JP2021022557A - 気密端子 - Google Patents

Abstract

【課題】高放熱、大電流、高気密の全てに適合した気密端子を提供する。【解決手段】少なくとも１個の貫通孔１１を有した銅または銅合金からなる低抵抗導体の金属外環１２と、この金属外環１２の貫通孔１１に挿通した銅または銅合金からなる低抵抗導体のリード１３と、金属外環１２とリード１３とを封着する高膨張ガラスの絶縁材１４を備えたことを特徴とする。該絶縁材１４は、金属外環１２とリード１３とに接した界面の遷移領域のガラス中に銅イオンの拡散帯１５を有する。高膨張ガラスは、熱膨張係数１７±６ｐｐｍ／Ｋの範囲のものが利用できる。【選択図】図１

Description

本発明は、金属外環およびリードに銅を用いた気密端子に関する。

気密端子は、金属外環の挿通孔に絶縁材を介してリードを気密に封着したもので、気密容器内に収容された電気機器や素子に電流を供給したり、電気機器や素子から信号を外部に導出したりする場合に用いられる。特に金属外環とリードを絶縁ガラスで封着するＧＴＭＳ（Ｇｌａｓｓ−ｔｏ−Ｍｅｔａｌ−Ｓｅａｌ）タイプの気密端子は、整合封止型と圧縮封止型の２種類に大別される。前述の気密端子において信頼性の高い気密封止を確保するには、外環およびリードの金属材と絶縁ガラスの熱膨張係数を適正に選択することが重要となる。封止用の絶縁ガラスは、金属外環とリードの素材、要求温度プロファイルおよびその熱膨張係数によって決定されている。整合封止の場合、金属材と絶縁ガラスの熱膨張係数が可能な限り一致するように封止素材を選定する。一方、圧縮封止は、金属外環が絶縁ガラスおよびリードを圧縮す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いる。

従来の気密端子は高い気密信頼性ならびに電気絶縁性を確保するため、整合封止型気密端子においては、金属外環およびリード材に広い温度範囲でガラス材と熱膨張係数が一致しているコバール合金（Ｆｅ５４％、Ｎｉ２８％、Ｃｏ１８％）を使用して、両者をホウケイ酸ガラスからなる絶縁ガラスで封着し、圧縮封止型気密端子においては、使用温度範囲においてガラスに同心円状の圧縮応力が加わるように、炭素鋼またはステンレス鋼などの鋼製の金属外環と、鉄ニッケル合金（Ｆｅ５０％、Ｎｉ５０％）や鉄クロム合金（Ｆｅ７２％、Ｃｒ２８％）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からなる絶縁ガラスで封着していた。

特開昭６１−２６０５６０号公報

昨今、特に車の電動化や電車の高速化が進むにつれて、高出力用途のＳｉＣ素子を使ったパワーデバイスの開発が活発であるが、これまで高放熱、大電流、高気密の全てに対応したパッケージがなく、その特性を生かせない状況にあった。一方、気密端子の電流容量を大きくするために、銅やアルミニウムなどの低抵抗導体からなる比較的大線径のリードを用いることできれば便利である。しかし、これら低抵抗導体は熱膨張率が大きく、これをより熱膨張率の小さいホウ珪酸ガラスやソーダライムガラスの絶縁ガラスで封止すると、低抵抗導体リードの膨張と収縮に伴い半径方向に引張り応力が生じ、その結果シール界面またはリード軸方向にガラス内部を貫通するクラックが発生しリーク不良となり易いという欠点があった。

本発明の目的は、高放熱、大電流、高気密の全てに適合した金属外環およびリードに銅などの低抵抗金属を用いた気密端子を提供することにある。

本発明によれば、少なくとも１個の貫通孔を有した銅または銅合金からなる低抵抗導体の金属外環と、この金属外環の貫通孔に挿通した銅または銅合金からなる低抵抗導体のリードと、金属外環とリードとを封着する高膨張ガラスの絶縁材を備えたことを特徴とした気密端子が提供される。該絶縁材は、低抵抗導体と前記絶縁材とが接した界面の遷移領域のガラス中に低抵抗導体イオンの拡散帯を有する。上記拡散帯は、銅または銅合金の表面に対して高膨張ガラスの密着性を増し界面強度向上させる。

本発明の高膨張ガラスは、熱膨張係数１７±６ｐｐｍ／Ｋの範囲のものが利用でき銅の熱膨張係数１７ｐｐｍ／Ｋと整合している。また、銅は鋼材よりも融点が低く、ガラス封着温度が９００℃以上の高温で封着すると結晶粒が肥大化し、いわゆる焼鈍状態となって機械的強度が低下してしまう恐れがあり、できる限り低温封着するのが望ましい。

本発明に係る気密端子１０示し、（ａ）はその平面図を、（ｂ）は図中のＡ−Ａ線に沿って切断した正面断面図を示す。 本発明に係る気密端子の拡散帯を示した断面写真図を示し、（ａ）は断面写真を、（ｂ）は（ａ）の断面写真図を説明した図である。

本発明に係る気密端子１０は、図１に示すように、少なくとも１個の貫通孔１１を有した銅または銅合金からなる低抵抗導体の金属外環１２と、この金属外環１２の貫通孔１１に挿通した銅または銅合金からなる低抵抗導体のリード１３と、金属外環１２とリード１３とを封着する高膨張ガラスの絶縁材１４を備えたことを特徴とする。該絶縁材１４は、金属外環１２とリード１３とに接した界面の遷移領域のガラス中に銅イオンの拡散帯１５を有する。上記拡散帯１５は、銅または銅合金の表面に対して高膨張ガラスの密着性を増し界面強度向上させる。

本発明の高膨張ガラスは、熱膨張係数１７±６ｐｐｍ／Ｋの範囲のものが利用できる。例えば、リン酸系ガラスが銅の熱膨張係数１７ｐｐｍ／Ｋと整合し利用できる。また、銅は鉄または鋼材よりも比較的融点が低く、ガラス封着温度が９００℃以上の高温で封着すると結晶粒が肥大化し、いわゆる焼鈍状態となって機械的強度が低下してしまう恐れがあり、できる限り低温封着するのが望ましい。

本発明に係る実施例１の気密端子は、３個の貫通孔を有した銅の金属外環と、この金属外環の貫通孔に挿通した銅のリードと、金属外環とリードとをリン酸系ガラスからなる熱膨張係数１５．９ｐｐｍ／Ｋの高膨張ガラスの絶縁材とを備えたことを特徴とした整合封止型気密端子が提供される。該絶縁材は、金属外環とリードとに接した界面の遷移領域のガラス中に銅イオンの拡散帯を有する。この拡散帯は、図２の封着断面２０に示すように、拡散帯２５は、ガラス材からなる絶縁材２４中において銅リード２３と絶縁材２４との界面領域に形成されており、薄いピンク色から赤色ないし深赤色（ルビー色）の着色を呈した第一銅イオン由来の拡散物から構成される。銅の金属外環に銅のリードをガラス材で封着する場合、前記拡散帯２５が形成されると界面の機械的強度が向上でき、十分な密着と濡れが得られ気密性の確保が可能となる。

本発明に係る実施例１は、封着後さらに金属外環およびリードの露出表面にニッケル、ニッケル燐、ニッケルボロン、金めっきなど所望の仕上げめっきを施したものも利用できる。実施例に記載の絶縁材は、銅の熱膨張係数１７ｐｐｍ／Ｋと整合した高膨張ガラス材であればよく、リン酸系ガラスに替えて他の任意のガラス材を用いてもよい。

本発明は、特に高電圧・高電流に耐久し、かつ高い気密性が要求される気密端子に利用できる。

気密端子１０、貫通孔１１、金属外環１２、リード１３、絶縁材１４、拡散帯１５、気密端子リードの封着断面２０、リード２３、絶縁材２４、拡散帯２５。

Claims (8)

1. 少なくとも１個の貫通孔を有した銅または銅合金の金属外環と、この金属外環の前記貫通孔に挿通した低抵抗導体のリードと、前記金属外環と前記リードとを封着する高膨張ガラスの絶縁材を備え、
   前記絶縁材は、前記金属外環と前記リードとに接した界面の遷移領域のガラス中に銅イオンの拡散帯を有する気密端子。
2. 前記拡散帯は、薄いピンク色ないし深赤色を呈する請求項１に記載の気密端子。
3. 前記拡散帯は、第一銅イオン由来の拡散物からなる請求項１または請求項２に記載の気密端子。
4. 前記絶縁材は、熱膨張係数が１７±６ｐｐｍ／Ｋの範囲のものを用いた請求項１ないし請求項３の何れか１つに記載の気密端子。
5. 前記絶縁材は、リン酸系ガラスからなる請求項１ないし請求項４の何れか１つに記載の気密端子。
6. 前記絶縁材は、封着温度が９００℃未満で封着可能なガラス材である請求項５に記載の気密端子。
7. 前記金属外環および前記リードの露出表面にめっきを施した請求項１ないし請求項６の何れか１つに記載の気密端子。
8. 前記めっきは、ニッケル、ニッケル燐、ニッケルボロン、金めっきの少なくとも何れか１つからなる請求項７に記載の気密端子。
   
   

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