラミックスからなる基体が接触している状態の一例
【図３】組成物を混合した場合のセラミックス基板内拡散状況イメージ図
【図４】表―１アルミナ中のＭｎ−Ｃｕ系熱拡散率測定データの一例
【図５】表―２ムライトの繰返加熱による熱拡散率測定データの一例
【図６】セラミックスからなる基体に二組成の組成物が拡散したＳＱＸの一例
【図７】セラミックスからなる基体に三組成の組成物が拡散したＳＱＸの一例
【図８】四端子による体積抵抗率の測定方法
【発明を実施するための形態】
【００２８】
遷移金属第四周期元素群の中から選ばれた少なくとも二種の組成物製造方法は、原料を所定量秤量し、ボールミル等で混合後５００〜７５０℃の範囲で仮焼きし、次に粉砕し、バインダ（例えばＰＶＡ、パラフィン等）添加後造粒し成形し、８００℃〜１３００℃の範囲で焼成する事で組成物が出来上がり、これをセラミックスからなる基体に混合又はペースト状若しくは泥漿状を塗布（印刷、塗装）し接触させ焼成し、結合若しくは単独又は両方で存在させる層を形成する。
【００２９】
また造粒後の成形物を、セラミックスからなる基体と接触させ焼成する事でも層を形成する事は可能である。
【００３０】
該組成物の焼成体を粉末状にする方法は、成形密度を低くし焼成後解砕する、高速で回転するブレード、例えばダイシングソー等に水を噴射しながら研削若しくは研磨し回収する、或いは水を流しながら対の組成物を接触させ粉末を得る等がある。
【００３１】
組成物二種の組合せ例としては、Ｍｎ：Ｎｉ、Ｍｎ：Ｃｕ、Ｃｏ：Ｎｉ、Ｃｏ：Ｃｕ、Ｍｎ：Ｃｏ及びＮｉ：Ｆｅの６種の組合せがある。
【００３２】
三種の組合せでは、Ｃｏ：Ｍｎ：Ｎｉ、Ｃｏ：Ｍｎ：Ｃｕ及びＭｎ：Ｎｉ：Ｃｕ等、四種ではＣｏ：Ｍｎ：Ｎｉ：Ｃｕ、Ｃｏ：Ｍｎ：Ｎｉ：鉄の等の組合せ、五種全てを用いる事も可能で、それぞれの体積抵抗率（ρ２５）はＡｔｍ比率、粒子径、焼成温度により異なり７〜２５００Ω・ｃｍ以上となり、体積抵抗率測定は図６の様に一対の電極を設け空気中若しくは油槽中で測定することが可能である。
【００３３】
組成物の各元素、例えばＮｉ、Ｃｕ、Ｃｏの濃度を下げたい場合は、セラミックスからなる基体表面に塗布（例、スクリー印刷、スプレー塗装）する事が好ましく、その際粘度若しくは濃度を下げる事で容易に１ｍａｓｓ％近くまで調整が可能となる。
【００３４】
表１は、組成物をアルミナとフォルステライトそれぞれに塗布又は混合し、次に焼成した熱拡散率の値である。
【実施例１】
【００３５】
セラミックスからなる基体（例えばアルミナ板）に、一例として挙げるＭｎ３Ｏ４、ＣｕＯ二種それぞれの化合物がＡｔｍ比でＭｎ：Ｃｕ＝４：２からなる（ρ２５約１５Ω・ｃｍ）組成物を接触（例えばスクリーン印刷）させ８００℃〜１３００℃で焼成する事でセラミックス基板ができる。
【００３６】
焼成温度が高いほどＣｕ成分は表面に析出しやすい事が特徴である。
【００３７】
Ｎｉ、Ｃｕ及びＣｏの各々の濃度が高くなる程熱拡散率は高くなる傾向が観られるが、その傾きは小さく４０ｍａｓｓ％程度が限度である為に、本発明では表１乃至表２に記載以外の高濃度の結果を表記しない。
【００３８】
図１は拡散により結合若しくは単体又は両方で存在した部分の拡大イメージ図で、図２の状態から焼成する事で出来たセラミックス基板のイメージ図である。
【００３９】
セラミックス基板全体の熱拡散率を上げたい場合は全面に接触させ、局部的に上げたい場合、例えば中央部の場合は中央部を中心に接触させる事が好ましく、その際積層状にする事も有効である。
【００４０】
組成物は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕの比率が多くなる程材料単価が高くなり、コスト面を加味すると３５ｍａｓｓ％以下に抑える事が好ましく、又セラミックスからなる基体を薄くする事も有効である。
【００４１】
セラミックスからなる基体の具体的な厚みは３ｍｍ以下が好ましく、３ｍｍを上回る場合は積層等の方法が有効である。
【００４２】
拡散は、粒子径、焼成温度、時間、焼成頻度及びセラミックスからなる基体材質と、その含有率に左右される。
【００４３】
セラミックスからなる基体が白色系の場合、組成物が拡散すると表面の色相が青系や黒色系に変化し、又ガラスの場合はＣｏ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕの何れか一種以上がガラスと結合し、更にアンカー効果により強固な結合となり、面実装部品のガラス被覆のメカニズムと同じ現象がある。
【００４４】
熱拡散率測定（ＬＦ法）に用いた試料は、アルミナ、ムライト及びフォルステライトの三種、ｔ＝２．３〜３．５ｍｍ、ダイシングソーを用いて□３５より□１０ｍｍに加工し、次にカーボン被膜を両面に合わせて２０μｍ以下になる様に塗布した。
【００４５】
測定装置は、装置名：ＬＡＦ４６７、ＺＥＴＺＳＣＨ社製、ショット数：３、検出エリア：直径：３．７ｍｍである。
【００４６】
表２の測定試料ムライトは、度重なる１２００℃の加熱により嵩密度の低下が観られるが、熱拡散率の低下はオリジナルより抑制されている。
【００４７】
この要因は、ムライトの酸素欠陥に組成物の成分が結合し低下を抑制していると考える。
【００４８】
熱伝導率の計算式は、熱伝導率［Ｗ／ｍ・Ｋ］＝熱拡散率［ｍ２／ｓ］×比熱［Ｊ／Ｋ・ｋｇ］×嵩密度［ｋｇ／ｍ３］であり、同一試料の場合は熱拡散率が高まる事で熱伝導率が向上する。
【００４９】
表１乃至表２の嵩密度は重量÷体積より導いている。
【実施例２】
【００５０】
図３は、一例として挙げるフォルステライトの粉末に、Ｍｎ：Ｎｉの組成物粉末を２０ｗｔ％添加し混合し成形し、次に９００〜１３００℃加熱すると、組成が拡散したフォルステライト板が出来上がる。
【実施例３】
【００５１】
スパッタ装置を用いて組成物を成膜する事でも、熱拡散率が向上したセラミックス基板を製造する事が可能となる。
【００５２】
例えば、セラミックスからなる基体（例としてアルミナ）表面に金属、例えばＴｉ及び金を成膜し、必要であればドライエッチし、好ましくはＳｉＯ２成膜後Ｃｏ：Ｍｎ：Ｃｕ＝１．８：３．０：１．２からなるターゲット組成物を成膜し、必要であればドライエッチし、７００〜９００℃でシンタリングする事で、熱拡散率向上の機能を更に高める集熱板と放熱板両方を兼ね備えたセラミックス基板が可能となる。
【００５３】
実施例１乃至実施例３並びに次に記載する実施例４の内容は一例であって、これらに限定するものではない。
【００５４】
本発明で述べているセラミックス基板の形状は、楕円を含む円形、円柱、球体及び多角形状の棒体若しくは板材等の構造材、並びにバルーン、ビーズ、ファイバ−若しくは鱗片状の粉末等を指している。
【００５５】
本発明で述べている拡散とは、セラミックスからなる基体の粒子若しくは粒界又は両方に、遷移金属第四周期元素群の中から選ばれた少なくとも二種の組成物が接触面から熱エネルギ−により自由に散らばり、組成物が結合若しくは単独又は両方で存在する現象を指している。
【実施例４】
【００５６】
表３は、釉薬に組成物をフィラーとして添加（例２０ｗｔ％）し、陶器表面に塗布し焼付後、１５０ｍｌの水を６００Ｗの電子レンジ（２．４５ＧＨｚ）で加熱した結果で、昇温速度及び保温性の向上が観察できる。
【００５７】
【表３】
0006821069.tif 000004
【００５８】
従来電子レンジで加熱した場合の特徴は、陶器が発熱しない為に発熱した液体は陶器へ熱移動が生じ冷めやすくなってしまうが、この場合釉薬が発熱するために陶器自体も発熱し、結果迅速に温まり又冷めにくい状態が維持できる事が特徴である。
【００５９】
組成物への電子レンジによる高周波照射は、結晶欠陥等を起因とした発熱現象を生み、その発熱温度は組成と照射時間によって異なるが、例えばＭｎ、Ｃｕ，Ｎｉの三組成では、２分照射で１５０℃程度まで発熱する。
【００６０】
本発明で述べている物品とは、一例として電子部品搭載用セラミックス基板、焼成用窯道具等の匣鉢、炉床板、台板、民生品では陶磁器製食器、釉薬を含むガラス製品、電子レンジで発熱する調理器具等が挙げられる。
【００６１】
本発明で用いた蛍光Ｘ線分析装置は、（株）リガク社製  ＺＳＸ  Ｐｒｉｍｕｓ４である。
【符号の説明】
【００６２】
１    セラミックス基板
２    組成物成分が拡散している層
３    拡散濃度が高い層
４    拡散濃度が中間な層
５    拡散濃度が低い層
６    二種以上からなる層
７    セラミックスからなる基体
８    接触面
９    貴金属
１０    デジタルマルチメータ
１１    導線
１２    組成物
【要約】 
【課題】電子部品は周辺部にセラミックス基板、保護材（ガラス等）、電極を備え、使用時には電子部品からの熱移動を生じ熱応答性が劣る現象が生まれ、この要因は周辺部の発熱が無い事もあるが、周辺部材の熱拡散率が低い為でもある。
【解決手段】セラミックス基板に、遷移金属第四周期元素群の中より選ばれた少なくとも二種の組成物の層が形成される事で、該層の形成が無いものと比較し熱拡散率は向上し、熱応答性が高まったガラスを含むセラミックス基板の製造が可能となる。
【選択図】  図１【図１】
0006821069.tif 000005
【図２】
0006821069.tif 000006
【図３】
0006821069.tif 000007
【図４】
0006821069.tif 000008
【図５】
0006821069.tif 000009
【図６】
0006821069.tif 000010
【図７】
0006821069.tif 000011
【図８】
0006821069.tif 000012