JPH1140223A

JPH1140223A - 気密端子およびその形成方法

Info

Publication number: JPH1140223A
Application number: JP19725897A
Authority: JP
Inventors: Homare Masuda; 誉増田; Yasuhide Yoshikawa; 康秀吉川; Toshiichi Taira; 敏一平; Koichi Koizumi; 孝一小泉; Futoshi Tsuyuki; 太露木
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1997-07-23
Filing date: 1997-07-23
Publication date: 1999-02-12
Anticipated expiration: 2017-07-23
Also published as: JP3648021B2

Abstract

(57)【要約】【課題】より低コストで気密端子が形成できるように
することを目的とする。【解決手段】ステム１０３の電極ピン１０５取り付け
箇所のスルーホールには、まず、メッキ（金属膜）１０
８が形成されている。また、電極ピン１０５の領域１０
３ａ側は、スルーホールの開口部を覆うように、平板状
のふた（底板）１０５ａが形成されている。そして、こ
のふた１０５ａが、その開口部を塞ぐように、メッキ１
０８と当接する部分で圧着されている。そして、電極ピ
ン１０５が配置されているスルーホール内の電極ピン１
０５との隙間に、ハンダ１０７が充填されて封止された
状態となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電極ピンなどが
隔壁を通して固定された気密端子およびその形成方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】圧力センサパッケージには、耐圧性，シ
ール性，電気的絶縁性などの特性が必要となる。また、
微圧測定においては、センサ素子へパッケージから発生
する応力を伝えない構造が必要となる。以上に示したよ
うな特性が必要となる圧力センサパッケージの気密端子
部分は、図６に示すように構成されている。すなわち、
まず、圧力を検出するセンサチップ６０１は、シリコン
などからなる台座６０２上に配置されている。また、圧
力センサパッケージを構成するステム６０３は、圧力室
となる窪んだ領域６０３ａをダイヤフラム６０４で外部
と隔離している。

【０００３】そして、その領域６０３ａ内にはシリコー
ンオイルが充填され、ステム６０３の領域６０３ａ中央
部には、台座６０２が配置されている。一方、台座６０
２上のセンサチップ６０１に対する電気的な接続は、電
極ピン６０５により行われるようになっている。すなわ
ち、センサチップ６０１と電極ピン６０５とがリード線
６０６で接続されている。そして、その電極ピン６０５
は、ステム６０３の所定の箇所に形成されたスルーホー
ルで、ガラス部材６０７により気密封止（ガラスハーメ
チック）され、電極ピン６０５のステム取り付け箇所よ
り、内部のシリコーンオイルが漏れ出ないようになって
いる。以上に示したように、電極ピンとパッケージとの
間の接合部分は気密封止されているが、この気密の方法
としては、上述したガラスハーメチックの他に、ロウ付
けによる気密封止もある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような従来の気密封止では、まず、熱処理温度が高い
ため、他の部品に対する損傷を保護するなどの必要があ
り、製造のコスト上昇を招いていた。また、隙間に高温
処理によりガラスを充填するようにしているため、各部
品の組み付け寸法に余裕がなかった。ここで、ガラスハ
ーメチックに関して簡単に説明する。このガラスによる
気密封止では、ステムの電極ピン取り出し穴（スルーホ
ール）に電極ピンを配置し、そこに、所定の大きさのガ
ラスペレットを挿入し、４００〜１０００℃に加熱し
て、そのガラスペレットを溶融させ、隙間を埋めるよう
にしている。このとき、隙間を埋めるガラス部材は冷却
すると収縮するが、この収縮したときの厚さが、隙間の
間隔よりも厚い場合、ステムのスルーホールは押し広げ
られ、電極ピンは締め付けられる。そして、この結果、
ハーメチック（焼きバメ）が成立し、気密端子が形成さ
れる。このように、従来より用いられているガラスハー
メチックでは、非常に高温の処理が必要となる。

【０００５】また、ガラスハーメチックでは、隙間に充
填されるガラス部材にボイド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
に充填するガラス部材の濡れ性などを適正化したり、隙
間に充填するガラス部材の量を増加するなどで、ハーメ
チックの力を増加させることで防ぐようにしている。一
方、ロウ付けにおいても、４５０℃以上の高温処理が必
要になるため、ガラスハーメチックと同様に、高温処理
が必要なためによる問題があった。また、このロウ付け
では、ロウ付けを行う接合面の状態によって、ロウ付け
する材料の濡れ性が影響を受けやすく、気密不良が発生
しやすいという問題もあった。

【０００６】この発明は、以上のような問題点を解消す
るためになされたものであり、より低コストで気密端子
が形成できるようにすることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明の気密端子は、
絶縁性の基台と、その基台の所定位置に形成されたスル
ーホールと、基台表面のスルーホール周辺に形成された
金属膜と、基台の厚さ以上の長さを備えた棒状のピンと
その一端に直交して備えられた板状の底板とからなり、
その底板が基台裏面のスルーホール周辺部に当接してス
ルーホール開口部を塞いだ状態で、ピンがスルーホール
に貫入された電極ピンと、金属膜，スルーホール内のピ
ン側面，スルーホール内に露出している底板表面，およ
び，スルーホール側壁に接してスルーホールとピンの隙
間に充填されたハンダとから構成するようにした。すな
わち、上述した構成とすることで、電極ピンは基台のス
ルーホール部でハンダにより気密封止された状態となっ
ている。また、この発明の気密端子の形成方法は、第１
に、所定値にスルーホールが形成された絶縁性の基台表
面のスルーホール周辺に金属膜を形成し、第２に、電極
ピンの一端に直交して備えられた底板が基台裏面のスル
ーホール周辺部に当接した状態で、スルーホールに電極
ピンのピンの部分を貫入し、底板でスルーホール開口部
を気密に塞ぎ、第３に、基台表面のスルーホール周辺に
形成された金属膜上に、電極ピンの径より大きくスルー
ホールの径より小さい径の穴を中央部に有したハンダ材
を、電極ピンがハンダ材の穴に貫通した状態で載置す
る。次に、第４に、還元性の気体雰囲気中でハンダ材を
加熱して融解し、その融解したハンダ材を電極ピンおよ
び基台表面のスルーホール周辺に形成された金属膜上に
密着させ、融解しているハンダ材によりスルーホール開
口部を塞ぎ、第５に、スルーホールを塞いでいる溶融し
ているハンダ材の外側を真空排気状態とすることで、溶
融しているハンダ材を介して底板と融解しているハンダ
材とで塞がれたスルーホール内を脱気する。そして、第
６に、スルーホールを塞いでいる溶融しているハンダ材
の外側の真空排気状態を解消し、溶融しているハンダ材
をスルーホール内に押し込み、溶融しているハンダ材で
スルーホール内が充填された状態とするようにした。以
上示したことにより、電極ピンが基台のスルーホール部
でハンダにより気密封止された状態が得られる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態を図を
参照して説明する。図１は、この発明の実施の形態にお
ける気密端子の構成を示す断面図である。ここでは、気
密端子を圧力センサパッケージに適用した場合で説明す
る。この圧力センサパッケージは、図１に示すように、
まず、圧力を検出するセンサチップ１０１は、シリコン
などからなる台座１０２上に配置されている。また、圧
力センサパッケージを構成するアルミナセラミックから
なるステム１０３は、圧力室となる窪んだ領域１０３ａ
をダイヤフラム１０４で外部と隔離している。そして、
その領域１０３ａ内にはシリコーンオイルが充填され、
ステム１０３の領域１０３ａ中央部には、台座１０２が
配置されている。

【０００９】一方、台座１０２上のセンサチップ１０１
に対する電気的な接続は、電極ピン１０５により行われ
るようになっている。すなわち、センサチップ１０１と
電極ピン１０５とがリード線１０６で接続されている。
この電極ピン１０５としては、鉄，ニッケル，コバル
ト，クロム等の合金からなり、インバー効果を有する低
膨張率を有する材料を用いる。例えば、４２アロイ，５
０アロイ，コバール，インバー，スーパーインバーなど
を用いても良い。

【００１０】そして、その電極ピン１０５は、ステム１
０３の所定の箇所で、ハンダ１０７により気密封止（ハ
ーメチック）され、ステム１０３の電極ピン１０５取り
付け箇所より、内部のシリコーンオイルが漏れ出ないよ
うになっている。すなわち、ステム１０３の電極ピン１
０５取り付け箇所のスルーホールには、まず、メッキ
（金属膜）１０８が形成されている。また、電極ピン１
０５の領域１０３ａ側は、スルーホールの開口部を覆う
ように、平板状のふた（底板）１０５ａが形成されてい
る。そして、このふた１０５ａが、その開口部を塞ぐよ
うに、メッキ１０８と当接する部分で圧着されている。
そして、電極ピン１０５が配置されているスルーホール
内の電極ピン１０５との隙間に、ハンダ１０７が充填さ
れて封止された状態となっている。

【００１１】次に、この気密端子の形成方法について説
明する。まず、図２（ａ）に示すように、ステム１０３
のスルーホール形成部分にメッキ１０８を施す。このメ
ッキ１０８は、メッキ材として金を用い、無電解メッキ
により形成した。なお、この段階では、図１に示すダイ
ヤフラム１０４はステム１０３に取り付けられていな
い。次いで、図２（ｂ）に示すように、電極ピン１０５
をステム１０３のスルーホール内に通し、ふた１０５ａ
を、ステム１０３内側のスルーホールの開口周辺部に当
接する。このとき、ふた１０５ａにより、開口部が全て
塞がれるようにする。そして、ふた１０５のステム１０
３に当接している部分で、ふた１０５をステム１０３に
圧着する。この圧着は、例えば、ハンドプレスで約２Ｇ
Ｐａの圧力をかけることで行う。このことにより、スル
ーホールのふた１０５ａが当接している部分におけるＨ
ｅリークが、１０^-7Ｐａ・ｍ³／ｓｅｃ以下に抑えられ
る。

【００１２】次に、図３（ｃ）に示すように、ステム１
０３の外側のスルーホール開口部に、中央に穴の開いた
Ｓｎ−Ａｇ共晶のハンダ材３０１を、その穴に電極ピン
１０５を通して配置する。このとき、ハンダ材３０１の
周辺部は、ステム１０３の外側におけるスルーホール開
口部のメッキ１０８形成部に当接した状態となってい
る。なお、ハンダ材３０１の中央部の穴は、電極ピン１
０５の径より大きく、スルーホールの径より小さくす
る。次に、電極ピン１０５を配置し、ハンダ材３０１を
配置したステム１０３を、真空容器を構成している加熱
炉内に投入する。次いで、その炉内を真空排気し、その
後炉内に水素を導入し、炉内を還元性雰囲気とする。

【００１３】次いで、炉内に配置した電極ピン１０５が
スルーホール内に差し込まれて圧着されたステム１０
３，および，ハンダ材３０１を加熱し、図３（ｄ）に示
すように、ハンダ材３０１を溶融させた状態とする。こ
のときの加熱温度は２５０℃程度とする。ハンダ材３０
１の融点は２２０℃程度であり、２５０℃に加熱するこ
とで、ハンダ材３０１は数１０^-3Ｐａ・ｓ以下の超低粘
度状態となる。

【００１４】次いで、加熱をしたまま、炉内を真空排気
し、所定時間真空状態を保つ。この結果、図３（ｅ）に
示すように、電極ピン１０５のふた１０５ａと溶融した
ハンダ材３０１とで封じられたスルーホール内のガス
が、溶融したハンダ材３０１をとおして抜けていく。そ
して、スルーホール内が、真空排気された炉内と同様の
真空状態となる。次に、真空排気状態を停止し、炉内に
ガスを導入して大気圧状態とする。ここで、炉内に導入
するガスとしては、Ａｒなどの不活性ガスとする。ま
た、この段階においても、加熱は継続している。

【００１５】この結果、図４（ｆ）に示すように、炉内
のガスの圧力により、溶融しているハンダ材３０１は、
減圧されているスルーホール内に押し込まれる。そし
て、スルーホール内が溶融したハンダ材３０１で完全に
充填された後、加熱を停止して冷却すれば、図４（ｇ）
に示すように、電極ピン１０５が、ステム１０３の所定
の箇所で、ハンダ１０７により気密封止される。この
後、台座１０２上のセンサチップ１０１と電極ピン１０
５とをリード線１０６で接続し、ステム１０３の領域１
０３ａにシリコーンオイルを充填し、ステム１０３にダ
イヤフラム１０４を取り付けることで、圧力センサパッ
ケージがほぼ完成する。

【００１６】ところで、ハーメチックとなる条件は、過
熱した状態でスルーホール内に押し込まれた溶融したハ
ンダ材３０１が、冷却により収縮したときの厚さより、
元々の冷却時のステム１０３と電極ピン１０５との隙間
が小さいときである。図４（ｇ）に示すように、室温時
の電極ピン１０５の外形をφ１、ステム１０３の電極ピ
ン１０５が差し込まれるスルーホールの穴径をφ２とお
く。また、電極ピン１０５の熱による線膨張係数をｋ、
ステム１０３の熱による線膨張係数をｍ、ハンダ材３０
１の熱による線膨張係数をｎ、加熱時の温度をｔ、室温
をｔ０とすると、加熱時のステム１０３と電極ピン１０
５の隙間Ｗ_h は、次の（１）式で示される。Ｗ_h=[φ２{１+ｍ×(ｔ-ｔ０)}-φ１×{１+ｋ×(ｔ-ｔ０)}]/２・・・（１）

【００１７】この隙間に押し込められたハンダ材３０１
が、冷却され室温になったときの厚さＤは、次の（２）
式で示される。Ｄ＝Ｗ_h×｛１＋ｎ×（ｔ０−ｔ）｝・・・（２）また、室温時のステム１０３と電極ピン１０５の隙間Ｗ
は、次の（３）式で示される。Ｗ＝（φ２−φ１）／２・・・（３）ここで、ハーメチックとなる条件はＷ＜Ｄなので、ハー
メチックとなるφ１とφ２の関係は、以下の（４）式で
示すようになる。 φ２／φ１＜{(ｎ-ｋ)+ｎ×ｋ×(ｔ-ｔ０)}/{(ｎ-ｍ)+ｎ×ｍ×(ｔ-ｔ０)}・・・（４）

【００１８】ところで、上述では、電極ピン１０５を気
密封止するステム１０３のスルーホールにおいて、その
側壁およびステム１０３の外側さらに内側の開口周辺ま
でメッキ１０８を形成するようにしているが、これに限
るものではない。このメッキは、図５（ａ）に示すよう
に、ハンダ材３０１がステム１０３に当接する部分に、
メッキ５０１が施されていればよい。すなわち、ハンダ
材３０１を溶融させた時点では、図５（ｂ）に示すよう
に、電極ピン１０５とスルーホールとの隙間に、溶融さ
せたハンダ材３０１が、入っていかない状態となってい
ればよい。

【００１９】ここで、メッキが存在しないと、溶融した
ハンダは、電極ピンを伝わって、不均一にスルーホール
内に入り込んでしまう。このように不均一にハンダが入
り込んでしまっては、気密封止が不完全になってしま
う。そのため、少なくとも、図５に示すようにメッキ５
０１を形成しておけば、溶融したハンダ３０１は、電極
ピン１０５とメッキ５０１とになじんで広がる。そし
て、溶融したハンダ３０１により、スルーホールの開口
部を塞いだ状態が得られる。

【００２０】なお、上記実施の形態では、メッキ材とし
て金を用いるようにしたが、これに限るものではなく、
金，銀，銅，ニッケル，錫，白金，パラジウムなど他の
メッキ材料を用いるようにしても良い。また、上記実施
の形態では、ステム材料としてアルミナセラミックを用
いるようにしたが、これに限るものではない。ステム材
料としては、他のファインセラミックス等、次に示す絶
縁材料を用いるようにしても良い。サファイア，石英，
ムライト，ジルコニア，チタニア，ガラス，窒化シリコ
ン，窒化アルミニウム，炭化シリコン，および，ホウ化
チタンなどの酸化物や窒化物や炭化物もしくはホウ化物
系のセラミック。また、ナイロン，アクリルとスチレン
によるプラスチック（ＡＢＳ，ＡＳ樹脂），エポキシ樹
脂，メラミン樹脂，アミド樹脂，ポリエチレンテレフタ
レート，ポリカーボネート，ポリエチレンテレフタレー
ト，フェノール樹脂，ポリイミド樹脂，ポリメタクリル
酸メチル，ポリアセタール，ポリプロピレン，ポリフェ
ニレンサルファイド，ポリスチレン，フッ素樹脂，ポリ
塩化ビニル，シリコーン樹脂，ユリア樹脂，ポリエステ
ル系の樹脂などである。

【００２１】また、上述では、ハンダ材としてＳｎ−Ａ
ｇ共晶を用いるようにしたが、これに限るものではな
く、錫，鉛，銀，金，銅，鉄，アンチモン，ニッケル，
ビスマス，インジウム，シリコン，リチウム，ボロン，
リン，亜鉛，カドミウム，アルミニウム，チタン，マン
ガンなどの材料からなる合金を用いるようにしても良
い。但し、可能な限り低膨張率を有する材料を用いるよ
うにした方が望ましい。低膨張率を有するハンダ材とし
ては、例えば、錫に対して銀が３．５％のものがある。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、この発明では、所
定値にスルーホールが形成された絶縁性の基台表面のス
ルーホール周辺に金属膜を形成し、基台の厚さ以上の長
さを備えた棒状のピンとその一端に直交して備えられた
板状の底板とから構成された電極ピンの底板が基台裏面
のスルーホール周辺部に当接した状態で、スルーホール
に電極ピンのピンを貫入し、底板でスルーホール開口部
を気密に塞ぎ、基台表面のスルーホール周辺に形成され
た金属膜上に、電極ピンの径より大きくスルーホールの
径より小さい径の穴を中央部に有したハンダ材を、電極
ピンがハンダ材の穴に貫通した状態で載置する。次に、
還元性の気体雰囲気中でハンダ材を加熱して融解し、そ
の融解したハンダ材を電極ピンおよび基台表面のスルー
ホール周辺に形成された金属膜上に密着させ、融解して
いるハンダ材によりスルーホール開口部を塞ぎ、スルー
ホールを塞いでいる溶融しているハンダ材の外側を真空
排気状態とすることで、溶融しているハンダ材を介して
底板と融解しているハンダ材とで塞がれたスルーホール
内を脱気する。そして、スルーホールを塞いでいる溶融
しているハンダ材の外側の真空排気状態を解消し、溶融
しているハンダ材をスルーホール内に押し込み、溶融し
ているハンダ材でスルーホール内が充填された状態とす
るようにした。

【００２３】以上に示したことにより、電極ピンが基台
のスルーホール部でハンダにより気密封止された状態が
得られる。すなわち、この発明によれば、ハンダにより
電極ピンの気密封止を行うようにしているので、その形
成時に高温にすることがなく、気密端子の形成により他
の部品に対して損傷を与えることがない。また、ハンダ
を用いているので、ガラスハーメチックに比較して各部
品の組み付け寸法に余裕がある。したがって、この発明
によれば、製造コストの上昇を招かことが無く、より安
価に気密端子が形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態における気密端子の構
成を示す断面図である。

【図２】この発明の実施の形態における気密端子の形
成方法について説明する断面図である。

【図３】図２に続く、気密端子の形成方法について説
明する断面図である。

【図４】図３に続く、気密端子の形成方法について説
明する断面図である。

【図５】この発明の実施の形態における気密端子の形
成方法について説明する断面図である。

【図６】従来よりある気密端子の構成を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１０１…センサチップ、１０２…台座、１０３…ステ
ム、１０３ａ…領域、１０４…ダイヤフラム、１０５…
電極ピン、１０５ａ…ふた（底板）、１０６…リード
線、１０７…ハンダ、１０８…メッキ（金属膜）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小泉孝一東京都渋谷区渋谷２丁目12番19号山武ハネウエル株式会社内 (72)発明者露木太東京都渋谷区渋谷２丁目12番19号山武ハネウエル株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁性の基台と、前記基台の所定位置に形成されたスルーホールと、前記基台表面の前記スルーホール周辺に形成された金属
膜と、前記基台の厚さ以上の長さを備えた棒状のピンとその一
端に直交して備えられた板状の底板とからなり、その底
板が前記基台裏面の前記スルーホール周辺部に当接して
前記スルーホール開口部を塞いだ状態で、前記ピンが前
記スルーホールに貫入された電極ピンと、前記金属膜，前記スルーホール内の前記ピン側面，前記
スルーホール内に露出している前記底板表面，および，
前記スルーホール側壁に接して前記スルーホールと前記
電極ピンの隙間に充填されたハンダとから構成されたこ
とを特徴とする気密端子。
【請求項２】請求項１記載の気密端子において、前記金属膜が、前記スルーホール側壁に形成されている
ことを特徴とする気密端子。
【請求項３】請求項１または２記載の気密端子におい
て、前記金属膜が、前記基台裏面の前記スルーホール周辺に
形成されていることを特徴とする気密端子。
【請求項４】所定値にスルーホールが形成された絶縁
性の基台表面の前記スルーホール周辺に金属膜を形成す
る第１の工程と、前記基台の厚さ以上の長さを備えた棒状のピンとその一
端に直交して備えられた板状の底板とから構成された電
極ピンの前記底板が前記基台裏面の前記スルーホール周
辺部に当接した状態で、前記スルーホールに前記ピンを
貫入し、前記底板で前記スルーホール開口部を気密に塞
ぐ第２の工程と、前記基台表面の前記スルーホール周辺に形成された金属
膜上に、前記ピンの径より大きく前記スルーホールの径
より小さい径の穴を中央部に有したハンダ材を、前記電
極ピンが前記ハンダ材の穴に貫通した状態で載置する第
３の工程と、還元性の気体雰囲気中で前記ハンダ材を加熱して融解
し、その融解したハンダ材を前記電極ピンおよび前記基
台表面の前記スルーホール周辺に形成された金属膜上に
密着させ、融解しているハンダ材により前記スルーホー
ル開口部を塞ぐ第４の工程と、前記スルーホールを塞いでいる前記溶融しているハンダ
材の外側を真空排気状態とすることで、前記溶融してい
るハンダ材を介して前記底板と前記融解しているハンダ
材とで塞がれた前記スルーホール内を脱気する第５の工
程と、前記スルーホールを塞いでいる前記溶融しているハンダ
材の外側の真空排気状態を解消し、前記溶融しているハ
ンダ材を前記スルーホール内に押し込み、前記溶融して
いるハンダ材で前記スルーホール内が充填された状態と
する第６の工程とを備えたことを特徴とする気密端子の
形成方法。
【請求項５】請求項４記載の気密端子の形成方法にお
いて、前記第６の工程で、前記スルーホールを塞いでいる前記
溶融しているハンダ材の外側に不活性ガスを導入するこ
とで真空状態を解消することを特徴とする気密端子の形
成方法。
【請求項６】請求項４記載の気密端子の形成方法にお
いて、前記第６の工程で、前記スルーホールを塞いでいる前記
溶融しているハンダ材の外側に還元性ガスを導入するこ
とで真空状態を解消することを特徴とする気密端子の形
成方法。