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KR101486253B1 - 세라믹 히터 및 이 세라믹 히터에 열전쌍을 고정하는 방법 - Google Patents

세라믹 히터 및 이 세라믹 히터에 열전쌍을 고정하는 방법 Download PDF

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KR101486253B1
KR101486253B1 KR1020087027997A KR20087027997A KR101486253B1 KR 101486253 B1 KR101486253 B1 KR 101486253B1 KR 1020087027997 A KR1020087027997 A KR 1020087027997A KR 20087027997 A KR20087027997 A KR 20087027997A KR 101486253 B1 KR101486253 B1 KR 101486253B1
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KR
South Korea
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ceramic substrate
thermocouple
junction
solder material
ceramic
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혼기 린
제이슨 이. 스미스
대니얼 제이. 블록
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와틀로 일렉트릭 매뉴팩츄어링 컴파니
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Abstract

활성 땜질 물질에 의해 세라믹 기판에 직접 접합된 비드 형태의 고온 접합부 또는 측정 접합부를 구비하는 열전쌍을 포함하는 세라믹 히터가 제공된다. 대안적으로, 이 세라믹 기판 위에는 금속화된 층이 제공되며, 열전쌍의 비드는 통상의 땜질 물질에 의해 금속화된 층에 직접 접합된다. 세라믹 기판에 상기 비드를 직접 접합함으로써, 비드의 온도는 거의 즉각적으로 세라믹 히터의 온도를 반영하며 이에 따라 열전쌍은 세라믹 히터의 온도를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
세라믹, 히터, 열전쌍

Description

세라믹 히터 및 이 세라믹 히터에 열전쌍을 고정하는 방법{CERAMIC HEATER AND METHOD OF SECURING A THERMOCOUPLE THERETO}
본 발명은 일반적으로 전기 히터에 관한 것이며, 보다 구체적으로 세라믹 히터 및 이 세라믹 히터에 열전쌍을 고정하는 방법에 관한 것이다.
본 배경 기술에서 언급되는 사항은 본 발명과 관련된 배경 정보만을 제공하는 것일 뿐 종래 기술을 구성하는 것이 아닐 수도 있다.
일반적인 세라믹 히터는 일반적으로 세라믹 기판과 이 세라믹 기판에 매립되거나 이 세라믹 기판의 외부면에 고정되는 저항성 가열 소자를 구비한다. 저항성 가열 소자에 의해 발생된 열은 세라믹 물질의 우수한 열 전도율 때문에 세라믹 기판에 인접하게 배치된 타깃 물체로 신속하게 전달될 수 있다.
그러나, 세라믹 물질은 세라믹 물질과 금속 물질의 습윤성(wettability)이 불량한 것으로 인해 금속 물질에 접합하기 어려운 것으로 알려져 있다. 많은 세라믹 물질과 금속 물질은 습윤성이 없으며 이에 따라 용융된 금속이 모세관 압력에 반하여 세라믹 물질의 기공 내로 흘러 들어가기 어렵게 한다. 나아가, 세라믹 물질과 금속 물질 사이에 그 열 팽창 계수의 차이는 상당하며 이에 따라 고온에서 세라믹 물질과 금속 물질 사이의 접합이 유지되기 곤란하다.
그러므로, 세라믹 히터와 함께 사용되는 열전쌍은 일반적으로 금속 시스(metal sheath)를 통해 세라믹 기판에 부착된다. 세라믹 히터의 온도를 측정하기 위한 열전쌍의 고온 접합부 또는 측정 접합부는 이 금속 시스 내에 수용되고 용접되며 이 금속 시스가 세라믹 기판에 고정된다. 이 금속 시스는 일반적으로 스프링이 장착된 디바이스와 같은 기계적인 부착에 의해 세라믹 기판에 인접하게 배치된다.
열전쌍을 세라믹 히터에 고정하는 종래의 방법은 열전쌍이 세라믹 기판의 온도를 직접 측정하는 것이 아니라 금속 시스의 온도를 측정하는 것이기 때문에 온도 응답이 지연된다는 단점이 있다. 또한 이 금속 시스의 열 용량이 큰 것으로 인해 열전쌍 내 온도 변화가 더 지연되는 경향이 있다. 그러므로, 열전쌍에 의해 정확히 온도를 측정하는 것은 이 금속 시스의 열 특성에 좌우된다. 세라믹 히터가 매우 빠른 속도로 상승할 때 금속 시스가 세라믹 기판의 온도 변화에 신속히 응답하지 않는다면 즉각적으로 열전쌍이 세라믹 기판의 온도를 정확하게 측정할 수 없을 수 있다. 따라서, 상대적으로 높은 전력 밀도로 전력이 공급되고 상대적으로 빠른 속도로 온도가 상승되는 세라믹 히터에서는 더 낮은 값으로부터 더 높은 값으로 파라미터의 전이가 최종 값을 초과할 때 파라미터의 원치않는 제어를 의미하는 "오버슈팅"이 발생할 가능성이 존재한다. 따라서, 상승 프로파일 이상의 온도를 정확히 측정하고 제어할 수 없기 때문에 세라믹 히터는 타깃 온도를 초과하는 온도로 상승될 수 있으며 이에 따라 타깃 물체를 원치않게 가열할 수 있는 문제를 초래할 수 있다.
일 형태에서, 본 발명은, 세라믹 기판과 이 세라믹 기판의 온도를 측정하기 위한 적어도 하나의 열전쌍을 구비하는 세라믹 히터를 제공하는 것이다. 상기 적어도 하나의 열전쌍은 이 세라믹 기판에 직접 접합된 접합부를 구비한다.
다른 형태에서, 본 발명은, 적어도 하나의 요홈부가 형성되어 있는 세라믹 기판과, 이 세라믹 기판 내에 매립되는 저항성 가열 소자와, 적어도 하나의 열전쌍과, 활성 땜질 물질을 포함하는 세라믹 히터를 제공하는 것이다. 상기 열전쌍은 말단부를 형성하는 한 쌍의 와이어와 이 말단부에 인접하게 배치된 접합부를 포함한다. 이 접합부는 요홈부 내에 배치된다. 활성 땜질 물질은 요홈부 내에 배치되며 적어도 하나의 열전쌍의 접합부는 활성 땜질 물질과 접촉한다.
또 다른 형태에서, 본 발명은, 접합부가 형성된 한 쌍의 와이어를 구비하는 열전쌍을 세라믹 기판에 고정하는 방법을 제공하는 것이다. 상기 방법은 세라믹 기판에 열전쌍의 접합부를 직접 접합하는 단계를 포함한다.
또 다른 형태에서, 본 발명은, 세라믹 기판에, 한 쌍의 와이어를 구비하는 열전쌍을 고정하는 방법을 제공하는 것이다. 상기 방법은, 접합부를 형성하기 위해 열전쌍의 와이어를 용접하는 단계와; 세라믹 히터 기판의 표면을 세정하는 단계와; 세라믹 히터 기판의 표면 위에 활성 땜질 물질을 도포하는 단계와; 활성 땜질 물질 위에 접합부를 배치하는 단계와; 활성 땜질 물질을 건조시키는 단계와; 진공 챔버내에서 활성 땜질 물질을 가열하는 단계와; 진공 챔버 내에서 미리 결정된 온도와 시간 동안 활성 땜질 물질을 유지하는 단계와; 실온으로 냉각시키는 단계를 포함한다.
추가적인 응용 분야는 본 명세서에 제공된 상세한 설명으로부터 보다 명백히 드러날 것이다. 상세한 설명과 특정 실시예는 단지 예시를 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 제한하고자 한 것이 아니라는 것을 이해하여야 할 것이다.
본 명세서에 기술된 도면은 단지 예시를 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 제한하고자 한 것이 전혀 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 세라믹 히터에 고정된 열전쌍을 갖는 세라믹 히터의 사시도.
도 2는 도 1의 열전쌍을 갖는 세라믹 히터의 분해 사시도.
도 3은 도 1의 3-3선에 따른 세라믹 히터와 열전쌍의 횡단면도.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따라 세라믹 기판과 열전쌍 사이의 접합 상태를 보여주는 도 3의 A 영역에 대한 확대도.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따라 세라믹 기판과 열전쌍 사이의 다른 접합 상태를 보여주는 도 4와 유사한 확대도.
도 6은 본 발명에 따라 세라믹 히터에 열전쌍을 고정하는 방법을 보여주는 흐름도.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따라 세라믹 기판과 열전쌍 사이의 또 다른 접합 상태를 보여주는 도 4와 유사한 확대도.
도 8은 본 발명의 제 4 실시예에 따라 세라믹 기판과 열전쌍 사이에 또 다른 접합 상태를 보여주는 도 7과 유사한 확대도.
도 9는 금속화된 층의 다른 2층 구성 및 세라믹 기판과 열전쌍과의 접합 상태를 보여주는 것으로서, 열전쌍의 와이어와 절연체가 제거되어 있는 상태의 도면.
도 10은 본 발명에 따라 세라믹 히터에 열전쌍을 고정하는 다른 방법을 보여주는 흐름도.
대응하는 참조 번호는 여러 도면에 걸쳐 대응하는 부분을 나타낸다.
이하 상세한 설명은 단지 예시를 위한 것일 뿐 본 발명의 내용, 응용 분야 또는 용도를 제한하고자 한 것이 전혀 아니다. 그러므로, 도면 전체에 걸쳐 대응하는 참조 번호는 동일하거나 대응하는 부분과 특징을 나타내는 것으로 이해하여야 할 것이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따라 구성된 세라믹 히터가 예시되어 있으며 일반적으로 참조 번호 10으로 표시되어 있다. 이 세라믹 히터(10)는 세라믹 기판(12)과, 이 세라믹 기판(12) 내에 매립되는 저항성 가열 소자(14)(대시 라인으로 도시)와, 열전쌍(16)을 포함한다. 저항성 가열 소자(14)는 2개의 단자 패드(18)(대시 라인으로 도시)에서 종료하며, 리드선(미도시)은 저항성 가열 소자(14)를 전력 소스(미도시)에 연결하기 위해 이 단자 패드에 부착된다. 세라믹 기판(12)은 바람직하게는 알루미늄 질화물(AlN), 알루미나(Al2O3) 또는 실리콘 질화물(Si3N4)로 이루어진다. 그러나, 이들 물질은 단지 예시를 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위 내에 있는 다른 세라믹 물질도 사용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 저항성 가열 소자(14)는 예를 들어 특히 저항성 코일이나 저항성 필름과 같은 이 기술 분야에 알려져 있는 임의의 타입일 수 있다. 이 저항성 가열 소자(14)는 세라믹 기판(12) 내에 매립되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 저항성 가열 소자(14)는 본 발명의 사상을 벗어남이 없이 세라믹 기판(12)의 외부면 상에 배치될 수 있다.
열전쌍(16)은 세라믹 기판(12)에 고정되며 바람직하게는 세라믹 히터(10)가동작하는 동안 세라믹 기판(12)의 온도를 측정하기 위해 요홈부(20) 내에 배치된다. 세라믹 기판(12)의 크기 및 저항성 가열 소자(14)의 배열에 따라, 2개 이상의 열전쌍(16)이 본 발명의 범위 내에 있는 한 세라믹 히터(10)에 부착될 수 있다. 예를 들어, 세라믹 히터(10)가 복수의 가열 영역(미도시)을 가지는 경우, 복수의 가열 영역을 개별적으로 측정하고 제어하기 위하여 복수의 가열 영역에 대응하는 복수의 열전쌍(16)을 가지는 것이 바람직하다.
도 2에 보다 명확히 도시되어 있는 바와 같이, 열전쌍(16)은 비슷하지 않은 금속으로 만들어진 한 쌍의 전도성 와이어(22)를 포함한다. 이 전도성 와이어(22)는 바람직하게는 함께 용접되어 비드(bead)(26)를 형성하는 말단부(24)를 포함한다. 추가적으로, 열전쌍(16)은 제어기 또는 다른 온도 처리 장치/회로(미도시)에 연결하기 위해 구성된 인접부(28)를 포함하며, 이에 따라 전도성 와이어(22), 비드(26) 및 제어기는 전기 회로를 형성한다. 비드(26)는 고온 접합부 또는 측정 접합부로서 기능하며, 세라믹 기판(12)에 인접하게 배치된다. 인접부(28)는 냉각 접 합부 또는 기준 접합부로서 기능한다. 세라믹 기판(12) 및 이에 따라 비드(26)의 온도가 증가함에 따라 전기 회로 양단에 전압이 발생한다. 이 전기 회로 양단의 전압을 측정함으로써, 비드(26) 및 냉각 접합부 사이에 온도 차이가 결정될 수 있으며 이에 따라 비드(26) 및 이에 따른 세라믹 기판(12)의 온도가 얻어진다.
바람직하게는, 열전쌍(16)은 한 쌍의 절연체 슬리브(30)를 더 포함한다. 도 4에 보다 더 명확하게 도시된 바와 같이, 절연체 슬리브(30)는 전도성 와이어(22)를 둘러싸며, 이 전도성 와이어(22)의 말단부(24)의 일부는 비드(26)를 형성하기 위하여 절연체 슬리브(30)로부터 돌출한다. 절연체 슬리브(30)는 전도성 와이어(22)를 위한 절연 및 보호 기능을 제공한다. 절연체 슬리브(30)는 바람직하게는 세라믹 물질, 유기 접합된 유리 섬유 또는 중합체 기반 절연체 물질로 만들어진다.
열전쌍(16)은 특히 K 타입, J 타입, T 타입, R 타입, C 타입 및 B 타입의 열전쌍일 수 있다. 이들 타입의 열전쌍은 전도성 와이어의 구성에 의해 결정되며, 서로 다른 감도를 갖고 서로 다른 온도 범위에 적합하다. 예를 들어, 크로멜(Chromel)(Ni-Cr 합금) 와이어와 알루멜(Alumel)(Ni-Al 합금) 와이어를 포함하는 K 타입의 열전쌍은 약 200℃ 내지 약 1200℃의 온도 범위와 약 41μV/℃의 감도를 갖는 범용 열전쌍이다. R 타입의 열전쌍은 귀금속 와이어를 가지며 모든 열전쌍 중에서 가장 안정적이나 상대적으로 낮은 감도(약 10μV/℃의 감도)를 가지고 있다. B 타입의 열전쌍은 백금 와이어와 로듐 와이어를 가지며 최대 약 1800℃ 까지의 고온 측정에 적합하다.
도 4에 명확히 도시된 바와 같이, 비드(26)는 세라믹 기판(12)의 요홈부(20) 내에 배치된다. 요홈부(20)는 실질적으로 활성 땜질 물질(32)로 채워지며, 이 활성 땜질 물질은 비드(26)를 둘러싸며 이 비드(26)를 세라믹 기판(12)에 고정한다. 이 비드(26)는 요홈부(20)의 내부면(34)과 직접 접촉하거나 또는 본 발명의 범위 내에 있는 한 활성 땜질 물질(32)에 의해 완전히 둘러싸일 수 있다.
대안적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 비드(26)는 이전에 기술된 바와 같이 요홈부(20) 내부보다는 세라믹 기판(12)의 외부면(36)에 접합된다. 바람직하게는, 열전쌍(16)의 비드(26)는 활성 땜질 물질(32)과 접촉하며, 활성 땜질 물질(32)은 세라믹 기판(12)의 외부면(36)과 접촉한다. 다시, 비드(26)는 요홈부(20)의 내부면(34)과 직접 접촉하거나 또는 본 발명의 범위 내에 있는 한 활성 땜질 물질(32)에 의해 완전히 둘러싸일 수 있는 것으로 이해할 수 있다. 활성 땜질 물질(32)은 바람직하게는 활성 땜질 합금이다. 바람직한 활성 땜질 합금은 Wesgo(등록상표) 사에서 시판하는 Ticusil(등록상표) 합금(Ag-Cu-Ti 합금), Wesgo(등록상표) 사에서 시판하는 silver-ABA(등록상표) 합금 (Ag-Ti 합금), Au-Ni-Ti 합금 및 Au-Ti 합금을 포함한다.
이제 도 6을 참조하면서, 본 발명에 따라 열전쌍(16)을 세라믹 기판(12)에 고정하는 방법을 설명한다. 본 명세서에 예시되고 기술된 단계들의 순서는 본 발명의 범위 내에 있는 한 변경되거나 변화될 수 있으며, 그리하여 이들 단계들은 본 발명의 일 실시예의 단순한 예시에 불과하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 먼저, 열전쌍(16)이 접합되어야 하는 세라믹 기판(12)의 표면이 세정된다. 이 표면은 이전에 기술된 바와 같이 요홈부(20)의 내부면(34)이나 세라믹 기판(12)의 외부 면(36)일 수 있다. 바람직하게는 초음파 세정기 및 아세톤이나 알코올이 이 표면에 들어붙은 먼지 입자와 그리스(grease)를 제거하는데 사용된다. 열전쌍(16)의 전도성 와이어(22)의 말단부(24)가 고온 접합부나 측정 접합부로 기능할 수 있는 비드(26)를 형성하도록 용접된다.
다음으로, 활성 땜질 물질(32)이 요홈부(20)나 세라믹 기판(12)의 외부면(36)에 도포된 후 활성 땜질 물질(32) 위에 열전쌍(16)의 비드(26)를 배치한다. 활성 땜질 물질(32)은 바람직하게는 페이스트나 호일의 형태로 도포되나, 본 발명의 범위 내에 있는 한 다른 형태도 사용될 수 있다. 활성 땜질 물질(32)이 페이스트의 형태로 도포되는 경우, 비드(26)는 활성 땜질 물질(32)이 도포되기 전에 요홈부(20) 내에 삽입될 수 있으며 이에 따라 비드(26)는 세라믹 기판(12), 즉 요홈부(20)의 내부면(34)과 직접 접촉하게 된다. 추가적으로, 건조 공정은 바람직하게는 활성 땜질 물질의 페이스트를 건조시키는데 사용된다. 이 건조 공정은 바람직하게는 페이스트에 있는 용매를 증발시키는데 충분한 시간 동안 실온에서 수행된다.
이후, 열전쌍(16)을 갖는 세라믹 기판(12)이 가열을 위해 진공 챔버(미도시)에 배치된다. 바람직하게는, 진공은 가열 공정 동안 약 5×10-6 토르(torr) 미만의 압력으로 제어된다. 활성 땜질 물질(32)과 비드(26)는 약 950℃ 내지 약 1080℃ 사이에서 가열된다. 원하는 온도가 달성되면, 이 온도는 약 5분 내지 약 60분 동안 유지된다. 일 실시예에서, 활성 땜질 물질(32)은 약 950℃로 가열되며 가열 공정 동안 이 온도에서 약 15분 동안 유지된다.
가열 공정 후에, 진공 챔버는 활성 땜질 물질(32)이 응고될 수 있게 실온으로 냉각된다. 활성 땜질 물질(32)이 응고될 때 열전쌍(16)의 비드(26)는 세라믹 기판(12)에 직접 접합된다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따라 다른 방법에 의해 고정된 열전쌍을 갖는 세라믹 히터가 일반적으로 참조 번호 40으로 표시되어 있다. 세라믹 히터(40)는 세라믹 기판(12)과 열전쌍(16) 사이의 접합 상태를 제외하고는, 도 3 내지 도 5에 도시된 세라믹 히터(10)의 구성과 유사하다. 이하 상세한 설명에서 대응하는 참조 번호는 도 1 내지 도 5를 참조하여 이전에 설명된 것과 동일하거나 대응하는 부분과 특징을 나타낸다.
도 7은 열전쌍(16)의 비드(26)가 세라믹 기판(12)의 요홈부(20)에 배치되는 것을 도시한다. 이 요홈부(20)의 내부면(34)은 금속화된 층(42)으로 커버된다. 비드(26)는 요홈부(20) 내에 배치되며, 활성 땜질 물질(32)이 아닌 통상의 땜질 물질(44)이 비드(26)와 금속화된 층(42) 사이의 공간에 실질적으로 채워진다.
대안적으로, 열전쌍(16)의 비드(26)는 도 8에 도시된 바와 같이 세라믹 기판(12)의 외부면(36)에 접합된다. 금속화된 층(42)은 외부면(36)과 통상의 땜질 물질(44) 사이에 배치된다.
금속화된 층(42)은 도 8에 도시된 바와 같은 단일 층의 구성일 수도 있고 또는 도 9에 도시된 바와 같은 2층의 구성일 수도 있다. 단일 층의 구성인 경우, 금속화된 층(42)은 바람직하게는 약 0.1 내지 1㎛의 두께를 가지는 Ti 층이며 무전해 도금에 의해 형성된다. 2층의 구성인 경우, 금속화된 층(42)은 바람직하게는 세라 믹 기판(12)과 접촉하는 제 1 층(46)과, 이 제 1 층(46)과 통상의 땜질 물질(44) 사이에 배치되는 제 2 층(48)을 포함한다. 제 1 층(46)은 주 층이며 바람직하게는 Mo, MnO, 유리 프릿(glass frit) 및 유기 접합제의 혼합물로부터 형성된다. 제 2 층(48)은 바람직하게는 Ni 층, Cu 층 또는 Au 층이며 제 1 층(46)의 두께 보다 더 얇은 두께를 가지는 박층이다. 제 2 층(48)의 두께는 바람직하게는 약 2 내지 5㎛이다. 제 1 층(46)은 금속화된 제 2 층(48)을 세라믹 기판(12)에 접합하기 위한 접합 층으로서 기능하며, 이에 따라 열전쌍(16)은 통상의 땜질 물질(44)에 의해 제 2 층(48)을 통해 세라믹 기판(12)에 접합될 수 있다.
바람직한 통상의 땜질 물질(44)은 Ag-Cu 합금 또는 Au-Ni 합금을 포함한다.
도 10을 참조하면서, 본 발명에 따라 열전쌍(16)을 세라믹 기판(12)에 고정하는 제 2 방법을 설명한다. 이전에 기술된 바와 같이, 본 명세서에서 예시되고 기술된 단계들의 순서는 본 발명의 범위 내에 있는 한 변경되거나 변화될 수 있다. 먼저, 열전쌍(16)이 접합되어야 하는 세라믹 기판(12)의 표면이 세정된다. 이 표면은 이전에 기술된 바와 같이 요홈부(20)의 내부면(34)이거나 세라믹 기판(12)의 외부면(36)일 수 있다. 이후 열전쌍(16)의 와이어(22)가 비드(26)를 형성하기 위해 용접된다.
그 다음으로, 금속화된 층(42)은 요홈부(20)의 내부면(34)이나 세라믹 기판(12)의 외부면(36) 위에 형성된다. 금속화된 층(42)은 얇은 Ti 층을 스퍼터링하여 형성될 수 있다. 대안적으로, 금속화된 층(42)은 먼저 세라믹 기판(12) 위에 제 1 층(46)을 형성한 후 이 제 1 층(46) 위에 제 2 층(48)을 형성함으로써 형성될 수 있다. 제 1 층(46)을 형성할 때, Mo, MnO, 유리 프릿, 유기 접합제 및 용매의 혼합물을 포함하는 페이스트가 준비되며 세라믹 기판(12)에 도포된다. 세라믹 기판(12)과 이 페이스트는 형성 가스의 대기(atmosphere) 내에서 발화(fired)된다. 바람직하게는, 이 형성 가스는 4:1의 분자비의 질소와 수소의 혼합물이거나 또는 3:1의 분자비의 수소와 질소의 혼합물인 변성된 암모니아(cracked ammonia)이다. 발화 공정이 완료된 후, 용매는 페이스트로부터 제거되며 이 페이스트는 응고되어 세라믹 기판(12)에 부착된다.
제 1 층(46)이 형성된 후, Ni, Cu 또는 Au 층일 수 있는 제 2 층(48)이 무전해 도금 방법에 의해 제 1 층(46) 위에 도포되며 이에 의해 금속화된 층(42)을 완료한다.
금속화된 층(42)의 완료시에, 단일 층이거나 2층 구성이거나 상관없이, 통상의 땜질 물질(44)이 금속화된 층(42) 위에 배치되며 열전쌍(16)의 비드(26)가 이 통상의 땜질 물질(44) 위에 배치된다. 이후 통상의 땜질 물질(44)이 용융되고 응고되며 이에 의해 열전쌍(16)을 세라믹 기판(12)에 접합하는 것을 완료한다. 통상의 땜질 물질(44)을 가열하고 응고하는 공정은 실질적으로 도 4 내지 도 8을 참조하여 활성 땜질 물질(32)을 가열하고 응고하는 공정과 유사하므로, 이에 대한 상세한 설명은 명확화를 위해 여기서는 생략된다.
본 발명에 따라, 열전쌍(16)의 비드(26)는 세라믹 기판(12)에 직접 접합되므로, 세라믹 기판(12)으로부터의 열은 열전쌍(16)의 비드(26)로 직접 전달된다. 그 결과, 비드(26)의 온도는 세라믹 기판(12)의 온도를 거의 즉각적으로 반영하며 이 에 따라 세라믹 히터(10)의 온도는 보다 정확히 측정될 수 있다. 추가적으로, 활성 땜질 물질이나 금속화된 층과 결합된 통상의 땜질 물질을 사용함으로써, 열전쌍(16)은 상승된 온도에 노출되는 때에도 장기간 안정성을 유지할 수 있다.
본 발명에 따라 세라믹 히터(10)는 여러 가지 응용 영역을 가질 수 있다. 예를 들어, 세라믹 히터(10)는 반도체 백엔드 다이(back-end die) 접합 장치와 의료 기기에서 사용될 수 있다. 세라믹 히터(10)는 바람직하게는 상대적으로 빠른 속도로 물체를 가열하는데 사용된다.
본 발명의 상세한 설명은 단지 예시적인 것일 뿐, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 변형예들 또한 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 이러한 변형예들은 본 발명의 사상과 범위를 벗어나는 것으로 간주되지 않는다.
전술된 바와 같이, 본 발명은 세라믹 히터 및 이 세라믹 히터에 열전쌍을 고정하는데에 이용가능하다.

Claims (31)

  1. 세라믹 기판과;
    상기 세라믹 기판의 온도를 측정하기 위한 적어도 하나의 열전쌍으로서, 상기 세라믹 기판에 직접 접합되는 접합부를 포함하는 상기 적어도 하나의 열전쌍; 및
    상기 세라믹 기판과 접촉하는 금속화된 층;을 포함하며,
    상기 접합부는 상기 금속화된 층에 접합되며,
    상기 금속화된 층은 Ti 층인 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 접합부는 활성 땜질 물질에 의해 상기 세라믹 기판에 접합되는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 활성 땜질 물질은 Au-Cu-Ti 합금, Ag-Ti 합금, Au-Ni-Ti 합금 및 Au-Ti 합금으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 세라믹 기판은 알루미늄 질화물(AlN), 알루미나(Al2O3) 및 실리콘 질화물(Si3N4)로 구성된 군으로부터 선택된 물질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 세라 믹 히터.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 열전쌍은 K 타입, J 타입, T 타입, R 타입, C 타입 및 B 타입의 열전쌍으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 세라믹 기판은 요홈부가 형성되어 있으며, 이 요홈부에는 적어도 하나의 열전쌍의 접합부가 배치되는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 세라믹 기판의 요홈부는 실질적으로 활성 땜질 물질로 채워지는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 열전쌍은 말단부를 형성하는 한 쌍의 와이어를 포함하며 상기 접합부는 이 말단부에 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 말단부는 비드를 형성하도록 접합되며, 상기 비드는 상기 세라믹 기판 위에 배치된 활성 땜질 물질과 접촉함으로써 상기 열전쌍을 세라믹 기판에 접합하는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 한 쌍의 와이어의 적어도 일부는 절연체에 의해 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 절연체는 한 쌍의 와이어 위에 배치된 한 쌍의 세라믹 슬리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  12. 삭제
  13. 세라믹 기판과;
    상기 세라믹 기판의 온도를 측정하기 위한 적어도 하나의 열전쌍으로서, 상기 세라믹 기판에 직접 접합되는 접합부를 포함하는 상기 적어도 하나의 열전쌍; 및
    상기 세라믹 기판과 접촉하는 금속화된 층;을 포함하며,
    상기 접합부는 상기 금속화된 층에 접합되며,
    상기 금속화된 층은 Mo, MnO, 유리 프릿 및 유기 접합제의 혼합물로부터 만들어진 제 1 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 금속화된 층은 Ni, Cu 및 Au로 구성된 군으로부터 선택되는 물질로 만들어진 제 2 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  15. 삭제
  16. 청구항 1 또는 청구항 13에 있어서,
    상기 접합부는 땜질 물질에 의해 상기 금속화된 층에 접합되는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 땜질 물질은 Ag-Cu 합금 및 Au-Ni 합금으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  18. 적어도 하나의 요홈부가 형성되어 있는 세라믹 기판과;
    상기 세라믹 기판 내에 매립되는 저항성 가열 소자와;
    말단부를 형성하는 한 쌍의 와이어와 상기 말단부에 인접하게 배치되며 상기 요홈부 내에 배치되는 접합부를 구비하는 적어도 하나의 열전쌍과;
    상기 요홈부 내에 배치되는 활성 땜질 물질
    을 포함하며,
    상기 적어도 하나의 열전쌍의 접합부는 상기 활성 땜질 물질과 접촉하는 것을 특징으로 하는 세라믹 히터.
  19. 삭제
  20. 세라믹 기판에, 접합부가 형성된 한 쌍의 와이어를 구비하는 열전쌍을 고정하는 방법으로서,
    상기 세라믹 기판에 요홈부를 형성하는 단계와;
    상기 상기 요홈부 내에 접합부를 배치하는 단계와;
    상기 세라믹 기판에 상기 열전쌍의 접합부를 직접 접합하는 단계;를 포함하며,
    상기 직접 접합하는 단계는 활성 땜질 물질을 사용하여 달성되는 것을 특징으로 하는 세라믹 기판에 열전쌍을 고정하는 방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 세라믹 기판에 페이스트 형태의 활성 땜질 물질을 도포하는 단계와 상기 활성 땜질 물질의 페이스트 위에 상기 열전쌍의 접합부를 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 기판에 열전쌍을 고정하는 방법.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 열전쌍의 접합부가 배치되는 활성 땜질 물질을 약 950℃ 내지 약 1080℃로 가열하는 단계와 약 5분 내지 60분 동안 이 온도를 유지하는 단계를 더 포함 하는 것을 특징으로 하는 세라믹 기판에 열전쌍을 고정하는 방법.
  23. 청구항 22에 있어서,
    상기 가열하는 단계는 5±10-6 토르(torr) 보다 낮은 진공 챔버 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 세라믹 기판에 열전쌍을 고정하는 방법.
  24. 청구항 20에 있어서,
    상기 활성 땜질 물질은 세라믹 기판의 요홈부 내에 채워지는 것을 특징으로 하는 세라믹 기판에 열전쌍을 고정하는 방법.
  25. 청구항 20에 있어서,
    상기 활성 땜질 물질은 세라믹 기판의 외부면에 도포되는 것을 특징으로 하는 세라믹 기판에 열전쌍을 고정하는 방법.
  26. 세라믹 기판에, 접합부가 형성된 한 쌍의 와이어를 구비하는 열전쌍을 고정하는 방법으로서,
    상기 세라믹 기판에 요홈부를 형성하는 단계와;
    상기 상기 요홈부 내에 접합부를 배치하는 단계와;
    상기 세라믹 기판에 상기 열전쌍의 접합부를 직접 접합하는 단계;를 포함하며,
    상기 접합부는 상기 와이어의 말단부에 와이어를 용접함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 세라믹 기판에 열전쌍을 고정하는 방법.
  27. 세라믹 기판에, 접합부가 형성된 한 쌍의 와이어를 구비하는 열전쌍을 고정하는 방법으로서,
    상기 세라믹 기판에 요홈부를 형성하는 단계와;
    상기 상기 요홈부 내에 접합부를 배치하는 단계와;
    상기 세라믹 기판에 상기 열전쌍의 접합부를 직접 접합하는 단계;를 포함하며,
    상기 직접 접합하는 단계는 세라믹 기판 위에 금속화된 층을 제공하는 단계와 상기 금속화된 층에 접합부를 땜질 물질에 의해 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 기판에 열전쌍을 고정하는 방법.
  28. 청구항 27에 있어서,
    상기 금속화된 층을 제공하는 단계는 제 1 층을 형성하기 위해 Mo, MnO, 유리 프릿, 유기 접합제 및 용매의 혼합물을 상기 세라믹 기판 위에 도포하는 단계와 제 2 층을 형성하기 위해 Ni, Cu 및 Au로 구성된 군으로부터 선택된 물질을 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 기판에 열전쌍을 고정하는 방법.
  29. 청구항 27에 있어서,
    상기 금속화된 층을 제공하는 단계는 상기 세라믹 기판 위에 Ti 층을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 기판에 열전쌍을 고정하는 방법.
  30. 세라믹 기판에, 한 쌍의 와이어를 구비하는 열전쌍을 고정하는 방법으로서,
    접합부를 형성하기 위해 상기 열전쌍의 와이어를 용접하는 단계와;
    상기 세라믹 기판의 표면을 세정하는 단계와;
    상기 세라믹 기판의 표면 위에 활성 땜질 물질을 도포하는 단계와;
    상기 활성 땜질 물질 위에 접합부를 배치하는 단계와;
    상기 활성 땜질 물질을 건조시키는 단계와;
    진공 챔버 내에서 활성 땜질 물질을 가열하는 단계와;
    상기 진공 챔버 내에서 미리 결정된 온도와 시간 동안 상기 활성 땜질 물질을 유지하는 단계와;
    상기 활성 땜질 물질을 실온으로 냉각시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 기판에 열전쌍을 고정하는 방법.
  31. 청구항 30에 있어서,
    상기 활성 땜질 물질은 호일과 페이스트로 구성된 군으로부터 선택된 형태로 된 것을 특징으로 하는 세라믹 기판에 열전쌍을 고정하는 방법.
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