JP3293079B2 - 電極取出孔の封止構造およびその封止方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、リードピンなどか
らなる電極によって電極取出孔を気密に封止する電極取
出孔の封止構造およびその封止方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧力センサ、半導体レーザー装置、真空
管、ＩＣ等においては、耐圧性、シール性、電気的絶縁
性などの特性が要求される。また、圧力センサの場合
は、パッケージ内にセンサチップを封止する際、センサ
チップに熱応力を伝えない構造が要求される。

【０００３】以上に示したような特性が要求される圧力
センサにおいて、電気信号を外部に導くために設けられ
るリードピン（電極）の取出部分は、通常図５に示すよ
うに構成されている。すなわち、図５は半導体圧力セン
サの従来例を示す断面図で、この半導体圧力センサ１は
ＳＵＳ３１６等の金属によって形成した円筒状のパッケ
ージ２内に絶縁材によって形成したステム３を介して金
属製のキャリア４を収納し、このキャリア４内にセンサ
チップ５を絶縁材からなる基台６を介して収納し、パッ
ケージ２の表面を受圧ダイアフラム７によって覆ってい
る。さらに、パッケージ２内にシリコーンオイル等の封
入液８を封止し、前記受圧ダイアフラム７に加わる被測
定圧力Ｐ1 をこの封入液８を介して前記センサチップ５
に伝達するようにしている。

【０００４】前記パッケージ２には、一端が前記受圧ダ
イアフラム７の裏側室９に開口し、他端がパッケージ２
の裏面に開口し封入液８を前記裏側室９に注入するため
の封入液注入孔１０が形成され、その裏面側開口部をボ
ール１１によって封止している。

【０００５】前記ステム３は通常アルミナ等のセラミッ
クスによって筒状に形成されることにより前記キャリア
４を収納する凹部１２を有し、パッケージ２内に半田付
け（ろう付け）等によって接合されている。ステム３の
厚肉部には、電極取出孔１３が形成され、この電極取出
孔１３にセンサチップ５の電気信号を外部に取り出す細
長いリードピン１４を挿通し、封入液８の漏洩を防止す
るためにＳｎ−Ａｇ、Ｐｂ−Ｓｎ等の半田材１５によっ
て封止している。

【０００６】前記キャリア４は、耐食性と溶接性に優
れ、前記センサチップ５の台座６と線膨張係数が略等し
い材料、例えばコバールによって形成され、前記ステム
３内に嵌挿されかつ封入液８の漏洩を防止するために半
田付けによって接合されている。

【０００７】前記センサチップ５は、Ｓｉ等の半導体基
板に設けた起歪部５Ａの表面に不純物の拡散もしくはイ
オン打ち込み技術によりピエゾ抵抗領域として作用する
ゲージ１６を形成することにより構成され、台座６の上
面に陽極接合（静電接合）されている。台座６として
は、センサチップ５を接合するときの熱歪みがセンサチ
ップ５に伝わると圧力検出装置１の温度特性を低下させ
零点シフトの原因となるため、センサチップ５と同じ材
料、またはセンサチップ５の線膨張係数に近似した線膨
張係数を有する材料、例えばパイレックスガラス（商標
名）、窒化珪素等によって形成されている。センサチッ
プ５と台座６との間には、前記裏側室９から仕切られた
内室１７が形成されている。この内室１７は、前記台座
６およびキャリア４に形成した圧力導入路１９を介して
大気開放されることにより大気圧Ｐ2 が導かれている。
なお、センサチップ５のゲージ１６と前記リードピン１
４は、金線等からなるリード線２０によって電気的に接
続されている。

【０００８】以上のように、リードピン１４が挿通され
るステム３の電極取出孔１３は、半田材１５によって気
密に封止され封入液８の漏洩を防止しているが、この封
止の方法としては、ステム３を用いず金属製のキャリア
４に電極取出孔１３を直接形成してリードピン１４を挿
通する際には、ガラスによってハーメチックシールする
封止方法もある。

【０００９】このような圧力検出装置１において、被測
定圧Ｐ1 を受圧ダイアフラム７の変位により封入液８を
介してセンサチップ５に導くと、起歪部５Ａが変位して
ゲージ１６の比抵抗が変化するため、この時の抵抗変化
に伴う出力電圧を検出することにより被測定圧Ｐ1 また
は差圧Ｐ1 −Ｐ2 を測定することができる。なお、絶対
圧を検出する場合は、センサチップ５の内室１７を真空
にしておけばよい。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような従来の封止構造では、半田材１５もしくはガラ
ス材によって電極取出孔１３を気密に封止する際、予め
リードピン１４を電極取出孔１３に挿通して仮止めして
おく必要があるため、封止のための工程数が増加すると
いう問題があった。

【００１１】また、半田付け（ろう付け）に際しては、
半田付けを行う接合面の状態によって、半田材の濡れ性
が影響を受け易く、気密不良が発生し易いという問題も
あった。

【００１２】一方、キャリア４に電極取出孔１３を直接
形成し、これをガラスハーメチックシールする封止構造
では、電極取出孔１３にリードピン１４を挿通し、そこ
に所定の大きさのガラスペレットを挿入し、４００〜１
０００°Ｃに加熱して、そのガラスペレットを溶融さ
せ、電極取出孔１３とリードピン１４間の隙間を埋める
ようにしている。このとき、キャリア４は冷却すると収
縮するが、この収縮によってガラス材とリードピン１４
を締付ける。そして、この結果、ハーメチック（焼きバ
メ）が成立し、電極取出孔１３を気密に封止する。

【００１３】しかしながら、従来より用いられているガ
ラスハーメチックシールでは、非常に高温の処理が必要
となる。また、ガラスハーメチックシールでは、隙間に
充填されるガラス材にボイド（空間）が発生することが
ある。ボイドが存在すると、気密性の低下原因となる。
しかし、発生したボイドは、除去することができない。
この場合、気密性の低下を抑制するために、隙間の距離
や隙間に充填するガラス材の濡れ性などを適正化した
り、隙間に充填するガラス材の量を増加してハーメチッ
クの力を増加させることでボイドの発生を防ぐようにし
ている。また、ガラスハーメチックシールする場合は、
キャリア４を基台６より大きな線膨張係数を有する材料
で形成する必要があるという制約を受ける。

【００１４】本発明は、上記した従来の問題点を解決す
るためになされたものであり、その目的とするところ
は、半田材、ガラス材等を用いないでも確実に封止する
ことができるようにした電極取出孔の封止構造およびそ
の封止方法を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に第１の発明は、電極取出孔を有する絶縁材製の部材
と、この部材の表面で前記電極取出孔の周囲に形成され
た金属膜と、金属によって棒状に形成され前記部材の厚
さ以上の長さを有するピンとを備え、前記ピンは前記電
極取出孔に挿通される本体と、この本体の一端側に設け
られ前記電極取出孔より大きな外径を有するシール部
と、前記本体の外周に突設され前記電極取出孔より若干
大きな外径を有して前記電極取出孔に圧入される圧入部
とで構成され、前記シール部を前記金属膜に圧接によっ
て接合することにより前記電極取出孔を封止したことを
特徴とする。

【００１６】第１の発明において、ピンのシール部と金
属膜は圧接によって接合されることにより、電極取出孔
を気密に封止することができる。シール部を大きな加圧
力で金属膜に押し付けてピンを電極取出孔に圧入する
と、部材は圧縮し、加圧力が取り除かれると膨脹する。
このとき、ピンは圧入部において部材に固定されている
ため伸縮しない。部材が膨脹すると、その膨脹力は金属
膜をシール部に押しつけるように作用するため、シール
部と金属膜との間に大きな面圧が得られる。したがっ
て、接合が不完全であっても良好なシール性能を得るこ
とができる。また、シール部と金属膜間の面圧は、圧入
部が電極取出孔に圧入によって固定されているため、低
下することがない。

【００１７】第２の発明は、上記第１の発明において、
ピンの表面に金属膜と同じ材料からなる金属膜を施した
ことを特徴とする。

【００１８】第２の発明において、ピンのシール部を金
属膜に圧接すると、金属膜どうしが加熱溶融して接合さ
れ、電極取出孔を気密に封止する。金属膜の材質として
は、金、銅などが用いられる。

【００１９】第３の発明は、上記第１または第２の発明
において、ピンの圧入部が周方向に所要の間隔をおいて
形成された複数個の突子によって構成されていることを
特徴とする。

【００２０】第３の発明において、突子はピンの外周部
をプレス機械等によって押し潰すことにより容易に形成
される。

【００２１】第４の発明は、上記第１，２または第３の
発明において、電極取出孔を半田材によって封止したこ
とを特徴とする。

【００２２】第３の発明において、半田材はシール部と
共に電極取出孔を気密に封止する。

【００２３】第５の発明は、絶縁材製の部材に電極取出
孔を形成すると共にこの部材の表面で前記電極取出孔の
周囲に金属膜を形成し、棒状に形成され前記部材の厚さ
以上の長さと前記電極取出孔の穴径より大きなシール部
および圧入部を有するピンを加圧機によって前記電極取
出孔に圧入し、前記シール部を前記金属膜に圧接によっ
て接合することにより前記電極取出孔を封止することを
特徴とする。

【００２４】第５の発明において、ピンを加圧機によっ
て加圧して圧入部を電極取出孔に圧入し、シール部を金
属膜に接合すると、電極取出孔を気密に封止することが
できる。このとき、部材は圧縮し、圧入接合が終了する
と膨張して元の状態に復帰する。これにより、金属膜を
シール部に押しつけシール部と金属膜間の面圧を高め
る。この面圧は、圧入部が電極取出孔に圧入によって固
定されているため、低下することがない。

【００２５】第６の発明は、上記第５の発明において、
加圧機はヒータを備え、圧入時にピンを加熱することを
特徴とする。

【００２６】第６の発明において、加圧時にピンを加熱
して電極取出孔に圧入すると、小さな圧接力で接合する
ことができる。ピンは圧入後に冷却して短縮するため、
この時の収縮力でシール部を金属膜に押し付け、シール
部と金属膜間の面圧を高める。この面圧は、圧入部が電
極取出孔に圧入によって固定されているだけで、ピン自
体は伸縮しないので、低下することがない。

【００２７】第７の発明は、上記第５または第６の発明
において、ピンの圧接後、電極取出孔を半田材によって
封止したことを特徴とする。

【００２８】第７の発明において、半田材はピンのシー
ル部と共に電極取出孔を気密に封止する。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に示す実施の
形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明を圧力検
出装置に適用した一実施の形態を示す断面図、図２はリ
ードピンによる電極取出孔の封止構造を示す断面図であ
る。なお、図中従来技術の欄で示した構成部材等と同一
のものについては同一符号をもって示し、その説明を適
宜省略する。ステム（部材）３を収納するパッケージ２
は、両端が開放する薄肉の円筒体に形成されている。ま
た、パッケージ２のステム３が嵌合される穴３０は、上
端側の大径穴部３０ａと、下端側の小径穴部３０ｂとか
らなる異径穴とされることにより段差部３１を有し、こ
の段差部３１上に前記ステム３が密接され、半田付けに
よって固定されている。

【００３０】前記ステム３は、前記パッケージ２の大径
穴部３０ａに嵌合し得る大きさのカップ状に形成される
ことにより上面中央に凹陥部１２を有し、この凹陥部１
２内にキャリア４が収納されている。ステム３の前記凹
陥部１２を取り囲む厚肉部３Ａには、リードピン１４が
挿通される電極取出孔１３が上下面に貫通して形成され
ている。また、厚肉部３Ａの表面で電極取出孔１３の周
囲には金、銅等からなる金属膜３２が印刷形成されてい
る。

【００３１】前記リードピン１４はコバール等によって
形成されることにより、図２に示すように棒状の本体１
４Ａと、この本体１４Ａの一端に一体に設けられた大径
のシール部１４Ｂと、本体１４Ａの一端部寄りに一体に
設けられた圧入部１４Ｃとからなり、全体が例えばＮｉ
めっきされ、さらにその上に前記金属膜３２と同一の金
属膜がめっき処理によって形成されている。本体１４Ａ
は前記電極取出孔１３より長く形成されている。シール
部１４Ｂと圧入部１４Ｃは、電極取出孔１３の穴径より
大きく設定されている。シール部１４Ｂは圧接によって
前記金属膜３２に接合される。圧入部１４Ｃは、本体１
４Ａの周方向に９０°の間隔をおいて一体に突設された
４つの突子３３で構成されている。このようなリードピ
ン１４を製作するには、本体１４Ａと同径の線材を素材
とし、その端部を押し潰してシール部１４Ｂを形成し、
このシール部１４Ｂに近い部分を咥えて引張り塑性変形
させることにより突子３３を形成する。しかる後、所定
長さに切断し、めっき処理することにより容易に製作す
ることができる。リードピン１４としては、長さが１６
ｍｍ程度、本体１４Ａの外径が０．４５ｍｍ程度、シー
ル部１４Ｂの外径が０．８ｍｍ程度、圧入部１４Ｃの外
径が０．５７ｍｍ程度である。なお、その他の構成は上
記した従来装置と同じである。

【００３２】図３は前記リードピン１４による電極取出
孔１３の封止方法を説明するための図である。封止に際
しては、ステム３を台座３６上に設置してリードピン１
４の本体１４Ａを電極取出孔１３に挿入し、加圧機３５
によってシール部１４Ｂを押圧して圧入部１４Ｃを電極
取出孔１３に圧入し、シール部１４Ｂを金属膜３２に圧
接する。リードピン１４に加える加圧力は３４０Ｋｇ程
度であり、ステム３が破壊することはなくシール部１４
Ｂと金属膜３２を圧接することができる。加圧機３５と
しては、リードピン１４を常温で圧入するだけのもので
あってもよいが、ヒータ内蔵型の加圧機とし、圧入時に
リードピン１４のシール部１４Ｂを加熱すると、より小
さな加圧力でしかも確実に接合することができる。

【００３３】圧接に際して、リードピン１４を圧入する
と、圧入部１４Ｃは電極取出孔１３の穴壁に食い込み、
リードピン１４を電極取出孔１３に固定する。シール部
１４Ｂを大きな加圧力で金属膜３２に圧接すると、ステ
ム３は圧縮するが、リードピン１４は圧入部１４Ｃがス
テム３に固定されているだけで台座３６に対しては非接
触であるため圧縮されない。圧入接合後、加圧機３５を
上昇させてリードピン１４から加圧力を取り除くと、ス
テム３は膨張し、その膨張力により金属膜３２をシール
部１４Ｂに押し付ける。その結果、シール部１４Ｂと金
属膜３２間に面圧を発生させる。この面圧は、圧入部が
電極取出孔に圧入によって固定されているだけで、ピン
自体は動きを完全に封じられているので減少することは
ない。

【００３４】ここで、接合をより小さな加圧力で行うた
めにリードピン１４を加熱して圧入すると、リードピン
１４は熱膨張するため伸張する。ヒータの温度は８００
〜１０００°Ｃで、１秒程度加熱すると、リードピン１
４は２００°Ｃ程度に加熱される。この場合、ステム３
の熱膨張を防止するため台座３６を加熱しないことが重
要である。圧入接合後、冷却するとリードピン１４は収
縮する。このとき、圧入部１４Ｃは電極取出孔１３によ
って動きを封じられているので、圧入部１４Ｃからシー
ル部１４Ｂまでの本体部分が収縮してシール部１４を金
属膜３２に押し付ける。この結果、上記したステムの膨
張と相俟って、リードピンを加圧しないで圧接した時よ
りも一層大きな面圧を得ることができる。

【００３５】このような構造からなる圧力検出装置１に
おいては、リードピン１４を電極取出孔１３に圧入し、
シール部１４Ｂを金属膜３２に圧接するだけでよく、電
極取出孔１３を良好に封止することができる。したがっ
て、リードピン１４をステム３に仮止めしたり、半田付
けする必要がなく、リードピン１４による封止作業が容
易で、短時間に行うことができる。また、リードピン１
４にシール部１４Ｂと圧入部１４Ｃを一体に設けるだけ
でよいので、リードピン１４の構成も簡単で、容易に製
作することができる。

【００３６】ここで、本実施の形態においてはリードピ
ン１４の圧入部１４Ｃをシール部１４Ｂ付近に設けてい
るので、圧入時にリードピン１４が傾くおそれがある。
そこで、本体１４Ａの圧入部１４Ｃとは反対側に図３に
２点鎖線で示すように圧入部１４Ｃと同径もしくは電極
取出孔１３の穴径より若干小さい外径を有する大径部３
８を設けておくと、リードピン１４の倒れを防止するこ
とができる。なお、圧接した後、電極取出孔１３から突
出する本体１４Ａの突出端部に軸線方向と直交する方向
の外力が加わると、圧入部１４Ｃを支点としてシール部
１４Ｂとは反対側端部が弾性変形するため、シール部１
４Ｂと金属膜３２との接合部には大きな力が加わらず、
シール性には何等影響を及ぼすことはない。ただし、軸
線方向に大きな外力を受けた際には、接合部が剥離する
ことも考えられるので、その場合は圧接後に電極取出孔
１３を半田材によって封止すれば、より強固に封止する
ことができる。半田材による封止は、電極取出孔１３の
ピン挿入側とは反対側開口部のみを封止したり、あるい
は電極取出孔１３を真空排気して電極取出孔１３の内部
全体に半田材を充填して封止してもよい。

【００３７】図４は本発明を半導体レーザー装置に適用
した他の実施の形態を示す断面図である。同図におい
て、半導体レーザー装置は、絶縁材からなる基台４０と
金属製のカバー４１をろう付けして形成した密閉型の容
器を備え、その内部にＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ、ＧａＡ
ｓ等の半導体レーザー４２を収納すると共にアルゴン等
の不活性ガスを封入している。基台４０はセラミックス
等によって形成され、前記半導体レーザー４２が固着さ
れると共にリードピン４４が貫通して設けられ、その外
端が図示しない電源に接続され、内端がリード線４５を
介して前記半導体レーザー４２の電極に接続されてい
る。リードピン４４は、棒状の本体４４Ａと、本体４４
Ａの外端側に一体に設けたシール部４４Ｂと、シール部
４４Ｂとは反対側に設けた圧入部４４Ｃとを一体に備え
ている。このリードピン４４はシール部４４Ｂを本体４
４Ａの外端部寄りに設けている点で図２に示したリード
ピン１４と異なる。そして、このリードピン４４は、基
台４０に設けた電極取出孔４６に圧入され、シール部４
４Ｂが基台４０の表面で電極取出孔４６の周囲に形成し
た金属膜４７に圧接されることにより前記電極取出孔４
６を気密に封止する。また、電極取出孔４６の内端は半
田材４８によって封止されている。

【００３８】このような構成においても、電極取出孔４
６を上記した実施の形態と同様にリードピン４４によっ
て確実に封止することができる。したがって、従来装置
のように基台４０を金属で形成し、電極取出孔４６をガ
ラスハーメチックシールする必要がなく、製作が容易で
ある。

【００３９】なお、上記した実施の形態においては圧力
検出装置と半導体レーザー装置に適用した例を示した
が、本発明はこれに何等特定されるものではなく、例え
ばＩＣ、真空管等にも適用することができる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る電極取
出孔の封止構造およびその封止方法によれば、金属製の
ピンを絶縁材からなる部材に設けた電極取出孔に圧入
し、圧接によってピンと金属膜を接合するように構成し
たので、電極取出孔の封止作業が容易で短時間に行うこ
とができ、しかも電極取出孔を確実に封止することがで
きる。

【００４１】また、本発明は、圧入時にピンを加熱して
圧入し冷却時の収縮を利用してピンと金属膜の間に面圧
を作用させるようにしたので、より一層確実に封止する
ことができる。また、圧接後に半田材によって電極取出
孔を封止すると、さらに一層良好なシール性能を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を圧力検出装置に適用した一実施の形
態を示す断面図である。

【図２】 リードピンによる電極取出孔の封止構造を示
す断面図である。

【図３】 リードピンの圧入を説明するための図であ
る。

【図４】 本発明を半導体レーザー装置に適用した他の
実施の形態を示す断面図である。

【図５】 圧力検出装置の従来例を示す断面図である。

【符号の説明】

１…圧力検出装置、２…パッケージ、３…ステム、４…
キャリア、５…圧力センサ、５Ａ…起歪部、６…基台、
７…受圧ダイアフラム、８…封入液、９…封入液注入
孔、１３…電極取出孔、１４…リードピン、１４Ａ…本
体、１４Ｂ…シール部、１４Ｃ…圧入部、１９…圧力導
入孔、３２…金属膜、３３…突子、３５…加圧機、４０
…基台、４４…リードピン、４６…電極取出孔、４８…
半田材。

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電極取出孔を有する絶縁材製の部材と、
   この部材の表面で前記電極取出孔の周囲に形成された金
   属膜と、金属によって棒状に形成され前記部材の厚さ以
   上の長さを有するピンとを備え、 前記ピンは前記電極取出孔に挿通される本体と、この本
   体の一端側に設けられ前記電極取出孔より大きな外径を
   有するシール部と、前記本体の外周に突設され前記電極
   取出孔より若干大きな外径を有して前記電極取出孔に圧
   入される圧入部とで構成され、 前記シール部を前記金属
   膜に圧接によって接合することにより前記電極取出孔を
   封止したことを特徴とする電極取出孔の封止構造。
2. 【請求項２】 請求項１記載の電極取出孔の封止構造に
   おいて、 ピンの表面に金属膜と同じ材料からなる金属膜を施した
   ことを特徴とする電極取出孔の封止構造。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の電極取出孔の封
   止構造において、 ピンの圧入部が周方向に所要の間隔をおいて一体に突設
   された複数個の突子によって構成されていることを特徴
   とする電極取出孔の封止構造。
4. 【請求項４】 請求項１，２または３記載の電極取出孔
   の封止構造において、 電極取出孔を半田材によって封止したことを特徴とする
   電極取出孔の封止構造。
5. 【請求項５】 絶縁材製の部材に電極取出孔を形成する
   と共にこの部材の表面で前記電極取出孔の周囲に金属膜
   を形成し、棒状に形成され前記部材の厚さ以上の長さと
   前記電極取出孔の穴径より大きなシール部および圧入部
   を有する金属製のピンを加圧機によって前記電極取出孔
   に圧入し、前記シール部を前記金属膜に圧接によって接
   合することにより前記電極取出孔を封止することを特徴
   とする電極取出孔の封止方法。
6. 【請求項６】 請求項５記載の電極取出孔の封止方法に
   おいて、 加圧機はヒータを備え、圧入時にピンを加熱することを
   特徴とする電極取出孔の封止方法。
7. 【請求項７】 請求項５または６記載の電極取出孔の封
   止方法において、 ピンの圧接後、電極取出孔を半田材によって封止するこ
   とを特徴とする電極取出孔の封止方法。