JP4517376B2 - 電子部品の真空容器の封止方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は気密な容器の内部に電子部品を納め、その電子部品を真空の環境内で動作させるために、容器の内部を真空に保って封止を行う技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
真空中で動作させるべき電子部品の種類は多い。例えば半導体を用いた素子は劣化を避けるために真空中または不活性ガス中で動作させる。また周波数基準となる水晶振動子や振動ジャイロセンサ用の振動子で高精度を要求されるものは、振動に対する気体の抵抗力を除くために、例えば１Ｐａ以内の真空度である環境中で励振されることが望ましい。そこでそれらの電子素子を真空中に置くためには、まず大気中で気密な容器（パッケージ）内部に組立て、かつ容器に設けたハーメチック端子に対して必要な接続を行い、その後容器内の空気を排気した上で密閉することが行われる。
【０００３】
容器は多くの場合箱型をなす。容器は通常ハーメチック端子群を備えた基台と蓋との２部材から成る。電子部品を内部に実装し組み立てを終わった容器を気密に構成するには次の方法がある。（１）ハンダ付け法は基台と蓋との周縁部を溶融ハンダで接合する。（２）抵抗溶接法は例えば蓋の周縁部に枠状のプロジェクションを設けておき、それを基台の周縁部に加圧接触させて通電し、一挙に接合する。（３）コールドウェルド法は重ね合わせた基台と蓋の周縁部を金型で強く圧接する。（４）シーム溶接法は抵抗溶接法の一種であるが、ローラー状をなした電極を重ね合わせた基台と蓋の周縁部に沿って動かしつつパルス状の溶接電流を短い間隔で反復して流し接合する。
【０００４】
上記（４）のシーム溶接技術は本願発明の実施の形態の一例にも用いるので詳しく説明しておく。図４はシーム溶接装置の要部（電極および被溶接物）を示す部分断面図である。図４において、１は箱型をなす容器であり、ガラス部材をリード線が貫通している気密端子１ｂ付きのコバール等より成る金属の基台１ａと、平板である金属の蓋１ｃとより成る。基台１ａと蓋１ｃとには無電解ＮｉメッキまたはＡｕメッキ（例えば厚さ数μｍ以内）が施されている。容器１の内部の箱型の空間には電子部品２が収容され、気密端子１ｂのリード線と接続されかつ固定されている。電子部品２は真空中で動作させることが好ましい部品で、例えば振動ジャイロセンサや加速度センサの主体となる振動体であり、あるいは半導体より成る電子部品である。
【０００５】
基台１ａは絶縁材であるセラミクス台１３上にセットされる。例えばセラミクス等の台１３は図示しない案内装置によって直線または回転移動ができるジグテーブル１４上に固定されていて共に移動する。１２ａ、１２ｂはテーパー形状を与えられ、回転するローラ電極であり、それらは溶接電源１１の２つの出力端子に接続されており、また基台１ａ上に載置された蓋１ｂの縁に圧接しながら転動する。溶接電源１１からは短い間隔で連続したパルス状の溶接電流が発生している。溶接電流は主にローラ電極１２ａ、蓋１ｂ、基台１ａ、基台１ａの他側、蓋１ｂの他側、ローラ電極１２ｂの経路を通って流れる。（蓋１ｂは薄いので蓋内部を通って短絡する電流は少ない。）
【０００６】
その結果、蓋１ｂと基台１ａとはその周縁に沿って連続的に十分密接した間隔で、従って気密に多点溶接される。なおシーム溶接によっては、溶接条件にもよるが、蓋１ｂまたは基台１ａの母材はあまり融けず、主にメッキが融けて創設が行われるともいわれる。容器１の平面形状が方形である場合には、相対向する平行縁辺の溶接後、ジグテーブル１４を９０°回転し、残りの対向する縁辺の溶接を行へば、蓋１ｂと基台１ａとの完全な気密接合が完成する。シーム溶接法は容器のサイズ変更に対しても容易に対応でき、比較的大型の容器（例えば数１０ｍｍ角）のシールも効率よく行える長所がある。
【０００７】
さて従来例一般の説明に戻る。最終的に容器の内部を真空にするには２通りの方法がある。第１の方法は基台と蓋との周縁部を真空中で溶着する方法であり、１工程で真空封止が完成する。例えばハンダ付け法では基台と蓋とにハンダメッキしておき、真空中で接触加熱して接続する。またコールドウェルド法では重ね合わせた基台と蓋の周縁部を真空中にて金型で強く冷間圧接する。あるいは真空中で他に孔のない容器のシーム溶接を行う。また第２の方法は基台と蓋とのいずれか一方に容器内部に通じる小孔を設けておき、小孔を残して気密接合を大気中で行い、次いで真空中に移してから小孔を塞ぐ方法である。塞ぐ方法としては溶融ハンダで封止する方法やインジウムのような軟質金属を小孔に押しつける方法等がある。また小孔ではないが、銅などの小パイプを予め容器に貫通させてロウ付けしておき、真空中でパイプを潰す方法もある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術については次のような問題点がある。まず第１の方法（真空中での全周封着）において、ハンダ付け法では溶融ハンダの一部が気化して容器内に飛散残留し、内部の電子部品を汚染する可能性が高い。コールドウェルド法では、特に多数の製品を同時に封じるためには、金型の上型と下型とを平行移動させしかも大きな圧接力を発生させるよう大型の頑丈な金型を高精度で真空槽内で動かさねばならない。シーム溶接機も圧接、転動、平行移動、回転等多種の可動部が多く、従って大型となる。これらの装置を収容するため、極めて容積の大きな真空槽を必要とし、その可動機構や加圧機構は外部から遠隔操作する必要性も加えて甚だ複雑とならざるを得ない。また大面積で複雑な可動部からは吸蔵ガスが発生するので、槽内を能率よく排気するためには高能率かつ到達真空度の高い排気ポンプを必要とする。即ち真空装置が大型で高価となる。
【０００９】
また第２の方法（残した小孔等の真空中封口）においては、第１の方法ほどの大規模な真空設備を必要としない長所はあるが、溶融ハンダ使用の場合はやはりガス発生のおそれがあり、軟質金属使用の場合は取扱いがやや面倒であり、信頼性が十分であるとは言えない。パイプ潰し法はパイプ溶接の予備工程が必要な上、封止後の容器にかなり大きな突起が生じるので好ましくない。
【００１０】
本発明の目的は、複雑な操作機構を備えた大型の真空槽や高度な能力の真空ポンプを必要とせず、工程中のガス発生が少なく、結果的に簡素で廉価な装置を用いて容易かつ簡便に低コストで実施できる、電子部品の真空封止方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の電子部品の真空容器の封止方法は次の特徴を備える。
（１）箱型の容器の部品である、気密絶縁端子付きの金属の基台と蓋とを準備し、それらの一方に前記容器の内外に貫通する円形の小孔を設ける工程と、前記基台上に真空中で動作させるべき電子部品を取り付けかつ前記気密絶縁端子と接続する工程と、大気中またはガス中で前記基台の周縁部と前記蓋の周縁部とを気密に接合することによって前記電子部品の内装された前記箱型の容器を完成する工程と、真空槽の中で前記小孔より内部の気体を排気する工程と、同じ真空槽の中で前記小孔の外端開口部に前記小孔を塞ぐ封口部材として前記小孔の内径よりも大きな直径を持つ金属球を加圧当接させ前記小孔の外側開口部と抵抗溶接し、前記金属球が主に溶融変形しつつ溶接の相手である前記基台あるいは蓋の表面に押し込まれる結果、該基台あるいは蓋の表面よりの最終突出高さが、前記金属球の元の半径以下となるようにする工程とを含むこと。
【００１２】
本発明の電子部品の真空容器の封止方法は更に次の特徴の少なくとも一つを備えることがある。
（２）前記金属球の素材の直径は、前記小孔の内径の１．３倍から２倍であること。
【００１３】
（３）前記抵抗溶接の際に溶接電極に設けた前記金属球に接する小孔の端部と、前記容器に設けた前記小孔の外端開口部とに面取りを施したこと。
【００１４】
（４）前記小孔の外端開口部に浚い部を設け、前記金属球の一部または全部を前記浚い部に沈めたこと。
【００１５】
（５）前記金属球の材質はステンレス鋼であること。
【００１６】
（６）前記容器の排気を行っている期間、前記金属球を、前記小孔の軸上の離れた位置において、溶接電極の円筒状の先端に磁力によって保持すること。
【００１７】
（７）前記大気中またはガス中で前記基台の周縁部と前記蓋の周縁部とを気密に接合することによって前記電子部品の内装された前記箱型の容器を完成する工程にはシーム溶接技術を用いたこと。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態の一例において使用する小型封口装置の要部の断面図である。１は真空封止すべき容器で、記述の図４の従来技術において説明したものと基本的に同じである。容器１は電子部品２を内蔵し、基台１ａと蓋１ｃとより成り、両者は以前の工程において大気圧の空気中または不活性ガス中でシーム溶接されている。容器はセラミックス等の絶縁性の台７上に載置される。台７の一方には容器１に残された小孔１ｄに面して溶接電極４が固定される。溶接電極４は溶着を避けるためクロム銅等の材質とし、小孔４ａを有し内部には磁石６を埋めてある。封口部材であるステンレス製の金属球３ａは磁力により吸引されて小孔５の外端に保持されている。
【００２３】
台７の他方の側には容器１の側面を押すためのプランジャー７ａであって、台７に設けた直動ベアリング７ｄ内を軸方向に摺動する。押圧力（溶接時の加圧力）は予め圧縮されたコイルバネ７ｂとバネ受板７ｃとにより与えられる。またプランジャー７ａの左端にはカム板７ｆが固着されており、カム板７ｆの右面は台７に植えたストッパーピン７ｅに当たっているが、カム板７ｆが回されてそのスリット７ｇにストッパーピン７ｅが落ち込むとプランジャー７ａはバネ力により矢印９方向に移動し、容器１を滑らせ、小孔１ｄの開口部を金属球３ａに当接させかつ加圧する。
【００２４】
上記の装置は、真空槽内では封口部材を小孔に圧接するという実質的に１自由度（１方向）の動作が行えればよく、その遠隔操作手段も含めて構造が単純で、しかも圧接力も大きくないので、全体を比較的小型の真空槽（図示せず）内に納めることができる。なお真空槽の外部に単発の電流パルスを発生させる溶接電源１０があり、その電流出力線は真空槽の絶縁端子を経由して、溶接電極４と他方の溶接電極を兼ねるプランジャー７ａとに結線されている。本装置の可動部は極めて簡単な構造なので吸蔵ガスの発生も少なく、大能力の排気ポンプを用いずとも、電子部品２が振動体を封止する場合に好適な例えば５／１００Ｐａ程度の真空度が容易に得られる。
【００２５】
真空封止工程は以下のようである。プランジャー７ａを左に引いてコイルバネ７ｂをチャージし、カム板７ｆをストッパーピン７ｅに当接させておく。金属球３ａを溶接電極４に吸引保持させ、台７上に周縁部の封止を終わった容器１を正しい位置に乗せる。小孔１ｄと金属球３ａとは容器１内の排気を容易にするため少し離しておく。この状態で真空槽を閉じ、排気する。所定の真空度に達したら、真空槽を貫通した回転軸を有する操作部材８を外部のハンドルによって回転させ、カム板７ｆを引っかけて回し、ストッパーピン７ｅをスリット７ｇ内に落とし、プランジャー７ａで容器１を押し、小孔１ｄと金属球３ａを当接させる。次に溶接電源１０のスイッチ（図示せず）を投入し、プランジャー７ａ−容器１−小孔１ｄ外端部−金属球３ａ−溶接電極４の経路で流れる電流によって金属球３ａを容器１に抵抗溶接し、真空封止を完了する。
【００２６】
溶接条件は例えば以下のようであった。容器１の材質はコバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金）、小孔１ｄの直径は１ｍｍ（０．３Ｃの面取り付き）、金属球３ａの材質はＳＵＳ３０４またはＳＵＳ４４０Ｃ、直径は１．５ｍｍ、溶接電極４の小孔４ａの直径は１ｍｍ（金属球３ａに接する側に０．３Ｃの面取り付き）、加圧力は１５０Ｎ、溶接電流は１５００Ａ、通電時間は５０ｍｓ。なお金属球３ａの直径を変えて試したところ、１ｍｍでは溶接されず、１．２ｍｍでは気体のリークが認められ、１．５ｍｍで完全な封口ができた。直径の上限は更に大きく、２ｍｍ程度（あるいは小孔１ｄの直径の約２倍程度）までは許容できるであろうと思われる。
【００２７】
金属球はボールベアリング等に使用されているため入手が容易でありかつ安価である。また上記のようにステンレス材を用いた理由は、他の材質に比してステンレス材は体積固有抵抗が高くて通電による発生熱量が多く、抵抗溶接に適しているからである。また耐蝕性に優れ製品の信頼性の点でも好ましい。また金属球は上記上限よりも更に大きくても抵抗溶接は可能であるが、本例の構造において封口溶接後の容器表面からの突出高さを過大にしないために、ある限度内の球径であることが望ましい。なお更に大きな直径の金属球を用い得る他の実施の形態については図５を用いて後述する。
【００２８】
図２（ａ）、（ｂ）に溶接前後の状態を拡大して断面図で示す。（ａ）は溶接直前の電極４、金属球３ａ、小孔１ｄの相互位置関係、（ｂ）は溶接後の状況である。溶接電流は小孔４ａの面取り部と小孔１ｄの面取り部による小面積のリング状の接触面から金属球３ａに出入りし、その付近の金属球が溶融して加圧力によってフランジ状に広がって潰れ、同時に容器の小孔１ｄの外端部と金属球の一部とが、材質成分（Ｆｅ）が共通で親和性があるため溶着していると考えられる状態が示されている。このように金属球はかなり強く潰されるので、封止完了後の容器の外部への突出量も例えば元の金属球の半径程度以下で済む。
【００２９】
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ本発明の他の実施の形態の要部を示す関係部品の配置の部分断面図である。各実施の形態においては、用いる封口部材３の形状が球状ではなく異なっている。各封口部材３は塑性変形加工した板材から打ち抜かれたもので、いずれも容器１の小孔１ｄ側に向けた凸面を有し、他の面はほぼ平面をなす。他の面に当接する溶接電極４の面には従って小孔を設ける必要がないので平面としている。（ａ）の封口部材３は板材に半球状の突起（プロジェクション）を、（ｂ）は円錐状の突起を、（ｃ）は小孔１ｄの周囲に当接するリング状の突起を有する。
【００３０】
（ａ）、（ｂ）は小孔１ｄの外端部の縁部と封口部材３の突起との接触部に溶接電流が集中して両材が互いに融け合い、（ｃ）ではリング状の突起の頂点と容器１の表面とのリング状の接触部が溶着する。これらの封口部材は溶接後の突出高さが低い利点がある。また各封口部材の位置決めはその外形（円板や角板）を利用してもよいし、帯材を母材として打抜き、母材に戻して帯材上に保持させてもよく、また球状の場合のように磁力で溶接電極４の面に吸着させて保持してもよい。
【００３１】
図５（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の更に他の実施の形態における封口部分の溶接直前（封口部材が小孔に圧着されたが未溶接）の状態を示した要部断面図である。本実施の形態においては、容器１の小孔１ｄの外端開口部に浚い部１ｅを設け、封口部材３（金属球３ａを含む）の一部あるいは全部を容器内に沈めた構造とした。このことにより、例えば大形の封口部材を用いても溶接後の容器からの突出高さを減らしあるいは無くし、また完成品が他物に当って封口部材が脱落する危険を減らすことができる。
【００３２】
以上複数の本発明の実施の形態について述べたが、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されるものではない。例えば容器１の予備的封止はシーム溶接に限らず、他の手段、例えばハンダその他のロウ材を用いてもよいし、小孔を蓋側に設けたり、その内径、面取り、形状、表面仕上げあるいは表面処理等を変更あるいは追加したり、封口装置の構造、作動手段、封口部や封口部材の形状や保持方法等に更に異なる形態や材質を与えてもよい。また溶接条件も例示のものに限られないことは当然である。また同一の真空槽内で並列にセットした複数の容器の封口操作を同時にあるいは順次に行うことも容易に実施できる。
【００３３】
【発明の効果】
（１）本発明は請求項１に示すように、小孔を残した気密容器を大気圧中で完成し、真空中で排気すると共に小孔をその内径よりも大きな金属球を用いて、単純な動作でかつ比較的小さな圧接力を与えて抵抗溶接により封じる方法であるから、大型で複雑な内外操作機構を備えた真空ポンプを必要とせず、工程中のガス発生が少なく、結果的に廉価な装置を用いて容易かつ簡便に低コストで実施することができる。また金属球を大きく変形させて容器側に押し込み、容器表面よりの最終突出高さを金属球の元の半径以下となるようにしたので、封口部の溶着を確実化し、真空維持の信頼性を向上する効果がある。
【００３４】
また請求項２以下の構成を加えたときに得られる更なる個別の効果を、各請求項に対応させた番号を付して列記する。
（２）金属球の直径を容器側の小孔の内径の１・３倍から２倍とすることにより、確実性のある封口が行える効果がある。
【００３５】
（３）溶接電極の小孔と容器側の小孔に面取りを施すことによって、良好な溶接結果を得ることができる。
（４）金属球を封口部にもうけた浚い部に沈めたことにより、封口後の突出部を少なくし、あるいは無くすことができる。
【００３６】
（５）金属球の材質をステンレス鋼とすることにより、容器側材質との溶着性に優れ、また磁力による保持もできる。
（６）溶接前の金属球を磁力によって保持するようにしたので、排気前の封止装置のセッティングが容易になり、能率的な真空封止方法を提供することができた。
【００３７】
（７）容器の気密接合にシーム溶接技術を用いたことにより、大型の容器でも簡便かつ確実に封止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例に用いる装置の要部断面図である。
【図２】本発明の実施の形態において封口部材として金属球を用いた封止工程を示す要部断面図で、（ａ）は封止前、（ｂ）は封止後の状態である。
【図３】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明の他の実施の形態においてそれぞれ異なる形状の封口部材と、容器および溶接電極との関係を示した要部断面図である。
【図４】本発明にも適用しうる従来技術であるシーム溶接に用いる装置の要部断面図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の更に他の実施の形態における封口部分の溶接直前の状態を示した要部断面図である。
【符号の説明】
１ 容器
１ａ 基台
１ｂ 気密端子
１ｃ 蓋
１ｄ 小孔
１ｅ 浚い部
２ 電子部品
３ 封口部材
３ａ 金属球
４ 溶接電極
４ａ 小孔
６ 磁石
７ 台
７ａ プランジャー
７ｂ コイルバネ
７ｃ バネ受板
７ｄ 直動ベアリング
７ｅ ストッパーピン
７ｆ カム板
７ｇ スリット
８ 操作部材
９ 圧接方向
１０ 溶接電源
１１ 溶接電源
１２ａ ローラ電極Ａ
１２ｂ ローラ電極Ｂ
１３ セラミックス台
１４ 治具テーブル

Claims (7)

1. 箱型の容器の部品である、気密絶縁端子付きの金属の基台と蓋とを準備し、それらの一方に前記容器の内外に貫通する円形の小孔を設ける工程と、
   前記基台上に真空中で動作させるべき電子部品を取り付けかつ前記気密絶縁端子と接続する工程と、
   大気中またはガス中で前記基台の周縁部と前記蓋の周縁部とを気密に接合することによって前記電子部品の内装された前記箱型の容器を完成する工程と、
   真空槽の中で前記小孔より内部の気体を排気する工程と、
   同じ真空槽の中で前記小孔の外端開口部に前記小孔を塞ぐ封口部材として前記小孔の内径よりも大きな直径を持つ金属球を加圧当接させ前記小孔の外側開口部と抵抗溶接し、前記金属球が主に溶融変形しつつ溶接の相手である前記基台あるいは蓋の表面に押し込まれる結果、該基台あるいは蓋の表面よりの最終突出高さが、前記金属球の元の半径以下となるようにする工程と
   を含むことを特徴とする電子部品の真空容器の封止方法。
2. 前記金属球の素材の直径は、前記小孔の内径の１．３倍から２倍であることを特徴とする請求項１に記載の電子部品の真空容器の封止方法。
3. 前記抵抗溶接の際に溶接電極に設けた前記金属球に接する小孔の端部と、前記容器に設けた前記小孔の外端開口部とに面取りを施したことを特徴とする請求項１または２に記載の電子部品の真空容器の封止方法。
4. 前記小孔の外端開口部に浚い部を設け、前記金属球の一部または全部を前記浚い部に沈めたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電子部品の真空容器の封止方法。
5. 前記金属球の材質はステンレス鋼であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電子部品の真空容器の封止方法。
6. 前記容器の排気を行っている期間、前記金属球を、前記小孔の軸上の離れた位置において、溶接電極の円筒状の先端に磁力によって保持することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電子部品の真空容器の封止方法。
7. 前記大気中またはガス中で前記基台の周縁部と前記蓋の周縁部とを気密に接合することによって前記電子部品の内装された前記箱型の容器を完成する工程にはシーム溶接技術を用いたことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の電子部品の真空容器の封止方法。

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