JP2015191748A

JP2015191748A - ガラスハーメチックコネクタ

Info

Publication number: JP2015191748A
Application number: JP2014067343A
Authority: JP
Inventors: 晃奥野; Akira Okuno; 太郎平井; Taro Hirai; 西脇　進; Susumu Nishiwaki; 進西脇
Original assignee: NEC Schott Components Corp
Current assignee: NEC Schott Components Corp
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2015-11-02

Abstract

【課題】リード端子の接点特性および耐リーク性に優れ、アウタガスの発生の心配がない気密端子を提供する。【解決手段】貫通孔を有する金属外環と、この金属外環の内側に貫通配置したリードと、このリードを金属外環から絶縁して気密封着する絶縁ガラスからなるガラスハーメチックコネクタにおいて、リードは、リード母材１１に施したＮｉまたはＣｏからなる下地めっき層１２と、白金族元素からなる仕上げめっき層１３とをガラス封着熱で相互拡散させて生成させた合金層１４で表面被覆したことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は高気密性を要求されるガラスハーメチックコネクタに関し、特にリードの接点特性および耐リーク性に優れ、かつアウタガスの発生の心配がない接点用気密端子およびその製造方法に関する。

ハーメチックコネクタは、真空または気密状態を保っている機器の内部へ、電源や電気信号等を供給するために、機器の内部と大気とを遮る容器の隔壁に取り付けられる気密性の接続端子である。ハーメチックコネクタは、容器隔壁へ溶接などで気密に取付けられる金属外環（ハトメとも言う）と、この金属外環に設けた貫通孔に挿通され、かつ金属外環と絶縁された貫通リードを有する。金属外環や隣り合ったリードとの絶縁にはガラスやセラミックまたはエポキシ樹脂などが使用される。特に高い気密信頼性ならびに電気絶縁性を確保する必要がある場合には、金属外環とリードをガラスで圧縮封止したガラスハーメチックコネクタがある。圧縮封止型のガラスハーメチックコネクタは、使用温度範囲において金属外環が絶縁ガラスおよびリードを締めつけて、ガラスに圧縮応力が加わるように、意図的に異なる熱膨張係数の金属材と絶縁ガラスの材料が選択されており、炭素鋼、ステンレス鋼などの鋼製の金属外環と、鉄ニッケル合金、鉄クロム合金などの鉄合金のリード材を使用して、両者をソーダバリウムガラスなどで封着している。

特表２０１３−５０４８５６号公報

従来、圧縮封止型ガラスハーメチックコネクタには、例えば特許文献１に記載されたものがある。

特許文献１の図２ないし図１０に記載のガラスハーメチックコネクタは、多ピンハーメチックコネクタにおいて、封着に用いるガラスタブレットのサイズを大きくして１つのタブレットに複数のリードをセットして封着できるように変形したもので、組立時にガラスタブレットを金属外環の貫通孔に振り込む工程のリードタイム短縮やリードと金属外環との封着距離を長くして絶縁不良の低減を企図した提案である。しかしながら、特許文献１のガラスハーメチックコネクタは、ガラスタブレットの形状が矩形でマルチピン挿通タイプとなっているため、ガラスに加わる圧縮力が不均一になりガラスの四隅にリークを起こし易いという構造上の欠点がある。真空または減圧封止された電気装置に関しては、気密漏れを防止する観点から、むしろ封着ガラスをリードと同心円状にしたガラスハーメチックコネクタ（特許文献１の図１参照）の方が、金属外環の圧縮力を均等に分散できるので、より好ましい形態と言える。

このような多ピンハーメチックコネクタのリード端子には、気密信頼性のみならず配線ソケットの繰返し挿抜に対する耐久性や低い接触抵抗値などの接点特性が要求される。このため、従来からリードにＡｕめっき、Ｐｄめっき、Ｐｄ−Ｎｉ合金めっき、Ｐｄ−Ｃｏ合金めっき等の貴金属めっきを施して接点機能を付加させることが行なわれて来た。しかしながら、Ａｕめっき皮膜は、硬度（ビッカース硬度、以下Ｈｖと略記）が４０〜８０と柔らかすぎるため、挿抜による磨耗の発生や抜差し時に余分な挿抜力を要するなど差込リードのめっき材として欠点があり、金自体も高価であるので経済上好ましくない。また、Ｐｄめっき皮膜は、硬度（Ｈｖ）が２５０〜３５０と耐磨耗性や挿抜耐久性について辛うじてクリヤできるものの、白金族特有の表面活性が強すぎるため、塩素系ガスで汚染皮膜を作りマイグレーションあるいは接触抵抗値の増加を起こしたり、表面に吸着した有機物がポリマー化して接触抵抗値が上昇したりするなどの問題がある。これに加えて純Ｐｄ材は水素吸蔵しやすく、封着後にアウタガスを放出し、気泡や亀裂を発生させるので気密性が劣り使用し難い。Ｐｄ合金めっき材は皮膜硬度（Ｈｖ）がＰｄ−Ｎｉ合金めっきで４５０〜５５０、Ｐｄ−Ｃｏ合金めっきで５８０〜６８０と耐磨耗性に優れ、合金皮膜のため活性や水素吸蔵の問題も解消される。しかし、これらの合金めっきは、共析めっきのため、めっき液の管理が難しく、液寿命も短くイオン交換樹脂などの副資材の消費も増大するなど加工費が高価になってしまう問題があった。

従って、本発明は、ガラスハーメチックコネクタにおける上記課題を解決し、リード端子の接点特性および耐リーク性に優れ、しかもアウタガスの発生の心配がない接点用気密端子を提供することを目的とする。

本発明によると、貫通孔を有する金属外環と、この金属外環の内側に貫通配置したリードと、このリードを金属外環から絶縁して気密封着する絶縁ガラスからなるガラスハーメチックコネクタにおいて、該リードは、リード母材に施したＮｉまたはＣｏからなる下地めっき層と、白金族元素からなる仕上げめっき層とをガラス封着熱で相互拡散させて生成させた合金層で表面被覆したことを特徴とする。すなわち、金属リード母材にＮｉまたはＣｏの下地めっき層と白金族元素の仕上げめっき層を設けたリードを、金属外環に設けた貫通孔に挿通し、このリードと貫通孔との間隙部に絶縁ガラスを装着し、所定温度の封着炉でリードと金属外環とをガラス封着してなるガラスハーメチックコネクタであって、ガラス封着の熱で下地めっき層と仕上げめっき層が相互拡散して生成する合金層で、リード表面を被覆する。

本発明のガラスハーメチックコネクタは、ガラス封着と同時に、リードに設けたＮｉまたはＣｏ下地めっき材と白金族元素からなる仕上げめっき材とを封着炉で合金化することで、煩雑な合金めっき処理を用いることなく、リード表面に白金族合金被膜を形成でき、リード端子の接触抵抗を低くしてコネクタリードの挿抜耐久性に要求される硬度（Ｈｖ）４５０以上の合金皮膜を簡単に調製することができる。同時に純Ｐｄ材などに見られる水素吸蔵による亀裂やアウタガスの発生を防止して気密信頼性の高いガラスハーメチックコネクタを実現する。しかも、封着炉の熱を利用するため専用の工程を必要とせず、熱処理で得られたリード表面の白金族−Ｎｉ合金または白金族−Ｃｏ合金皮膜は、仕上げめっき層と下地めっき層とが相互拡散により合金被膜を生成させるため、拡散するＮｉ分量に相当する白金族分量を削減でき、同様の白金族合金めっき材よりも貴金属の使用量を低減する。また、仕上げめっき材を下地めっき材と合金化することによって、白金族元素の表面活性を緩和し環境ガスとの反応を防止して接触抵抗値を低く安定化させる。

本発明に係るガラスハーメチックコネクタのリードに施した金属皮膜の状態変化を示し、（ａ）は封着前のリードの被膜状態を、（ｂ）および（ｃ）は封着後の被膜状態を示す。本発明に係るガラスハーメチックコネクタ１０を示し、（ａ）は平面図を、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄで切断した正面断面図を示す。本発明に係る多ピン・ガラスハーメチックコネクタ２０を示し、（ａ）は平面図を、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄで切断した正面断面図を、（ｃ）は下面図を示す。

本発明は、金属外環に設けた貫通孔に、図１の（ａ）に示すように金属リード母材１１にＮｉまたはＣｏの下地めっき層１２と、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒなどの白金族元素からなる仕上げめっき層１３を設けたリードを挿通し、このリードと貫通孔との間隙部に絶縁ガラスのタブレットを装着して、黒鉛、セラミック、耐熱金属などの耐熱性の組立治具にセットし、９５０〜１０５０℃の封着炉でリードと金属外環をガラス封着したガラスハーメチックコネクタであり、下地めっき層１２と仕上げめっき層１３を、ガラス封着炉の熱により図１の（ｂ）、（ｃ）に示すように相互拡散させて、より硬質の合金層１４に変化させたことを特徴とする。図１の（ｂ）は、封着炉での熱処理後も下地めっき層１２を残した形態を示し、図１の（ｃ）は、封着炉で下地めっき金属を上層の白金族元素中に全て拡散させて合金層１４のみとした形態を示すが、何れも表面層は、ＮｉまたはＣｏと、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒなどの白金族元素との合金被膜となり、共に本発明のリード材として利用できる。本発明に係るガラスハーメチックコネクタのリード母材、金属外環、絶縁ガラスは公知の材料が利用できる。例えば、炭素鋼、ステンレス鋼などの鋼製の金属外環と、鉄ニッケル合金、鉄クロム合金などの鉄合金からなる金属リード母材に所定の部品めっきを施したリードとを用いて、両者をソーダライムガラス、ソーダバリウムガラス、硼珪酸ガラスなどの絶縁ガラスで封着する。

下地めっき層１２の膜厚は、仕上げめっき層１３の膜厚以上の厚さに設ける。例えば、ＮｉまたはＣｏからなる下地めっき層１２を１〜１０μｍの厚さに設け、さらにこの表面にＰｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒなどの白金族元素の仕上げめっき層１３を０．１〜１μｍの厚さに設けるとよい。より好ましくは、下地めっき層１２は仕上げめっき層１３の膜厚を１とするとき１０〜１００の厚さに設けるとよい。例えば、下地めっき層１２を５〜１０μｍの厚さに設け、仕上げめっき層１３を０．１〜０．３μｍの厚さの薄膜にすれば、貴金属の使用を最小限にでき更によい。なお、下地めっき層１２と仕上げめっき層１３をガラス封着熱により相互拡散させて生成させた合金層１４は、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒなどの白金族元素とＮｉまたはＣｏとの合金からなり、特にＰｄ−Ｃｏ合金またはＰｄ−Ｎｉ合金が好ましい。仕上げめっき層１３を下地めっき層１２と反応させて合金層１４とすることで、白族元素の表面活性を緩和し有機ガスや反応性ガスなど環境ガスとの反応を防止して、リードの接触抵抗値を低く安定化させる。

本発明のガラスハーメチックコネクタ２０は、図２に示すように、貫通孔を有する金属外環２５と、この金属外環２５の内側に貫通配置した少なくとも１本のリード２６、およびリード２６を金属外環２５から絶縁して気密封着する絶縁ガラス２７からなるガラス−金属封着構造である。ガラスハーメチックコネクタ２０は、予めリード母材２１に厚さ１μｍのＣｏ下地めっき層２２と、厚さ０．１μｍのＰｄ仕上げめっき層を設けたリード２６を用意し、金属外環の貫通孔に該めっきリード２６を挿通すると共に、リード２６と貫通孔との間隙部に絶縁ガラスのタブレットを装着して、黒鉛製組立治具にセットし、この治具と一緒に１０２０℃の封着炉を通炉することによりタブレットを軟化・溶融させ、金属外環２５とリード２６を絶縁ガラス２７で気密封着して製造する。ガラス封着の作業温度で、リード２６に施されたＣｏ下地めっき層２２とＰｄ仕上げめっき層とを相互拡散させて、表面にＰｄ―Ｃｏ合金層２４を形成させることにより、初期硬度（Ｈｖ）２５０のＰｄ仕上げめっき層をコネクタリードの挿抜耐久性に要求される硬度（Ｈｖ）６８０の合金層２４に変化させる。

本発明のガラスハーメチックコネクタ３０は、図３に示すように、複数の貫通孔を有する金属外環３５と、この金属外環３５の内側に貫通配置した複数のリード３６と、各リード３６を金属外環３５から絶縁して気密封着する絶縁ガラス３７からなる。ガラスハーメチックコネクタ３０は、予めリード母材３１に７．５μｍのＮｉの下地めっき層３２と０．２μｍのＰｄの仕上げめっき層を設けたリード３６を用意し、金属外環３５の各貫通孔に該めっきリード３６を挿通すると共に、リード３６と貫通孔との間隙部に絶縁ガラスのタブレットを装着して、黒鉛製組立治具にセットし、この治具と一緒に９５０℃の封着炉を通炉することによりタブレットを軟化・溶融させて、金属外環３５とリード３６を絶縁ガラス３７で気密封着して製造する。リード３６に施されたＮｉ下地めっき層３２とＰｄ仕上げめっき層とは、ガラス封着の作業温度で相互拡散により表面にＰｄ―Ｎｉ合金層３４を形成して、コネクタリードの挿抜耐久性に要求される表面硬度（Ｈｖ）５５０の皮膜に変化する。

前述のガラスハーメチックコネクタ２０およびガラスハーメチックコネクタ３０は、リードに施した下地めっき層と仕上げめっき層とを封着炉でＰｄ合金化することにより、仕上げめっき材にＰｄ合金めっきより扱いやすい純Ｐｄめっき材を使用しながら、純Ｐｄ材固有の水素吸蔵による亀裂やアウタガスの発生を防止して気密信頼性の高いガラスハーメチックコネクタにできる。しかも、封着炉の熱を利用するため専用工程を設ける必要がなく、得られたＰｄ−Ｃｏ合金またはＰｄ−Ｎｉ合金皮膜は、仕上げめっき層と下地めっき層とが相互拡散して生成するため、ＣｏまたはＮｉ分量に相当するＰｄ量を低減する効果がある。Ｐｄ仕上げめっき材は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒの群から選択された何れか１つのめっき被膜に適宜変更しても差支えない。前記白金族元素の仕上げめっき層は、封着炉の熱処理でＮｉまたはＣｏの下地めっきと相互拡散させてコネクタ特性に優れた硬質合金皮膜を形成させ、かつ下地めっきにより貴金属の使用量を削減する。仕上げめっき層を下地めっき層と合金化することにより、白族元素の表面活性を緩和し有機ガスや反応性ガスなど環境ガスとの反応を防止して、リードの接触抵抗値を低く安定化させる。

本発明は、特に真空容器中または減圧容器中に設置される電気機械装置の気密端子に利用でき、リード端子の繰り返し挿抜に耐久し、高い気密信頼性が要求されるハーメチックコネクタに利用できる。

２０，３０・・・ハーメチックコネクタ、
１１，２１，３１・・・リード母材、
１２，２２，３２・・・下地めっき層、
１３・・・仕上げめっき層、
１４，２４，３４・・・合金層、
２５，３５・・・金属外環、
２６，３６・・・リード、
２７，３７・・・絶縁ガラス。

Claims

貫通孔を有する金属外環と、この金属外環の内側に貫通配置したリードと、このリードを金属外環から絶縁して気密封着する絶縁ガラスからなるガラスハーメチックコネクタにおいて、該リードは、リード母材に施したＮｉまたはＣｏからなる下地めっき層と、白金族元素からなる仕上げめっき層とを、ガラス封着熱で相互拡散させて生成させた合金層で表面被覆したことを特徴としたガラスハーメチックコネクタ。
前記白金族元素は、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒの群から選ばれた何れか１つの元素であることを特徴とした請求項１に記載のガラスハーメチックコネクタ。
前記合金層は、Ｐｄ−Ｃｏ合金またはＰｄ−Ｎｉ合金であることを特徴とした請求項１に記載のガラスハーメチックコネクタ。
前記下地めっき層の膜厚を、前記仕上げめっき層の膜厚以上の厚さに設けることを特徴とした請求項１から請求項３のいずれか一つに記載のガラスハーメチックコネクタ。
前記下地めっき層は、前記仕上げめっき層の膜厚を１とするとき１０〜１００の厚さに設けることを特徴とした請求項４に記載のガラスハーメチックコネクタ。