JP2019149305A - 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】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に挿通される金属製のピン２０と、ピン２０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、ピン２０は、筒状または柱状の本体部２ａと、本体部２ａの外周面から、該本体部２ａに沿って本体部２ａから距離をあけて延びる、可撓性を有する環状部２ｂとを含み、ろう材３は、ピン２０の環状部２ｂと貫通孔Ｈの内周面１ｈとの間のすき間に、配設されている。【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、
前記ピンは、
筒状または柱状の本体部と、
前記本体部の外周面から、該本体部に沿って、本体部から距離をあけて延びる、可撓性を有する環状部と、を含み、
前記ろう材は、前記ピンの環状部と前記貫通孔との間のすき間に配設されていることを特徴とする。

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）は接合部の拡大断面図である。

本開示の各実施形態における密封端子は、図１，図２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２０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２０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２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２０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２０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２０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２０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２０が、接合用のろう材から隔離されるので、ピン２０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２０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１Ｆ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２０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２０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２０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２０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２０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２０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１Ｆに支持されるピン２０が、筒状または柱状の本体部２ａと、本体部２ａから距離をあけて延びる、可撓性を有する環状部２ｂと、を備える点である。そして、ピン２０とセラミック板１Ｆとの間を接合（ロウ付け）するろう材３は、前記の環状部２ｂと貫通孔Ｈとの間のすき間に、配設されている点である。

詳しく説明すると、ピン２０は、円柱状の本体部２ａの一部（基部）から、円柱の径方向外方に向かって突出するフランジ状部位が、一体に形成されており、このフランジ状部位の先端が、本体部２ａから一定の距離をあけて該本体部２ａに沿って延びる、円環状の環状部２ｂとなっている。この環状部２ｂは、その厚さが０．５ｍｍ程度と薄く、しかも、前記の本体部２ａの外周面２ｘに対して、０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下程度のすき間（空隙Ｓ）を空けて形成されているため、突出する基部を支点に揺動可能な可撓性を備える。なお、上述のように、空隙Ｓの好適な長さ（本体部２ａと環状部２ｂとの間の距離）は、０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下である。

すなわち、図１（ｂ）に示すように、第１実施形態のセラミック板１Ｆの貫通孔Ｈの内周面１ｈは、実質上、ピン２０の本体部２ａより距離をおいた、前述の可撓性を有する環状部２ｂにロウ付け加工されている。

なお、ロウ付け加工される、貫通孔Ｈの内周面１ｈの貫通方向（図示上下方向）の長さｄ１は、０．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下に設定されている。

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１Ｆ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１Ｆとピン２０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１Ｆ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１Ｆは、薄肉状でかつ可撓性を有する環状部２ｂに接合されているため、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、セラミック板１Ｆがピン２０から受ける力によって生じる応力が、軽減されている。すなわち、セラミック板１Ｆ側には、ピン２０からの力が伝わり難く、その結果、セラミック板１Ｆの端部や表面に、ひび割れ等が生じることが抑制されている。また仮に、このセラミック板１Ｆ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１Ｆの内部に向かって進展することがない。

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１Ｆ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、第１実施形態におけるセラミック板１Ｆは、ピン２０に対向する貫通孔内周面１ｈの貫通方向の長さｄ１が、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１Ｆの貫通方向の長さ、すなわちセラミック板１Ｆの厚さｄ２より、短くなっている。これにより、セラミック板１Ｆがピン２０から受ける力により生じる応力が、より低減されている。

また、セラミック板１に対して面取りまたはＣ面加工等を行わない場合も同様である。たとえば、図２に示す第２実施形態のように、セラミック板１Ｇのピン対向面（内周面１ｈ）の貫通方向の長さｄ１を、セラミック板１Ｇの厚さｄ２とほぼ同じとし、セラミック板をストレート形状としてもよい。この場合でも、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、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（ｃ）〔（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
１Ｆ，１Ｇ セラミック板
１ｈ 内周面
１ｊ 凹部
１ｘ 第１面
１ｙ 第２面
２０ ピン
２ａ 本体部
２ｂ 環状部
２ｘ 外周面
３ ろう材
３Ａ，３Ｂ ろう材
Ｈ 貫通孔
Ｗ ワーク
Ｓ 空隙

Claims (4)

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、
   前記ピンは、
   筒状または柱状の本体部と、
   前記本体部の外周面から、該本体部に沿って、本体部から距離をあけて延びる、可撓性を有する環状部と、を含み、
   前記ろう材は、前記ピンの環状部と前記貫通孔との間のすき間に配設されている、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、
   前記環状部と前記本体部との間の前記距離が、０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下である、請求項１に記載の密封端子。
3. 前記貫通孔の貫通方向に沿った断面視において、
   前記ピンの環状部に対向する、前記貫通孔の内周面の貫通方向の長さが、０．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下である、請求項１または２に記載の密封端子。
4. 前記貫通孔の貫通方向に沿った断面視において、
   前記ピンの環状部に対向する、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厚さより小さい、請求項１〜３のいずれか１つに記載の密封端子。