JP4339982B2 - 気密端子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は気密端子、さらに詳細には熱放散性の優れた気密端子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術の気密端子構造は、外周金属およびリード端子が鉄ニッケルコバルト合金（コバール）を使用する場合、ガラスの歪み点以下の範囲で前記金属の熱膨張と整合するホウケイ酸系ガラスを組み合わせた整合封着タイプと、外周金属を鉄またはステンレス、リード端子は鉄ニッケル合金を用いガラスは外周金属よりも熱膨張係数が低くリード端子の鉄ニッケル合金より高いか同一程度のソーダ系ガラスを組み合わせた圧縮封着の２形態に大別される。
【０００３】
このような気密端子は、単なる配線用の絶縁端子として用いられるだけでなく、電気・電子部品や半導体デバイスなど搭載した後、カバーを被せて、前記部品などを完全なる気密に封止し、多様な環境条件から保護できるパッケージとして使用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
エレクトロニクス技術の進歩はめざましく高密度、高速化が進むとともに高出力時の発熱が問題となり熱放散性の向上が必要である。
【０００５】
前記の従来パッケージを採用する場合、パッケージ内部に搭載する素子の発熱も同様に外部へ効率よく放散する必要があるが、パッケージ本体である材料は熱伝導率の低いコバールや鉄系またはステンレスを用いるため、機能および仕様を充分に満足できない問題があった。
【０００６】
上記問題点を解決するために、素子を搭載する直下に部分的に銅や銅合金をパッケージ本体にロウ付け法などで接合した構造が提案および採用されているが熱放散度としては完全とはいえず、パッケージ本体全体を熱放散性の良いものにする必要がある。また、本構造では、設計の自由度が少ないとともに、部品の点数が増えることとロウ付け工程の追加などで、コストアップになるという問題も発生している。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、外周金属の内側に設けられたガラス層と前記ガラス層の上下を貫通して封着されたリード端子を有する気密端子において、前記外周金属は銅または銅合金、前記リード端子は鉄ニッケル系合金であり、前記外周金属の銅または銅合金より熱膨張係数が低く、前記リード端子の鉄ニッケル合金よりも高いガラスで封着したことを特徴とする。
【０００８】
本発明の気密端子に用いるガラスは、少なくとも厚み方向に３層以上で積層されており、最外表層は高融点高強度ガラスまたはガラスセラミックスで構成した特徴を有する。
【０００９】
更に本発明の気密端子は、外周金属の銅または銅合金の表面に酸化被膜を有し、その被膜厚を２〜１０μｍの範囲に調整したことを特徴とする。
【００１０】
本発明をさらに詳しく説明すると、図１は本発明による気密端子の一例を示す斜視図であるが、この図より明らかなように断面帽子状の外周金属１の厚さ方向に貫通穴２が設けられており、ガラス層３によってリード端子４が前記ガラス層３の上下方向に貫通封着された構造になっている。
【００１１】
本発明の気密端子封着形態は、基本的には従来の圧縮封着体である。すなわち外周金属からリード端子の中心に向かって膨張係数を順次低くすることで、ガラスおよび接合界面に残留圧縮応力を働かせている。
【００１２】
ガラス、特に気密端子の機械的・熱的強度は、表面に露呈しているガラス表面（両面）で決定され、すなわちクラックのような破壊は表面から伝搬することが一般的であり、微細な傷や引っ張り的な残留応力を回避することが必須である。
【００１３】
特に銅および銅合金は熱膨張係数が一般的に高くそれに追従する封着用ガラスはアルカリ分を多くすることになり、ガラスの軟化点が低くなり信頼性、特に耐熱性が劣化するとともに酸やアルカリに対する強度が劣化し、高信頼性の気密端子を製作できない。
【００１４】
本発明の気密端子は、上記技術的問題点を回避するために、従来の圧縮封着体で採用する封着用ガラス、すなわち前記外周金属の銅または銅合金より熱膨張係数が低く、前記リード端子の鉄ニッケル合金よりも高いガラス、たとえばソーダ系ガラスを中間層３２に用いるとともに、ガラス層３の最表層３１には高融点高強度のガラスまたはガラスセラミックスを配置し、必要に応じてリード端子軸方向へガラス組成分を傾斜させる構造を採用している（図２参照）。
【００１５】
このような高融点高強度ガラス（最表層３１）としては、前述の封着用ガラスにＡｌ2Ｏ3、ＺｒＯ2などの酸化物を添加したものが使用される。このような酸化物の添加量を順次変化させることによってガラス成分を傾斜させる（酸化物添加量を０を超え１００重量％間での範囲で添加量を調整する）ことが可能である。特に、最表層３１がガラス組成分を傾斜させないときには、上述の酸化物の一種以上を３０重量％以上添加したものを使用するのが好ましい。酸化物の添加量が３０重量％未満の場合強度が不足する恐れがあるからである（１００重量％の場合ガラスセラミックとなる）。このようにすることで、膨張係数の極端な変化を防止する事で、ガラス内部応力回避になる。
【００１６】
従来の圧縮封着体で比較的ヤング率や抗張力の高い外周金属を採用しているのは、封着体完成後に圧縮応力がガラスおよび接合界面に作用させるためで、銅や銅合金などのような加熱による軟化する材料では充分な圧縮力が働かないと考えられ、気密が取れないとされている。これを補う意味で、本発明では、封着前に銅および銅合金は予備酸化を行いガラスとの反応を促進させている。しかしながら、酸化被膜の厚みに制限があり、２μｍ未満であると接合界面からのリークが発生し気密が取れず、１０μｍを越えると過剰酸化になりガラスの発泡や内部応力のバランスが崩れガラス層３にガラスクラックが発生する。
【００１７】
本発明によれば、パッケージ本体である外周金属が銅または銅合金で構成するため、従来のパッケージよりも熱放散性は格段に向上する。更に部品点数も最小に抑えられ、かつロウ付け工程などの追加工程が不要になりコスト低減がはかれる効果がある。
【００１８】
【実施例】
以下に発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。外周金属１は無酸素銅で箱状の形状にプレス加工や切削加工もしくは射出成形加工法などで形成した。更にこの外周金属１の底部１１もしくは側面部１２には少なくとも１つ以上の貫通穴２が形成され、この貫通穴２の中心には外周金属１を貫通するようにＦｅ−Ｎｉ５０％合金のリード端子４がガラス層３を介して気密に絶縁封着される。
【００１９】
気密封着は、グラファイト製のカーボン治具に外周金属１、ガラスタブレット（焼成した後ガラス層になる）並びにリード端子４を組み込み不活性雰囲気（窒素）の８６０℃でガラス焼成することで作製される。
【００２０】
この構造の材料組み合わせにおいて、熱膨張係数を考えると、外周金属の無酸素銅が１６６×１０-7／℃、Ｆｅ／Ｎｉ５０％合金は９８×１０-7／℃、そして封着ガラスはその中間である１３０×１０-7／℃を用いた。この構造体は、ガラス封着部の内部応力がリード端子に向かって圧縮応力が働くことになり、気密保持が可能である。
【００２１】
しかしながら、無酸素銅は８６０℃の加熱により軟化してしまい充分なガラスを締め付けるような圧縮応力が働かない。実際に単純な圧縮封着のみでは気密が取れず銅のガラスシール界面から気密不良が発生した。
【００２２】
これを解決するために、封着前にヘッダーである無酸素銅は予備酸化を行いガラスとの濡れや密着性を向上させた。酸化被膜厚と気密並びにガラスクラックそして気泡の相関について実験したところ、以下の表１の事実が判明した。表１より明らかなように被膜厚が２μｍ未満であると密着性が損なわれ気密不良が発生し、１０μｍを越えるとクラック並びに気泡が発生する。以上のことからヘッダーである無酸素銅の酸化被膜厚は２〜１０μｍ範囲が望ましいことがわかる。
【００２３】
【表１】
【００２４】
更に耐熱性や機械的強度向上のためにガラス層３の最表層３２として高軟化点・高強度のガラスセラミックスを積層させた。具体的には母体封着ガラスにアルミナを５０％添加させたものを最表層（表裏両面）に配置した。このガラスセラミックスを配置したものとしないものを半田耐熱性、および端子強度試験の実施した結果を表２に示す。
【００２５】
【表２】
【００２６】
表２の結果より明らかなように、半田耐熱では、８０℃の差で積層ガラス品の方が優れており、また折り曲げ試験においてもリークに差は出ないもののクラック発生がないことが判明した。この現象は、ガラスの強度は強化ガラスのように表面状態に大きく依存するものであり、最表層を高強度・高軟化点にすることで、達成されたものと考えられる。
【００２７】
本実施例は、外周金属を無酸素銅としたが、これに限定されるものではなく、各種膨張係数の組み合わせを調整することで、多様な銅合金を用いることは容易であるのは言うまでもない。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、外周金属全体を銅または銅合金で構成するため、従来品よりも熱放散性は格段に向上する効果がある。更に部品点数も最小に抑えられ、かつロウ付け工程などの追加工程が不要になりコスト低減がはかれる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の気密端子の一構造例を示す図。
【図２】本発明の積層ガラスの一構造例を示す図。
【図３】実施例で使用された気密端子の一構造例を示す図。
【符号の説明】
１ 外周金属
２ 貫通穴
３ ガラス層
３１ 最表層
３２ 中間層
４ リード端子
【発明の属する技術分野】
本発明は気密端子、さらに詳細には熱放散性の優れた気密端子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術の気密端子構造は、外周金属およびリード端子が鉄ニッケルコバルト合金（コバール）を使用する場合、ガラスの歪み点以下の範囲で前記金属の熱膨張と整合するホウケイ酸系ガラスを組み合わせた整合封着タイプと、外周金属を鉄またはステンレス、リード端子は鉄ニッケル合金を用いガラスは外周金属よりも熱膨張係数が低くリード端子の鉄ニッケル合金より高いか同一程度のソーダ系ガラスを組み合わせた圧縮封着の２形態に大別される。
【０００３】
このような気密端子は、単なる配線用の絶縁端子として用いられるだけでなく、電気・電子部品や半導体デバイスなど搭載した後、カバーを被せて、前記部品などを完全なる気密に封止し、多様な環境条件から保護できるパッケージとして使用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
エレクトロニクス技術の進歩はめざましく高密度、高速化が進むとともに高出力時の発熱が問題となり熱放散性の向上が必要である。
【０００５】
前記の従来パッケージを採用する場合、パッケージ内部に搭載する素子の発熱も同様に外部へ効率よく放散する必要があるが、パッケージ本体である材料は熱伝導率の低いコバールや鉄系またはステンレスを用いるため、機能および仕様を充分に満足できない問題があった。
【０００６】
上記問題点を解決するために、素子を搭載する直下に部分的に銅や銅合金をパッケージ本体にロウ付け法などで接合した構造が提案および採用されているが熱放散度としては完全とはいえず、パッケージ本体全体を熱放散性の良いものにする必要がある。また、本構造では、設計の自由度が少ないとともに、部品の点数が増えることとロウ付け工程の追加などで、コストアップになるという問題も発生している。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、外周金属の内側に設けられたガラス層と前記ガラス層の上下を貫通して封着されたリード端子を有する気密端子において、前記外周金属は銅または銅合金、前記リード端子は鉄ニッケル系合金であり、前記外周金属の銅または銅合金より熱膨張係数が低く、前記リード端子の鉄ニッケル合金よりも高いガラスで封着したことを特徴とする。
【０００８】
本発明の気密端子に用いるガラスは、少なくとも厚み方向に３層以上で積層されており、最外表層は高融点高強度ガラスまたはガラスセラミックスで構成した特徴を有する。
【０００９】
更に本発明の気密端子は、外周金属の銅または銅合金の表面に酸化被膜を有し、その被膜厚を２〜１０μｍの範囲に調整したことを特徴とする。
【００１０】
本発明をさらに詳しく説明すると、図１は本発明による気密端子の一例を示す斜視図であるが、この図より明らかなように断面帽子状の外周金属１の厚さ方向に貫通穴２が設けられており、ガラス層３によってリード端子４が前記ガラス層３の上下方向に貫通封着された構造になっている。
【００１１】
本発明の気密端子封着形態は、基本的には従来の圧縮封着体である。すなわち外周金属からリード端子の中心に向かって膨張係数を順次低くすることで、ガラスおよび接合界面に残留圧縮応力を働かせている。
【００１２】
ガラス、特に気密端子の機械的・熱的強度は、表面に露呈しているガラス表面（両面）で決定され、すなわちクラックのような破壊は表面から伝搬することが一般的であり、微細な傷や引っ張り的な残留応力を回避することが必須である。
【００１３】
特に銅および銅合金は熱膨張係数が一般的に高くそれに追従する封着用ガラスはアルカリ分を多くすることになり、ガラスの軟化点が低くなり信頼性、特に耐熱性が劣化するとともに酸やアルカリに対する強度が劣化し、高信頼性の気密端子を製作できない。
【００１４】
本発明の気密端子は、上記技術的問題点を回避するために、従来の圧縮封着体で採用する封着用ガラス、すなわち前記外周金属の銅または銅合金より熱膨張係数が低く、前記リード端子の鉄ニッケル合金よりも高いガラス、たとえばソーダ系ガラスを中間層３２に用いるとともに、ガラス層３の最表層３１には高融点高強度のガラスまたはガラスセラミックスを配置し、必要に応じてリード端子軸方向へガラス組成分を傾斜させる構造を採用している（図２参照）。
【００１５】
このような高融点高強度ガラス（最表層３１）としては、前述の封着用ガラスにＡｌ2Ｏ3、ＺｒＯ2などの酸化物を添加したものが使用される。このような酸化物の添加量を順次変化させることによってガラス成分を傾斜させる（酸化物添加量を０を超え１００重量％間での範囲で添加量を調整する）ことが可能である。特に、最表層３１がガラス組成分を傾斜させないときには、上述の酸化物の一種以上を３０重量％以上添加したものを使用するのが好ましい。酸化物の添加量が３０重量％未満の場合強度が不足する恐れがあるからである（１００重量％の場合ガラスセラミックとなる）。このようにすることで、膨張係数の極端な変化を防止する事で、ガラス内部応力回避になる。
【００１６】
従来の圧縮封着体で比較的ヤング率や抗張力の高い外周金属を採用しているのは、封着体完成後に圧縮応力がガラスおよび接合界面に作用させるためで、銅や銅合金などのような加熱による軟化する材料では充分な圧縮力が働かないと考えられ、気密が取れないとされている。これを補う意味で、本発明では、封着前に銅および銅合金は予備酸化を行いガラスとの反応を促進させている。しかしながら、酸化被膜の厚みに制限があり、２μｍ未満であると接合界面からのリークが発生し気密が取れず、１０μｍを越えると過剰酸化になりガラスの発泡や内部応力のバランスが崩れガラス層３にガラスクラックが発生する。
【００１７】
本発明によれば、パッケージ本体である外周金属が銅または銅合金で構成するため、従来のパッケージよりも熱放散性は格段に向上する。更に部品点数も最小に抑えられ、かつロウ付け工程などの追加工程が不要になりコスト低減がはかれる効果がある。
【００１８】
【実施例】
以下に発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。外周金属１は無酸素銅で箱状の形状にプレス加工や切削加工もしくは射出成形加工法などで形成した。更にこの外周金属１の底部１１もしくは側面部１２には少なくとも１つ以上の貫通穴２が形成され、この貫通穴２の中心には外周金属１を貫通するようにＦｅ−Ｎｉ５０％合金のリード端子４がガラス層３を介して気密に絶縁封着される。
【００１９】
気密封着は、グラファイト製のカーボン治具に外周金属１、ガラスタブレット（焼成した後ガラス層になる）並びにリード端子４を組み込み不活性雰囲気（窒素）の８６０℃でガラス焼成することで作製される。
【００２０】
この構造の材料組み合わせにおいて、熱膨張係数を考えると、外周金属の無酸素銅が１６６×１０-7／℃、Ｆｅ／Ｎｉ５０％合金は９８×１０-7／℃、そして封着ガラスはその中間である１３０×１０-7／℃を用いた。この構造体は、ガラス封着部の内部応力がリード端子に向かって圧縮応力が働くことになり、気密保持が可能である。
【００２１】
しかしながら、無酸素銅は８６０℃の加熱により軟化してしまい充分なガラスを締め付けるような圧縮応力が働かない。実際に単純な圧縮封着のみでは気密が取れず銅のガラスシール界面から気密不良が発生した。
【００２２】
これを解決するために、封着前にヘッダーである無酸素銅は予備酸化を行いガラスとの濡れや密着性を向上させた。酸化被膜厚と気密並びにガラスクラックそして気泡の相関について実験したところ、以下の表１の事実が判明した。表１より明らかなように被膜厚が２μｍ未満であると密着性が損なわれ気密不良が発生し、１０μｍを越えるとクラック並びに気泡が発生する。以上のことからヘッダーである無酸素銅の酸化被膜厚は２〜１０μｍ範囲が望ましいことがわかる。
【００２３】
【表１】
更に耐熱性や機械的強度向上のためにガラス層３の最表層３２として高軟化点・高強度のガラスセラミックスを積層させた。具体的には母体封着ガラスにアルミナを５０％添加させたものを最表層（表裏両面）に配置した。このガラスセラミックスを配置したものとしないものを半田耐熱性、および端子強度試験の実施した結果を表２に示す。
【００２５】
【表２】
表２の結果より明らかなように、半田耐熱では、８０℃の差で積層ガラス品の方が優れており、また折り曲げ試験においてもリークに差は出ないもののクラック発生がないことが判明した。この現象は、ガラスの強度は強化ガラスのように表面状態に大きく依存するものであり、最表層を高強度・高軟化点にすることで、達成されたものと考えられる。
【００２７】
本実施例は、外周金属を無酸素銅としたが、これに限定されるものではなく、各種膨張係数の組み合わせを調整することで、多様な銅合金を用いることは容易であるのは言うまでもない。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、外周金属全体を銅または銅合金で構成するため、従来品よりも熱放散性は格段に向上する効果がある。更に部品点数も最小に抑えられ、かつロウ付け工程などの追加工程が不要になりコスト低減がはかれる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の気密端子の一構造例を示す図。
【図２】本発明の積層ガラスの一構造例を示す図。
【図３】実施例で使用された気密端子の一構造例を示す図。
【符号の説明】
１ 外周金属
２ 貫通穴
３ ガラス層
３１ 最表層
３２ 中間層
４ リード端子
Claims (3)
- 外周金属の内側に設けられたガラス層と前記ガラス層の上下を貫通して封着されたリード端子を有する気密端子において、前記外周金属は銅または銅合金、前記リード端子は鉄ニッケル系合金であり、前記外周金属の銅または銅合金より熱膨張係数が低く、前記リード端子の鉄ニッケル合金よりも高いガラスで封着したことを特徴とする気密端子。
- 前記ガラス層は、少なくとも厚み方向に３層以上で積層されており、最外表層は高融点高強度ガラスまたはガラスセラミックスであることを特徴とする請求項１記載の気密端子。
- 前記外周金属の銅または銅合金の表面には酸化被膜を有し、前記被膜厚は２〜１０μｍであることを特徴とする請求項１又は２記載の気密端子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000143028A JP4339982B2 (ja) | 2000-05-16 | 2000-05-16 | 気密端子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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