気密包装はどのようにして実現されるのでしょうか？ — ガラス対金属シール (GTMS) の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) の原理は単純です。ガラスを溶融状態まで加熱し、ガラスを流動させて金属表面を濡らし、界面で化学結合またはマイクロメカニカル結合を形成し、冷却後に緻密なシール界面を形成します。

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などの分野で広く使用されました。長期にわたる開発を経て、気密包装の分野で最も広く使用され、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、原則が単純だからといって実行が簡単であるとは限りません。プロセス中に最も困難な問題は何でしたか?

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。室温まで冷却したとき、ガラスと金属の収縮差が大きすぎると、脆いガラスが直接破損してしまいます。

正確な寸法設計と熱力学的マッチング計算により、次の 2 つの解決策が得られます。

適合したシール: 同様の熱膨張係数を持つ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 (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抑えられます。

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) を選択し、ガラスと組み合わせます。冷却後、金属はさらに収縮し、ガラスに外側から一定の圧縮応力を加えます。たとえ微小な亀裂が存在しても、それが拡大して漏れを引き起こすことはありません。

適合するシールは応力が低いです。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。

材料の問題は解決しましたが、GTMS は実際の製品ではどのように見えるのでしょうか?

6. 代表的な製品形状：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封止フィードスルーです。金属ピンが金属ハウジングにあらかじめ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。高温で溶かして冷却した後、3つの部分を1つに密封します。

この構造は、次の 4 つのことを同時に実行します。

シール - ガラスが隙間を埋め、分子レベルで漏れを防止

絶縁 - ガラス抵抗率は最大 10^4 ©・cm、ケースとピンの間に電気接続なし

固定 - ピンはしっかりと配置されており、振動や衝撃に耐性があります。

伝送 - ハウジングの内側と外側を接続して信号伝送を実現します。

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℃

ガラスは非常に脆く、耐衝撃性が限られています

誘電損失は高周波（>10GHz）で増加します

アプリケーション要件が GTMS の性能限界を超える場合 (高温、高出力、ミリ波周波数、または高機械強度シナリオなど)、より高い耐熱性、熱伝導率、および機械的特性を備えたセラミック メタル シール (CTMS) ソリューションが必要になります。

[次の記事のプレビュー]次の記事では、 セラミック メタル シール (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すことができるかを さらに分析します。