(57)【要約】【課題】金属ピンの接合部付近のセラミック基体や接着ガラスにクラックが発生せず、セラミック基体と金属ピンとを強固かつ気密性高く接合することが可能なセラミック基体と金属ピンとの接合構造を提供すること。【解決手段】相対向する上下の主面を有するセラミック基体１の主面間を貫通する貫通孔４に金属ピン２を上側の主面より挿通し、接着ガラス３を介して接合して成るセラミック基体１と金属ピン２との接合構造であって、貫通孔４は、上側開口部に金属ピン２の頭部２ａを収容する座繰り部４ａが、下側開口部に下側の主面に対して２０°乃至４５°の傾斜角の面取り部４ｂがそれぞれ形成されているとともに、金属ピン２は、頭部２ａが座繰り部４ａに収容されてその内面に、下側開口部に位置する部分が面取り部４ｂにそれぞれ接着ガラス３を介して接合されている。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対向する上下の主面を有するセラミック基体の前記主面間を貫通する貫通孔に金属ピンを上側の前記主面より挿通し、接着ガラスを介して接合して成るセラミック基体と金属ピンとの接合構造であって、前記貫通孔は、上側開口部に前記金属ピンの頭部を収容する座繰り部が、下側開口部に下側の前記主面に対して２０°乃至４５°の傾斜角の面取り部がそれぞれ形成されているとともに、前記金属ピンは、前記頭部が前記座繰り部に収容されてその内面に、前記下側開口部に位置する部分が前記面取り部にそれぞれ前記接着ガラスを介して接合されていることを特徴とするセラミック基体と金属ピンとの接合構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気機器や電子機器等において用いられるセラミック基体と金属ピンとの接合構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えばフォルステライトやアルミナ等のセラミックスは、電気絶縁性、耐熱性、化学的安定性等の諸特性に優れることから、電気機器や電子機器用の絶縁材料として使用されてきた。セラミックスを電気機器に用いた一例として、図３に示すように、略平板状のセラミック基体１１に略円柱状の金属ピン１２を接着ガラス１３によって接合固定して成るセラミック基体１１と金属ピン１２との接合構造がカラーテレビジョン用の受像管（ブラウン管）等に用いられている。
【０００３】
この接合構造におけるセラミック基体１１と金属ピン１２との接合は、セラミック基体１１の一方の主面から他方の主面にかけて一方の主面側に座繰り部１４ａを有する貫通孔１４を設け、金属ピン１２の頭部１２ａを座繰り部１４ａに収まる程度の大径部として頭部１２ａが座繰り部１４ａに収容されるようにして貫通孔１４に金属ピン１２を挿通し、座繰り部１４ａ内に頭部１２ａを覆うように接着ガラス１３を充填することによってなされる（例えば、下記の特許文献１参照）。
【０００４】
この従来の接合構造において、座繰り部１４ａに充填された接着ガラス１３は、その表面がセラミック基体１１の座繰り部１４ａ側の主面から０．１ｍｍ以上離間した位置を外周とした凹面とされていることにより、セラミック基体１１と接着ガラス１３との熱膨張係数差に起因する熱応力が座繰り部１４ａの開口縁近傍に直接作用することがなく、良好に分散されて、座繰り部１４ａ周辺のセラミック基体１１にクラックが発生することがないので、セラミック基体１１と金属ピン１２との接合部を強固でかつ気密性に優れたものとすることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２３３６７９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のセラミック基体１１と金属ピン１２との接合構造においては、セラミック基体１１の座繰り部１４ａが設けられた主面側におけるセラミック基体１１と金属ピン１２との接合部を強固でかつ気密性に優れたものとすることができるものの、セラミック基体１１と金属ピン１２との接合に粘性の低い接着ガラス１３を用いた場合、接着ガラス１３が貫通孔１４と金属ピン１２との隙間を通ってセラミック基体１１の他方の主面に流出し易くなる。そうすると、セラミック基体１１と金属ピン１２との他方の主面での接続構造が、図４に示すように、金属ピン１２がセラミック基体１１の主面に接着ガラス１３を介して接合されたものとなることから、セラミック基体１１と接着ガラス１３との熱膨張係数の相違によって、他方の主面側の貫通孔１４周辺のセラミック基体１１に大きな熱応力が加わる。その結果、他方の主面側の貫通孔１４周辺のセラミック基体１１や接着ガラス１３にクラックが発生し、接合部の機械的強度や気密性等が著しく低下することがあるという問題点を有していた。
【０００７】
従って、本発明は上記従来の問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、金属ピンの接合部付近のセラミック基体や接着ガラスにクラックが発生することがなく、セラミック基体と金属ピンとを強固かつ気密性高く接合することが可能なセラミック基体と金属ピンとの接合構造を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミック基体と金属ピンとの接合構造は、相対向する上下の主面を有するセラミック基体の前記主面間を貫通する貫通孔に金属ピンを上側の前記主面より挿通し、接着ガラスを介して接合して成るセラミック基体と金属ピンとの接合構造であって、前記貫通孔は、上側開口部に前記金属ピンの頭部を収容する座繰り部が、下側開口部に下側の前記主面に対して２０°乃至４５°の傾斜角の面取り部がそれぞれ形成されているとともに、前記金属ピンは、前記頭部が前記座繰り部に収容されてその内面に、前記下側開口部に位置する部分が前記面取り部にそれぞれ前記接着ガラスを介して接合されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明のセラミック基体と金属ピンとの接合構造は、金属ピンが挿通されるセラミック基体の上下主面間を貫通する貫通孔は、上側開口部に金属ピンの頭部を収容する座繰り部が、下側開口部に下側の主面に対して２０°乃至４５°の傾斜角の面取り部がそれぞれ形成されているとともに、金属ピンは、頭部が座繰り部に収容されてその内面に、下側開口部に位置する部分が面取り部にそれぞれ接着ガラスを介して接合されていることから、貫通孔の下側開口部の面取り部に形成される接着ガラスのメニスカスは面取り部に均一に形成されて、セラミック基体の下側主面に接着ガラスが流出するのを有効に防止するとともに、セラミック基体と接着ガラスとの熱膨張係数差に起因する熱応力がセラミック基体の貫通孔の下側開口部近傍に直接作用することを有効に防止することができる。その結果、上記熱応力は貫通孔の下側開口部の面取り部により良好に分散され、セラミック基体や接着ガラスにクラックが発生することがなく、セラミック基体と金属ピンとを強固かつ気密性高く接合することが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明のセラミック基体と金属ピンとの接合構造について以下に詳細に説明する。図１は、本発明のセラミック基体と金属ピンとの接合構造の実施の形態の一例を示す断面図であり、１はセラミック基体、２は金属ピン、３は接着ガラスである。
【００１１】
本発明の接合構造は、相対向する上下の主面を有するセラミック基体１の主面間を貫通する貫通孔４に金属ピン２を上側の主面より挿通し、接着ガラス３を介して接合して成るセラミック基体１と金属ピン２との接合構造であって、貫通孔４は、上側開口部に金属ピン２の頭部２ａを収容する座繰り部４ａが、下側開口部に下側の主面に対して２０°乃至４５°の傾斜角の面取り部４ｂがそれぞれ形成されているとともに、金属ピン２は、頭部２ａが座繰り部４ａに収容されてその内面に、下側開口部に位置する部分が面取り部４ｂにそれぞれ接着ガラス３を介して接合されている構成である。
【００１２】
本発明のセラミック基体１は、フォルステライトやアルミナ等のセラミックスから成る略平板であり、その相対向する主面のうち上側の主面側で貫通孔４の開口部に座繰り部４ａが形成されている。このセラミック基体１は複数の金属ピン２を互いに電気的絶縁をもって支持固定する支持体であり、貫通孔４内には金属ピン２が接着ガラス３を介して接着固定されている。このセラミック基体１は、そのセラミックスとなる原料粉末を所定のプレス金型内に充填してプレス成型することにより生セラミック成形体を得、しかる後、この生セラミック成形体を高温（１６００℃程度）で焼成することによって製作される。
【００１３】
なお、セラミック基体１は、その上側の主面と座繰り部４ａ側面との間の角部に、曲率半径が０．１〜１ｍｍ程度の円弧状の面取り部、または幅が０．１〜１ｍｍ程度で主面に対する角度が３０〜６０゜程度の平面状の面取り部を形成するのが良く、この場合、角部に外部部材との接触等による欠け等が発生することを有効に防止するとともに、角部に加わる応力を面取り部により分散緩和することができる。
【００１４】
さらに、座繰り部４ａの側面と底面との間の角部に、曲率半径が０．１〜１ｍｍ程度の円弧状の面取り部、または幅が０．１〜１ｍｍ程度で底面に対する角度が３０〜６０゜程度の平面状の面取り部を形成するのが良く、座繰り部４ａ内に接着ガラス３を充填した際に、この角部において接着ガラス３が内部に気泡を巻き込むことなく良好に充填される。
【００１５】
また、本発明の金属ピン２は、例えば鉄−ニッケル合金や鉄−ニッケル−コバルト合金等の金属から成る略円柱状であり、その一端側に、貫通孔４の座繰り部４ａ内に収容可能な程度に大径化された頭部２ａを有している。そして、頭部２ａが座繰り部４ａ内に収容され、他端側がセラミック基体１から突出するようにして貫通孔４内に挿通され、頭部２ａを座繰り部４ａ内に接着ガラス３を介して接着することによってセラミック基体１に接合されている。この金属ピン２は、カラーテレビジョン受像機等の電気装置や電子装置内の他の部品との間で電気的な接続や機械的な接続を取るための端子として機能し、セラミック基体１から突出した部位には、他の部品が電気的、機械的に接続される。
【００１６】
この金属ピン２は、鉄−ニッケル合金や鉄−ニッケル−コバルト合金等から成る断面形状が円形の線材に切断加工およびプレス加工を施すことによって、一端側に大径化された頭部２ａを有する略円柱状に製作される。また、座繰り部４ａ内に収容されるのであれば頭部２ａは大径化されていなくてもよく、金属ピン２の本体部の径と頭部２ａの径が同径であっても構わない。
【００１７】
また、セラミック基体１に金属ピン２を接合するための接着ガラス３としては、硼珪酸系の低融点ガラスが良く、これは軟化点が高い方であり、フォトダイオードや発熱量が大きい光電子倍増管を用いた撮像装置等に用いるうえで耐熱性の点で優れている。硼珪酸系の低融点ガラスは軟化点が６００〜７５０℃程度である。
【００１８】
なお、セラミック基体１と金属ピン２とを接着ガラス３を介して接合するには、セラミック基体１の貫通孔４内に金属ピン２をその頭部２ａが座繰り部４ａ内に収容されるようにして挿通するとともに、座繰り部４ａ内にリング状の接着ガラス３のタブレットを挿入し、これを還元雰囲気中、約９５０〜１２５０℃の温度で加熱し、タブレットを軟化溶融させる方法などが採用される。
【００１９】
また、貫通孔４の座繰り部４ａにおける接着ガラス３の表面は、セラミック基体１の上側の主面から０．１ｍｍ以上離間した位置を外周とする凹面となっていることが良く、その場合、セラミック基体１と接着ガラス３との熱膨張係数差に起因する熱応力が接着ガラス３から座繰り部４ａの外周縁近傍に直接作用することを防止することができるとともに、凹面となった接着ガラス３の表面で熱応力を有効に分散緩和させることができ、その結果、セラミック基体１の座繰り部４ａ近傍に熱応力によるクラックが発生するのを有効に防止することができる。
【００２０】
また、接着ガラス３の表面が平坦面あるいは凸面であると、セラミック基体１と接着ガラス３との熱膨張係数差に起因する熱応力を有効に分散緩和させることが困難となる。従って、接着ガラス３の表面は凹面であることがよい。
【００２１】
さらに、接着ガラス３は、その表面外周から表面中央までの深さが座繰り部４ａの直径の５分の１未満となると、セラミック基体１と接着ガラス３との熱膨張係数差に起因する熱応力を有効に分散緩和することが困難となる。従って、接着ガラス３の表面外周から表面中央までの深さは、座繰り部４ａの直径の５分の１以上であることが好ましい。また、金属ピン２の頭部２ａ上面から接着ガラス３表面の中央までの厚みが０．１ｍｍ未満であると、セラミック基体１と金属ピン２とを強固に接合することが困難となる。従って、金属ピン３の頭部３ａ上面から接着ガラス３表面の中央までの厚みは、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。
【００２２】
また本発明においては、図２に示すように、セラミック基体１の貫通孔４の下側開口部に、セラミック基体１の下側の主面に対して２０°乃至４５°の傾斜角の面取り部４ｂが形成されており、貫通孔４を通って座繰り部側４ａ側より流出した接着ガラス３が面取り部４ｂで金属ピン２に接着されている。面取り部４ｂの傾斜角が２０°未満であると、面取り部４ｂが下側の主面に平行に近くなり、セラミック基体１と接着ガラス３との熱膨張係数差に起因する熱応力を十分に分散することができず、セラミック基体１にクラックが発生し易くなる。また、４５°を超えると、面取り部４ｂと接着ガラス３との接合界面に金属ピン２に加わる外力によって作用する剪断力が大きくなり、接着ガラス３にクラックが発生し易くなる。
【００２３】
また、面取り部４ｂの下側の主面からの深さは、０．０５〜０．５ｍｍであることが好ましい。０．０５ｍｍ未満であると、面取り部４ｂに接着ガラス３の均一なメニスカスを形成しにくくなり、セラミック基体１と接着ガラス３との熱膨張係数差に起因する熱応力を十分に分散することができず、セラミック基体１にクラックが発生し易くなる。また、０．５ｍｍを超えると、金属ピン２を接合したセラミック基体１を電気装置等に半田を介して実装する際に、面取り部４ｂの半田溜りが多くなり、実装後に半田取れが発生し易くなる。
【００２４】
【実施例】
本発明の接合構造の実施例を以下に説明する。
【００２５】
セラミック基体１として、縦１５ｍｍ×横１２ｍｍ×厚さ１．７８ｍｍの平板状のアルミナセラミックスからなるものを用い、金属ピン２挿通用の直径０．７３ｍｍの貫通孔４が１０個形成されており、貫通孔４の上側開口部には直径１．６ｍｍ、深さ０．３５ｍｍの座繰り部４ａを形成するとともに、下側開口部にはセラミック基体１の下側の主面に対する傾斜角を種々の値（下記表１参照）とした面取り部４ｂを形成した。
【００２６】
金属ピン２としては、頭部２ａ以外の本体部分の直径が０．７ｍｍで本体部分の長さが８．２ｍｍと４．８５ｍｍ、頭部２ａの直径が１．０ｍｍで頭部２ａの高さが０．１５ｍｍであり、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金からなる２種類のものを用いた。接着ガラス３としては、軟化点が７２０℃の硼珪酸ガラスからなるものを用いた。
【００２７】
セラミック基体１の貫通孔４に上側開口部より金属ピン２を挿通するとともに頭部２ａを座繰り部４ａに収容し、座繰り部４ａ内にリング状タブレットの接着ガラス３を挿入した。次に、この状態のセラミック基体１を還元雰囲気中、１０００℃の温度に加熱し、接着ガラス３を軟化溶融させ、金属ピン２を接着ガラス３を介してセラミック基体１の貫通孔４に接合して評価用の試料を作製した。
【００２８】
次に、これらの試料について、ＭＩＬ−ＳＴＤ（Ｍｉｌｉｔａｒｙ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　Ｓｔａｎｄａｒｄｓ；米軍仕様書）−８８３の試験方法２０２８に従って、金属ピン２の下端部を２０°曲げ、２．５ｋｇ（２４．５Ｎ）の力で２０°方向に引っ張る引っ張り試験を行い、セラミック基体１および接着ガラス３のクラック発生の有無について評価した。その結果を表１に示す。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
表１より、面取り部４ｂの傾斜角が２０°未満の１５°である試料Ｎｏ．１では、面取り部４ｂが下側の主面に平行に近いものとなり、セラミック基体１と接着ガラス３との熱膨張係数差に起因する熱応力を十分に分散することができず、セラミック基体１にクラックが発生した。また、傾斜角が４５°を超える５０°である試料Ｎｏ．８では、面取り部４ｂと接着ガラス３との接合界面に外力によって作用する剪断力が大きくなり、接着ガラス３にクラックが発生した。
【００３１】
これに対して、傾斜角が２０°〜４５°である本発明の試料Ｎｏ．２〜７は、セラミック基体１および接着ガラス３にクラックが発生しない優れたものであった。
【００３２】
かくして、本発明によれば、セラミック基体１および接着ガラス３にクラックが発生することのない、機械的強度や気密性に優れたセラミック基体１と金属ピン２との接合構造を提供することができる。
【００３３】
なお、本発明は、上述の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更は可能である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明のセラミック基体と金属ピンとの接合構造は、金属ピンが挿通されるセラミック基体の上下主面間を貫通する貫通孔は、上側開口部に金属ピンの頭部を収容する座繰り部が、下側開口部に下側の主面に対して２０°乃至４５°の傾斜角の面取り部がそれぞれ形成されているとともに、金属ピンは、頭部が座繰り部に収容されてその内面に、下側開口部に位置する部分が面取り部にそれぞれ接着ガラスを介して接合されていることにより、貫通孔の下側開口部の面取り部に形成される接着ガラスのメニスカスは面取り部に均一に形成されて、セラミック基体の下側主面に接着ガラスが流出するのを有効に防止するとともに、セラミック基体と接着ガラスとの熱膨張係数差に起因する熱応力がセラミック基体の貫通孔の下側開口部近傍に直接作用することを有効に防止することができる。その結果、上記熱応力は貫通孔の下側開口部の面取り部により良好に分散され、セラミック基体や接着ガラスにクラックが発生することがなく、セラミック基体と金属ピンとを強固かつ気密性高く接合することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミック基体と金属ピンとの接合構造について実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】図１の接合構造の要部拡大断面図である。
【図３】従来のセラミック基体と金属ピンとの接合構造を示す断面図である。
【図４】図３の接合構造の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１：セラミック基体
２：金属ピン
２ａ：頭部
３：接着ガラス
４：貫通孔
４ａ：座繰り部
４ｂ：面取り部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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