CN113853660B - 气密端子 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种气密端子(10)，包括：具有贯通孔(11)的低电阻导体的金属外环(12)；插通金属外环(12)的贯通孔(11)的低电阻导体的引线(13)；以及封接金属外环(12)和引线(13)的高膨胀玻璃的绝缘构件(14)。
Description
技术领域
本公开涉及气密端子。
背景技术
如日本专利特开昭61-260560号公报所示，气密端子是经由绝缘构件将引线气密性地封接在金属外环的插通孔内。气密端子可以用于向收纳在气密容器内的电子设备或元件提供电流，也可以用于从电子设备或元件向外部导出信号。
用绝缘玻璃封接金属外环与引线的GTMS(Glass-to-Metal-Seal：玻璃金属封接)类型的气密端子大致分为匹配密封型和压缩密封型这两种。为了在气密端子确保有较高可靠性的气密性密封，选择合适的构成金属外环及引线的金属材料和绝缘玻璃以使它们的热膨胀系数变得合理显得尤为重要。
密封用的绝缘玻璃取决于金属外环及引线的基材、以及所要求的温度曲线及其热膨胀系数。在匹配密封的情况下，以金属材料和绝缘玻璃的热膨胀系数尽可能一致为目的来选定它们的材料。另一方面，在压缩密封的情况下，以金属外环会压缩绝缘玻璃和引线为目的来刻意地选定热膨胀系数不同的金属材料和绝缘玻璃。
为了确保较高气密可靠性和电绝缘性，匹配密封型气密端子中，金属外环和引线的材料使用在很大的温度范围内与玻璃材料的热膨胀系数一致的钴合金(Fe54％、Ni20％、Co18％)，并用硼硅酸玻璃构成的绝缘玻璃对这两者进行密封。压缩密封型气密端子中，为了在使用温度范围内对玻璃施加同心圆状的压缩应力，使用碳钢或不锈钢等钢制的金属外环、铁镍合金(Fe50％、Ni50％)或铁铬合金(Fe72％、Cr28％)等铁合金制的引线，并用钠钡玻璃构成的绝缘玻璃对这两者进行密封。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开昭61－260560号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
目前，尤其是随着车辆电动化和电动车辆高速化的发展，对使用高功率输出用途的SiC元件的功率器件的研究十分活跃。但迄今为止，尚未有能够全面应对高散热、大电流和高气密的封装，有时并不能发挥其特性。另一方面，为了增大气密端子的电流容量，使用由铜、铝等低电阻导体构成的线径较大的引线为佳。
然而，这些低电阻导体的热膨胀系数较大。若用热膨胀系数较小的硼硅酸玻璃或钠钡玻璃这样的绝缘玻璃来密封低电阻导体的引线，则随着低电阻导体的引线膨胀和收缩，与引线相接的绝缘玻璃的周向会产生拉伸应力。其结果是，导致引线与绝缘玻璃两者的界面发生剥离，或者引线的轴向上产生贯穿绝缘玻璃内部的裂纹，从而存在容易发生漏气导致密封不良的缺点。
本公开的目的在于提供一种全面适应高散热、大电流和高气密并且金属外环和引线使用低电阻金属的气密端子。
解决技术问题所采用的技术方案
根据本公开，提供一种气密端子，其包括：具有贯通孔且由铜或铜合金形成的低电阻导体的金属外环；插通所述贯通孔的低电阻导体的引线；以及配置在所述贯通孔中并封接所述金属外环和所述引线的高膨胀玻璃的绝缘构件。
所述低电阻导体可以由铜或铜合金构成。
所述绝缘构件可以具有扩散带，该扩散带是在与所述低电阻导体和所述绝缘构件两者的界面相接的过渡区域的玻璃中扩散了低电阻导体离子而形成的。所述扩散带增加了高膨胀玻璃与铜或铜合金等所述低电阻导体的表面的密接性，增强了界面强度。
所述扩散带可以呈浅粉色至深红色。
在所述扩散带中扩散的所述低电阻导体离子可以是铜离子。铜离子可以是一价铜离子。
构成所述绝缘构件的所述高膨胀玻璃可以使用热膨胀系数在17±6ppm/K的范围内的材料。这种情况下，与铜的热膨胀系数17ppm/K相匹配。
所述绝缘构件可以使用磷酸盐玻璃。
所述绝缘构件可以使用能够在低于900℃的封接温度下进行封接的玻璃材料。铜的熔点低于钢材的熔点，因此，若在900℃以上的高温下封接玻璃，则可能导致晶粒肥大，变成所谓的钝化状态，机械强度降低。希望尽可能在低于900℃的低温下进行封接。
也可以在所述金属外环和所述引线的露出表面实施镀敷。所述镀敷可以是选自镀镍、镀镍磷、镀镍硼、镀金中的至少任意一种。
附图说明
图1A是表示本公开的气密端子的俯视图。
图1B示出本公开的气密端子，是沿着图1A中的IB-IB线切断后得到的正面剖视图。
图2A是表示与引线和绝缘构件两者的界面相接的过渡区域的玻璃中所形成的的扩散带的截面照片。
图2B是表示图2A所示的与引线和绝缘构件两者的界面相接的过渡区域的玻璃中所形成的的扩散带的剖视图。
具体实施方式
如图1A和图1B所示，本公开的气密端子10包括：具有至少一个贯通孔11的铜或铜合金等低电阻导体的金属外环12；插通贯通孔11的铜或铜合金等至少一根低电阻导体的引线13；以及配置在贯通孔11中封接金属外环12和引线13的高膨胀玻璃的绝缘构件14。
通过用高膨胀玻璃(热膨胀系数较大的玻璃)构成绝缘构件14，由铝或铜等高热膨胀的材料(热膨胀系数较大的材料)的低电阻导体构成的金属外环12及引线13与绝缘构件14的热膨胀系数容易匹配，能够减少因热膨胀系数偏差造成的密封不良。
绝缘构件14具有扩散带15，该扩散带15是在与金属外环12和引线13两者的界面相接的过渡区域的玻璃中扩散了构成引线13的低电阻导体的铜离子等而形成的。扩散带15增加了高膨胀玻璃与铜或铜合金等的低电阻导体的表面的密接性，增强了界面强度。
高膨胀玻璃可以使用热膨胀系数为17±6ppm/K的范围内的材料。例如，磷酸盐玻璃的热膨胀系数与铜的热膨胀系数17ppm/K相匹配，从而适合使用。
铜的熔点低于铁和钢材的熔点，因此，若在900℃以上的高温下封接玻璃，则可能导致晶粒肥大，变成所谓的钝化状态，机械强度降低。希望尽可能在低于900℃的低温下进行封接。因此，绝缘构件14优选选择能够在低于900℃的封接温度下进行封接的玻璃材料。
可以在金属外环12和引线13的露出表面(未被绝缘构件14覆盖的表面)实施镀敷。镀敷可以是选自镀镍、镀镍磷、镀镍硼、镀金中的至少任意一种。在金属外环12和引线13例如由铜构成的情况下，铜的表面会在大气中自然氧化，从而可能导致导电性变差(接触电阻增大)、焊接性变差。在对铜制的引线和金属外环进行了绝缘密封之后，通过对引线和金属外环的露出面实施镀敷，能够防止氧化。
实施例
本公开的实施例1的气密端子是匹配密封型气密端子，包括：具有3个贯通孔的铜金属外环；分别插通金属外环的贯通孔的3根铜引线；以及封接金属外环和引线的由磷酸盐玻璃形成的热膨胀系数15.9ppm/K的高膨胀玻璃的绝缘构件。
绝缘构件在与金属外环和引线两者的界面相接的过渡区域的玻璃中具有铜离子的扩散带。图2A是表示形成在与引线和绝缘构建两者的界面相接的过渡区域的玻璃中的扩散带的截面照片，图2B是表示图2A所示的形成在与引线和绝缘构建两者的界面相接的过渡区域的玻璃中的扩散带的剖视图。
如图2A和图2B所示，扩散带25形成在由玻璃材料构成的绝缘构件24中与铜引线23和绝缘构件24两者的界面相接的过渡区域中。扩散带25由其中扩散了一价铜离子的扩散物构成。扩散带25呈现出从浅粉色到红色甚至深红色(红宝石色)的颜色。在玻璃中扩散了二价铜离子的情况下，呈现出蓝色至绿色。
纯铜(金属铜)对于玻璃的浸润性较差，表面为纯铜的引线或金属外环难以用普通的玻璃稳定地封接。即使表面上看起来已经封接好了，但没有机械上的耐久性，被玻璃封接的截面容易发生剥离，因此难以保证气密性。
另一方面，通过在铜的表面设置氧化物膜来改善其对于玻璃的浸润性，但铜氧化物(一价铜、二价铜均有)的机械强度较弱，气密性也差。因此，例如当金属表面存在厚膜的铜氧化物时，其与玻璃的界面容易发生剥离。即使没有发生剥离，由于铜氧化物所形成的膜自身的气密性较低，因此所形成端子的气密性差。
本实施方式的气密端子在铜的表面具有非常薄的氧化物层(单分子及以此为基准的程度的氧化物层)，并且具有在玻璃中扩散了铜离子的扩散带。由此，能够避免像设置较厚的铜氧化物膜时那样机械强度及气密性下降。同样地，玻璃中扩散了铜离子的扩散带与没有扩散铜离子的玻璃相比，其对于铜的浸润性更为优越，因此，能够在由铜形成的金属外环和引线两者的界面上保证较高的气密性。此外，由于在铜的表面设有较薄的氧化物层，因此，能够进一步提高玻璃对于铜的浸润性。
铜氧化物和铜离子优选使用氧化亚铜。将氧化亚铜作为铜离子进行扩散，使得玻璃对于铜的密接性特别提高。氧化铜对于玻璃的密接性比氧化亚铜要差，因此，仅扩散二价铜离子来形成扩散带并不优选。但在主要由一价铜构成的铜离子的一部分中含有二价铜的情况下(一价铜过半的情况下)，也可以得到一定程度的效果。
如图2A和图2B所示，铜引线23上附着了由玻璃材料形成的绝缘构件24的情况下，通过沿着引线23在绝缘构件24中形成扩散带25，引线23与绝缘构件24两者的界面上的接合强度得到提高。从而，即使在由铜那样的低电阻导体形成引线23的情况下，引线23与绝缘构件24之间也能得到足够的密接性和浸润性，从而能够确保气密性。
在用玻璃材料形成的绝缘构件14封接铜引线13和铜金属外环12的情况下，扩散带15形成在与金属外环12和绝缘构件14两者的界面相接的过渡区域、以及与铜引线13和绝缘构件14两者的界面相接的过渡区域中。由此，能够提高金属外环12和绝缘构件14两者的界面上的接合强度、以及引线13和绝缘构件14两者的界面上的接合强度。其结果是，在由铜那样的低电阻导体构成金属外环12和引线13的情况下，金属外环12及引线13与绝缘构件14之间也能得到足够的密接性，从而能够确保气密性。
实施例1中，也可以在封接后对金属外环及引线的露出表面实施镀镍、镀镍磷、镀镍硼、镀金等所希望的精镀。绝缘构件可以是热膨胀系数与铜的热膨胀系数17ppm/K匹配的高膨胀玻璃即可。
磷酸盐玻璃的封接温度是600℃，低于900℃，因此，在封接时，构成金属外环和引线的铜不会发生劣化。也可以使用其他玻璃材料来代替磷酸盐玻璃。
工业上的实用性
本公开可以用于尤其要求耐高电压和耐高电流且要求高气密性的气密端子。
标号说明
10气密端子，11贯通孔，12金属外环，13、23引线，14、24绝缘构件，15、25扩散带。
Claims (9)
1.一种气密端子，其特征在于，包括：
具有贯通孔的低电阻导体的金属外环；
插通所述贯通孔的低电阻导体的引线；以及
配置在所述贯通孔中且封接所述金属外环与所述引线的高膨胀玻璃的绝缘构件，
所述低电阻导体由铜或铜合金形成，
所述绝缘构件具有扩散带，该扩散带是在与所述金属外环和所述引线两者的界面相接的过渡区域的玻璃中扩散了低电阻导体离子而形成的。
2.如权利要求1所述的气密端子，其特征在于，
所述扩散带呈浅粉色至深红色。
3.如权利要求1或2所述的气密端子，其特征在于，
所述扩散带中所扩散的所述低电阻导体离子是铜离子。
4.如权利要求3所述的气密端子，其特征在于，
所述铜离子是一价铜离子。
5.如权利要求1或2所述的气密端子，其特征在于，
所述绝缘构件的热膨胀系数在17±6ppm/K的范围内。
6.如权利要求1或2所述的气密端子，其特征在于，
所述绝缘构件由磷酸盐玻璃形成。
7.如权利要求1或2所述的气密端子，其特征在于，
所述绝缘构件采用能够在低于900℃的封接温度下进行封接的材料。
8.如权利要求1或2所述的气密端子，其特征在于，
在所述金属外环和所述引线的露出表面实施镀敷。
9.如权利要求8所述的气密端子，其特征在于，
所述镀敷由选自镀镍、镀镍磷、镀镍硼、镀金中的至少任意一种组成。
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