JPH06234550A - 圧縮ガラス導通機構 - Google Patents
圧縮ガラス導通機構Info
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Abstract
(57)【要約】
【構成】 本発明は、金属物体中への圧縮ガラス導通機
構に関するものであり、半導体、特に集積回路用の金属
ハウジングに使用する。これらの導通機構は、ハウジン
グの内部を外界に対して密封しなければならないため
に、ガラスビードをハウジングの穴の中に融解注入し、
集積回路の接続導体をガラスを通して外側に引き出す。 【効果】 Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｇ系合金は、融解注入工程後
の冷却工程の際に、硬化作用を示すので、高度の熱的、
機械的負荷の後でも密封一体性を有する圧縮ガラス導通
機構を形成することができ、また、これらの機構は、温
度変動に対する高い耐性および良好な耐腐食性を有す
る。
構に関するものであり、半導体、特に集積回路用の金属
ハウジングに使用する。これらの導通機構は、ハウジン
グの内部を外界に対して密封しなければならないため
に、ガラスビードをハウジングの穴の中に融解注入し、
集積回路の接続導体をガラスを通して外側に引き出す。 【効果】 Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｇ系合金は、融解注入工程後
の冷却工程の際に、硬化作用を示すので、高度の熱的、
機械的負荷の後でも密封一体性を有する圧縮ガラス導通
機構を形成することができ、また、これらの機構は、温
度変動に対する高い耐性および良好な耐腐食性を有す
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高温に加熱した金属物
体中の開口部の中に溶融したガラスを融解注入すること
により導入するが、その際、ガラスの膨脹係数は金属の
それよりも低く、処理温度は金属の固相温度以下にあ
り、冷却工程中に金属の弾性限度を超えることがない、
金属物体中の圧縮ガラス導通機構に関する。
体中の開口部の中に溶融したガラスを融解注入すること
により導入するが、その際、ガラスの膨脹係数は金属の
それよりも低く、処理温度は金属の固相温度以下にあ
り、冷却工程中に金属の弾性限度を超えることがない、
金属物体中の圧縮ガラス導通機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】この種の圧縮ガラス導通機構は、公知で
あり、市場で、特に半導体のハウジング用に、より詳し
くは基材上に配置された集積回路のハウジング用に大量
に使用されている。回路の電気端子は、ハウジング中の
開口部を通して外に取り出さなければならない。この場
合、金属ハウジングに対する絶縁性がなければならな
い。この絶縁効果は、ハウジングの導通機構中に融解注
入したガラスビードにより与えられ、そのガラスビード
がその中心部でハウジングを通過する回路の電気端子導
体を保持する。同時に、ガラスビードはハウジングの内
部を外気に対して密封する機能を果たす。この様な圧縮
ガラス導通機構の製造には、広い温度範囲にわたって有
効な密封効果を確保することが必要である。
あり、市場で、特に半導体のハウジング用に、より詳し
くは基材上に配置された集積回路のハウジング用に大量
に使用されている。回路の電気端子は、ハウジング中の
開口部を通して外に取り出さなければならない。この場
合、金属ハウジングに対する絶縁性がなければならな
い。この絶縁効果は、ハウジングの導通機構中に融解注
入したガラスビードにより与えられ、そのガラスビード
がその中心部でハウジングを通過する回路の電気端子導
体を保持する。同時に、ガラスビードはハウジングの内
部を外気に対して密封する機能を果たす。この様な圧縮
ガラス導通機構の製造には、広い温度範囲にわたって有
効な密封効果を確保することが必要である。
【０００３】上記圧縮ガラス導通機構では、金属物体の
熱膨張係数は、融解注入するガラスおよび金属製の内部
導体のそれよりも本質的に高くなければならない。高温
に加熱した金属物体中にガラスを融解注入した後、続く
冷却工程で、外部の金属部分がその収縮率が著しく大き
いためにガラス本体上に収縮する。ガラスの圧縮強度
は、その引っ張り強度より１０〜２０倍大きいので、圧
縮ガラス融解注入方法において、ガラス導通機構が過酷
な機械的および熱的負荷にさらされる場合でも、最初に
ガラス本体の全面に高い圧縮応力を与えておくことによ
り、ガラス内に生じる引っ張り応力を信頼性良く排除す
ることができる。
熱膨張係数は、融解注入するガラスおよび金属製の内部
導体のそれよりも本質的に高くなければならない。高温
に加熱した金属物体中にガラスを融解注入した後、続く
冷却工程で、外部の金属部分がその収縮率が著しく大き
いためにガラス本体上に収縮する。ガラスの圧縮強度
は、その引っ張り強度より１０〜２０倍大きいので、圧
縮ガラス融解注入方法において、ガラス導通機構が過酷
な機械的および熱的負荷にさらされる場合でも、最初に
ガラス本体の全面に高い圧縮応力を与えておくことによ
り、ガラス内に生じる引っ張り応力を信頼性良く排除す
ることができる。
【０００４】冷却工程で金属部分の収縮によりガラス本
体にかかる圧縮応力は、金属部分内で非常に大きな接線
方向の引っ張り応力を与える。金属物体および穴の寸法
を適切にとること、および適切な材料の選択により、金
属物体中に弾性限度（降伏点）を超えるために生じる塑
性、すなわち永久変形が起きない様にしなければならな
い。より詳しくは、この様な現象により、熱的負荷がか
かった場合に必要な圧縮応力がもはや保存されなくな
り、そのために圧縮ガラス導通機構の熱的および機械的
衝撃に対する耐性が低くなり、室温であっても、負荷が
かかっていなくても、真空気密一体性がもはや保たれな
くなる。したがって、使用する金属の引っ張り強度およ
び弾性限度は十分に高いことが必要である。
体にかかる圧縮応力は、金属部分内で非常に大きな接線
方向の引っ張り応力を与える。金属物体および穴の寸法
を適切にとること、および適切な材料の選択により、金
属物体中に弾性限度（降伏点）を超えるために生じる塑
性、すなわち永久変形が起きない様にしなければならな
い。より詳しくは、この様な現象により、熱的負荷がか
かった場合に必要な圧縮応力がもはや保存されなくな
り、そのために圧縮ガラス導通機構の熱的および機械的
衝撃に対する耐性が低くなり、室温であっても、負荷が
かかっていなくても、真空気密一体性がもはや保たれな
くなる。したがって、使用する金属の引っ張り強度およ
び弾性限度は十分に高いことが必要である。
【０００５】この様な圧縮ガラス導通機構にはこれまで
実質的に鉄−ニッケル合金および鋼が使用されてきた。
特殊な状況、すなわち心臓ペースメーカー用のハウジン
グにはチタン合金も使用されているが、その様なチタン
合金は、特殊な生理学的な条件が関与するので、通常の
金属物体に関して必要な特性とは明らかに異なった特性
を有していなければならない。
実質的に鉄−ニッケル合金および鋼が使用されてきた。
特殊な状況、すなわち心臓ペースメーカー用のハウジン
グにはチタン合金も使用されているが、その様なチタン
合金は、特殊な生理学的な条件が関与するので、通常の
金属物体に関して必要な特性とは明らかに異なった特性
を有していなければならない。
【０００６】上記の鉄−ニッケルの合金および鋼は、弾
性限度が２００N/mm2 以上で、熱膨張係数αが約８０〜
１８０ｘ１０-7／℃である。後者は、約４５〜１００ｘ
１０-7／℃である適当なガラスの熱膨張係数と著しく異
なっている。上記の材料には、融解注入工程の後の冷却
工程でこれらの高い弾性限度を回復するという利点があ
り、ガラスに対する熱膨張係数が異なるために、冷却工
程においても、室温でもガラス本体になお高い余剰圧縮
応力を及ぼすことができる。
性限度が２００N/mm2 以上で、熱膨張係数αが約８０〜
１８０ｘ１０-7／℃である。後者は、約４５〜１００ｘ
１０-7／℃である適当なガラスの熱膨張係数と著しく異
なっている。上記の材料には、融解注入工程の後の冷却
工程でこれらの高い弾性限度を回復するという利点があ
り、ガラスに対する熱膨張係数が異なるために、冷却工
程においても、室温でもガラス本体になお高い余剰圧縮
応力を及ぼすことができる。
【０００７】しかし、上記の種類の材料は、将来の半導
体用ハウジングに関する、特により高い熱伝導性、機械
加工の容易さ、温度変動に対する高度の耐性、および低
価格の要求をもはや満たすことができない。市販されて
いる通常の銅およびアルミニウム合金は、その様な特性
をある程度満たしているが、弾性限度が非常に低いの
で、冷却工程ですでに塑性変形を起こし、もはや気密条
件で圧縮ガラス導通機構を形成することができない。
体用ハウジングに関する、特により高い熱伝導性、機械
加工の容易さ、温度変動に対する高度の耐性、および低
価格の要求をもはや満たすことができない。市販されて
いる通常の銅およびアルミニウム合金は、その様な特性
をある程度満たしているが、弾性限度が非常に低いの
で、冷却工程ですでに塑性変形を起こし、もはや気密条
件で圧縮ガラス導通機構を形成することができない。
【０００８】上記の種類の金属−ガラス融合機構、つま
り圧縮ガラス導通機構の他に、本発明の目的ではない
が、本発明の長所を比較するために参照する、いわゆる
調和導通機構もある。この機構の特徴は、共に作用する
すべての融合成分（外側金属部分、ガラス本体、金属製
内部導体）が「調和している」、すなわちそれらの熱膨
張係数が広い温度範囲内でだいたい同じである。その結
果、この様な使用状況において、冷却工程における収縮
の程度が異なるために応力の発生が期待されず、したが
って外側金属部分の弾性限度が、ハウジングの設計に関
して決定的な基準にならない。
り圧縮ガラス導通機構の他に、本発明の目的ではない
が、本発明の長所を比較するために参照する、いわゆる
調和導通機構もある。この機構の特徴は、共に作用する
すべての融合成分（外側金属部分、ガラス本体、金属製
内部導体）が「調和している」、すなわちそれらの熱膨
張係数が広い温度範囲内でだいたい同じである。その結
果、この様な使用状況において、冷却工程における収縮
の程度が異なるために応力の発生が期待されず、したが
って外側金属部分の弾性限度が、ハウジングの設計に関
して決定的な基準にならない。
【０００９】現在、コバール(Kovar) の名称で市販され
ている鉄−ニッケル−コバルト合金がこの様な「調和し
た」導通機構に使用されている（いわゆる「低水準調和
した」設計形態で）。これらの合金は、熱膨張係数が約
４５〜５５ｘ１０-7／℃である。この目的に使用するガ
ラスおよび金属製の内部導体の熱膨張係数もこれと同じ
程度である。
ている鉄−ニッケル−コバルト合金がこの様な「調和し
た」導通機構に使用されている（いわゆる「低水準調和
した」設計形態で）。これらの合金は、熱膨張係数が約
４５〜５５ｘ１０-7／℃である。この目的に使用するガ
ラスおよび金属製の内部導体の熱膨張係数もこれと同じ
程度である。
【００１０】コバールの使用には、上記の材料から製造
したハウジングの熱負荷許容能力（耐熱性および耐衝撃
性）は、通常の圧縮型ガラス導通機構によるよりも著し
く高いという利点がある。したがって、特に温度の影響
を非常に強く受ける部品に関して高度の信頼性が要求さ
れる場合には、これまで長期にわたって実証されてきた
この設計を採用するのが好ましい。
したハウジングの熱負荷許容能力（耐熱性および耐衝撃
性）は、通常の圧縮型ガラス導通機構によるよりも著し
く高いという利点がある。したがって、特に温度の影響
を非常に強く受ける部品に関して高度の信頼性が要求さ
れる場合には、これまで長期にわたって実証されてきた
この設計を採用するのが好ましい。
【００１１】別の形の「高水準調和した」導通機構も考
えられ、僅かではあるが製造されている。その機構で
は、共に作用する融合成分がやはりほぼ等しい熱膨脹を
示すが、その絶対値が８０〜１００ｘ１０-7／℃の範囲
である。膨脹係数がさらに高い導通機構も考えられる
が、一方で、その目的に必要なガラスは耐薬品性が低
く、絶縁特性が不十分であり、信頼性のある使用には適
していないため、他方、温度変動に対する耐性が、調和
した材料対の膨張係数が増加するにつれてひどく低下す
るために、実際には使用されていない。
えられ、僅かではあるが製造されている。その機構で
は、共に作用する融合成分がやはりほぼ等しい熱膨脹を
示すが、その絶対値が８０〜１００ｘ１０-7／℃の範囲
である。膨脹係数がさらに高い導通機構も考えられる
が、一方で、その目的に必要なガラスは耐薬品性が低
く、絶縁特性が不十分であり、信頼性のある使用には適
していないため、他方、温度変動に対する耐性が、調和
した材料対の膨張係数が増加するにつれてひどく低下す
るために、実際には使用されていない。
【００１２】したがって、温度変動に対する良好な耐性
という利点は、「低水準調和した」導通機構の場合にの
み達成される。コバール製のハウジングは、圧縮ガラス
導通機構よりも著しく高価であり、熱伝導性が劣り、材
料の機械加工がより困難であるにも関わらず、現在使用
されている。
という利点は、「低水準調和した」導通機構の場合にの
み達成される。コバール製のハウジングは、圧縮ガラス
導通機構よりも著しく高価であり、熱伝導性が劣り、材
料の機械加工がより困難であるにも関わらず、現在使用
されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】したがって、コバール
よりも取扱い易く、物理特性が改良されており、それに
も拘わらず重要な要件を満たし、温度変動に対する耐性
に関してコバールに匹敵する材料から圧縮ガラス導通機
構を製造することが望ましい。本発明の目的は、良好な
熱伝導性、良好な加工性および良好な製造能力、特に高
度の温度変動に対する耐性および腐食に対する耐性を有
する合金を提案することである。
よりも取扱い易く、物理特性が改良されており、それに
も拘わらず重要な要件を満たし、温度変動に対する耐性
に関してコバールに匹敵する材料から圧縮ガラス導通機
構を製造することが望ましい。本発明の目的は、良好な
熱伝導性、良好な加工性および良好な製造能力、特に高
度の温度変動に対する耐性および腐食に対する耐性を有
する合金を提案することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上述した本発明の課題
は、冷却工程で硬化作用を示し、圧縮ガラス導通機構
（金属−ガラス）の冷却速度に関する許容冷却曲線がガ
ラスの最高許容冷却速度よりも低く、かつ少なくとも金
属に要求される冷却速度よりも高い合金を使用すること
により達成される。したがって、本発明の実現は、通常
の合金と反対に、特にスピノーダル合金の場合に起こる
様な硬化作用を受ける合金の使用にかかっている。これ
によって、この様な合金は、室温に、あるいはマイナス
の温度に冷却してもその金属の弾性限度を超えることが
ない様に、冷却によりその弾性限度が増加する。
は、冷却工程で硬化作用を示し、圧縮ガラス導通機構
（金属−ガラス）の冷却速度に関する許容冷却曲線がガ
ラスの最高許容冷却速度よりも低く、かつ少なくとも金
属に要求される冷却速度よりも高い合金を使用すること
により達成される。したがって、本発明の実現は、通常
の合金と反対に、特にスピノーダル合金の場合に起こる
様な硬化作用を受ける合金の使用にかかっている。これ
によって、この様な合金は、室温に、あるいはマイナス
の温度に冷却してもその金属の弾性限度を超えることが
ない様に、冷却によりその弾性限度が増加する。
【００１５】この様な合金の選択に関しては、冷却工程
中にガラスの凝固挙動または特性にも調和する様に弾性
限度の増加が起こる様な最適な冷却手順に制限条件を適
用する。この様にして初めて、金属本体およびガラスを
共に冷却しても金属の弾性限度を超えることがなく、金
属とガラスとの間の界面区域における損傷を避けること
ができる。
中にガラスの凝固挙動または特性にも調和する様に弾性
限度の増加が起こる様な最適な冷却手順に制限条件を適
用する。この様にして初めて、金属本体およびガラスを
共に冷却しても金属の弾性限度を超えることがなく、金
属とガラスとの間の界面区域における損傷を避けること
ができる。
【００１６】本発明の目的を達成し、上記の条件に適合
する硬化可能な非鉄合金は、好ましくは銅またはアルミ
ニウムまたはマグネシウムの系から選択できる。リチウ
ムも一つの可能性であるが、まだ研究および確認されて
いない。
する硬化可能な非鉄合金は、好ましくは銅またはアルミ
ニウムまたはマグネシウムの系から選択できる。リチウ
ムも一つの可能性であるが、まだ研究および確認されて
いない。
【００１７】組成が、Ｎｉ０．１〜１０％、Ｓｎ０．１
〜１２％、Ｍｎ０．４％以下、残部Ｃｕである合金が本
発明に特に有利であることが分かった。それに関して、
ニッケルおよびスズ含有量の高い合金は、高温域（加工
温度）まで気密を維持するが、他方、ニッケルおよびス
ズ含有量の低い合金は、明らかに高い水準の熱伝導性を
有するが、低い加工温度までしか気密性を維持できな
い。特に最初に述べた群の合金に関して温度変動に対す
る非常に良好な耐性、および続く表面処理の必要性をな
くす非常に良好な耐腐食性が、これらの合金の傑出した
特性である。
〜１２％、Ｍｎ０．４％以下、残部Ｃｕである合金が本
発明に特に有利であることが分かった。それに関して、
ニッケルおよびスズ含有量の高い合金は、高温域（加工
温度）まで気密を維持するが、他方、ニッケルおよびス
ズ含有量の低い合金は、明らかに高い水準の熱伝導性を
有するが、低い加工温度までしか気密性を維持できな
い。特に最初に述べた群の合金に関して温度変動に対す
る非常に良好な耐性、および続く表面処理の必要性をな
くす非常に良好な耐腐食性が、これらの合金の傑出した
特性である。
【００１８】また、組成が、Ｃｒ０．１〜５％、Ｚｒ
０．０１〜５％、残部Ｃｕの合金も本発明に非常に適し
ていることが分かった。アルミニウム合金の中では、組
成Ａｌ−Ｃｕ−Ｚｎ−ＭｇまたはＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇまた
はＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉを選択すべきである。
０．０１〜５％、残部Ｃｕの合金も本発明に非常に適し
ていることが分かった。アルミニウム合金の中では、組
成Ａｌ−Ｃｕ−Ｚｎ−ＭｇまたはＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇまた
はＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉを選択すべきである。
【００１９】融合工程用のガラスとしては、例えばNipp
on Electric や Corning GlassからCorning 7052、Corn
ing 9013またはNippon ST4の記号で市販されているガラ
スを使用する。最後に述べた種類のガラスは６５％Ｓｉ
Ｏ2 、５％Ａｌ2 Ｏ3 、１５％ＢａＯおよびＺｎＯおよ
び１５％Ｎａ2 Ｏ＋Ｋ2 Ｏ＋Ｌｉ2 Ｏ（以上、すべて重
量％で表す）の組成を有する。
on Electric や Corning GlassからCorning 7052、Corn
ing 9013またはNippon ST4の記号で市販されているガラ
スを使用する。最後に述べた種類のガラスは６５％Ｓｉ
Ｏ2 、５％Ａｌ2 Ｏ3 、１５％ＢａＯおよびＺｎＯおよ
び１５％Ｎａ2 Ｏ＋Ｋ2 Ｏ＋Ｌｉ2 Ｏ（以上、すべて重
量％で表す）の組成を有する。
【００２０】圧縮型ガラス導通機構は、半導体のハウジ
ング、特にいわゆるハイブリッド回路に使用するハウジ
ングに広く使用されている。これらの回路は、セラミッ
ク基板、等の上に配置された集積回路であり、その基板
上には追加の部品も配置されることがある。この様なハ
ウジングは電力およびマイクロエレクトロニクス分野
で、オプト−エレクトロニクスおよびセンサー技術で益
々使用される様になっている。これに関して、例えば上
記の銅合金は、良好なレーザー溶接性を有するのが望ま
しい。これは、ハウジングを閉じるカバーも気密構造を
形成する必要があるので重要である。これに関して、ハ
ウジングおよびその中身が溶接作業により損傷を受けて
はならない。
ング、特にいわゆるハイブリッド回路に使用するハウジ
ングに広く使用されている。これらの回路は、セラミッ
ク基板、等の上に配置された集積回路であり、その基板
上には追加の部品も配置されることがある。この様なハ
ウジングは電力およびマイクロエレクトロニクス分野
で、オプト−エレクトロニクスおよびセンサー技術で益
々使用される様になっている。これに関して、例えば上
記の銅合金は、良好なレーザー溶接性を有するのが望ま
しい。これは、ハウジングを閉じるカバーも気密構造を
形成する必要があるので重要である。これに関して、ハ
ウジングおよびその中身が溶接作業により損傷を受けて
はならない。
【００２１】本発明の一実施態様では、圧縮ガラス導通
機構が８００〜１０００℃の温度から室温まで１０℃／
分以上の速度で冷却される。その種の冷却作業は、例え
ば好適な設計の炉の冷却部分により実行することができ
る。冷却工程における弾性限度の増加は、本発明によ
り、冷却の際に、温度を一定に、好ましくは２５０〜４
５０℃に、数分から数時間保持してからさらに冷却する
ことにより達成される。
機構が８００〜１０００℃の温度から室温まで１０℃／
分以上の速度で冷却される。その種の冷却作業は、例え
ば好適な設計の炉の冷却部分により実行することができ
る。冷却工程における弾性限度の増加は、本発明によ
り、冷却の際に、温度を一定に、好ましくは２５０〜４
５０℃に、数分から数時間保持してからさらに冷却する
ことにより達成される。
【００２２】上記の手段に加えて、および弾性限度をさ
らに増加させた結果、本発明によりさらに、冷却工程の
後、圧縮ガラス導通機構を再度２５０℃〜４５０℃、好
ましくは約３２０℃の温度に加熱し、１分〜１０時間、
好ましくは２〜６時間高温熟成させる。冷却工程の後、
少なくとも２５０℃の温度に加熱し、そこから段階的に
最高４５０℃まで、各段階毎に１分〜２時間保持しなが
ら加熱することにより、圧縮ガラス導通機構で同様の結
果が得られる。
らに増加させた結果、本発明によりさらに、冷却工程の
後、圧縮ガラス導通機構を再度２５０℃〜４５０℃、好
ましくは約３２０℃の温度に加熱し、１分〜１０時間、
好ましくは２〜６時間高温熟成させる。冷却工程の後、
少なくとも２５０℃の温度に加熱し、そこから段階的に
最高４５０℃まで、各段階毎に１分〜２時間保持しなが
ら加熱することにより、圧縮ガラス導通機構で同様の結
果が得られる。
【００２３】
【実地例】以下、本発明をより詳細に説明する。図１
は、硬化可能な合金から製造したハイブリッドハウジン
グ１の上から見た図である。ハウジングの底にはセラミ
ック基板または板２が配置され、その上に集積回路３お
よび電子構造群４が配置され、導体路５により接続され
ている。導体路の終点６は、導体７によりガラス導通機
構（図示していない）を通してハウジングの外に取り出
される。セラミック基板２をハウジング内に収容し、ハ
イブリッド回路を形成した後、好ましくは同じ材料から
なるカバーをハウジング上に溶接する。溶接作業は、好
ましくはレーザーにより行なう。問題は、ハウジングを
外部の環境に対して密封し、その内部をガスや湿分の様
な有害な影響から保護することである。
は、硬化可能な合金から製造したハイブリッドハウジン
グ１の上から見た図である。ハウジングの底にはセラミ
ック基板または板２が配置され、その上に集積回路３お
よび電子構造群４が配置され、導体路５により接続され
ている。導体路の終点６は、導体７によりガラス導通機
構（図示していない）を通してハウジングの外に取り出
される。セラミック基板２をハウジング内に収容し、ハ
イブリッド回路を形成した後、好ましくは同じ材料から
なるカバーをハウジング上に溶接する。溶接作業は、好
ましくはレーザーにより行なう。問題は、ハウジングを
外部の環境に対して密封し、その内部をガスや湿分の様
な有害な影響から保護することである。
【００２４】図２は、矢印Ａの方向から見た金属ハウジ
ング１を示す。金属ハウジング中に３個の穴８があり、
その中に導体７が配置されている。穴８は、その中に融
解注入され、金属ハウジング１および導体７の両方に対
して密封するガラスビード９により充填されている。ガ
ラスビード９による導体７の密封は、技術的に大きな問
題ではなく、本発明の目的でもない。ここで重要なの
は、導体７とガラスビード９の熱膨張係数が大体等しい
ことである。本発明の目的は、金属ハウジング１とガラ
スビード９との間の界面を密封することである。
ング１を示す。金属ハウジング中に３個の穴８があり、
その中に導体７が配置されている。穴８は、その中に融
解注入され、金属ハウジング１および導体７の両方に対
して密封するガラスビード９により充填されている。ガ
ラスビード９による導体７の密封は、技術的に大きな問
題ではなく、本発明の目的でもない。ここで重要なの
は、導体７とガラスビード９の熱膨張係数が大体等しい
ことである。本発明の目的は、金属ハウジング１とガラ
スビード９との間の界面を密封することである。
【００２５】圧縮ガラス導通機構の作動機構を、図３お
よび図４を参照しながら詳細に説明する。金属ハウジン
グとガラスビード９との間の界面で良好な密封効果を得
るには、金属により高い圧縮力をガラスにかける必要が
ある。これに関して、ガラスが高い圧縮力を受け入れら
れるが、破壊されることなく、低い引っ張り力だけを受
けることが重要である。また、圧縮応力の蓄積が、約９
５０℃でガラスビード９が穴８の中に融解注入された
後、冷却工程において起こることも重要である。図３か
ら分かる様に、金属ハウジング中には、矢印１０で示す
圧縮力に加えて、矢印１１で示す接線方向の引っ張り力
も生じる。接線方向の引っ張り力は、圧縮力の増加に比
例して増加する。密封ガラス作用に関して重要なこと
は、冷却工程の際、またはその後で、これらの接線方向
の力が金属の弾性限度を超えないことである。超えた場
合には、穴はもはや密封一体性を有することができな
い。
よび図４を参照しながら詳細に説明する。金属ハウジン
グとガラスビード９との間の界面で良好な密封効果を得
るには、金属により高い圧縮力をガラスにかける必要が
ある。これに関して、ガラスが高い圧縮力を受け入れら
れるが、破壊されることなく、低い引っ張り力だけを受
けることが重要である。また、圧縮応力の蓄積が、約９
５０℃でガラスビード９が穴８の中に融解注入された
後、冷却工程において起こることも重要である。図３か
ら分かる様に、金属ハウジング中には、矢印１０で示す
圧縮力に加えて、矢印１１で示す接線方向の引っ張り力
も生じる。接線方向の引っ張り力は、圧縮力の増加に比
例して増加する。密封ガラス作用に関して重要なこと
は、冷却工程の際、またはその後で、これらの接線方向
の力が金属の弾性限度を超えないことである。超えた場
合には、穴はもはや密封一体性を有することができな
い。
【００２６】金属は、ガラスに対する熱膨張係数が高
く、弾性限度が高いために、冷却工程の後でも融解注入
したガラスビード９になお余剰圧縮力を作用させ得るこ
とが重要である。これは、熱膨張係数が金属の熱膨張係
数よりも明らかに低い種類のガラスを使用することによ
り達成される。代表的な熱膨張係数αの値は、金属が８
０〜１８０ｘ１０-7／℃、ガラスが４５〜１１０ｘ１０
-7／℃である。生じる圧縮応力の程度は、金属とガラス
の膨張係数の差Δαにより異なる。さらに、使用すべき
ガラスは腐食性雰囲気に対する良好な耐薬品性および良
好な絶縁特性を有する。
く、弾性限度が高いために、冷却工程の後でも融解注入
したガラスビード９になお余剰圧縮力を作用させ得るこ
とが重要である。これは、熱膨張係数が金属の熱膨張係
数よりも明らかに低い種類のガラスを使用することによ
り達成される。代表的な熱膨張係数αの値は、金属が８
０〜１８０ｘ１０-7／℃、ガラスが４５〜１１０ｘ１０
-7／℃である。生じる圧縮応力の程度は、金属とガラス
の膨張係数の差Δαにより異なる。さらに、使用すべき
ガラスは腐食性雰囲気に対する良好な耐薬品性および良
好な絶縁特性を有する。
【００２７】図４は、本発明の使用に特徴的な金属およ
びガラスの熱膨張係数と温度の関係を定性的に示す。２
つの曲線の間隔の大きさは、冷却工程の際に金属がガラ
スに及ぼす圧縮応力を示す。金属が、塑性変形なしに、
室温で起こる接線方向の引っ張り力に耐えられる十分な
強度を有すると仮定して、例えば４５０℃の温度におけ
るその間隔が大きい程、室温における圧縮応力が大き
い。約４５０℃に、ガラスがη＝１０14.5［ポアズ］の
粘度を有するいわゆるガラスのひずみ点がある。その温
度から、金属部分に融解注入されるガラスが、冷却によ
り、さらに粘度が下がるために、応力を吸収し始める。
びガラスの熱膨張係数と温度の関係を定性的に示す。２
つの曲線の間隔の大きさは、冷却工程の際に金属がガラ
スに及ぼす圧縮応力を示す。金属が、塑性変形なしに、
室温で起こる接線方向の引っ張り力に耐えられる十分な
強度を有すると仮定して、例えば４５０℃の温度におけ
るその間隔が大きい程、室温における圧縮応力が大き
い。約４５０℃に、ガラスがη＝１０14.5［ポアズ］の
粘度を有するいわゆるガラスのひずみ点がある。その温
度から、金属部分に融解注入されるガラスが、冷却によ
り、さらに粘度が下がるために、応力を吸収し始める。
【００２８】図４で、ＡＤは、室温における圧縮応力の
大きさに関する尺度を与える。無論、外側金属部分とガ
ラスの膨張係数の差が増加するにつれて、ＡＤは大きく
なり、したがってより大きな圧縮応力が生じるが、その
ために金属は、可塑性になるのを防ぐためには、より高
い弾性限度を有する必要がある。
大きさに関する尺度を与える。無論、外側金属部分とガ
ラスの膨張係数の差が増加するにつれて、ＡＤは大きく
なり、したがってより大きな圧縮応力が生じるが、その
ために金属は、可塑性になるのを防ぐためには、より高
い弾性限度を有する必要がある。
【００２９】ここで、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ｍｎ系の合金
は、通常の銅合金とは異なり、高温から冷却する時にそ
の弾性限度が著しく増加するので、金属およびガラスの
膨脹に差があるにも拘わらず、弾性限度を超える見込み
はないことが分かった。さらに、ニッケルおよびスズ含
有量の低い合金は、明らかに良好な熱伝導性を有する
が、非常に高い弾性限度を有してはいないことが分かっ
た。冷却時の上記の挙動から、この様な合金は密封作用
には好適であるが、より合金化度の高い合金の様に、室
温において高い圧縮応力をガラス本体に及ぼすことはな
い。その結果、完成したハウジングに関して非常に低い
加工温度、例えば０℃未満では、密封一定性は完全に失
われる。したがって、合金化度の低い合金は、非常に高
度の熱伝導性を要求されるが、加工範囲はかなり狭い温
度範囲にある場合に主として使用される。対照的に、ニ
ッケルおよびスズ含有量の高い合金では状況が異なって
いる。この合金の長所は、特に、極めて高い弾性限度お
よびなお良好な熱伝導性にあることは明らかである。弾
性限度が高いために、これらの合金は、例えば試験温度
として−６０〜５００℃の、非常に広い温度範囲で加工
することができる。つまり、密封一体性に関する「備
え」が非常に大きく、そのため、温度変動に対する耐性
が非常に良いのである。
は、通常の銅合金とは異なり、高温から冷却する時にそ
の弾性限度が著しく増加するので、金属およびガラスの
膨脹に差があるにも拘わらず、弾性限度を超える見込み
はないことが分かった。さらに、ニッケルおよびスズ含
有量の低い合金は、明らかに良好な熱伝導性を有する
が、非常に高い弾性限度を有してはいないことが分かっ
た。冷却時の上記の挙動から、この様な合金は密封作用
には好適であるが、より合金化度の高い合金の様に、室
温において高い圧縮応力をガラス本体に及ぼすことはな
い。その結果、完成したハウジングに関して非常に低い
加工温度、例えば０℃未満では、密封一定性は完全に失
われる。したがって、合金化度の低い合金は、非常に高
度の熱伝導性を要求されるが、加工範囲はかなり狭い温
度範囲にある場合に主として使用される。対照的に、ニ
ッケルおよびスズ含有量の高い合金では状況が異なって
いる。この合金の長所は、特に、極めて高い弾性限度お
よびなお良好な熱伝導性にあることは明らかである。弾
性限度が高いために、これらの合金は、例えば試験温度
として−６０〜５００℃の、非常に広い温度範囲で加工
することができる。つまり、密封一体性に関する「備
え」が非常に大きく、そのため、温度変動に対する耐性
が非常に良いのである。
【００３０】図５は、圧縮ガラス導通機構に可能な冷却
曲線に対する制限曲線を示す。ガラスに関する制限曲線
はかなり急である、すなわちガラスは比較的急速に冷却
できることが分かる。ゆっくり冷却する金属に関する制
限曲線はかなり平らであり、非常にゆっくり冷却するこ
とができる。設定された冷却プロファイルにしたがって
炉中で行われる冷却作業では、金属−ガラス系は広い温
度範囲内で確実に冷却することができる。しかし、冷却
をあまり急速に行なうと、ガラスの膨脹特性が変化する
ので、冷却速度に関して上向きの制限が必要になる。冷
却が遅すぎる場合、金属中に達成される硬化の可能性が
ほとんどなくなる。したがって、冷却速度の範囲は、最
低約１０℃／分、最高約６０℃／分にすべきである。
曲線に対する制限曲線を示す。ガラスに関する制限曲線
はかなり急である、すなわちガラスは比較的急速に冷却
できることが分かる。ゆっくり冷却する金属に関する制
限曲線はかなり平らであり、非常にゆっくり冷却するこ
とができる。設定された冷却プロファイルにしたがって
炉中で行われる冷却作業では、金属−ガラス系は広い温
度範囲内で確実に冷却することができる。しかし、冷却
をあまり急速に行なうと、ガラスの膨脹特性が変化する
ので、冷却速度に関して上向きの制限が必要になる。冷
却が遅すぎる場合、金属中に達成される硬化の可能性が
ほとんどなくなる。したがって、冷却速度の範囲は、最
低約１０℃／分、最高約６０℃／分にすべきである。
【００３１】表１から、ＣｕＮｉＳｎ型合金の場合、冷
却工程の際に弾性限度は対応して増加することが分か
る。ここに示す合金は、冷却工程の後、後処理をしてい
ない状態にある。表１は、軟焼きなまし材料（金属）の
弾性限度Ｒｐ0.2 および引っ張り強度Ｒｍを、ガラス導
入作業で使用される様な加熱工程（７５０℃、３０分、
次いで水で急冷）の前、およびその作業の後で測定する
試験結果を示す。
却工程の際に弾性限度は対応して増加することが分か
る。ここに示す合金は、冷却工程の後、後処理をしてい
ない状態にある。表１は、軟焼きなまし材料（金属）の
弾性限度Ｒｐ0.2 および引っ張り強度Ｒｍを、ガラス導
入作業で使用される様な加熱工程（７５０℃、３０分、
次いで水で急冷）の前、およびその作業の後で測定する
試験結果を示す。
【００３２】弾性限度は、加熱工程の後、およびスズお
よびニッケル含有量の増加と共に上昇していることが分
かる。引っ張り強度は、ニッケル含有量が２％を超えて
から類似の変化を示している。
よびニッケル含有量の増加と共に上昇していることが分
かる。引っ張り強度は、ニッケル含有量が２％を超えて
から類似の変化を示している。
【００３３】 表１ DIEHL No 引っ張り強度（加熱前） 引っ張り強度（加熱後） Ｃｕ合金 B=strip Rp0.2 /Rm[N/mm2 ］ Rp0.2 /Rm[N/mm2 ］ 試 料 ZP= 引張り 試験 Sn1Ni1 1B/ZP 81/247 81/245 Sn2Ni1.5 2B/ZP 80/273 80/260 Sn3Ni2.5 3B/ZP 99/298 101/283 Sn4Ni2 4B/ZP 111/306 116/311 Sn4Ni3 5B/ZP 115/317 121/323 Sn4Ni5 7B/ZP 120/333 130/344 Sn8Ni3 9B/ZP 152/354 160/365 Sn8Ni5 10B/ZP 169/385 190/397 Sn8Ni7 11B/ZP 173/399 253/407Sn8Ni8 12B/ZP 181/409 298/487
【００３４】ここで、合金の弾性限度は、冷却工程の後
に熱処理を行なうことにより、さらに増加し得ることが
分かった。対応する条件を、表２に示す。合金ＣｕＳｎ
２Ｎｉ９の試料を、３２０℃に加熱し、その温度に２時
間保持することにより、弾性限度約９３から１２５N/mm
2 に増加することが分かる。次いで、合金をさらに３２
０℃に５時間加熱すると、弾性限度は約１７０の値に増
加する。
に熱処理を行なうことにより、さらに増加し得ることが
分かった。対応する条件を、表２に示す。合金ＣｕＳｎ
２Ｎｉ９の試料を、３２０℃に加熱し、その温度に２時
間保持することにより、弾性限度約９３から１２５N/mm
2 に増加することが分かる。次いで、合金をさらに３２
０℃に５時間加熱すると、弾性限度は約１７０の値に増
加する。
【００３５】 表２ 弾性限度 引っ張り強度 Rp0.2 ［N/mm2 ］ Rm［N/mm2 ］ ガラス注入後の値 ９３ ３１２ さらに２時間、３２０℃ １２５ ３４４ さらに７時間、３２０℃ １７０ ３８６
【００３６】引っ張り強度も明らかに増加している。試
験した合金ＣｕＣｒＺｒの場合にも、冷却工程の際に弾
性限度が明らかに増加している。この場合、非常に高い
熱伝導性が主として強調されており、弾性限度の増加も
注目に値するが、その絶対値に関しては、高合金化度の
ＣｕＮｉＳｎ合金には及ばない。したがって、この種の
合金は、特に高い熱伝導性水準が重要であるが、圧縮応
力が低いために高加工温度は重要ではない用途に使用す
るのが好ましい。
験した合金ＣｕＣｒＺｒの場合にも、冷却工程の際に弾
性限度が明らかに増加している。この場合、非常に高い
熱伝導性が主として強調されており、弾性限度の増加も
注目に値するが、その絶対値に関しては、高合金化度の
ＣｕＮｉＳｎ合金には及ばない。したがって、この種の
合金は、特に高い熱伝導性水準が重要であるが、圧縮応
力が低いために高加工温度は重要ではない用途に使用す
るのが好ましい。
【００３７】図６は、本発明の合金と幾つかの比較材料
を比較している。この図から、本発明の合金と比較材料
との差を見ることができる。合金ＣｕＮｉＳｎに関する
測定値はストリップ形で測定したが、鋳造品、鍛造品ま
たは押出し部品の形でも大体同じ特性が得られる。
を比較している。この図から、本発明の合金と比較材料
との差を見ることができる。合金ＣｕＮｉＳｎに関する
測定値はストリップ形で測定したが、鋳造品、鍛造品ま
たは押出し部品の形でも大体同じ特性が得られる。
【００３８】ＣｕＮｉＳｎ型の合金による圧縮ガラス導
通機構の製造では、合金の融点がガラスの融解注入温度
よりも高い、すなわち９５０℃を超えることが重要であ
る。冷却は、ガラスビードがハウジング内の穴の中に融
解注入され、導体がその溶融ガラス中に挿入された後に
行ない、好ましくは約１０°〜２５℃／分の速度で行な
う。これに関して、高温領域における冷却作業の勾配は
５０℃／分およびそれよりやや高い値にまで達すること
ができるが、できれば１０℃／分未満の値には下げるべ
きではない。冷却した圧縮ガラス導通機構は、再度約３
２０℃に加熱し、一定温度で約２時間高温熟成させる。
望ましい使用目的に応じて、合金化度の高い、または低
い合金を使用する。９５０℃を超える融解注入温度に到
達するために、最高０．４％までのマンガンを合金に加
えるのが望ましいことが分かっている。
通機構の製造では、合金の融点がガラスの融解注入温度
よりも高い、すなわち９５０℃を超えることが重要であ
る。冷却は、ガラスビードがハウジング内の穴の中に融
解注入され、導体がその溶融ガラス中に挿入された後に
行ない、好ましくは約１０°〜２５℃／分の速度で行な
う。これに関して、高温領域における冷却作業の勾配は
５０℃／分およびそれよりやや高い値にまで達すること
ができるが、できれば１０℃／分未満の値には下げるべ
きではない。冷却した圧縮ガラス導通機構は、再度約３
２０℃に加熱し、一定温度で約２時間高温熟成させる。
望ましい使用目的に応じて、合金化度の高い、または低
い合金を使用する。９５０℃を超える融解注入温度に到
達するために、最高０．４％までのマンガンを合金に加
えるのが望ましいことが分かっている。
【図１】集積回路用ハイブリッドハウジングの上から見
た図。
た図。
【図２】図１の矢印Ａの方向から見たハウジングの図。
【図３】図２に示す圧縮ガラス導通機構の拡大図。
【図４】ガラスと金属の、熱膨張係数と温度の関係を示
す図。
す図。
【図５】ガラス−金属系の冷却速度に関する制限曲線の
配置を示す図。
配置を示す図。
【図６】本発明の合金と比較材料の、物理特性の比較を
示す図。
示す図。
１ 金属ハウジング ２ セラミック基板 ３ 集積回路 ４ 電子構造群 ５ 導体路 ６ 導体路の終点 ７ 導体 ８ 穴 ９ ガラスビート
フロントページの続き (71)出願人 594059776 エレクトロバック、ファブリカション、エ レクトロテヒニッシャー、スペジアラルデ ィケル、ゲゼルシャフト、ミット、ベシュ レンクテル、ハフツング オーストリア国ウイーン、ランペンガッ セ、５ (72)発明者 ウォルフガング、ホルニヒ ドイツ連邦共和国エッケンハイト、フェー レンシュトラーセ、51 (72)発明者 ワルター、フィンドル オーストリア国ウイーン、グロッケンガッ セ、29／13
Claims (14)
- 【請求項１】高温に加熱した金属物体中の開口部の中に
溶融したガラスを融解注入する際、ガラスの膨脹係数は
金属の膨張係数よりも低く、処理温度は金属の固相温度
以下にあり、冷却工程中に金属の弾性限度を超えること
がない、金属物体中の圧縮ガラス導通機構であって、冷
却工程で硬化作用を示し、圧縮ガラス導通機構の冷却速
度に関する許容冷却曲線がガラスの最高許容冷却速度よ
りも低く、少なくとも金属に要求される冷却速度よりも
高い合金を使用することを特徴とする圧縮ガラス導通機
構。 - 【請求項２】非鉄金属として使用される合金が、銅、ア
ルミニウムまたはマグネシウム系の合金であることを特
徴とする、請求項１に記載の圧縮ガラス導通機構。 - 【請求項３】合金が、重量％で、Ｎｉ０．１〜１０％、
Ｓｎ０．１〜１２％、Ｍｎ０．４％以下、残部Ｃｕから
なることを特徴とする、請求項２に記載の圧縮ガラス導
通機構。 - 【請求項４】合金が、重量％で、Ｃｒ０．１〜５％、Ｚ
ｒ０．０１〜５％、残部Ｃｕの組成を有することを特徴
とする、請求項２に記載の圧縮ガラス導通機構。 - 【請求項５】合金が、Ａｌ−Ｃｕ−Ｚｎ−Ｍｇ、Ａｌ−
Ｚｎ−ＭｇまたはＡｌ−Ｚｎ系であることを特徴とす
る、請求項２に記載の圧縮ガラス導通機構。 - 【請求項６】重量％で、ＳｉＯ2 ６５％、Ａｌ2 Ｏ3 ５
％、ＢａＯ＋ＺｎＯ１５％およびＮａ2 Ｏ＋Ｋ2 Ｏ＋Ｌ
ｉ2 Ｏ１５％からなるガラスを使用することを特徴とす
る、請求項１に記載の圧縮ガラス導通機構。 - 【請求項７】圧縮ガラス導通機構が８００〜１０００℃
の温度から室温に１０℃／分を超える速度で冷却される
ことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載
の圧縮ガラス導通機構。 - 【請求項８】冷却工程の際、温度を一定に、好ましくは
２５０〜４５０℃の範囲に、数分から数時間保持するこ
とを特徴とする、請求項７に記載の圧縮ガラス導通機
構。 - 【請求項９】冷却工程の後、圧縮ガラス導通機構を２５
０℃〜４５０℃、好ましくは約３２０℃の温度に加熱
し、１分〜１０時間、好ましくは２〜６時間高温熟成さ
せることを特徴とする、請求項７に記載の圧縮ガラス導
通機構。 - 【請求項１０】冷却工程の後、圧縮ガラス導通機構を少
なくとも２５０℃の温度に加熱し、そこから段階的に最
高４５０℃まで、各段階毎に１分〜２時間保持しながら
加熱することことを特徴とする、請求項７に記載の圧縮
ガラス導通機構。 - 【請求項１１】圧縮ガラス導通機構が、ガラス中に埋め
込まれた、金属物体に対してガラスにより絶縁された１
個以上の内部導体を有し、内部導体およびガラスの熱膨
張係数が大体等しいことを特徴とする、請求項１に記載
の圧縮ガラス導通機構。 - 【請求項１２】請求項１に記載の圧縮ガラス導通機構の
製造方法であって、圧縮ガラス導通機構に関して、重量
％で、Ｎｉ９％、Ｓｎ１０％、Ｍｎ０．３％、残部Ｃｕ
の合金からなる金属物体の中にガラスビードを９５０℃
で融解注入し、内部導体を挿入し、次いで圧縮ガラス導
通機構を約２５℃／分の速度で室温に冷却することを特
徴とする方法。 - 【請求項１３】半導体用のハウジング、特に集積回路用
ハウジング（ハイブリッドハウジング）に使用すること
を特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の
圧縮ガラス導通機構。 - 【請求項１４】ハウジング製造用の合金が鋳造材、スト
リップ材、押出し材、または鍛造材の形であることを特
徴とする、請求項１に記載の圧縮ガラス導通機構。
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