JP2019149304A - 密封端子 - Google Patents

Abstract

【課題】極低温環境下等、大きな温度差を受ける環境下においても、電気絶縁体と金属部品との間に生じる応力を軽減することのできる、長寿命の密封端子を提供する。【解決手段】本開示の密封端子は、第１面１ｘと第２面１ｙとを含み、これら第１面１ｘと第２面１ｙとの間を貫通する貫通孔Ｈを有するセラミック板１と、貫通孔Ｈの内周面１ｈに挿通される金属製のピン２と、ピン２と貫通孔Ｈとの間のすき間を封止するろう材３とを備え、ろう材３は、貫通方向に離間した第１封止部３Ａと第２封止部３Ｂとを有し、これら第１封止部３Ａと第２封止部３Ｂとの間に、空隙Ｓを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、気体や液体等を密閉する位置で、外部との電気的接続に用いられる密封端子に関する。

半導体製造装置等、内部雰囲気と外部雰囲気とを遮断して使用する電気装置には、内外間で電気信号を送受信するために、密封端子が取り付けられている。密封端子は、気体および液体等の流体の流通を阻止しつつ電気または電気信号を導通させるものであり、気体の通過を阻止するものを気密端子、液体の通過を阻止するものを液密端子と呼ぶ場合がある。

このような密封端子（気密端子）の例として、特許文献１等では、厚さ方向に貫通孔を有する、円筒形状のアルミナ質セラミックス等からなる電気絶縁体の全面に、金属からなるメタライズ層を形成し、それを軸線方向に所定間隔で切断（いわゆる「輪切り」に）して、外周面と前記貫通孔の内周面に隔絶されたメタライズ層（めっきのプライマーとしての金属層）を有する円板状の電気絶縁体を形成している。

そして、このような円板状の電気絶縁体は、電気装置等の基板または土台等のワークＷに形成された密閉用の穴または開口に嵌め入れられた後、ワークＷに接する外周は、外周に設けられたメタライズ層を介して、前記の密閉用の穴に、ロウ付け加工等により固着される。

また、電気絶縁体の内側に設けられた貫通孔には、ピン等の金属製の端子が挿通され、先に述べた貫通孔内周のメタライズ層を介して、前記端子がこの貫通孔の内周にロウ付け加工される。これにより、密封端子は、信号等の電気をワークＷの内外で導通させつつ、このワークＷの内部を、密閉された状態に保つことができる。

特開２００５−３１７２３０号公報

ところで、前述のような密封端子においては、昇温および降温を繰返すと、セラミックス等からなる電気絶縁体に、ひび割れや欠け等の破損が生じて、気密・液密などの密封性が損なわれることがある。これらひび割れ等の電気絶縁体の破損は、貫通孔に嵌合されたリード端子等の金属部品と該電気絶縁体との線膨張係数（熱膨張率）の差によって生じる応力に起因して、発生・進展することが知られている。

特に、密封端子を、液化天然ガス（ＬＮＧ）や液体水素，液体ヘリウムなどの低温液体が存在する環境下で使用する場合、さらに大きな応力が生じると予想されるため、このような極低温環境に対応できる密封端子が求められている。

本発明の目的は、極低温環境下等、大きな温度差を受ける環境下においても、電気絶縁体と金属部品との間に生じる応力を軽減することのできる、長寿命の密封端子を提供することである。

本開示の密封端子は、第１面と第２面とを含み、
これら第１面と第２面との間を貫通する貫通孔を有するセラミック板と、
前記貫通孔に挿通される金属製のピンと、
前記ピンと前記貫通孔との間のすき間を封止するろう材と、を備え、
前記ろう材は、貫通方向に離間した第１封止部と第２封止部とを有し、これら第１封止部と第２封止部との間に空隙を含むことを特徴とする。

本開示によれば、昇温および降温を繰返したり、極低温の環境下に晒されたりしても、セラミック板にひび割れや欠け等の不具合が発生する可能性が低減され、その結果、密封性に対する信頼性の高い、長寿命な密封端子とすることができる。

（ａ）は第１実施形態の密封端子の概略構成を示す部分断面図、（ｂ）はロウ付けされた接合部（Ｐ部）の拡大断面図、（ｃ）はシミュレーション解析により得られた、接合部（Ｑ部）におけるセラミック板の応力ベクトルの分布を示す図である。 （ａ）は第２実施形態の密封端子の部分断面図、（ｂ）は（ａ）のＰ部拡大断面図、（ｃ）は（ｂ）のＱ部におけるセラミック板の応力ベクトルの分布図である。 （ａ）は第３実施形態の密封端子の部分断面図、（ｂ）は（ａ）のＰ部拡大断面図である。 （ａ）は第４実施形態の密封端子の部分断面図、（ｂ）は（ａ）のＰ部拡大断面図である。

本開示の各実施形態における密封端子は、図１〜図４における概略構成図（ａ）に示すように、中央部に貫通孔Ｈが形成された円板（円環）状の電気絶縁体（セラミック板１）と、導電体として貫通孔Ｈに挿通される金属製のリード端子（ピン２）と、を主体として構成されている。

セラミック板１は、たとえばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）質セラミックス等から成る絶縁性のものであり、電気装置側の基板や土台等（以下、総称してワークＷという）に設けられた、密封端子取り付け用の開口穴に嵌め入れられ、このワークＷとの間の電気的絶縁を保ったまま、ピン２を保持する。なお、各図において、図示の上下方向を、貫通孔Ｈの貫通方向、または、セラミック板１の厚さ（厚み）方向として記載している。

また、図示のセラミック板１は、一方の主面である図示上側の第１面（１ｘ）と、他方の主面である図示下側の第２面（１ｙ）と、を有しており、これら平行な二面間に、先にも述べた、リード端子であるピン２を挿通するための貫通孔Ｈ（その内周面１ｈ）が穿設されている。また、図示左右方向の、セラミック板１の外周面と、貫通孔Ｈの内周面１ｈには、後記のロウ付け加工を行うためのメタライズ層が設けられている。

なお、図１〜図４の（ａ）では、説明の便宜のために、各メタライズ層を、厚みを持った層として描いているが、実際は、他の部材や層に比べて非常に薄いものである。また、後記のロウ付け加工を行った後は、メタライズ層は、「ろう」の層と一体となって埋もれてしまうものであるので、各図（ｂ）の拡大図では、隠れ線（点線）もしくは、厚みのない単なる太線（実線）として描いている。そして、メタライズ層は、上記「ろう」の層と一体となるものであるため、後記の応力シミュレーションにおいて、このメタライズ層は「ろう」の厚みの一部となすものとしてその中に組み込まれており、層単体として解析には関与していない。

ピン２は、銅（Ｃｕ）や銀（Ａｇ）、または黄銅，真ちゅう，リン青銅等の銅合金等の低融点で低電気抵抗の金属で構成されており、円柱状や角柱状に成形されている。なお、ピン２は、セラミック板１の貫通孔が複数である場合、その数に応じて複数本、配設される。また、ピン２は、端子となる棒材を切断加工することによって、または、端子となる棒材に旋盤を用いた切削加工や金型を用いたプレス加工等の従来周知の金属加工を施すことによって、所定の太さおよび長さに成形される。

なお、ピン２は、その外周面の、セラミック板１（貫通孔Ｈ内面のメタライズ層）がロウ付け加工される部位（表面）およびその周囲に、ニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ），白金（Ｐｔ）等からなる保護金属層を被着した構成としてもよい。この保護金属層によって、ピン２が、接合用のろう材から隔離されるので、ピン２がろう材と化学反応するのを有効に防止することができ、好適である。なお、この保護金属層も、前述のメタライズ層と同様、後記の応力シミュレーションにおいては、「ろう」の層の厚みの一部となすものとしてその中に組み込まれており、層単体として解析には関与しない。

これら、ピン２とセラミック板１とを接合するのに使用される、ろう材３としては、銀ろう（Ａｇ）や金−銅ろう（Ａｕ−Ｃｕ）等が用いられる。

以上の材料および構成を用いた第１実施形態（図１）について説明する。
図１（ａ）は、第１実施形態の密封端子の概略構成を示す部分断面図であり、図１（ｂ）は、ロウ付け加工された接合部の拡大断面図である。また、図１（ｃ）は、シミュレーション解析により得られた、接合部におけるセラミック板の応力ベクトルの分布を示す図である。

図１（ａ）に示すように、第１実施形態の密封端子のセラミック板１Ｄは、それぞれ主面と呼ばれる、互いに平行な第１面１ｘと第２面１ｙとからなる貫通孔形成成部を有しており、その略中央部に、ピン２挿通用の貫通孔Ｈが形成されている。

また、挿通されるピン２は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金またはＣｕからなる柱状（この例では円柱状）で、その外周面２ｘが、前記貫通孔Ｈの内周面（内壁）１ｈに平行な対向面となっている。

そして、図１（ｂ）に示すように、ピン２と貫通孔Ｈの内周面１ｈの間が、ろう材３を用いてロウ付け加工され、ピン２の外周面２ｘと貫通孔Ｈの内周面１ｈとの間が、気密または液密に閉鎖して密封されている。

なお、ロウ付け加工は、ワークＷおよびセラミック板１，ピン２を、加熱炉内等、ろう材３が溶融する高温（たとえば７８０℃）環境下で、各部材を組み合わせた状態で余熱した後、溶融させたろう材３を、これらピン２の外周面２ｘと貫通孔Ｈの内周面１ｈとのすき間に、毛細管現象により滲み込ませることによって行われる。そして、その状態で、密封端子全体が室温（たとえば２５℃）まで冷えるまで放冷して、密封端子が完成する。

本実施形態の密封端子の構成上の特徴は、セラミック板１Ｄとピン２（または１２）とのすき間を密封するろう材３が、貫通孔Ｈの貫通方向に離間した第１封止部３Ａ（図示上側）と第２封止部３Ｂ（図示下側）とに分画されており、これら第１封止部３Ａと第２封止部３Ｂとの間に、空隙Ｓを含む点である。

すなわち、具体的には、第１実施形態のセラミック板１Ｄを、図１（ｂ）のように、貫通孔Ｈの貫通方向（図示上下方向）に沿った断面で視た場合、セラミック板１Ｄとピン２との間のすき間に充填されたろう材３は、図示上側の第１封止部３Ａと、図示下側の第２封止部３Ｂ（図示下側）とに、貫通方向（上下方向）に分離して配設されており、これら第１封止部３Ａと第２封止部３Ｂの間には、貫通孔Ｈの貫通方向およびセラミック板の厚さ方向に延びる、ろう材のない空間（間隙Ｓ）が、形成されている。

なお、第１封止部３Ａと第２封止部３Ｂとの間の、空間である間隙Ｓの貫通方向の長さＬは、セラミック板１Ｄとピン２との間のすき間の貫通方向の全長（この場合ｄ１）の１０％以上９０％以下に設定されている。なお、長さｄ１は、封止部分（図示の３Ａ，３Ｂ）の長さと空隙Ｓの長さの和である。

ここで、図１（ｃ）に、シミュレーション解析に基づく、接合部におけるセラミック板１Ｄの応力ベクトルの分布を示す。シミュレーションは、上記構成において、セラミック板１Ｄとピン２との間を、高温（７８０℃）環境下でロウ付け加工した後、室温（２５℃）まで放冷した場合の、金属とセラミックの線膨張係数の差によって、セラミック板１Ｄ側に発生する応力を、ソフトウェアを用いて解析したものである。

図１（ｃ）のベクトル分布図からもわかるように、セラミック板１Ｄにおける厚さ方向の端部（図示上側）の応力ベクトルは、第１面１ｘの平面（表面）方向に沿って発生するため、仮にこのセラミック板１Ｄの端部や表面にひび割れ等の亀裂が生じた場合でも、この亀裂等が、セラミック板１Ｄの内部に向かって進展することがない。

しかも、セラミック板１Ｄにおける貫通方向略中央部の、間隙Ｓ部位〔第１封止部３Ａと第２封止部３Ｂとの間のろう材のない部分〕は、ろう材の存在する、第１封止部３Ａ部位および第２封止部３Ｂ部位に比べ、応力が緩和されている。

したがって、上記構成によれば、第１実施形態のセラミック板１Ｄおよびこれを用いた密封端子は、極低温まで冷却される等、大きな温度差を受けても、電気絶縁体と金属部品との間にひび割れや欠け等の破損が生じ難く、また、生じたとしても、その進行が抑制される。すなわち、本実施形態の密封端子は、信頼性の高い、長寿命の密封端子とすることができる。

なお、実施形態における、セラミック板とピンとの間に「空隙」を形成する方法は、図２，図３に示す、他の形状によっても実現できる。たとえば、第１封止部３Ａ部位と第２封止部３Ｂ部位との間の空隙Ｓに対応する位置に、図２に示すような、ピン１２側の凹部１２ａを形成してもよい。この構成によって、第１実施形態と同様の作用・効果を奏することができる。

また、第１封止部３Ａ部位と第２封止部３Ｂ部位との間の空隙Ｓに対応する位置に、図３に示すような、セラミック板１Ｅ側の凹部１ｊを形成してもよい。この構成によっても、第１実施形態と同様の作用・効果を奏することができる。

つぎに、図４は、本開示の第４実施形態の密封端子の概略構成を示す部分断面図である。第４実施形態におけるセラミック板１Ｄ’の特徴は、第１〜第３実施形態（図１〜図３）においてはピン２に対向する面であった内周面１ｈは、その貫通方向の長さｄ１が、セラミック板の角部に面取りまたはＣ面，Ｒ面加工等が施されることにより、第１面１ｘと第２面１ｙとの間におけるセラミック板１Ｄ’の貫通方向の長さ（板の厚さｄ２）より、短くなっている。これにより、セラミック板１Ｄ’がピン２から受ける反力によって発生する応力が、より低減されている。

種々の実施形態を例示したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

また、前述の、接合部においてセラミック板に発生する応力のシミュレーション解析は、エムエスシーソフトウェア社のＭａｒｃ（登録商標）を用いて行ったものである。セラミック板（Ａ−４７９ＳＳ）とピン（たとえばＣｕ製）との間のすき間を、ろう材（ＢＡｇ−８）でロウ付けする場合の、セラミック板に生じる応力（ストレス）を、前記ソフトを用いてシミュレートした。なお、図１，図２の（ｃ）〔各（ｂ）図のＱ部〕に示す結果（応力ベクトル分布図）は、ロウ付け加工を７８０℃（応力フリー）で行い、それを常温大気圧下で放冷して、温度を室温（２５℃）まで低下させ、２５℃の時点で、ピンとの線膨張係数の差により、セラミック板の接合部（表層）に、どの程度の応力ベクトルが生じているかを、視覚的に表示したものである。

本発明の密封端子は、半導体製造装置等、内部雰囲気と外部雰囲気とを遮断して使用する電気装置に好適に使用することができる。また、液化天然ガス（ＬＮＧ）、液体ヘリウム、液体窒素、液体酸素、液体ネオン、液体アルゴンなどの低温液体が存在する環境下でも用いることができる。さらに、液化天然ガス（ＬＮＧ）や液体水素等の極低温液体を車両等に充填する、ＬＮＧステーションもしくは水素ガス・ステーション等で用いられる機器等においても、これら極低温液体と接触する部位に使用することが可能である。

１ セラミック板
１Ｄ，１Ｄ’，１Ｅ セラミック板
１ｈ 内周面
１ｊ 凹部
１ｘ 第１面
１ｙ 第２面
２，１２ ピン
２ｘ，１２ｘ 外周面
１２ａ 凹部
３ ろう材
３Ａ，３Ｂ ろう材
Ｈ 貫通孔
Ｗ ワーク
Ｓ 空隙

Claims (5)

1. 第１面と第２面とを含み、これら第１面と第２面との間を貫通する貫通孔を有するセラミック板と、
   前記貫通孔に挿通される金属製のピンと、
   前記ピンと前記貫通孔との間のすき間を封止するろう材と、を備え、
   前記ろう材は、貫通方向に離間した第１封止部と第２封止部とを有し、これら第１封止部と第２封止部との間に空隙を含む、密封端子。
2. 前記貫通孔の貫通方向に沿った断面視において、
   前記封止される、前記ピンと前記貫通孔との間のすき間の貫通方向の全長に対する、前記空隙の貫通方向の長さの割合が、１０％以上９０％以下である、請求項１に記載の密封端子。
3. 前記ピンは、該ピンの外周面の、前記空隙に対応する位置に、ピンの内側に向かって凹状の凹部を有する、請求項１または２に記載の密封端子。
4. 前記セラミック板は、前記貫通孔の内周面の、前記空隙に対応する位置に、セラミック板の内側に向かって凹状の凹部を有する、請求項１または２に記載の密封端子。
5. 前記貫通孔の貫通方向に沿った断面視において、
   前記ピンの外周面に対向する、前記貫通孔の内周面の貫通方向の長さが、前記第１面と前記第２面との間における、前記セラミック板の貫通方向の長さより短い、請求項１〜４のいずれか１つに記載の密封端子。