JP2016178034A - 気密端子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト及び短納期で気密端子を製造できる製造方法を提供する。【解決手段】気密端子の製造方法は、ガラス成形体を３次元プリンタで成形する成形工程と、ガラス成形体を仮焼結し、ガラス仮焼結体を作製する仮焼結工程と、ガラス仮焼結体と金属ベースとリード端子とを組み立てる組立工程と、組み立てたガラス仮焼結体と金属ベースとリード端子とを焼成し、リード端子をガラス焼結体が軟化したガラス部材によって封着する封着工程と、を備える。ガラス成形体の成形は、３次元ＣＡＤデータを準備（Ｓ２１）し、３次元ＣＡＤデータから断層画像データを作成（Ｓ２２）し、ガラス粉末の準備（Ｓ２３）及び液状バインダを選定（Ｓ２４）し、３次元プリンタへガラス粉末及び液状バインダを搭載（Ｓ２５）し、３次元プリンタでガラス成形体を作成（Ｓ２６）し、ガラス成形体を取り出し（Ｓ２７）、脱脂（Ｓ２８）することにより行われる。【選択図】図３

Description

本発明は、気密端子の製造方法に関する。

気密端子は、例えば、底部に貫通穴が形成された金属ベースと、この貫通穴に挿通されたリード端子と、金属ベースにリード端子を封着するガラス部材とから構成されている。

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・電子部品や半導体素子などを搭載した後、カバーを被せて気密に封止し、多様な環境から保護できるパッケージとしても使用されている。

気密端子が用いられるエレクトロニクス産業の進歩はめざましく、それに同調するかのごとく気密端子に対する開発期間及び製品納期の短縮が求められている。

気密端子は、以下の方法で製造される。まず、ガラス粉体と有機バインダとを混錬し顆粒状に造粒する。造粒したガラス粉体を粉体プレス成形機の精密金型に入れてプレスし、貫通孔を有するガラス成形体を作製する。有機バインダを燃焼分解するために、作製したガラス成形体をガラスの軟化点以下の温度に加熱する。その後、このガラス成形体をガラスの軟化点近傍で仮焼結し、ガラス仮焼結体を得る。次に、このガラス仮焼結体を、金属ベースの貫通孔に挿入し、さらに、ガラス仮焼結体の貫通孔にリード端子を挿入し、封着治具を用いて固定する。これを窒素雰囲気などの中性雰囲気炉に投入し、ガラスの作業点近くまで加熱する。この結果、リード端子は、ガラス仮焼結体が軟化したガラス部材で封着され、気密端子が得られる（特許文献１参照）。

特開２００８−２７６７９号公報

従来の製造方法では、ガラス成形体を成形するための専用の精密金型の作製に期間が必要である。特に、多芯タイプの気密端子ではガラス成形体の形状が複雑であり、精密金型の製作はさらに長い期間が必要である。このため、気密端子の作製期間の大部分は、精密金型の作製期間で決定される。この結果、量産前の試作、実験・開発及び多品種小ロットなどの気密端子の納期を短縮することは困難である。また、生産量が少ない製品などにおいては、金型を作成するための初期費用が必要であるため製造コストを低減することができない。

本発明は、上記のような事情に鑑みなされたものであり、低コスト及び短納期で気密端子を製造できる製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明の気密端子の製造方法は、
貫通孔を有する金属ベースと、前記貫通孔を貫通するリード端子と、前記リード端子を前記金属ベースに封着するガラス部材と、を備える気密端子の製造方法であって、前記ガラス部材形成用のガラス成形体を３次元プリンタで成形する成形工程と、前記ガラス成形体を仮焼結し、ガラス仮焼結体を作製する仮焼結工程と、前記ガラス仮焼結体の貫通孔に前記リード端子が装着され、ガラス仮焼結体が前記金属ベースの貫通孔に取り付けられた組立体を形成する組立工程と、前記組立体を焼成して前記ガラス仮焼結体を軟化させることにより、前記リード端子をガラス部材によって封着する封着工程と、を備えることを特徴とする。

前記成型工程は、例えば、粉末固着式積層法の前記３次元プリンタにより、ガラス粉末の層を形成し、断層データに基づいて、前記ガラス粉末のうち、ガラス部材形成予定部分を結合する処理を複数層分繰り返す工程と、前記ガラス粉末のうち、ガラス部材を形成しない部分を除去して前記ガラス成形体を形成する工程と、から構成される。

前記成形工程は、例えば、前記ガラス成形体を脱脂する脱脂工程を含む。

前記ガラス成形体を仮焼結する工程は、例えば、軟化点付近の温度までガラス成形体を加熱する工程を含む。

例えば、前記ガラス成形体の仮焼結による収縮率をｒとすると、前記ガラス成形体の外径は、前記金属ベースに形成された前記貫通孔の内径１／（１−ｒ）のサイズを有する。

本発明によれば、３次元プリンタを用いてガラス成形体を作成するため、ガラス成形体のプレス成形金型が不要となり、短期間でガラス成形体を作成できる。このため、気密端子の製作期間を短くすることができ、試作品等の気密端子を短納期で製作することが可能となる。また、多品種少量生産などの場合、金型などの初期費用が不要となることから製造コストを低減することができる。

本発明の実施形態の気密端子を示す図である。 本発明の実施形態の気密端子の製造工程図である。 本発明の実施形態のガラス成形体を作製する工程図である。 本発明の実施形態のガラス成形体の成形工程の工程図である。 （ａ）は、本発明の実施形態の金属ベースを示す図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態のリード端子を示す図であり、（ｃ）は、本発明の実施形態のガラス仮焼結体を示す図であり、（ｄ）は、本発明の実施形態のガラス成形体を示す図である。 本発明の実施形態のガラス部材の変形例１を示す図である。 本発明の実施形態の気密端子の変形例１を示す図である。 本発明の実施形態のガラス部材の変形例２を示す図である。 本発明の実施形態の気密端子の変形例２を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る気密端子の製造方法を図面を参照しながら説明する。なお、図中同一又は相当する部分は同一符号を付す。

図１に示すように、本実施形態に係る気密端子１００は、３カ所に貫通孔２が形成された金属ベース１と、各貫通孔２に挿通されたリード端子３と、リード端子３を金属ベース１に封着し、電気的に絶縁するガラス部材４と、から構成される。気密端子１００は、金属ベース１とリード端子３との間が気密であり、かつ、金属ベース１とリード端子３とが電気的に絶縁された端子である。

次に、上記構成を有する気密端子１００の製造方法を、図２〜図５を参照しながら説明する。
気密端子１００の製造方法は、図２に示すように、大きく分けて、ガラス部材４の中間体に相当するガラス仮焼結体４１を製造する工程（ステップＳ１１、ステップＳ１２）と、金属ベース１を製造する工程（ステップＳ１３、ステップＳ１４）と、リード端子３を製造する工程（ステップＳ１５、ステップＳ１６）と、製造された金属ベース１とガラス仮焼結体４１とリード端子３とを組み合わせて、気密端子１００を完成する工程（ステップＳ１７、ステップＳ１８、ステップＳ１９）と、から構成される。

以下、各工程を順番に説明する。
まず、ガラス仮焼結体を製造する工程は、ガラス成形体を作成する工程（ステップＳ１１）と、作成したガラス形成体を仮焼結する工程（ステップＳ１２）と、を備える。

ガラス成型体を作成する工程（ステップＳ１１）では、図３に示すように、まず、ガラス成形体の３次元ＣＡＤデータを準備する（ステップＳ２１）。ガラス形成体とは、ガラス部材４のグリーン形成体（圧粉体）である。ガラス成型体は、その後に実施する仮焼結処理（ステップＳ１２）で収縮するため、仮焼結した後のガラス仮焼結体が金属ベース１及びリード端子３と嵌合する形状及びサイズになるように、その形状及びサイズを設計する。具体的には、仮焼結によるガラス成形体の線収縮率をｒとすると、ガラス仮焼結体４１の外径及び内径を（１−ｒ）で除したものをガラス成形体の外径及び内径とする。例えば、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、金属ベース１の貫通穴２の直径をｄ１、リード端子３の直径をｄ２とすると、ガラス部材４の外径はｄ１、貫通穴５の内径はｄ２となる。従って、図５（ｃ）に示すように、ガラス仮焼結体４１の外径はｄ１、貫通穴の内径はｄ２となる。この場合、図５（ｄ）に示すように、ガラス成形体４２の外径はｄ１／（１−ｒ）、貫通穴２の内径はｄ２／（１−ｒ）に設計される。なお、収縮率ｒ＝（（収縮前の長さ）−（収縮後の長さ））／（収縮前の長さ）である。

次に、この３次元ＣＡＤデータを基に、ガラス成形体を特定方向に層状に輪切りにした各階層の形状を示す２次元の断層画像データを作成する（ステップＳ２２）。例えば、この例では、ガラス成形体の形状が略円筒なので、略円筒の軸に垂直な面で輪切りにした各階層の形状を示す２次元の断層画像データを作成する。この各階層の形状は、ドーナツ形の形状となる。

次に、ガラス粉末を準備する（ステップＳ２３）。ガラスの組成は、特に限定されないが、例えばホウケイ酸系ガラス、ホウケイ酸ガラスと他のガラスの混合ガラス等を用いることができる。ガラス粉末は、単一の組成のガラス粉末を用いてもよく、又は、２以上の異なる組成のガラス粉末を混合したものを用いてもよい。なお、ガラス部材４としては、金属ベース１とリード端子３と熱膨張係数がほぼ等しいものを用いることが望ましい。このため、例えば、ガラス部材４の基となるガラス粉末はホウケイ酸ガラス、後述する金属ベース１及びリード端子３はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金（コバール）やＦｅ−Ｎｉ合金を用いることが望ましい。

次に、液状バインダを選定する（ステップＳ２４）。液状バインダは、ガラス粉末を結合させる作用を持つ固化剤である。液状バインダとしては、特に限定されないが、後続する仮焼結工程で、除去できる特性を有する物、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を用いることができる。

次に、ステップＳ２３で準備したガラス粉末及びステップＳ２４で選定した液状バインダを３次元プリンタに搭載する（ステップＳ２５）。３次元プリンタとしては、粉末固着式積層印刷機を用いることができる。粉末固着式積層印刷機は、造形ステージの上に素材粉末を層状に敷き詰め、インクジェット方式でバインダを素材粉末の所定箇所（残したい部分）に吐出し、素材粉末を結合させ結合体を形成し、この結合体を順次積み重ねることにより３次元造形物を形成するものである。

次に、３次元プリンタを用いて図５（ｄ）に示すガラス成形体を成形する（ステップＳ２６）。より詳細に説明すると、図４に手順を示すように、粉末固着式積層印刷機の造形ステージの上に１層分の厚さにガラス粉末を敷き詰め、第１のガラス粉末層を形成する（ステップＳ３１）。１層分のガラス粉末層の厚みは、例えば０．１ｍｍ程度とすることができる。なお、ローラなどでガラス粉末層を平らにすることが好ましい。

次に、粉末固着式積層印刷機は、ステップＳ２２で作成した１層目に該当する断層画像データに基づいて、敷き詰められたガラス粉末層のうち残置させる部分にバインダを吐出し、残存部分のガラス粉末を選択的に結合させて、この階層のガラス成形体の断面形状に対応する結合体を形成する（ステップＳ３２）。具体的には、粉末固着式積層印刷機は、１層目の断増画像データに基づいて、バインダ吐出部を走査させつつ、バインダ吐出部から、ガラス結合体を形成する部分にバインダを吐出させて浸透させる。吐出させたバインダが硬化することにより、バインダが浸透した領域のガラス粉末が結合し、ガラス成形体の１層目の階層の断面形状に対応する結合体が形成される。

１層目の結合体の形成が完了した後、２層目の結合体を積層するために、粉末固着式積層印刷機の造形ステージを１層分降下させる（ステップＳ３３）。次に、全ての層の処理が完了したか否かを判別し、完了していれば、ガラス成形体を成形する処理を終了し（ステップＳ３４；ＹＥＳ）、完了していなければ（ステップＳ３４；ＮＯ）、ステップＳ３１に戻って、次の層の処理を継続する。この例では、１層目と同様に、２層目のガラス粉末層を形成し（ステップＳ３１）、２層目の結合体を形成し（ステップＳ３２）、造形ステージを１層分降下させる（ステップＳ３３）。この後、第３層から全層の結合体の成形が完了するまで同様の処理を繰り返す。

処理が進み、全層の結合体の形成が完了すると（ステップＳ３４；Ｙｅｓ）、ガラス粉末のうち、バインダが吐出されず結合してしないガラス粉末を除去する（ステップＳ３５）。これにより、所望の形状のガラス成形体が得られる。繰り返し回数は、例えば一層の厚さをｔ０、ガラス成形体の高さをｔ１／（１−ｒ）とすると、（ｔ１／１−ｒ）／ｔ０である。

次に、図３のステップＳ２７で、粉末固着式積層印刷機からガラス成型体を取り出す。次に、取り出したガラス形成体の周辺に残っているガラス粉末などをエアーガンや刷毛等で除去する。

次に、ガラス成形体からバインダを除去するために、ガラス成形体を脱脂する（ステップＳ２８）。具体的には、バインダを燃焼分解又は蒸発させる。効果的にバインダを除去するため、望ましくは、大気炉（酸化雰囲気炉）の中で、炉内温度を２００〜５５０℃に調整して、ガラス成形体を加熱して、バインダを燃焼又は蒸発させる。バインダの燃焼分解を確実にするために、導入管などから酸素を大気路内に強制導入することも好ましい。
以上で、図２に示すガラス成形体作製処理（ステップＳ１１）が完了する。

次に、ガラス形成体を大気炉で仮焼結し（ステップＳ１２）、図５（ｃ）に示すガラス仮焼結体４１を得る。仮焼結は、ガラス形成体のガラスの軟化点近傍の温度に加熱した大気炉の中で行う。軟化点近傍の温度とする理由は、軟化点より高すぎるとガラス仮焼結体４１の形状が維持できなくなる虞があり、温度が低すぎると焼結が起こらず、仮焼結体の強度が得られないからである。脱脂処理（ステップＳ２８）と仮焼結処理（ステップＳ１２）とを、それぞれ別の炉で行うことも可能であり、連続炉を用いて一つの炉で行うことも可能である。

上記ガラス部材の用意とは別個の工程で、金属塊からプレス又は切削加工などの機械加工により、図５（ａ）に示すように、リード端子３を挿通するための貫通穴２を有する金属ベース１を形成する（ステップＳ１３）。なお、貫通穴２の直径ｄ１は、ガラス部材４１の外径ｄ１等しいか、わずかに小さい。次に、作製された金属ベース１の洗浄・熱処理などの前処理を行う（ステップＳ１４）。上述したように、ガラス粉末にホウケイ酸ガラスを用い整合封着する場合、金属ベース１は、例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から形成される。

また、線材をカッティングして、図５（ｂ）に示すリード端子３を成形する（ステップＳ１５）。リード端子３は円柱状の形状を有する。次に、成形されたリード端子３に洗浄、熱処理などの前処理を行う（ステップＳ１６）。ガラス粉末にホウケイ酸ガラスを用い整合封着する場合、リード端子３は、金属ベース１と同様に、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から形成される。

以上の各工程で製造されたガラス仮焼結体４１と金属ベース１とリード端子３とを治具で組み立てる（ステップＳ１７）。まず、金属ベース１の貫通穴２にガラス仮焼結体４１を挿入する。次に、ガラス仮焼結体４１の貫通穴にリード端子３を挿入し、精密なグラファイト治具を用いて、各部の位置を固定する。

組み立てたガラス仮焼結体４１と金属ベース１とリード端子３とを治具ごと中性雰囲気炉（窒素雰囲気炉）に投入し、ガラス仮焼結体４１のガラスの作業点温度近くまで加熱する。これにより、ガラス仮焼結体４１は軟化し、金属ベース１との間隙、リード端子３との間隙、各リード端子３と金属ベース１との隙間を充填（封着）する（ステップＳ１８）。
この後、ガラス仮焼結体４１と金属ベース１とリード端子３とを常温に戻すことにより、ガラス仮焼結体４１は再硬化し、リード端子３は金属ベース１にガラス部材４で封着される。

続いて、気密端子１００にＮｉ、Ａｕなどのメッキ加工等の仕上げ加工を行う（ステップＳ１９）。これにより、気密端子１００が完成する。

以上説明したように、本実施の形態に係る気密端子の製造方法によれば、ガラス成形体を３次元プリンタを用いて形成するため、製造に時間とコストの係る金型を用いる必要がない。従って、従来金型の製造に要していた時間とコストを抑えることができ、低コスト及び短納期で気密端子を製造できる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。

例えば、上述の実施形態では、略円筒状のガラス部材４について説明したが、ガラス部材４は、３次元プリンタで作製できる形状であれば特に限定されず、例えば多角筒状などでもよい。

また、上述の実施形態では、均一な外径を有するガラス部材４を例示したが、ガラス部材の外径は任意であり、図６に示すように、異なる直径の円筒を重ねた形状でもよい。この場合、ベース１の貫通穴２は、ガラス部材４に合致する内面形状を有することが望ましい。また、ガラス部材４として、１つのリード端子３が挿入される１つの貫通穴を有するものを例示したが、図７に示すように、複数の貫通穴を有するガラス部材４’を用いてリード端子３を金属ベース１に封着してもよい。

また、３次元プリンタとして粉末固着式積層印刷機を用いる場合について説明したが、粉末固着式積層印刷機に代えて、粉末にレーザー光線を照射して焼結させる粉末焼結方式などの３次元プリンタを用いてもよい。粉末焼結方式の３次元プリンタを用いる場合は、バインダを用いる必要がないため脱脂処理（ステップＳ２８）を省略することができる。

上記実施の形態では、ガラス部材４と金属ベース１とリード端子３との熱膨張係数がほぼ等しい整合封着タイプの気密端子を例にこの発明を説明した。この発明はこれに限定されず、圧縮封着タイプの気密端子にも適用可能である。圧縮封着タイプは、金属とガラスとの膨張係数の差を利用してガラスに圧縮応力を与えてリード端子３を封着するものである。材質の組み合わせとしては、一般的にガラス部材４にはソーダ系ガラス、金属ベース１にはＳＰＣ（冷間圧延鋼）、リード端子３にはＦｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金が用いられる。

また、ガラス部材４は、全体を一体として形成する例を示したが、例えば、図８に示すように、複数の部材でガラス部材４を形成してもよい。図８の例では、ガラス部材４は、中間層４Ｂとそれを挟み混む表裏一対の表層４Ａ、４Ｃとが積層されて構成されている。また、複数の部材は、互いに同一の材料で形成されてもよく、あるいは、互いに異なる材料を使用してもよい。例えば、表層４Ａ、４Ｃに硬質ガラスを用い、中間層４Ｂに軟質ガラスを用いることができる。

また、気密端子１００の形状は、実施形態で説明した円盤状の金属ベース１にリード端子３が垂直に貫通しているもの限られず、気密端子として要求される形状であれば、その他の形状であってもよい。例えば、図９に示すように、リード端子３が箱状の金属ベース１の側壁に貫通しているものであってもよい。箱状の金属ベース１の中に電気・電子部品や半導体素子などを搭載した後、カバーを被せて気密に封止し、多様な環境条件から保護できるパッケージとしても使用できる。

１ 金属ベース
２ 貫通孔
３ リード端子
４、４’ ガラス部材
４１ ガラス仮焼結体
４２ ガラス成形体
４Ａ、４Ｃ 表層
４Ｂ 中間層
１００ 気密端子

Claims (5)

1. 貫通孔を有する金属ベースと、前記貫通孔を貫通するリード端子と、前記リード端子を前記金属ベースに封着するガラス部材と、を備える気密端子の製造方法であって、
   前記ガラス部材形成用のガラス成形体を３次元プリンタで成形する成形工程と、
   前記ガラス成形体を仮焼結し、ガラス仮焼結体を作製する仮焼結工程と、
   前記ガラス仮焼結体の貫通孔に前記リード端子が装着され、ガラス仮焼結体が前記金属ベースの前記貫通孔に取り付けられた組立体を形成する組立工程と、
   前記組立体を焼成して前記ガラス仮焼結体を軟化させることにより、前記リード端子をガラス部材によって封着する封着工程と、
   を備えることを特徴とする気密端子の製造方法。
2. 前記成形工程は、
   粉末固着式積層法の前記３次元プリンタにより、ガラス粉末の層を形成し、断層データに基づいて、前記ガラス粉末のうち、ガラス部材形成予定部分を結合する処理を複数層分繰り返す工程と、
   前記ガラス粉末のうち、ガラス部材を形成しない部分を除去して前記ガラス成形体を形成する工程と、
   から構成される、ことを特徴とする請求項１に記載の気密端子の製造方法。
3. 前記成形工程は、前記ガラス成形体を脱脂する脱脂工程を含む、
   ことを特徴とする請求項２に記載の気密端子の製造方法。
4. 前記ガラス成形体を仮焼結する工程は、軟化点付近の温度まで前記ガラス成形体を加熱する工程を含む、
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の気密端子の製造方法。
5. 前記ガラス成形体の仮焼結による収縮率をｒとすると、
   前記ガラス成形体の外径は、前記金属ベースに形成された前記貫通孔の内径１／（１−ｒ）のサイズを有する、
   ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の気密端子の製造方法。

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