JP2548487B2 - 耐高熱性かつ耐真空性の絶縁部品の孔の貫通接続部および該貫通接続部を形成する方法 - Google Patents

耐高熱性かつ耐真空性の絶縁部品の孔の貫通接続部および該貫通接続部を形成する方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、耐高熱性かつ耐真空性
の絶縁部品の孔の貫通接続部、圧力センサにおけるこの
貫通接続部の使用および該貫通接続部を形成する方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】国際特許出願公開（ＷＯ−Ａ）９０／１
１６１０（平成２年特許出願第５０４５４２号に相当）
には、絶縁部品中の孔の貫通接続部（ここでは電気の貫
通接続部と呼称）記載されており、該接続部は孔中へ挿
入され、その中にろう付けされ、活性硬ろうで取囲まれ
た接続導体からなり、接続導体の心は絶縁部品よりも小
さい熱膨脹率を有する。
【０００３】貫通接続部の気密性は、殊に絶縁部品とし
てのセラミック、ガラスまたは単結晶の場合には主とし
て、活性硬ろうの冷却後に絶縁部品が許容できない大き
い張力を受けてはならないことによって定められる。そ
れというのもこの張力が材料組織を破壊し、この個所に
おいて接続導体を非気密にするからである。
【０００４】上述した装置の場合には実際に接続導体心
に対し、絶縁部品よりも小さい熱膨脹率を有する材料の
特定の選択が生じるが、硬ろうの熱膨脹率を同様に絶縁
部品の熱膨脹率よりも小さくすることは極めて困難であ
るので、活性硬ろう被覆の厚さおよび接続導体心の直径
ないしは接続導体心／接続導体の直径比は孔の直径に依
存してパラメーターの選択が非常に狭い場合、慎重に互
いに調和させねばならず；なかんずく活性硬ろう被覆の
厚さは、活性硬ろうで被覆された接続導体自体の製造が
極めて困難でかつ製造に高い費用がかかるため、小さく
しなければならない。
【０００５】他の、一部は既に久しく以前の技術水準
は、ドイツ連邦共和国特許（ＤＥ−Ｃ）第９４６０７４
号によれば、絶縁部品にろう付けする前に焼付けられた
金属面を設ける（これはしかしさけるべきである）か、
または絶縁部品上に金属を設けた後、この部品をろうを
用いて接続導体とろう付けするか、ないしは英国特許
（ＧＢ−Ａ）第１５８７２５３号によればセラミック細
管を不銹鋼からなる直径の大きい管中にチタンリングを
用いて強固にろう付けするという一般的示唆を与えるに
すぎない。このリングは、ろう付けした後にろう付けビ
ードを形成し、その際チタンが双方の管の間のすき間中
へ侵入することもない。スイス国特許（ＣＨ−Ａ）第２
２５４４８号によるコンデンサの場合類似のろう付けビ
ードが存在し、その材料は同様に接続導体と絶縁部品の
間のすき間中へ侵入していない。
【０００６】目的とする真空密のためおよび冷却したろ
う付け個所におけるひび割れをさけるためには、外なら
ぬすき間の内面を活性硬ろうによりろう付けすることが
無条件に必要である。従ってそこへ到達するのは、毛管
作用によって行なうことができるにすぎない。しかし、
これには表面張力が妨げになる。
【０００７】さらに、ろう付け個所のもろさをさけねば
ならないため、活性硬ろう合金中の活性金属の含分（こ
れは少なくとも１つの反応性元素、たとえばチタン、ジ
ルコニウム、ベリリウム、ハフニウムまたはタンタルで
ある）は、絶縁部品が丁度十分にぬれる程度の大きさに
しかすることができないので、記述された先行技術によ
り示された手段は本発明者には実施できないと思われ
た。それというのも該手段はすき間をぬらさないからで
ある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上述した活性硬ろう被
覆された接続導体の問題から出発して、本発明の課題
は、選択する材料（絶縁材；絶縁部品よりも小さい熱膨
脹率を有する金属；活性硬ろう）を別の仕方で新式に適
用して、活性硬ろうでの接続導体心の被覆を省略できる
ようにすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この課題および記述した
全問題点の解決のために、本発明は請求項１によれば、
殊にセラミック、ガラスまたは単結晶からなる耐高熱性
かつ耐真空性の絶縁部品の孔中へ挿入された金属の接続
導体からなり、接続導体の熱膨脹率は絶縁部品の熱膨脹
率よりも小さい耐高熱性かつ耐真空性の絶縁部品の孔の
貫通接続部に関し、接続導体の少なくとも一端部は、絶
縁部品の少なくとも１つの表面と整列する場合、接続導
体を絶縁部品と高度真空密にろう付けする活性硬ろうに
よって被覆されているか、または該端部が少なくとも１
つの表面から突出する場合、活性硬ろうによってリング
状に絶縁部品と高度真空密にろう付けされておりかつ接
続導体の端部が活性硬ろうで覆われている場合、ならび
に接続導体の端部が絶縁部品の表面から突出し、それで
リング状にろう付けされている場合には、孔（２）の壁
と接続導体（４）の表面の間の毛管作用により、孔
（２）内で孔（２）の壁と接続導体（４）の表面の間に
ろう付けが生じることを特徴とする。
【００１０】さらに、本発明は請求項５によれば、ダイ
ヤフラムおよび基板を有する圧力センサにおけるこの貫
通接続部の使用にあり、ダイヤフラムおよび基板には、
相互に距離を置いて配置された、少なくとも１つのコン
デンサの形成のために少なくとも１つの導電層または少
なくとも１つのストレーンゲージ形成のために少なくと
も１つの抵抗層を備える平らな内面を有し、この内面は
この内面と整列する貫通接続部により、それぞれの裏面
の方へ貫通接続されている。
【００１１】最後に、本発明は請求項６によれば、殊に
セラミック、ガラスまたは単結晶からなる耐高熱性かつ
耐真空性の絶縁部品の孔中へ挿入された金属の接続導体
からなり、接続導体の熱膨脹率は絶縁部品の熱膨脹率よ
りも小さくかつ接続導体の少なくとも一端部は、絶縁部
品の少なくとも１つの表面と整列する場合、接続導体を
絶縁部品と高度真空密にろう付けする活性硬ろうによっ
て被覆されているか、または該端部が絶縁部品の少なく
とも１つの表面から突出する場合、活性硬ろうによりリ
ング状に絶縁部品と高度真空密にろう付けされていて、
絶縁部品の少なくとも１つの表面上で延びかつ接続導体
を接続する少なくとも１つの導電層を有する貫通接続部
を形成する方法にあり、該方法は下記の特徴を有する：
即ち導電層側に座ぐりを有する孔を備える絶縁部品上に
導電層を、該導電層が孔中へ延びるように設け；孔中へ
接続導体を挿入し；導電層側にある接続導体の端部を押
拡げて、該端部と孔中へ延びる導電層とを冷間溶接し、
十分な量の活性硬ろうペーストを塗布し、真空中または
ガス雰囲気中で活性硬ろうをその溶融温度以上の温度
に、それが完全に溶融するまで加熱し、ならびにその後
放冷することを特徴とする。
【００１２】本発明者にとって、活性硬ろうとの接触個
所をぬらすのに丁度十分な活性金属含分を用いるにも拘
らず、接続導体と絶縁部品の間のすき間中への活性硬ろ
うの侵入を双方の部品をぬらすと同時に際に達成し、そ
れと共に所望の真空密を達成することに成功することは
極めて驚異的であった。ぬらすのは、すき間中へ引込ま
れた活性硬ろうの全侵入深さおよび侵入面にわたって行
なわれ、これは活性金属含分が少なく、これによりぬれ
ていない個所がすき間中に存在しなかったことを意味す
る。
【００１３】本発明の１実施形によれば、接続導体は、
孔２の１ｍｍよりも小さい直径に対し、孔の直径よりも
約２％ないし１５％小さい直径を有する。
【００１４】本発明の他の実施形によれば、絶縁部品は
その少なくとも１つの表面上で延びる、接続導体を接続
する導電層を有する。その際、望ましくは導電層はタン
タルからなり、接続導体はタンタル、モリブデン、タン
グステンまたは鉄・ニッケル合金（場合によりなおコバ
ルトを含有する）からなっていてもよい。
【００１５】本発明方法の１実施形では、導電層は望ま
しくはスパッタ蒸着される。
【００１６】本発明方法の他の実施形では、真空は０.
０１μbar（＝１ｋＰａ）以下の残留ガス圧を有する。
【００１７】本発明方法のもう１つの実施形では、ガス
雰囲気は最高１０ｍbar（＝１ｋＰａ）の圧力を有しお
よび／またはガス雰囲気は不活性ガスまたは反応性ガス
からなるかまたは不活性ガスおよび／または反応性ガス
の混合物からなる。
【００１８】
【実施例】次に、本発明を図面につき詳説し、図面中同
じ部品は同じ参照番号を備えている。
【００１９】図１は、本発明による貫通接続部の第１実
施例を概略断面図でかつ強く拡大して示す。耐高熱性か
つ耐真空性の絶縁部品１は、適当な直径の孔２を備えて
いる。孔２中には接続導体４が存在し、接続導体は図で
は絶縁部品１の下面で該面と整列して終りかつ上面でこ
れから突出している。接続導体４の整列端部は十分な量
の活性硬ろう５で被覆され、これにより絶縁部品１とろ
う付けされている。表面張力を凌駕する毛管作用によっ
て、活性硬ろうはその液相で孔２中へ進入するので、冷
却後に高度真空密で、さらに温度変化および熱衝撃抵抗
性の結合個所が生じる。
【００２０】図２は、本発明による貫通接続部の第２実
施例を概略断面図でかつ強く拡大して示す。耐高熱性か
つ耐真空性の絶縁部品１は、再び適当な直径の孔２を備
えている。孔２中には接続導体４が存在し、該導体は図
では絶縁部品１の下面で該面と整列して終り、上面でこ
れから突出している。この個所で、接続導体４は十分な
量の活性硬ろう５′でリング状に取囲まれ、これによっ
て絶縁部品１と高度真空密にろう付けされている。この
実施例においても、表面張力を凌駕する毛管作用によっ
て、活性硬ろうは液相で孔２中へ進入するので、冷却後
に同様に高度真空密で、温度変化および熱衝撃に抵抗性
の結合個所が生じる。
【００２１】図３は、絶縁部品１の上面ないしは下面に
おける、上述した両構成の共同適用を示す。これによ
り、とくに強固で上述の意味で抵抗性の結合が生じる。
それというのも下面ならびに上面で、活性硬ろうが毛管
作用によって孔２の壁と接続導体４の間の狭いすき間中
へ侵入するからである。
【００２２】図４に断面図で強く拡大して示した本発明
の実施例においては、孔２はその一端部に座ぐり２ａを
有する。座ぐりを有する面上に導電層１４が存在し、該
導電層は孔中へ延びて、ここで徐々に薄くなって終る。
孔２中に、再び接続導体４が存在する。切欠き６によ
り、接続導体４が座ぐり２ａの範囲内で押拡げられ、孔
中へ延びる導電層１４は接続導体４とまわりで冷間溶接
されている。押拡げるのは、たとえば目打ち状ポンチを
用い、たとえば截頭ポンチを用いて簡単に押圧すること
によって行なうことができる。
【００２３】導電層１４を支持する面と反対側の絶縁部
品１の面は、接続導体４の他端部と整列し、該端部は再
び活性硬ろう５で被覆され、この面で絶縁部品１と、孔
２内で毛細管作用によってろう付けされている。
【００２４】図５に断面図でかつ著しく拡大して示した
本発明のもう１つの実施例においては、絶縁部品１の上
部の構造は、図４のものと同一であるが、接続導体４は
絶縁部品１の下面から突出し、従って活性硬ろう５′を
用いリング状に絶縁部品１と毛管作用によって孔２中で
もろう付けされている。
【００２５】本発明による貫通接続部は、図４および図
５による実施例では、次のように製造される：必要また
は所望数の孔および座ぐりをあらかじめ形成した絶縁部
品に、座ぐり側で導電層を、たとえばスパッタまたは真
空蒸着によって、導電層金属が孔の内部へ延び、従って
孔の周壁面が開口部から内側へ金属化される。次に、接
続導体を孔中へ挿入するかまたは大量生産の場合には、
たとえば絶縁部品が保持されているマガジンを振動する
ことによって充填され、いずれにせよ孔の直径と接続導
体の直径とは互いに調和されて、接続導体は重要な力の
消費なしに孔中へ挿入することができる。
【００２６】引続き、導電層側にある接続導体の端部
は、それぞれの孔中へ延びる導電層がそれぞれの接続導
体と周りで冷間溶接されるように押拡げられる。押拡げ
るのは、たとえば適当なプレス工具を用いるかまたは他
の方法で行なわれる。その後、非座ぐり面内に整列開口
している接続導体の端部上へ、それぞれの活性硬ろう結
合の形成に十分な量の、所望の組成を有する活性硬ろう
ペーストを塗布し、該ペーストはそのペースト状性質に
基づきそこに付着する。または、非座ぐり面から突出す
る接続導体の周りに、リング状の活性硬ろうペーストの
ビードを設ける。
【００２７】最後に、こうして製造された絶縁部品を、
真空または適当なガス雰囲気中で、活性硬ろうペースト
ないしはビードの溶融温度以上の温度に、それが完全に
溶融するまで加熱し、その後放冷する。
【００２８】活性硬ろうペーストは、適用事例によりプ
リントすることにより量および層厚に関し、良好に決定
しうる量で塗布することができる。さらに、硬ろうペー
ストの付着性に基づき、ろう付けすべき部品を正確に位
置定めし、固着することができる。
【００２９】本発明による貫通接続部は、容量式圧力セ
ンサまたは抵抗式圧力センサにおいてとくに有利に適用
することができる。この種の容量式圧力センサ１０の構
造は、図６および図７に概略的に示されている。圧力セ
ンサ１０は、平行平面の面を有する円形ディスク状のダ
イヤフラム１１を有し、該ダイヤフラムは周縁部で円形
基板１２と、たとえば活性硬ろう成形品によって、定義
された距離ｄに結合されている。これにより、基板１２
とダイヤフラム１１の相対する面の間にチャンバ１３が
形成し、これはその周縁部が高度真空密に密閉されてい
る。ダイヤフラム１１と基板１２は、絶縁部品、殊にセ
ラミック部品である。ダイヤフラムは弾性であって、そ
れに作用する力または圧力下に変形する。ダイヤフラム
と基板の互いに向合う面に、チャンバ１３内で適当な金
属からなる円形の導電層１４，１５が設けられ、たとえ
ばスパッタ蒸着または真空蒸着されている。導電層１４
とは接続導体４が、導電層１５とは接続導体１７が、図
１につき説明したように結合され、その際接続導体１７
は基板１２の孔１９内に活性硬ろう２０によって固定さ
れている。
【００３０】双方の導電層１４，１５はコンデンサの電
極を形成し、その容量は導電層間の距離に依存する。ダ
イヤフラム１１が力または圧力の作用下に変形すると、
この距離が変化し、ひいては圧力センサの容量も変化す
る。この変化は、接続導体４，１７に接続された電子回
路によって測定することができる。導電層を、内側の円
形面とこれから特定距離に配置された外側の円形面とに
分割することによって、たんに１つよりも多いコンデン
サを実現することもできる。
【００３１】抵抗式圧力センサにおいては、金属の導電
層１４の代りに、相応する貫通接続部により電気的に接
続されている少なくとも１つの抵抗層が存在するが、導
電層１５は省略されている。
【００３２】絶縁部品１の材料としては、セラミック、
ガラスまたは単結晶、たとえばサファイヤがとくに好適
である。セラミックの場合には、望ましくは酸化アルミ
ニウムセラミック、殊に上述した圧力センサにおいて適
用されるような９６％の純度を有する酸化アルミニウム
セラミックが考えられる。接続導体４および／または７
の材料としてはタンタル、モリブデン、タングステン、
レニウム、オスミウムまたは鉄・ニッケル合金（付加的
になおコバルトを含有していてもよい）が適当であり、
該合金はコーバル（Kovar）またはベーコン（Vacon）な
る商品名で購入できる。これらの金属はすべて、殊に上
述した酸化アルミニウムセラミックと比べて、酸化アル
ミニウムセラミックの熱膨脹率よりも小さい熱膨脹率
（７ppm／ｋ）を有する。
【００３３】導電層１４，１５の材料としては、ヨーロ
ッパ特許出願９０／１２２９９４．８号（平成３年特許
出願第４４８２号）に上述した容量式圧力センサにつき
記載されているように殊にタンタルが適当である。
【００３４】活性硬ろう５，５′，２０の材料として
は、銀、銀／銅合金または銀／銅／インジウム合金に、
チタン、ジルコニウム、ベリリウム、ハフニウムまたは
タンタルのような少なくとも１つの反応性元素の添加さ
れているものが適当である。従って、活性硬ろうないし
は活性硬ろうペーストは、たとえば銀／チタン合金、銀
／銅／チタン合金または銀／銅／インジウム／チタン合
金からなる。
【００３５】上記に既述したように、本発明の１実施形
によれば、接続導体４，１７は１ｍｍよりも小さい孔２
の直径に対し、孔の直径よりも約２％〜１５％小さい直
径を有する。たとえば、タンタルからなる接続導体の場
合、酸化ジルコニウムからなる絶縁部品１中の孔２より
も最高１０％小さいか、ないしは炭化ケイ素からなる絶
縁部品１中の孔２よりも最高３％小さい。
【００３６】約０.６５ｍｍの孔の直径および接続導体
４と絶縁部品１の間に２０μｍのすき間幅を有するセラ
ミック基板の場合、活性硬ろうの侵入深さは約２ｍｍで
ある。
【図面の簡単な説明】
【図１】貫通接続部の第１実施形の概略断面図。
【図２】貫通接続部の第２実施形の概略断面図。
【図３】第１および第２実施形が同時適用された貫通接
続部の概略断面図。
【図４】貫通接続部の第１実施形の変更形の概略断面
図。
【図５】貫通接続部の第２実施形の変更形の概略断面
図。
【図６】貫通接続部を有する容量式圧力センサの平面
図。
【図７】図６の圧力センサのＡ−Ｂ切断線による概略断
面図。
【符号の説明】
１ 絶縁部品 ２ 孔 ２ａ 座ぐり ４，１７ 接続導体 ５，５′，２０ 活性硬ろう １０ 圧力センサ １１ ダイヤフラム １２ 基板 １３ チャンバ １４，１５ 導電層
フロントページの続き (72)発明者 トーマス クレーン ドイツ連邦共和国 フライブルク−オプ フィンゲン アム シュポルトプラッツ ３ (56)参考文献 特開 昭62−281218（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−167426（ＪＰ，Ａ) 特公 昭56−5023（ＪＰ，Ｂ２) 実公 昭54−25651（ＪＰ，Ｙ２) 特表 平３−501061（ＪＰ，Ａ)

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 孔（２）中へ挿入された金属の接続導体
    （４）からなり、接続導体の熱膨脹率は絶縁部品（１）
    の熱膨脹率よりも小さい耐高熱性かつ耐真空性の絶縁部
    品の孔の貫通接続部において、接続導体の少なくとも一
    端部は、該端部が絶縁部品の少なくとも１つの表面と整
    列する場合、接続導体を絶縁部品と高度真空密にろう付
    けする活性硬ろう（５）により被覆されているか、また
    は該端部が少なくとも１つの表面から突出する場合、活
    性硬ろう（５′）によりリング状に高度真空密にろう付
    けされておりかつ接続導体の端部が活性硬ろうで覆われ
    ている場合、ならびに接続導体の端部が絶縁部品の表面
    から突出し、それでリング状にろう付けされている場合
    には、孔（２）の壁と接続導体（４）の表面の間の毛管
    作用により、孔（２）内で孔（２）の壁と接続導体
    （４）の表面の間にろう付けが生じることを特徴とする
    耐高熱性かつ耐真空性の絶縁部品の孔の貫通接続部。
  2. 【請求項２】 その直径が、孔（２）の１ｍｍよりも小
    さい直径に対し、孔の直径よりも約２％〜１５％小さい
    接続導体（４）を有する、請求項１記載の貫通接続部。
  3. 【請求項３】 絶縁部品（１）の表面の少なくとも１つ
    上へ延びかつ接続導体（４）を接続する、少なくとも１
    つの導電層（１４，１５）を有する、請求項１または２
    記載の貫通接続部。
  4. 【請求項４】 導電層（１４，１５）がタンタルからな
    り、接続導体がタンタル、モリブデン、タングステン、
    またはなおコバルトを含有しうる鉄・ニッケル合金から
    なる、請求項３記載の貫通接続部。
  5. 【請求項５】 相互に距離を置いて配置されたダイヤフ
    ラム（１１）および基板（１２）が、少なくとも１つの
    コンデンサを形成するために少なくとも１つの導電層
    （１４，１５）または少なくとも１つのストレーンゲー
    ジを形成するために少なくとも１つの抵抗層を備える平
    らな内面を有する圧力センサ（１０）において、これら
    内面をそれぞれ裏面の方へ貫通接続するために使用され
    る、請求項１から４までのいずれか１項記載の貫通接続
    部。
  6. 【請求項６】 耐高熱性かつ耐真空性の絶縁部品（１）
    の孔（２）中へ挿入された金属の接続導体（４）からな
    り、接続導体の熱膨脹率は絶縁部品（１）の熱膨脹率よ
    りも小さくかつ接続導体の少なくとも一端部は、該端部
    が絶縁部品の少なくとも１つの表面と整列する場合、接
    続導体を絶縁部品と高度真空密にろう付けする活性硬ろ
    う（５）により被覆されているか、または該端部が絶縁
    部品の少なくとも１つの表面から突出する場合、活性硬
    ろう（５′）によりリング状に絶縁部品と高度真空密に
    ろう付けされており、絶縁部品（１）の少なくとも１つ
    の表面上へ延びかつ接続導体（４）と接触接続する導電
    層（１４，１５）を有する、耐高熱性かつ耐真空性の絶
    縁部品の孔の貫通接続部を形成する方法において、導電
    層を、導電層側に座ぐり（２ａ）を有する孔（２）を備
    える絶縁部品（１）の孔中へ延びるように設け、孔
    （２）中へ接続導体（４）を挿入し、導電層側にある接
    続導体（４）の端部を押拡げて、該端部と孔中へ延びる
    導電層とを冷間溶接し、十分な量の活性硬ろうを塗布
    し、真空中またはガス雰囲気中で活性硬ろうをその溶融
    温度以上の温度に、それが完全に溶融するまで加熱し、
    ならびにそれに続いて放冷することを特徴とする耐高熱
    性かつ耐真空性の絶縁部品の孔の貫通接続部を形成する
    方法。
  7. 【請求項７】 導電層をスパッタ蒸着する、請求項６記
    載の方法。
  8. 【請求項８】 真空が、０.０１μbar（＝１ｍＰａ）よ
    りも小さい残存ガス圧を有する、請求項６または７記載
    の方法。
  9. 【請求項９】 ガス雰囲気が最高１０mbar（＝１ｋＰ
    ａ）の圧力を有する、請求項６または７記載の方法。
  10. 【請求項１０】 ガス雰囲気が不活性ガスまたは反応性
    ガスからなるかまたは不活性ガスおよび／または反応性
    ガスの混合物からなる、請求項６または７記載の方法。
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