(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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と前記電極ピンとの隙間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２】
請求項１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３】
請求項１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。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の気密端子の形成方法により形成された気密端子。
【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６０２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と電極ピンとの隙間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，５０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１０３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１０５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１０５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１０３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２ＧＰａ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Ｈｅ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１０３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１０５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１０３，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３０１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１０５とをリード線１０６で接続し、ステム１０３の領域１０３ａ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３０１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１０５の隙間Ｗh は、次の（１）式で示される。
Ｗh=[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＝Ｗh×｛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５０１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−Ａｇ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）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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