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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen hermetischen Anschluss.
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Stand der Technik
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Ein hermetischer Anschluss ist ein Anschluss, bei welchem eine Leitung hermetisch in einem Einsetzloch eines metallischen Außenrings mit einem dazwischen eingefügten Isoliermaterial abgedichtet ist, wie in der japanischen Patentoffenlegung Nr. 61-260560 beschrieben. Der hermetische Anschluss wird eingesetzt, wenn Strom einer in einem hermetischen Behälter untergerbachten elektrischen Vorrichtung oder Element zugeführt wird, oder wenn ein Signal von der elektrischen Vorrichtung oder dem Element nach außen abgeleitet wird.
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Hermetische Anschlüsse vom GTMS (Glass-to-Metal-Seal) -Typ, in denen jeweils ein metallischer Außenring und eine Leitung mit Isolierglas abgedichtet sind, werden grob in die folgenden zwei Typen unterteilt: ein hermetischer Anschluss vom Typ der angepassten Dichtung; und einen hermetischen Anschluss vom Typ der komprimierten Dichtung. Um eine hochzuverlässige hermetische Dichtung in dem hermetischen Anschluss zu gewährleisten, ist es wichtig, geeignete Metallmaterialien, die den metallischen Außenring und die Leitung bilden und geeignetes Isolierglas auszuwählen, so dass diese Materialien geeignete Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
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Das Isolierglas zum Abdichten wird in Übereinstimmung mit Materialien, geforderten Temperaturprofilen und Wärmeausdehnungskoeffizienten des metallischen Außenrings und der Leitung bestimmt. Im Falle der angepassten Dichtung werden die metallischen Materialien und das Isolierglas so ausgewählt, dass diese Materialien Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, die so viel wie möglich miteinander übereinstimmen. Im Falle der komprimierten Dichtung werden auf der anderen Seite metallische Materialien und Isolierglas beabsichtigt ausgewählt, die unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, so dass der metallische Außenring das Isolierglas und die Leitung komprimiert.
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Um eine hohe hermetische Zuverlässigkeit und elektrische Isoliereigenschaft in dem hermetischen Anschluss vom Typ der angepassten Dichtung zu gewährleisten wird eine Kovar-Legierung (Fe: 54%, Ni: 28%, Co: 18%), die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der mit dem eines Glasmaterials in einem breiten Temperaturbereich übereinstimmt, als ein Material für den metallischen Außenring und die Leitung verwendet, und der metallische Außenring und die Leitung werden mit aus Borosilikatglas hergestelltem Isolierglas abgedichtet. In dem hermetischen Anschluss vom Typ der komprimierten Dichtung werden, um eine konzentrische Druckspannung auf das Glas in einem Verwendungstemperaturbereich aufzubringen, ein metallischer Außenring, der aus Stahl wie Kohlenstoffstahl oder Edelstahl hergestellt ist, und eine Leitung, die aus einer Eisenlegierung wie einer Eisen-Nickel-Legierung (Fe: 50%, Ni: 50%) oder einer Eisen-Chrom-Legierung (Fe: 72%, Cr: 28%) hergestellt ist, verwendet, und der metallische Außenring und die Leitung werden mit aus Soda-Barium-Glas hergestelltem Isolierglas abgedichtet.
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Zitierliste
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Patentliteratur
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PTL1: Japanische Patentoffenlegung Nr. 61-260560
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Zusammenfassung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Zusammen mit dem jüngsten Fortschritt insbesondere bei der Elektrifizierung von Autos und der Beschleunigung von Zügen ist die Entwicklung von Leistungsvorrichtungen aktiv, die SiC-Elemente für Hochleistungsanwendungen verwenden. Es gibt kein Paket, welches sowohl eine hohe Wärmeableitung, einen Starkstrom als auch eine hohe Hermetik bewältigen kann, und es war unmöglich, diese Eigenschaften vollständig zu nutzen. Auf der anderen Seite ist es vorteilhaft, wenn eine Leitung, die einen vergleichsweise großen Drahtdurchmesser aufweist, aus einem Leiter mit niedrigem Widerstand wie Kupfer oder Aluminium hergestellt ist, verwendet werden kann, um die Stromkapazität eines hermetischen Anschlusses zu erhöhen.
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Diese Leiter mit niedrigem Widerstand weisen jedoch hohe Wärmeausdehnungsraten auf. Wenn die aus einem Leiter mit niedrigem Widerstand hergestellte Leitung mit Isolierglas abgedichtet wird, das aus Borosilikatglas oder Kalknatronglas mit einer geringen Wärmeausdehnungsrate hergestellt ist, wird eine Zugspannung in einer Umfangsrichtung des Isolierglases in Kontakt mit der Leitung erzeugt, da sich die aus einem Leiter mit niedrigem Widerstand hergestellte Leitung ausdehnt und zusammenzieht. Folglich wird eine Verbindung zwischen der Leitung und dem Isolierglas gelöst, oder es tritt ein Riss in einer axialen Richtung der Leitung auf, der durch das Isolierglas hindurchgeht, wodurch eine Leckage verursacht wird. Somit wird wahrscheinlich eine defekte Dichtung verursacht.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen hermetischen Anschluss bereitzustellen, der sowohl eine hohe Wärmeableitung, einen Starkstrom als auch eine hohe Hermetik bewältigen kann, und Metalle mit niedrigem Widerstand für einen metallischen Außenring und eine Leitung verwendet.
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Lösung der Aufgabe
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird ein hermetischer Anschluss bereitgestellt, der einen metallischen Außenring umfasst, der aus einem Leiter mit niedrigem Widerstand hergestellt ist, der sich aus Kupfer oder einer Kupferlegierung zusammensetzt, der ein Durchgangsloch aufweist, eine aus einem Leiter mit niedrigem Widerstand hergestellte Leitung, die in das Durchgangsloch eingesetzt ist, und ein Isoliermaterial, das aus Glas mit hoher Ausdehnung hergestellt ist, das in dem Durchgangsloch zum Abdichten des metallischen Außenrings und der Leitung angeordnet ist.
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Die Leiter mit niedrigem Widerstand können aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt sein. Das Isoliermaterial kann Diffusionszonen aufweisen, in denen Ionen des Leiters mit niedrigem Widerstand in Glas von Übergangsbereichen in Kontakt mit Grenzflächen zwischen den Leitern mit niedrigem Widerstand und dem Isoliermaterial diffundiert sind. Die Diffusionszonen erhöhen das Haftvermögen des Glases mit hoher Ausdehnung in Bezug auf Oberflächen der Leiter mit niedrigem Widerstand wie Kupfer oder einer Kupferlegierung, und verbessern die Verbindungsfestigkeit.
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Die Diffusionszonen können eine hellrosa bis tiefrote Farbe aufweisen. Die in die Diffusionszonen diffundierten Ionen des Leiters mit niedrigem Widerstand können Kupferionen sein. Die Kupferionen können Kupfer(I)-lonen sein.
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Als Glas mit hoher Ausdehnung, das das Isoliermaterial bildet, kann Glas verwendet werden, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten in einem Bereich von 17 ± 6 ppm/K aufweist. In diesem Fall stimmt der Wärmeausdehnungskoeffizient mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kupfer von 17 ppm/K überein.
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Als das Isoliermaterial kann Glas auf Phosphorsäurebasis verwendet werden. Als das Isoliermaterial kann ein Glasmaterial verwendet werden, welches bei einer Siegeltemperatur von weniger als 900 °C gesiegelt werden kann. Da Kupfer einen Schmelzpunkt aufweist, der niedriger als der eines Stahlmaterials ist, werden Kristallkörner vergrößert, wenn Glas an Kupfer mit einer hohen Temperatur von 900 °C oder mehr gesiegelt wird, und Kupfer kann einen sogenannten weichgeglühten Zustand einnehmen und kann eine verringerte mechanische Festigkeit aufweisen. Es ist wünschenswert, das Glas bei einer niedrigen Temperatur von niedriger als 900 °C so viel wie möglich zu siegeln.
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Auf freiliegenden Oberflächen des metallischen Außenrings und der Leitung kann eine Plattierung bereitgestellt sein. Die Plattierung kann mindestens eine sein, die aus einer Nickelplattierung, einer Nickelphosphorplattierung, einer Nickelborplattierung und einer Goldplattierung ausgewählt ist.
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Figurenliste
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- 1A ist eine Draufsicht, die einen hermetischen Anschluss gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt.
- 1B ist eine Querschnitts-Vorderansicht, die den hermetischen Anschluss gemäß der vorliegenden Offenbarung entlang einer Linie IB-IB in 1A darstellt.
- 2A ist ein Querschnitts-Foto, welches eine Diffusionszone darstellt, die in Glas von einem Übergangsbereich in Kontakt mit einer Grenzfläche zwischen einer Leitung und einem Isoliermaterial gebildet wird.
- 2B ist eine Querschnittsansicht, die die Diffusionszone darstellt, die in dem Glas ausgebildet ist, von dem Übergangsbereich in Kontakt mit der Grenzfläche zwischen der Leitung und dem Isolierglas, wie in 2A dargestellt.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Wie in den 1A und 1B dargestellt ist, umfasst ein hermetischer Anschluss 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung einen metallischen Außenring 12 aus einem Leiter mit niedrigem Widerstand wie Kupfer oder einer Kupferlegierung, der mindestens ein Durchgangsloch 11 aufweist, mindestens eine Leitung 13 aus einem Leiter mit niedrigem Widerstand wie Kupfer oder einer Kupferlegierung, die in das Durchgangsloch 11 eingesetzt ist, und ein Isoliermaterial 14 aus Glas mit hoher Ausdehnung, das in dem Durchgangsloch 11 zum Abdichten des metallischen Außenrings 12 und der Leitung 13 angeordnet ist.
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Da das Isoliermaterial 14 aus Glas mit hoher Ausdehnung (Glas, das eine hohe Wärmeausdehnungsrate aufweist) hergestellt ist, stimmt die Wärmeausdehnungsrate des Isoliermaterials 14 leicht mit den Wärmeausdehnungsraten des metallischen Außenrings 12 und der Leitung 13 überein, die jeweils aus einem Leiter mit niedrigem Widerstand hergestellt sind, der sich aus einem Material mit hoher Wärmeausdehnung (einem Material, das einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist) zusammensetzt, wie Aluminium oder Kupfer, und eine defekte Abdichtung, die durch einen Unterschied bei der Wärmeausdehnungsrate verursacht wird, kann verringert werden.
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Das Isoliermaterial 14 weist Diffusionszonen 15 auf, in denen Ionen von Kupfer als einem Leiter mit niedrigem Widerstand, der die Leitung 13 bildet und dergleichen in Glas von Übergangsregionen diffundiert sind, die in Kontakt mit Grenzflächen mit dem metallischen Außenring 12 und der Leitung 13 stehen. Die Diffusionszonen 15 erhöhen die Haftung des Glases mit hoher Ausdehnung in Bezug auf Oberflächen der Leiter mit niedrigem Widerstand wie Kupfer oder der Kupferlegierung, und verbessern die Verbindungsfestigkeit.
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Als Glas mit hoher Ausdehnung kann Glas verwendet werden, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten in einem Bereich von 17±6 ppm/K aufweist. Beispielsweise kann Glas auf Phosphorsäurebasis geeignet verwendet werden, da dessen Wärmeausdehnungskoeffizient mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kupfer von 17 ppm/K übereinstimmt.
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Da Kupfer einen Schmelzpunkt aufweist, der vergleichsweise niedriger als der von Eisen und einem Stahlmaterial ist, werden Korngrößen vergrößert, wenn Glas an Kupfer mit einer hohen Temperatur von 900 °C oder mehr gesiegelt wird, und Kupfer kann einen sogenannten weichgeglühten Zustand einnehmen und kann eine verringerte mechanische Festigkeit aufweisen. Es ist wünschenswert, das Glas bei einer niedrigen Temperatur von weniger als 900 °C so viel wie möglich zu siegeln. Daher ist es bevorzugt, als Isoliermaterial 14 ein Glasmaterial auszuwählen, welches bei einer Siegeltemperatur von weniger als 900 °C gesiegelt werden kann.
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Eine Plattierung kann auf freiliegenden Oberflächen (Oberflächen, die nicht mit Isoliermaterial 14 bedeckt sind) des metallischen Außenrings 12 und der Leitung 13 bereitgestellt werden. Die Plattierung kann mindestens eine sein, die aus einer Nickel-Plattierung, Nickel-Phosphor-Plattierung, Nickel-Bor-Plattierung und Gold-Plattierung ausgewählt ist. Wenn der metallische Außenring 12 und die Leitung 13 aus Kupfer hergestellt sind, können Kupferoberflächen beispielsweise einer natürlichen Oxidation in der Luft unterworfen sein, was eine Verschlechterung der elektrischen Leitfähigkeit (Anstieg im Kontaktwiderstand) und eine Verschlechterung der Lötfähigkeit verursachen kann. Oxidation kann verhindert werden, indem der Leiter und der metallische Außenring mit dem Isoliermaterial abgedichtet werden, und dann eine Plattierung auf den freiliegenden Oberflächen des Leiters und des metallischen Außenrings bereitgestellt wird.
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[Beispiel]
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Ein hermetischer Anschluss in Beispiel 1 gemäß der vorliegenden Offenbarung ist ein hermetischer Anschluss vom Typ der angepassten Dichtung, und umfasst einen metallischen Außenring aus Kupfer, der drei Durchgangslöcher aufweist, drei Leitungen aus Kupfer, die jeweils in die Durchgangslöcher des metallischen Außenrings eingesetzt sind, und ein Isoliermaterial aus Glas mit hoher Ausdehnung, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 15,9 ppm/K aufweist, das aus Glas auf Phosphorsäurebasis gebildet ist, zum Abdichten des metallischen Außenrings und jeder Leitung.
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Das Isoliermaterial weist Diffusionszonen auf, in welchen Kupferionen in Glas von Übergangsbereichen in Kontakt mit Grenzflächen mit dem metallischen Außenring und jeder Leitung diffundiert sind. 2A ist ein Querschnittsfoto, das eine Diffusionszone darstellt, die in Glas eines Übergangsbereichs im Kontakt mit einer Grenzfläche zwischen einer Leitung und dem Isoliermaterial ausgebildet ist, und 2B ist eine Querschnittsansicht, die die Diffusionszone darstellt, die in dem Glas des Übergangsbereichs in Kontakt mit der Grenzfläche zwischen der Leitung und dem Isoliermaterial, wie in 2A dargestellt, ausgebildet ist.
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Wie in den 2A und 2B dargestellt ist, ist in einem Isoliermaterial 24, das aus einem Glasmaterial hergestellt ist, eine Diffusionszone 25 in dem Übergangsbereich in Kontakt mit der Grenzfläche zwischen einer Leitung 23 aus Kupfer und dem Isoliermaterial 24 ausgebildet. Die Diffusionszone 25 ist aus einem von Kupfer(I)-lonen abgeleiteten diffundierenden Objekt gemacht. Die Diffusionszone 25 zeigt eine hellrosa bis rote oder tiefrote (Rubin-) Farbe. Es ist anzumerken, dass die Diffusionszone 25 eine blaue bis grüne Farbe zeigt, wenn Kupfer(II)-lonen in dem Glas diffundiert sind.
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Reines Kupfer (metallisches Kupfer) weist eine schlechte Benetzbarkeit bezüglich Glas auf, und es ist schwer, eine Leitung und einen metallischen Außenring, die reine Kupferoberflächen aufweisen, mit gewöhnlichem Glas stabil abzudichten. Auch wenn sie augenscheinlich abgedichtet zu sein scheinen, fehlt ihnen mechanische Haltbarkeit, und die mit dem Glas abgedichteten Grenzflächen werden wahrscheinlich abgelöst. Dementsprechend ist es schwierig gewesen, eine Hermetik aufrechtzuerhalten.
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Auf der anderen Seite wird die Benetzbarkeit in Bezug auf das Glas durch Bereitstellen eines Oxidfilms auf einer Kupferoberfläche verbessert. Ein Kupferoxid (sowohl Kupfer(I)- als auch Kupfer(II)-Oxide) weist eine schwache mechanische Festigkeit auf und weist ebenfalls eine schlechte Hermetik auf. Wenn sich daher ein dicker Kupferoxidfilm auf einer Metalloberfläche als ein Beispiel befindet, wird eine Verbindung mit dem Glas wahrscheinlich abgelöst. Selbst wenn die Verbindung nicht abgelöst wird, weist der Kupferoxidfilm selbst eine geringe Hermetik auf, welches zu einem Anschluss führt, der eine schlechte Hermetik aufweist.
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Der hermetische Anschluss der vorliegenden Ausführungsform weist auf einer Kupferoberfläche eine sehr dünne Oxidschicht (eine monomolekulare Oxidschicht oder eine dazu ähnliche Oxidschicht) auf und eine Diffusionszone, in welcher Kupferionen in Glas diffundiert sind. Dies kann eine Verringerung der mechanischen Festigkeit und Hermetik verhindern, die auftreten können, wenn der dicke Kupferoxidfilm darauf bereitgestellt ist. Gleichzeitig kann eine hohe Hermetik an den Grenzflächen mit dem metallischen Außenring und der Leitung, die aus Kupfer gemacht sind, aufrechterhalten werden, da die Diffusionszone, in welcher Kupferionen in dem Glas diffundiert sind, eine ausgezeichnetere Benetzbarkeit in Bezug auf Kupfer hat als Glas, in welchem keine Kupferionen diffundiert sind. Da darüber hinaus die dünne Oxidschicht auf der Kupferoberfläche bereitgestellt ist, kann die Benetzbarkeit des Glases in Bezug auf Kupfer weiter verbessert werden.
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Vorzugsweise wird ein Kupfer(I)-Oxid als Kupferoxid und Kupferionen verwendet. Das Haftvermögen von Glas in Bezug auf Kupfer wird durch Diffundieren eines Kupfer(I)-Oxids als Kupferionen besonders verbessert. Da ein Kupfer(II)-Oxid schlechter als ein Kupfer(I)-Oxid an Haftvermögen in Bezug auf das Glas ist, ist es nicht bevorzugt, eine Diffusionszone durch Diffundieren von lediglich Kupfer(II)-lonen zu bilden. Ein gewisser Grad der Wirkung kann jedoch ebenfalls erzielt werden, wenn ein Kupfer(II)-Oxid teilweise in Kupferionen enthalten ist, die hauptsächlich aus einem Kupfer(I)-Oxid zusammengesetzt sind (wenn ein Kupfer(I)-Oxid mehr als die Hälfte ausmacht).
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Wenn das Isoliermaterial 24 aus einem Glasmaterial an der Leitung 23 aus Kupfer wie in den 2A und 2B haftet, wird eine Verbindungsfestigkeit an der Grenzfläche zwischen der Leitung 23 und dem Isoliermaterial 24 verbessert, indem eine Diffusionszone 25 in dem Isoliermaterial 24 entlang der Leitung 23 ausgebildet wird. Selbst wenn die Leitung 23 aus einem Leiter mit niedrigem Widerstand wie Kupfer gebildet wird, wird dadurch eine ausreichende Haftung und Benetzbarkeit zwischen der Leitung 23 und dem Isoliermaterial 24 erzielt, und die Hermetik kann gewährleistet werden.
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Wenn die Leitung 13 aus Kupfer und der metallische Außenring 12 aus Kupfer mit Isoliermaterial 14 aus einem Glasmaterial abgedichtet werden, werden Diffusionszonen 15 in einem Übergangsbereich in Kontakt mit einer Grenzfläche zwischen dem metallischen Außenring 12 und dem Isoliermaterial 14 ausgebildet, und in einem Übergangsbereich in Kontakt mit einer Grenzfläche zwischen der Leitung 13 aus Kupfer und dem Isoliermaterial 14. Dadurch kann eine Verbindungsfestigkeit an der Grenzfläche zwischen dem metallischen Außenring 12 und dem Isoliermaterial 14 und eine Verbindungsfestigkeit an der Grenzfläche zwischen der Leitung 13 und dem Isoliermaterial 14 verbessert werden. Als ein Ergebnis wird, selbst wenn der metallische Außenring 12 und die Leitung 13 aus Leitern mit niedrigem Widerstand wie Kupfer hergestellt sind, ein ausreichendes Haftvermögen zwischen dem Isoliermaterial 14 und jedem von dem metallischen Außenring 12 und der Leitung 13 erzielt, und Hermetik kann gewährleistet werden.
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Im Beispiel 1 kann nach dem Abdichten ferner eine gewünschte Endplattierung wie eine Nickel-Plattierung, eine Nickel-Phosphor-Plattierung, eine Nickel-Bor-Plattierung oder eine Goldplattierung auf freiliegenden Oberflächen des metallischen Außenrings und der Leitung bereitgestellt werden. Das Isoliermaterial kann ein beliebiges Glas mit hoher Ausdehnung sein, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kupfer von 17 ppm/K übereinstimmt.
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Da das Glas auf Phosphorsäurebasis eine Siegeltemperatur von 600 °C aufweist, was weniger als 900 °C ist, verschlechtert es während des Abdichtens nicht das Kupfer, das den metallischen Außenring und die Leitung bildet. Anstatt von Glas auf Phosphorsäurebasis kann ein beliebiges anderes Glasmaterial verwendet werden.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Die vorliegende Offenbarung ist besonders anwendbar bei einem hermetischen Anschluss, der eine Hochspannung und einen Starkstrom aushält, und der eine hohe Hermetik aufweisen soll.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- hermetischer Anschluss;
- 11
- Durchgangsloch;
- 12
- metallischer Außenring;
- 13, 23
- Leitung;
- 14, 24
- Isoliermaterial;
- 15, 25
- Diffusionszone.
