JP2019208006A

JP2019208006A - 電極埋設部材の製造方法

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Publication number: JP2019208006A
Application number: JP2019030679A
Authority: JP
Inventors: 淳土田; Atsushi Tsuchida; 優棋薮花; Masaki Yabuhana
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2018-05-29
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2019-12-05
Anticipated expiration: 2039-02-22
Also published as: JP7280059B2

Abstract

【課題】基材のクラックの不具合を抑制することができる電極埋設部材の製造方法を提供する。【解決手段】本発明の電極埋設部材１の製造方法は、複数の金属粒子を含む粉末原料を加圧成形することにより接続部材４となる金属成形体４ａを準備する準備工程と、内部電極３及び金属成形体４ａが埋設されたセラミックス体２ｃを作製するセラミックス体作製工程と、内部電極３及び金属成形体４ａが埋設されたセラミックス体２ｃを焼成することにより内部に金属の存在しない空間を有する接続部材４が埋設された基材２を作製する基材作製工程と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、セラミックスからなる板状の基材に内部電極が埋設された電極埋設部材の製造方法に関する。

従来、セラミックスからなる板状の基材に内部電極が埋設された電極埋設部材が知られている。電極埋設部材では、端子を内部電極に接続させるための挿入穴を基材に穿設するときに、内部電極を傷つけないように内部電極と端子とを接続する個所に接続部材を予め配置しておき、接続部材によって、内部電極が傷つくことを防止するなどの対策が必要となる。このような、内部電極が埋設された電極埋設部材として、セラミックス基材に埋設された内部電極に端子を接続するための接続部材が設けられた電極埋設部材が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１０−３４５１４号公報

しかし、特許文献１に開示された製造方法による部材では、ロウ付けなど製造プロセス中の熱の影響により、及び、使用時の温度変化が繰り返されることにより、基材と接続部材との熱膨張率の違いから基材にクラックが入り、基材の絶縁性能が担保されない虞があった。

本発明は、以上の点に鑑み、基材のクラックの不具合を抑制することができる電極埋設部材の製造方法を提供することを目的とする。

［１］上記目的を達成するため、本発明の電極埋設部材の製造方法は、
表面及び裏面を有し、セラミックスからなる板状の基材と、
前記基材の表面に沿って延在し、前記基材に埋設される内部電極と、
前記内部電極に重ねて配置される接続部材と、
前記基材の裏面から前記基材内部の前記接続部材の端面まで穿設される端子穴と、
前記端子穴に配置され、前記接続部材と接続される端子と、
を備える電極埋設部材の製造方法であって、
複数の金属粒子を含む粉末原料を加圧成形することにより前記接続部材となる金属成形体を準備する準備工程と、
前記内部電極及び前記金属成形体が埋設されたセラミックス体を作製するセラミックス体作製工程と、
前記内部電極及び前記金属成形体が埋設されたセラミックス体を焼成することにより内部に金属の存在しない空間を有する前記接続部材が埋設された前記基材を作製する基材作製工程と、
を有することを特徴とする。

［２］また、本発明の他の態様の電極埋設部材の製造方法は、
表面及び裏面を有し、セラミックスからなる板状の基材と、
前記基材の表面に沿って延在し、前記基材に埋設される内部電極と、
前記内部電極に重ねて配置される接続部材と、
前記基材の裏面から前記基材内部の前記基材の端面まで穿設される端子穴と、
前記端子穴に配置され、前記接続部材と接続される端子と、
を備える電極埋設部材の製造方法であって、
複数の金属粒子を含む粉末原料を加圧成形した金属成形体を仮焼することにより前記接続部材となる金属仮焼体を準備する準備工程と、
前記内部電極及び前記金属仮焼体が埋設されたセラミックス体を作製するセラミックス体作製工程と、
前記内部電極及び前記金属仮焼体が埋設されたセラミックス体を焼成することにより内部に金属の存在しない空間を有する前記接続部材が埋設された前記基材を作製する基材作製工程と、
を有することを特徴とする。

かかる製造方法によれば、予め金属成形体または金属仮焼体を製作することができるため、金属成形体または金属仮焼体を焼成してなる多孔体状の接続部材の形態（粒径、気孔率、平均気孔径などの金属粒子の焼結組織）及び、別の成分を金属成形体または金属仮焼体に含有させることによって接続部材と基材との密着性や熱膨張係数の調整が可能になり、その結果、ロウ付け、ホットプレス法のような製造プロセス中の熱を受ける場合、及び、電極埋設部材の使用時の熱サイクルの熱を受ける場合において基材のクラックを抑制することが容易になる。
更に、金属成形体の金属粒子と金属粒子とが適度に焼結することにより導電性などの電気的特性の低下が抑制された電極埋設部材を製造することができる。
更に接続部材の空間（開気孔）に基材を構成するセラミックスが侵入し、より接続部材と基材との密着力が向上した電極埋設部材を製造することができる。

［３］また、本発明の電極埋設部材において、前記準備工程では、粒度の異なる少なくとも２種類の金属粒子を混合することにより前記粉末原料を準備することが好ましい。

この工程により、金属成形体の焼結性を調節できるとともに、粒度の大きい金属により空間（開気孔）を形成すると共に粒度の小さい金属によりある程度緻密化させて、２種類の金属粒子を含有させることによって基材との密着性や熱膨張係数をより調整しやすくなり、その結果、ロウ付け、ホットプレス法のような製造プロセス中の熱を受ける場合、及び、使用時の熱サイクルの熱を受ける場合において基材のクラックをより抑制することできる。

［４］また、本発明の電極埋設部材において、前記金属成形体又は前記金属仮焼体を準備する前記準備工程は、前記金属成形体に一種類以上の前記金属粒子を使用し、一つの種類の前記金属粒子の、粒径が１〜１５０μｍであり、全ての種類の前記金属粒子に占める体積割合が８０〜１００％であることが好ましい。

この工程により、電極埋設部材を温度差が大きいなどのより厳しい条件下で使用しても、基材にクラックが入ることを抑制することできる。

本発明の電極埋設部材を模式的に示す説明図である。本発明の電極埋設部材の作製方法を示す説明図である。ホットプレス焼成前の金属粒子の状態を示す説明図である。ホットプレス焼成後の金属粒子の状態を示す説明図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。なお、図面は、電極埋設部材１を概念的（模式的）に示すものとする。

図１に示すように、電極埋設部材１は、表面２ａ及び裏面２ｂを有し、酸化アルミニウム(Ａｌ_２Ｏ_３)、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化窒素（ＳｉＣ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）などのセラミックスからなる板状の基材２と、基材２の表面２ａと平行に延在し、基材２に埋設される内部電極３と、基材２の表面２ａに沿って円盤状に延在する内部電極３に重ねて配置される接続部材４と、を備える。

基材２には、この基材２の裏面２ｂから基材２内部の接続部材４の端面まで穿設される端子穴５が形成されている。また、電極埋設部材１は、端子穴５に配置されると共に円盤状の緩衝部材６を介して接続部材４に接続される棒状の端子７とを備えている。緩衝部材６と端子７とは、ロウ付けなどによって接続部材４に接合されている。

内部電極３及び接続部材４は、タングステン、モリブデン又はこれらを主成分とする合金からなる。端子５は、円柱状を呈し、コバール等の低熱膨張金属合金やニッケル、チタン、銅又はこれらを主成分とする合金からなり、接続部材４にロウ付けによって接合され、接続部材４と電気的に接続されている。

端子穴５の径は５ｍｍである。端子７は、直径が４．８ｍｍであり、長さが２０ｍｍである。端子７と、端子穴５を画定する基材２の内側面１１との間には、隙間１２が形成されている。隙間１２の幅は、０．１ｍｍである。

次に電極埋設部材１の製造方法について説明する。電極埋設部材１の製造方法は、金属成形体４ａまたは金属仮焼体を準備する準備工程と、セラミックス体２ｃを作製するセラミックス体作製工程と、基材２を作製する基材作製工程と、を少なくとも含む。なお、金属成形体４ａまたは金属仮焼体を準備する工程の前に、粒度の異なる少なくとも２種類の金属粒子１４ａ、１４ｂを混合することにより粉末原料１５を準備する工程を実施してもよい。

［粉末原料１５を準備する工程］
図２Ａ、図３に示すように、粉末原料１５を準備する工程は、粒度の異なる少なくとも２種類の金属粒子１４ａ、１４ｂを混合することにより粉末原料１５を得る。なお、実施形態では、粉末原料１５は、２種類の金属粒子１４ａ、１４ｂを混合したが、これに限定されず、１種類の金属粒子１４のみとする形態、３種類以上の金属粒子１４を混合する形態としてもよい。

［金属成形体４ａまたは金属仮焼体を準備する準備工程］
図２Ａに示すように、金属成形体４ａを準備する工程は、図３に示す複数の金属粒子１４を含む粉末原料１５を加圧成形することにより接続部材４となる金属成形体４ａを得る。

詳細には、図３に示す複数の金属粒子１４にバインダー１６が添加された粉末原料１５を一軸プレスの金型で加圧成形することにより、接続部材４（図２Ｄ参照）となる直径１０ｍｍ、厚み０．５ｍｍの円盤状の金属成形体４ａを得る。金属粒子１４は、粒径の異なる、第１の金属粒子１４ａと、第２の金属粒子１４ｂとを含む。なお、バインダー１６を除去する目的で金型成形体４ａを大気雰囲気または窒素雰囲気で２００℃〜６００℃の温度範囲で脱脂する脱脂工程を行なってもよい。

なお、実施形態では、金属成形体４ａは加圧成形のみ行ったが、金属成形体４ａに対して窒素、アルゴン、又は真空雰囲気炉で、例えば、１０００℃以上１８００℃以下の温度条件で仮焼成を行い、金属成形体４ａを仮焼体としても差し支えない。これが複数の金属粒子を含む粉末原料を加圧成形した金属成形体を仮焼することにより接続部材となる金属仮焼体を準備する準備工程に該当する。
なお、この準備工程では、研削や研磨加工を行うことにより金属仮焼体の外径や厚みを調整してもよい。

［セラミックス体２ｃを作製するセラミックス体作製工程］
図２Ｂに示すように、セラミックス体２ｃを作製する工程は、内部電極３及び金属成形体４ａが埋設されたセラミックス体２ｃを得る。

詳細には、絶縁層を形成する。窒化アルミニウム粉末９５質量％、酸化イットリウム粉末５質量％からなる粉末混合物を得て、これを型に充填して一軸加圧処理を施した。これにより、直径３４０ｍｍ、厚さ５ｍｍの第一層（絶縁層）を形成した。

次に内部電極３を設置する。第一層の上に、内部電極３となる直径２９０ｍｍのモリブデン製の箔（厚み０．１ｍｍ）を載置した。内部電極３の上にタングステン製、直径１０ｍｍ、厚み０．５ｍｍの円盤状の金属成形体４ａまたは金属仮焼体を載せる。金属成形体４ａまたは金属仮焼体は、１つの基材２に２０箇所設けた。内部電極３に金属成形体４ａまたは金属仮焼体を接続するときには、金属成形体４ａまたは金属仮焼体が重ねられることとなる内部電極３の部分にタングステンペーストなどの導電性部材を塗布する。

次に第二層を成形する。第一層の上に内部電極３及び金属成形体４ａまたは金属仮焼体を覆い隠すようにセラミックス粉末を充填して一軸加圧処理し第二層の成形体とする。

次にヒータ電極を設置する。ウエハ保持装置としての電極埋設部材１自体を加熱する目的で所定のパターンに形成したモリブデンメッシュ（線径０．１ｍｍ、目開き５０メッシュ）からなる発熱抵抗体を配置し、所定のヒータ用端子を接続する位置にヒータ端子用接続部材（タングステンペレット、直径１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ）を載せる。

次に、焼成前の成形体を形成する。ヒータ電極の上にセラミックス粉末を充填し一軸加圧処理して第三層を形成する。

［基材２を作製する基材作製工程］
基材２を作製する工程は、内部電極３及び金属成形体４ａまたは金属仮焼体が埋設されたセラミックス体２ｃを焼成することにより内部に金属の存在しない空間１７（図４参照）を有する接続部材４が埋設された基材２を得る。金属成形体４ａまたは金属仮焼体は、焼成されることで接続部材４になる。
詳細には、焼成工程を実施する。焼成工程は、第三層まで積層した積層体を１０ＭＰａの圧力で、焼成温度１８００℃、焼成時間２時間でホットプレス焼成を行い、直径３４０ｍｍ、厚さ２０ｍｍのセラミックス焼結体を得た。

次に焼成後の加工工程を実施する。図２Ｃに示すように、焼成後の加工工程では、セラミックス焼結体の外面を研削、研磨加工し、内部電極３からの距離０．３ｍｍ、表面粗さＲａ０．４μｍのウエハ載置面（表面２ａ）を形成した。

次に端子７を接続する。焼成後のセラミックス基体の裏面２ｂから各接続部材４の位置に接続部材４まで到達するように穴あけ加工（直径５ｍｍ）を行い、裏面２ｂから接続部材４まで達する円柱状の端子穴５を形成する。端子穴５を画定する接続部材４の上に、Ａｕ−Ｎｉ系のロウ材を介して、直径４．８ｍｍ、厚み２ｍｍのコバール製の緩衝部材６を配置する。次に、緩衝部材６の上にＡｕ−Ｎｉに活性金属としてＴｉを添加したロウ材を介して直径４．８ｍｍ、長さ２００ｍｍの円柱状ニッケル製給電用の端子７を配置する。その後、真空炉により１０５０℃で加熱することによってロウ付けを行い、電極埋設部材１を完成させた。

なお、ロウ材に活性金属としてＴｉを添加してもよく、Ａｇ系のロウ材を用いることも
できる。

次に、以上に述べた電極埋設部材１の製造法の効果を説明する。
かかる製造方法によれば、予め金属成形体４ａ(または金属仮焼体)を製作することができるため、金属成形体４ａまたは金属仮焼体を焼成してなる多孔体状の接続部材４の形態（粒径、気孔率、平均気孔径などの金属粒子の焼結組織）や、別の成分を金属成形体４ａまたは金属仮焼体に含有させることによって接続部材４と基材２との密着性や熱膨張係数の調整が可能になり、その結果、ロウ付け、ホットプレス法のような製造プロセス中の熱を受ける場合、及び、電極埋設部材１の使用時の熱サイクルの熱を受ける場合において基材２のクラックを抑制することが容易になる。

更に、金属成形体４ａの金属粒子１４と金属粒子１４とが適度に焼結することにより導電性などの電気的特性の低下が抑制された電極埋設部材１を製造することができる。

更に接続部材４の空間１７（開気孔）に基材２を構成するセラミックスが侵入し、より接続部材４と基材２との密着力が向上した電極埋設部材１を製造することができる。

粒度の異なる少なくとも２種類の金属粒子１４ａ、１４ｂを混合する粉末原料１５を準備する工程を含むことにより、２種類の金属粒子１４ａ、１４ｂを含有させることによって基材２との密着性や熱膨張係数をより調整しやすくなり、その結果、ロウ付け、ホットプレス法のような製造プロセス中の熱を受ける場合、及び、使用時の熱サイクルの熱を受ける場合において基材２のクラックをより抑制することできる。

次に、接続部材４について説明する。
図４に示すように、接続部材４は、金属粒子１４（図３参照）と金属粒子１４とが一部で焼結し、金属粒子１４がいわゆるネッキングして焼結している状態であり、内部に金属（金属粒子１４）の存在しない空間１７が形成されている。

通常、金属粒子１４の焼結時にはネッキング部が成長して緻密化が進行するところ、本発明は緻密化を抑制するために、金属粒子１４に粗粒を用いることで焼結時でも内部に空間１７が形成される。

このため、接続部材４を金属粒子１４からなる多孔体状の構成にすることができる。多孔体状にすることにより接続部材４と基材２を構成するセラミックスの物性の差によって誘起される膨張率や収縮率の差を小さく抑制でき、その結果、焼結時およびロウ付け時に両者間に働く応力を抑制し、基材２のクラック、接続部材２のクラック等の不具合を抑制することができる。

次に、金属粒子１４の粒径と混合比率とを変えて作製した接続部材４を使用し、電極埋設部材１の評価を行った。

評価方法としては、作製した電極埋設部材１を６００℃まで加熱した後、室温まで冷却する熱サイクルを１０回繰り返した後、目視でクラックの発生の有無を確認した。その後、端子７の引張試験を行い、クラックの発生の有無を電極埋設部材１の断面の走査型電子顕微鏡観察（ＳＥＭ観察）により確認した。端子７の直上の基材２の表面２ａ側にクラックが発生した箇所数をカウントし、接続部材４の２０個中の０個を好適と評価し、１個以上のクラックが入っていたものを不適と評価とした。

実施例１〜実施例５は、第１の金属粒子１４ａをタングステンの粗粒とし、第２の金属粒子１４ｂをタングステンの粉末とし、それぞれの粒径と混合比率（体積混合比率）を変えた金属成形体４ａを作製し、上記製造方法で電極埋設部材１としたものである。

実施例６は、タングステンの粗粒である第１の金属粒子１４ａのみを用いて金属成形体４ａを作製した後、窒素雰囲気、１５００℃の条件で金属成形体４ａを仮焼し、直径１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの円盤状に加工した金属仮焼体を実施例１〜５の金属成形体４ａに代えて用いたことを除いて、上記製造方法と同様の方法で電極埋設部材１を製造したものである。

比較例１では金属成形体４ａに代えて直径１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの円板状のタングステンからなるペレットを用いたことを除いて、上記製造方法で電極埋設部材１としたものである。

なお、粒径の測定は、原料粉末（金属粒子１４ａ、１４ｂ）では、一般の粒度分布測定器（レーザー解析法、重力沈降法）、走査型電子顕微鏡観察（ＳＥＭ観察）、粒度ゲージなどを使用して確認する。また、表１では第１の金属粒子１４ａと第２の金属粒子１４ｂの粒径の範囲を記しているが、粒子径の累積分布により求めるｄ９０をこの範囲の上限値、ｄ１０をこの範囲に下限値とし、この範囲の中央値を代表粒径とした。また、電極埋設部材１では、その断面のＳＥＭ観察で確認する。

下表は、以上の評価結果を示している。

この結果、実施例１〜４までは、クラック発生箇所数が０個となり信頼性が高いことが分かった。実施例５は、クラック発生箇所数が１個であり、信頼性が実施例１〜４と比べて低いことが分かった。これは、タングステンの粒子径が０．６〜１μｍであり、タングステン粒子同士の焼結が進み、焼成後はバルク体のようなり、タングステンが緻密に焼結し過ぎたため、基材２と接続部材４との間において、熱膨張係数の差による応力によってクラックが発生したと推測される。

実施例６は、クラック発生箇所が０個となり信頼性が高いことが分かった。これは第１の金属粒子の代表粒径が実施例５より若干大きかったこと、及び金属仮焼体を埋設することにより接続部材４の内部に金属の存在しない空間を予め作製しておくことができたため、接続部材４周囲に誘起される応力の緩和効果が固まったためと推測される。

比較例１は、従来の電極埋設部材に適用されていた例であり、クラック発生箇所数が４個であり、信頼性が著しく低く実用的でないことが分かった。これは、ペレットを構成するタングステンの組織が１８００度の焼成温度により粒成長が進み過ぎたため、ペレットの強度が低下し、ペレット自体にクラックが入るとともに、基材２と接続部材４との間において、熱膨張係数の差による応力によってクラックが発生したと推測される。

このように、金属成形体４ａまたは金属仮焼体を準備する準備工程は、金属成形体４ａに一種類以上の金属粒子１４ａを使用し、一つの種類の金属粒子１４ａの、粒径が１〜１５０μｍであり、混合比率（全ての種類の金属粒子１４に占める体積割合）が８０〜１００％であることで、電極埋設部材１を温度差が大きいなどのより厳しい条件下で使用しても、基材２にクラックが入ることを抑制することできる。

なお、いわゆるグリーンシート積層品は一般に印刷により電極を形成するためタングステンの粒子径が１μｍ以下に調整されるため、粒子径が小さく焼結しやすい。また、電極の外縁部は印刷により厚みが薄くなり鋭角状になる。そのため、焼結後の組織は元の粒子径が分からなくなり一体化（緻密化）するとともに、電極の外縁部に応力が生じ易い形態となる。

それに対して、粒子径が相対的に大きい粒状体（グリーンシート積層品のタングステンペーストの粒子径より大きい粒子径の粒状体）は、粒子径が大きく焼結温度がより高く必要となり、一体化(緻密化)までなかなか状態変化が進まない結果、組織は多孔状（粒子がネッキングして一部焼結した状態）となる。また、接続部材４となる金属成形体４ａまたは金属仮焼体に機械加工を施すことにより、接続部材４となる金属成形体４ａまたは金属仮焼体の厚みや外形を整えることができ、焼成後の接続部材４における応力集中を抑制することができる。

なお、実施形態では、接続部材４および緩衝部材６をタングステン、モリブデン又はこれらを主成分とする合金からなるバルク体としたが、これに限定されず、端子７よりも平均線膨張係数が小さい値の材料を使用すれば、他の一般的な材料であっても差し支えない。

なお、実施形態では、隙間１２の幅を０．１ｍｍとしたが、これに限定されず、隙間１２の幅は０．０１ｍｍ、０．０５ｍｍ、０．２ｍｍなど間隙が設けられていればよく、さらには端子７が端子穴５に接触して間隙が０であっても差し支えない。また、端子７の直径を４．６ｍｍ、５ｍｍ等その他の値に変更し、端子穴５の径を４．９ｍｍ、５．１ｍｍ等その他の値に変更してもよい。

１ … 電極埋設部材
２ … 基材
２ｃ… セラミックス体
３ … 内部電極
４ … 接続部材
４ａ… 金属成形体
５ … 端子穴
７ … 端子
１４… 金属粒子
１４ａ… 第１の金属粒子（粗粒）
１４ｂ… 第２の金属粒子（粉末）
１７… 空間

Claims

表面及び裏面を有し、セラミックスからなる板状の基材と、
前記基材の表面に沿って延在し、前記基材に埋設される内部電極と、
前記内部電極に重ねて配置される接続部材と、
前記基材の裏面から前記基材内部の前記接続部材の端面まで穿設される端子穴と、
前記端子穴に配置され、前記接続部材と接続される端子と、
を備える電極埋設部材の製造方法であって、
複数の金属粒子を含む粉末原料を加圧成形することにより前記接続部材となる金属成形体を準備する準備工程と、
前記内部電極及び前記金属成形体が埋設されたセラミックス体を作製するセラミックス体作製工程と、
前記内部電極及び前記金属成形体が埋設されたセラミックス体を焼成することにより内部に金属の存在しない空間を有する前記接続部材が埋設された前記基材を作製する基材作製工程と、
を有することを特徴とする電極埋設部材の製造方法。
表面及び裏面を有し、セラミックスからなる板状の基材と、
前記基材の表面に沿って延在し、前記基材に埋設される内部電極と、
前記内部電極に重ねて配置される接続部材と、
前記基材の裏面から前記基材内部の前記基材の端面まで穿設される端子穴と、
前記端子穴に配置され、前記接続部材と接続される端子と、
を備える電極埋設部材の製造方法であって、
複数の金属粒子を含む粉末原料を加圧成形した金属成形体を仮焼することにより前記接続部材となる金属仮焼体を準備する準備工程と、
前記内部電極及び前記金属仮焼体が埋設されたセラミックス体を作製するセラミックス体作製工程と、
前記内部電極及び前記金属仮焼体が埋設されたセラミックス体を焼成することにより内部に金属の存在しない空間を有する前記接続部材が埋設された前記基材を作製する基材作製工程と、
を有することを特徴とする電極埋設部材の製造方法。
請求項１又は請求項２に記載の電極埋設部材の製造方法であって、
前記準備工程では、粒度の異なる少なくとも２種類の金属粒子を混合することにより前記粉末原料を準備することを特徴とする電極埋設部材の製造方法。
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の電極埋設部材の製造方法であって、
前記金属成形体又は前記金属仮焼体を準備する前記準備工程は、前記金属成形体に一種類以上の前記金属粒子を使用し、
一つの種類の前記金属粒子の、粒径が１〜１５０μｍであり、全ての種類の前記金属粒子に占める体積割合が８０〜１００％であることを特徴とする電極埋設部材の製造方法。