熱電対取付方法 / 接合材料販売

目次
(1) 極細熱電対の取付のコツ
(2) 様々な対象物への接合アドバイス
(3) 接合材料の販売

(1)極細熱電対の取付のコツ

極細熱電対は大変高感度である反面大変弱い。これを直接机の上などに置くと、壊れる原因となります。取り出した後は、机の側面などにテープで止め、常に先端が空気中にあるようにする必要があります。
顕微鏡の上にホットプレートをのせて、その上に基板サンプルをのせ、先端に近い被覆部を予め少し曲げた熱電対(出来ればしなやかなガラス被覆熱電対)をカプトンテープで丁度よい位置に固定する。この時、極細部がやや反る位応力を加えた状態とする。(金属コンタクトを得る)この状態を決して動かさず、200μm径の金属線を筆代わりにAgペーストをごくわずか塗布し、ホットプレートのスイッチ(200℃設定)を入れデーターロガーを介しキュア温度と時間を監視計測する。
180℃x10分以上キュアリング。
銀ペーストは実際上350℃程度まで耐えるようです。何といっても熱伝導率が最も大きい接着剤で有利です。但し銀ペーストは導電性です。
ずれ防止の為に基板は大きい方がよく、小さいサンプルでは金属板の上に乗せ、カプトンテープで一体とするのがよいでしょう。
写真の例では、ウェハーサンプルを銅板の上に載せている。銅板や、アルミ板は熱伝導率が高くキュアリングに好都合。
極細熱電対の先端はもちろんとても弱く、直接この部分に応力がかかると一発で外れます。 このため、カプトンテープの固定が必須です。できれば二重、三重に貼ると尚良いです。 使用時は極力銅板などからはずさずに使い、 金属板ごと評価できるように、予め金属板の設計準備をお勧めします。 例外的にサンプルがごく小さい場合は金属板からはずしてもいい場合もあります。が、もちろん取扱は細心の注意が必要です。

極細熱電対をテープで固定し、繰り返し使用することは、強度的に難しいですが、 そのように使用する場合には測定温度が250℃以下であれば、先端はんだコートすることで、先端接合部が補強されます。



(2)様々な対象物への接合アドバイス

測定対象物、熱の流れ等ケースバイケースで熱電対の取付方法を変える必要があります。
以下は経験上勧められる方法です。

1. 対象物が金属の場合
  一般に金属の場合、他の物質に比較し熱伝導率が大です。(ごくごく、大雑把ですが金属の熱伝導率を1000としますと、アルミナセラミックスは100、プラスチック類は1程度とお考え下さい)。できれば、熱がスムーズに測定対象物から熱電対センサーへと流れ、なるべく速く測定対象物とセンサー部が同一の温度となることが望ましいわけです。
 そこで、できれば熱電対センサー部と対象物とを熱伝導の大きい金属を接合材として一体化できればベストです。
(a) 対象物がはんだでぬれるのであれば、予め熱電対センサー部をはんだコートした熱電対を選定購入し、極微量(少ないほど好ましい)のはんだではんだ付して下さい。既に、多くの実験から、この方法が最も高精度であることが知られています。
 高温はんだ(融点290℃程度)を使えばはんだ付温度(220〜260℃)でも溶融せず、はずれることもありません。現在業界では有害な鉛を排除する方向にありますので、代替接合金属が見当たらないのが実は苦しいところです(アンチモンを含む高温はんだも有害で、使用出来なくなるとお考え下さい)。但し、特殊用途の鉛含有はんだは規制対象ではありません。
当社では、活性ヤニ入り高温糸はんだ(スズ8%銀2%・線径1.2mm・融点295℃)を販売しています。価格は1,000円(送料別料金)です。但し、通常のフラックスではK型熱電対は濡れないので、先端はんだコート済みの熱電対と、こちらの活性ヤニ入り高温糸はんだを併用してください。
(b) 対象物がはんだでぬれない場合、はんだに代わり高熱伝導性の接着剤即ち銀ペーストを使い、上記同様微量の銀ペーストで接着するのが好ましいといえます。(塗布後200℃程度でキュア固定します)。
当社では、熱電対固着用銀ペーストを少量販売しています。価格は0.5g入りで1500円(送料別料金)です。
(c) 対象物が300℃以上の高温となる場合、熱伝導率がやや低下しますが、セラミックを主成分とする高温用接着剤の使用も考えられます。瞬間的であればカプトンテープ (連続耐熱温度260℃ 瞬間370℃) も可能です。あるいは熱電対を熱伝導率のよい薄い金属板(例えば薄い銅板片)と対象部の間に挟みこみ、ネジで固定するのも良いでしょう。この場合、先端以外でも銅板を伝わりショートしますので、先端部を除いて耐熱性絶縁コートを施してある方が良いでしょう。また対象物金属を一部分切削しても良い場合は、直径1mm程度、深さ3mm程度の穴を掘り、測定温度によりますが、銀ペーストあるいは高温はんだ、あるいはセラミック接着剤で埋め込んでもいいでしょう。この場合センサー部は全面から加熱されますし、センサー部からの放熱の影響も軽微ですので、当社汎用熱電対(先端玉ころ形状ではない)を選定してもよいでしょう。
当社では、熱電対固着用セラミック接着剤を少量販売しています。価格は30g入りで800円(送料別料金)です。
(d) 入熱昇温が金属の内側から生ずる場合は、そして外気温度の影響をむしろ排除したい場合は、下記に述べますようにカプトンテープを使い取り付けるのも取付簡単でよい方法です。

2. 対象物が金属でない場合

 銀ペーストで取り付けるか、カプトンテープで取り付けるか、難しいところですが、以下の様に考えたら良いのではないかと思われます。
 例えば、対象物がプラスティック等でどちらかといえば内側から発熱昇温する場合は、カプトンテープで貼り付けるのが好ましいでしょう。対象物が大きければ極薄熱電対を使い、カプトンテープで固定しますと丈夫で応答性も優れています。但し、難はカプトンテープ(約70μm厚)の熱伝導率が金属の1000分の1程度ですので、雰囲気温度の影響をシャットダウンする可能性があります。従いまして固定に必要な場所のみ、小面積のカプトンテープを使い取り付けるのが好ましいといえます。こうすれば、外気側から入熱する場合にも応用できるでしょう。但し、測定場所から例えば3cm位離れた場所に熱電対線をテープで固定する場合、影響は軽微と考えられますので、あまりカプトンテープの面積を気にしなくていいでしょう。カプトンテープは300℃程度の耐熱性があります。瞬間的であれば、もっと高温にも耐えられるでしょう。本カプトンテープも当社から販売しています。(高価ですが、通常使用量は少ないですので少量販売しています。50cm 800円)

3. 導通性のあるものに先端素線が接触する場合
熱電対先端接合部以外の素線が金属などに触れますと、金属などで導通した部分の温度も計測することになります。この様な場合は先端接合部を含めて、あるいは先端接合部以外を絶縁コートしてください。
例:
熱電対と導通性のあるものの接触 例:絶縁コーティングしていない素線が金属板に触れている場合

赤線部分の温度を含めて測定していることになります。
熱電対先端の絶縁コート等のオプションはこちらをご覧下さい。


(3)熱電対接合材料販売

接合材料 詳細
カプトンテープ 
 巾:12mm 長さ:50cm
常用使用限度:-73℃〜260℃ 加熱使用限度:約370℃
高温はんだ 
 線径:1.2mm  
 長さ:約3.4m
鉛90%スズ8%銀2% 融点295℃
注:EU(欧州連合)のRoHS指令(電気電子機器に含まれる有害物質の使用制限等)では高融点はんだ(鉛85%以上)は規制対象外です。
※ 通常のフラックスではK型熱電対は濡れないので、先端はんだコート済みの熱電対と、こちらの活性ヤニ入り高温糸はんだを併用してください。
セラミックス接着剤 30g 恐れ入りますが、2014年3月をもちまして取扱を中止しました。
銀ペースト 5g 常用使用限度:-55℃〜230℃ 加熱使用限度:約325℃ 導電性あり
固着法: 170℃〜180℃ で 2分〜5分
      120℃〜150℃ で 約30分

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