気密包装はどのようにして実現されるのでしょうか? — ガラス対金属シーリング (GTMS) 信頼性の高い接続ソリューション

4. GTMSの基本原理：高温溶解・冷却・シール

ガラスと金属のシール (GTMS) の原理は簡単です。ガラスを溶融状態まで加熱すると、ガラスが流れて金属表面を濡らし、界面に化学結合またはマイクロメカニカルな噛み合わせが形成され、冷却後に緻密なシール界面が得られます。

この技術は 20 世紀初頭の真空管製造に起源を持ち、その後、航空宇宙、軍事用電子機器、センサー、光電子部品のパッケージングに広く適用されました。長期にわたる開発を経て、気密パッケージング分野で最も広く適用され、技術的に成熟した主流ソリューションの 1 つになりました。

しかし、単純な原則は単純な実行を意味しません。その過程で最も難しい問題は何ですか?

5. 最大の課題: 熱膨張係数を一致させる必要がある

封着は900～1100℃で行われます。室温まで冷却するとき、ガラスと金属の収縮差が大きすぎると、脆いガラスが直接割れてしまいます。

正確な寸法設計と熱力学的マッチング計算により、2 つのソリューションが存在します。

適合シール: 熱膨張係数が類似したガラスと金属のペアを選択します。古典的な組み合わせは、コバール合金 (CTE≈5.3×10⁻⁶/℃) とホウケイ酸ガラスであり、冷却後の応力が最小限になります。

圧縮シール: ガラスよりも膨張係数が大幅に高い金属 (ステンレス鋼など) をガラスと組み合わせて選択します。冷却後、金属はさらに収縮し、ガラスに外側から継続的な圧縮応力を加えます。たとえ微小な亀裂が存在しても、それが伝播して漏れを引き起こすことはありません。

マッチしたシールは応力が低い。圧縮シールには高い応力がかかります。それぞれに適用可能なシナリオがあります。

材料の問題が解決されたGTMSは、実際の製品ではどのように見えるのでしょうか？

6. 代表的な製品形態: フィードスルー

最も典型的な GTMS アプリケーションは気密フィードスルーです。金属ピンが金属ハウジングに事前に開けられた穴を通過し、ガラス絶縁体がピンとハウジングの間の隙間を埋めます。高温で溶解して冷却した後、3 つのコンポーネントは 1 つとして密封されます。

この構造は、次の 4 つのことを同時に達成します。

シール - ガラスが隙間を埋め、分子レベルで気密性を高めます。

絶縁 — ガラス抵抗率は最大 10¹⁴ ©・cm、ハウジングとピンは電気的に接続されていません

固定 - ピンはしっかりと配置され、振動や衝撃に耐性があります。

伝送 — 筐体の内部と外部を接続し、信号伝送を可能にします。

これが、GTMS フィードスルーがセンサー、コネクタ、光通信モジュールの標準ソリューションになっている理由です。

7. GTMS の利点と適用範囲

GTMS の利点: 成熟したプロセス、低コスト、大量生産に適し、優れた電気絶縁性。

GTMS の制限:

長期使用温度 ≤300°C

ガラスの脆性が高く、耐衝撃性に限界がある

高周波（>10GHz）での誘電損失の増加

高温、高出力、ミリ波周波数、または高い機械的強度のシナリオなど、アプリケーション要件が GTMS 性能の限界を超える場合、より高い耐熱性、熱伝導率、機械的性能を備えたセラミック対金属シーリング (CTMS) ソリューションが必要になります。

[次の記事プレビュー]次の記事では、 セラミック対金属シーリング (CTMS) が 高温、高出力、高周波のアプリケーション要件を どのように満たしているかをさらに分析します。