JP2005079146A - 蓋体およびこれを用いた光素子収納用パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】 光素子収納用パッケージの基体と蓋体をシーム溶接する際に発生する熱応力あるいは外部からの機械的衝撃による窓部材の接合剥離を有効に抑制する。
【解決手段】 蓋体Ｂは、中央部に光を透過させるための開口部を有する金属枠体１と、両主面に反射防止膜が被着されたガラス材から成り、開口部を覆うように下側主面の外周部が開口部の周囲に低融点ガラス３を介して接合された厚み0.5乃至1ｍｍの窓部材２とを具備している蓋体Ｂであって、低融点ガラス３はその幅が0.5乃至2ｍｍであり、窓部材２は、下側主面と側面との間に下側主面に対して140°乃至150°の角度をなすとともに反射防止膜が被着されていない面取り部を形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、外部からの機械的衝撃や振動あるいは水分の浸入から光素子を保護するための蓋体および光素子収納用パッケージに関し、特にＣＣＤ，ＣＭＯＳ等の撮像素子、光スイッチ，ミラーデバイス等のＭＥＭＳ、ＣＤ，ＤＶＤ用のＬＤ，ＰＤ等の光素子等を保護するための蓋体およびこれを用いた光素子収納用パッケージに関する。

従来の蓋体およびこれを用いた光素子収納用パッケージを図２に示す。図２において、Ａは蓋体、１は金属枠体、２は窓部材、３は低融点ガラス、４は基体である。

近年、移動体通信機器は軽薄短小化が急激に進展し、これに伴って搭載される光素子を気密に封止する光素子収納用パッケージも軽薄短小化が進んでいる。

このような光素子収納用パッケージは、光を透過させるための開口部を有する金属枠体１および開口部を覆うように接合された透光性の窓部材２から成る平板状の蓋体Ａと、窓部材２と金属枠体１とを接合する低融点ガラス３と、切削やプレスなどの機械加工が可能なＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属材料から成る上面に光素子を収容し搭載するための凹部を有する基体４とから構成され、蓋体Ａと基体４はシーム溶接などで接合される。
特開平３−236294号公報

しかしながら、このような光素子収納用パッケージでは、窓部材２と接合する封止材としての低融点ガラス３の封止領域の幅がシーム溶接する際の熱応力に耐え得るように2.5ｍｍ程度、窓部材２の厚みは1.5ｍｍ程度を必要としており、軽薄短小化しにくいという問題点を有していた。

また、透光性のガラス材からなる反射防止膜付きの窓部材２の下側主面の端部に窓部材２の下側主面に対して165°程度の角度の面取り部が小さく形成されており、窓部材２の下側主面の端部の面取り部と下側主面とでなる接合領域が狭いため、封止材の接合強度が弱いと言う問題点を有していた。

併せて、ウエハからダイシング加工により切り出した各窓部材２を塩化ビニル製の保持フィルムから外して個片に取り出す際に、面取り部が小さいために個片の窓部材２の側面の面積が大きく、窓部材２の側面同士が擦れ合うことによってガラス切屑を発生しやすいとう言う問題点を有していた。そして、このガラス切屑が窓部材２の表面に付着して光の透過を妨げると言う問題点を有していた。

従って、本発明はかかる従来の問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、シーム溶接による窓部材と基体との接合の際に発生する熱応力あるいは外部からの機械的衝撃による窓部材の接合剥離を有効に防止でき、よって気密信頼性の高い蓋体およびこれを用いた光素子収納用パッケージを提供することにある。また、窓部材の側面から発生するガラス切屑の発生を抑えることにより、発生したガラス切屑が窓部材に付着して光の透過を妨げないために光の透過率を確保できて、良好な光学特性を実現することができる蓋体およびこれを用いた光素子収納用パッケージを提供することにある。

本発明の蓋体は、中央部に光を透過させるための開口部を有する金属枠体と、両主面に反射防止膜が被着されたガラス材から成り、前記開口部を覆うように下側主面の外周部が前記開口部の周囲に低融点ガラスを介して接合された厚み０．５乃至１ｍｍの窓部材とを具備している蓋体であって、前記低融点ガラスはその幅が０．５乃至２ｍｍであり、前記窓部材は、前記下側主面と側面との間に前記下側主面に対して１４０°乃至１５０°の角度をなすとともに前記反射防止膜が被着されていない面取り部が形成されていることを特徴とするものである。

また、本発明の光素子収納用パッケージは、上面に光素子を収容し搭載するための凹部を有する基体と、この基体の上面に前記凹部を塞ぐようにシーム溶接される本発明の蓋体とを具備することを特徴とするものである。

本発明の蓋体によれば、窓部材の低融点ガラスと接合される部分に、下側主面と側面との間に下側主面に対して140°乃至150°の角度をなすとともに反射防止膜が被着されていない面取り部が形成されていることより、低融点ガラスとの接合面積が広くなるので、光素子が作動する際に発生する熱によって金属枠体と窓部材との間に大きな熱応力が発生しても、窓部材が破壊したり低融点ガラスの破損が起こることがなく、金属枠体と窓部材との間が剥離することもない。その結果、気密信頼性が良好な封止を可能とする蓋体とすることができる。

また、窓部材の端部に面取り部が形成されていることにより窓部材の側面の面積が小さくなることから、窓部材同士が擦れ合うことによるガラス切屑による発塵を抑制することができ、ガラス板を透過して光素子に入射する光量が十分に確保できるので、良好な光学特性を実現することができる。

本発明の光素子収納用パッケージによれば、上面に光素子を収容し搭載するための凹部を有する基体と、この基体の上面に凹部を塞ぐようにシーム溶接される上記本発明の蓋体とを具備することから、基体と蓋体とがシーム溶接されることによって基体の凹部に光素子が気密に収容されるとともにシーム溶接の際に加えられる熱によって低融点ガラスを介して接合された金属枠体と窓部材とが熱応力あるいは外部からの機械的衝撃によって剥離することを有効に抑制でき、また、窓部材の側面から発生するガラス切屑による発塵抑制の効果により良好な光学特性を実現する光素子収納用パッケージとすることができる。

次に、本発明の蓋体およびこれを用いた光素子収納用パッケージを添付の図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の蓋体およびこれを用いた光素子収納用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図であり、図１において、Ｂは本発明の蓋体、１は金属枠体、２は窓部材、３は低融点ガラス、４は基体、５はシーム溶接部、６はガラス封止部を示し、主に金属枠体１、窓部材２および低融点ガラス３によって本発明の蓋体Ｂが構成され、蓋体Ｂおよび基体４によって本発明の光素子収納用パッケージが構成される。

蓋体Ｂを構成する金属枠体１は、例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金や42アロイ（Ｆｅ(48％)−Ｎｉ(42％)合金），50アロイ（Ｆｅ(50％)−Ｎｉ(50％)合金）等の金属材料から成る板材等を、中央部に光を透過させるための開口部を有する金属枠体１に対応した形状を有する打抜き金型で打抜くことによって製作される。なお、金属枠体１の下面には基体４とのシーム溶接時の接合位置精度を合わせるために、基体４の凹部の周囲に当接する突起を金型成型により設けておくとよい。この突起は幅1.0〜2.0ｍｍ、高さ0.1〜0.20ｍｍの大きさである。また、低融点ガラス３が被着されないガラス封止部６以外の領域には、金属枠体１の腐食を防止するために各種めっき層を形成しておくとよい。

また、金属枠体１の厚みが0.1ｍｍ未満だと、低融点ガラス３や窓部材２を金属枠体１に接合する工程における熱履歴等の影響により金属枠体１が変形する場合がある。一方、金属枠体１の厚みが0.5ｍｍを超えると、金属枠体１と低融点ガラス３の熱膨張率の違いにより熱応力が大きくなって金属枠体１と低融点ガラス３との界面において剥離が生じる場合がある。よって、金属枠体１の厚みは0.1乃至0.5ｍｍの範囲とするのが好ましい。

蓋体Ｂを構成する窓部材２は、両主面に反射防止膜が被着された厚み0.5乃至１ｍｍのガラス材から成り、下側主面と側面との間に下側主面に対して140°乃至150°の角度をなすとともに反射防止膜が被着されていない面取り部が形成されている。面取り部の窓部材２の下側主面に対する角度が150°より大きい場合は、ウエハから切り出された窓部材２の個片の側面の面積が大きいために、窓部材２を塩化ビニル製の保持フィルムから外して取り扱う際等に、窓部材２の側面同士が擦れ合ってガラス切屑が発生しやすくなる傾向がある。また、140°未満の場合は、窓部材２の側面の面積が小さくなり側面同士が擦れ合ったときに生じる摩擦力が側面に集中して窓部材２の側面が欠けやすくなる傾向がある。なお、面取り部は窓部材２の下側主面に形成されていれば金属枠体１との接合の目的は達成できるが、ガラス切屑や欠けを有効に抑制するためには図１のように両主面に形成されるのが好ましい。

窓部材２の材質は透光性のガラス材であれば特に制限はないが、例えばホウケイ酸ガラスやソーダガラスまたはサファイヤガラス等の硬質ガラス材料が採用可能である。窓部材２は、一般にこれら材料を板状のウエハに成形し、ウエハ表面を研磨した後、個片に切り出すことによって製作される。なお、窓部材２となるウエハには光透過性を良くするために反射防止膜が塗布または蒸着により被着される。反射防止膜は、チタニア（ＴｉＯ_２），アルミナ（ＳｉＯ_２），ジルコニア（ＺｒＯ_２），アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）等を真空蒸着法，高周波イオンプレーティング法，スパッタリング法等により多層積層して形成される。その層数や各層の厚みは要求される光学特性により異なるが、反射防止膜の総厚みは0.1〜5.0μｍとするのが反射防止膜の耐熱性および低融点ガラスとの密着性を確保する上で好ましい。

窓部材２をウエハから切り出して個片にするには、まず例えば直径が6インチ、厚みが0.5乃至１ｍｍのウエハをＳＵＳ（ステンレス）製の枠板に貼り付けられた厚さ90μｍの塩化ビニル製のフィルムの中央部に粘着させ、その後に直径80ｍｍ、厚み0.15ｍｍの円形刃をセットしたダイシング装置により、円形刃の回転数20,000ｒｐｍ以上、円形刃の送り速度20ｍｍ／秒の条件で窓部材２を個片に切断する。

次に、ウエハから切り出された窓部材２は、塩化ビニル製のフィルムに粘着された状態のまま、窓部材２の面取り部を形成する刃先角度をつけた直径80ｍｍで厚み0.5ｍｍの円形刃がセットされたダイシング装置により、円形刃の回転数20,000ｒｐｍ以上、円形刃の送り速度20ｍｍ／秒の条件で加工されることによって、窓部材２の片側主面に片側主面と側面との間に片側主面に対して140°乃至150°の角度をなす面取り部が形成される。次に、前述の面取り部が施された片側主面に新たな塩化ビニル製のフィルムを粘着させ、もう一方の片側主面のフィルムを剥がし、ＳＵＳ製の枠板ごと反転させて前述の円形刃を用い同一条件にてもう一方の片側主面に面取り加工を行うことによって、両主面と側面との間に両主面に対して140°乃至150°の角度をなす面取り部がそれぞれ形成される。

また低融点ガラス３は、低融点ガラスであれば特に制限は無いが、例えば鉛ケイ酸塩ガラス（ＰｂＯ−ＳｉＯ_２系，ＰｂＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系等），ホウ酸塩ガラス（Ｂ_２Ｏ_３系,Ｌｉ_２Ｏ−Ｂ_２Ｏ_３系,Ｎａ_２Ｏ−Ｂ_２Ｏ_３系等）,リン酸塩ガラス（Ｎａ_２Ｏ−Ｐ_２Ｏ_５系,Ｂ_２Ｏ_３−Ｐ_２Ｏ_５系等）やリン酸スズ亜鉛ガラス（Ｐ_２Ｏ_５−ＳｎＯ−ＺｎＯ系）等が挙げられ、地球環境的には鉛フリーガラスであるホウ酸塩ガラスやリン酸塩ガラス，リン酸スズ亜鉛ガラス等が好ましい。

このような低融点ガラス３は、低融点ガラス３の粉末に有機溶剤および溶媒を添加混合して得た混合ペーストを、厚みが100乃至300μｍとなるようにスクリーン印刷またはディスペンサにより、金属枠体１のガラス封止部６に塗布し、大気中で温度約350乃至470℃で溶融させて金属枠体１に被着される。

低融点ガラス３が被着されるガラス封止部６の幅は、0.5ｍｍ乃至２ｍｍとするのが好ましい。幅が0.5ｍｍより短くなると、低融点ガラス３の量が不足することとなり、窓部材２と接合させた際に、気密不良を起こしたり、接合強度の低下を起こしたりする傾向がある。２ｍｍより長くなると、低融点ガラス３量が過多となり、窓部材２と接合させた際に、窓部材２の下側主面への流れ込みが発生して窓部材２の光の透過率が悪くなる傾向がある。

その後、窓部材２を低融点ガラス３が塗布された前述の金属枠体１上に置き、大気中において430℃で５分間加熱し低融点ガラス３を溶融させることにより金属枠体１の開口部を覆うように下側主面の外周部が開口部の周囲に低融点ガラス３を介して接合された本発明の蓋体Ｂが得られる。

本発明の蓋体Ｂによれば、窓部材２の低融点ガラス３と接合される部分に、下側主面と側面との間に下側主面に対して140°乃至150°の角度をなすとともに反射防止膜が被着されていない面取り部が形成されていることより、低融点ガラス３との接合面積が広くなるので、光素子が作動する際に発生する熱によって金属枠体１と窓部材２との間に大きな熱応力が発生しても、窓部材２が破壊されたり低融点ガラス３の破損が起こることがなく、金属枠体１と窓部材２との間が剥離することもない。その結果、気密信頼性が良好な封止を可能とする蓋体Ｂとすることができる。

また、窓部材２の端部に面取り部が形成されていることにより、窓部材２の側面の面積が小さくなることから、窓部材２同士が擦れ合うことによって発生するガラス切屑による発塵を抑制することができ、窓部材２の表面にガラス切屑が付着するのを抑制できるので、窓部材２の光の透過率を確保することができて、良好な光学特性を実現することができる。

次に、本発明の光素子収納用パッケージについて、図１に基づいて詳細に説明する。基体４は、その上面中央部に光素子（図示せず）を収容し搭載するための凹部が設けられており、この凹部の底面には、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device），ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等の撮像素子や光スイッチ，ミラーデバイス等のＭＥＭＳ（Micro Electronic Mechanical System）、ＣＤ（Compact Disc），ＤＶＤ用（Digital Video Disc）のＬＤ（Laser Diode），ＰＤ（Photo Diode）等の光素子がガラスや樹脂，ロウ材等の接着剤を介して接着固定される。

また、基体４の凹部の側面や底面より基体４の外部にかけて、ガラス材により気密封止されるとともに基体４と絶縁された複数のリード端子（図示せず）や複数のメタライズ配線層(図示せず)が設けられており、これらリード端子やメタライズ配線層の凹部の底面や側面に位置する部位と光素子の各電極とがボンディングワイヤ（図示せず）を介して電気的に接続され、リード端子やメタライズ配線層の外部に導出される部位は外部電気回路基板の配線導体（図示せず）に導電性接続部材を介して電気的に接続される。そして、基体４の上面のシーム溶接部５には凹部を塞ぐように蓋体Ｂがシーム溶接などの抵抗溶接にて接合される。

基体４と蓋体Ｂをシーム溶接により接合するには、基体４の上面の凹部の外周部であるシーム溶接部５に蓋体Ｂを載置し、しかる後、窒素雰囲気の下で蓋体Ｂを基体４側に電極で一定圧力に加圧し、2.5〜４Ｖの通電を行いつつ電極を移動しながらシーム溶接部５に被着されたＮｉと蓋体Ｂの下面外周部に被着されたＮｉとを溶着させることにより気密に接合する方法による。

基体４の材質は、特に制限は無いが金属材料の場合は、例えば42アロイやＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属が好ましく、これら金属から成る母材を基体４に対応した形状を有する打抜き金型で打ち抜いたり、切削などの機械加工を行なったりすることによって製作される。なお、基体４には、その表面に耐食性に優れＡｕ−Ｓｎ半田等のロウ材との濡れ性の良好な金等の貴金属をめっき法等により0.1〜１μｍの厚さに被着させておくのが好ましい。

一方、基体４が絶縁材料から成る場合は、酸化アルミニウム質焼結体やムライト質焼結体，窒化アルミニウム質焼結体，炭化珪素質焼結体，ガラスセラミックス等の無機材料から成り、例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、先ずアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やシリカ（ＳｉＯ_２），カルシア（ＣａＯ），マグネシア（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機溶剤，溶媒を添加混合して泥漿状と成し、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等を採用してシート状に成形してセラミックグリーンシートを得、その後、セラミックグリーンシートを所定形状に打ち抜き加工するとともに複数枚積層し、約1600℃の温度で焼成することにより製作される。

また、メタライズ配線層およびシーム溶接部５に被着されるメタライズ金属層（図示せず）は、タングステンやモリブデン，マンガン等の高融点金属から成り、これらの粉末に有機溶剤，溶媒を添加混合して得た金属ペーストをそれぞれセラミックグリーンシートの所定位置に従来周知のスクリーン印刷法により所定パターンに被着形成させておき、セラミックグリーンシートと同時に焼成することにより形成される。なお、基体４の上面の凹部の外周部であるシーム溶接部５のメタライズ金属層の表面には本発明の蓋体Ｂとシーム溶接するためにＮｉが被着される。そして、基体４の上面のシーム溶接部５に形成されたメタライズ金属層の表面のＮｉと蓋体Ｂの下面外周部に被着されたＮｉとがシーム溶接により接合される。

また、基体４と蓋体Ｂとをロウ材にて封止する際には、シーム溶接部５に被着されるメタライズ金属層には、その表面に耐食性に優れ、Ａｕ−Ｓｎ半田等のロウ材との濡れ性の良好な金等をめっき法等により、0.1〜1μｍの厚さに被着させておくと、フラックスを用いることなく蓋体Ｂと接合することが可能となる。

なお、フラックスは光素子収納用パッケージの内部に飛散すると、光素子の電極を腐蝕し断線を発生させる原因となることから、シーム溶接部５のメタライズ金属層の表面には、ロウ材との濡れ性の良好な金等をめっき法等により被着させておき、メタライズ金属層と蓋体Ｂとの接合をフラックスを用いず行なうことが好ましい。

かくして本発明の蓋体およびこれを用いた光素子収納用パッケージによれば、基体４の凹部の底面に光素子を接着剤等を介して搭載するとともに光素子の各電極をボンディングワイヤ等を介してリード端子やメタライズ配線層に接続し、しかる後、基体４の上面に凹部を塞ぐように蓋体Ｂをシーム溶接して接合し、基体４と蓋体Ｂとから成る光素子収納用パッケージを封止することによって最終製品としての光半導体装置となる。

以下、本発明の蓋体およびこれを用いた光素子収納用パッケージの実施例について説明する。
窓部材２の下側主面と側面との間に面取り部を設け、面取り部の下側主面に対する角度を変化させた蓋体Ｂの試料を作製して評価した。金属枠体１は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から成る厚み１ｍｍの金属板材を切削加工により切断して外形寸法33ｍｍ×25ｍｍ、開口部の形状が寸法20ｍｍ×15ｍｍの直方形状とし、次にその表面に600℃の温度で酸化膜を付けたものを50個用意した。続いて、外形寸法が23ｍｍ×18ｍｍ×１ｍｍのホウケイ酸ガラスから成る窓部材２を用意し、窓部材２の下側主面に対してなす角度が137°，140°，145°，150°，160°である面取り部を形成したものを、それぞれの角度ごとに10個ずつ作製した。そして、軟化点280℃の鉛ケイ酸塩ガラス（ＰｂＯ−ＳｉＯ_２）から成る低融点ガラス３をディスペンサで金属枠体１のガラス封止部６に幅1.6ｍｍで厚み1.0ｍｍに塗布し、次に金属枠体１と窓部材２とを低融点ガラス３にて接合し、蓋体Ｂを製作した。

評価は金属枠体１と窓部材２の接合強度、低融点ガラス３および窓部材２にクラックが入っていないことおよび20μｍ以上のガラス切屑の数量について目視検査を行なうことにより行なった。尚、接合強度の評価は3点曲げ試験機（アイコーエンジニアリング（株）製、荷重測定器、MODEL-1310NW）を使用し、目視検査には10〜40倍の双眼顕微鏡を用いた。

その結果を表１に示す。なお、クラックについてはクラックの発生があった場合に×（不合格）、発生がなかった場合に○（合格）と記した。

（試料No．１）では、窓部材２と金属枠体１との接合強度は31.4ＭＰａであり、20μｍ以上のガラス切屑が窓部材２の側面が擦り合わさって３個発生し、また低融点ガラス３にクラックの発生が確認された。

また、（試料No．５）では、窓部材２と金属枠体１の接合強度は70.6ＭＰａであり、20μｍ以上のガラス切屑が双眼顕微鏡の目視検査（倍率20倍）によって５個確認された。低融点ガラス３にクラックの発生は確認されなかった。

これに対して、本発明の範囲内の試料（試料No．２〜４）では、窓部材２と金属枠体１の接合強度は、MIL-STD-883 METHOD 1014.10 SEALに規定された規格値である49ＭＰａ以上を有し、20μｍ以上のガラス切屑は確認されなかった。併せて、低融点ガラス３にクラックの発生も確認されなかった。従って、窓部材２の面取り部は、下側主面に対して140°乃至150°の角度をなす範囲とすることが有効であることがわかった。

なお、本発明は上記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。例えば、上述の例では光素子としてＣＣＤ，ＣＭＯＳ等の撮像素子や光スイッチ，ミラーデバイス等のＭＥＭＳ、ＣＤ，ＤＶＤ用のＬＤ，ＰＤ等を例に挙げ、これを収容したパッケージについて詳述したが、圧電振動子や弾性表面波素子等の電子部品を収容した電子機器にも適用可能である。

本発明の蓋体および光素子収納用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図である。 従来の蓋体および光素子収納用パッケージの例を示す断面図である。

符号の説明

１・・・金属枠体
２・・・窓部材
３・・・低融点ガラス
４・・・基体
５・・・シーム溶接部
６・・・ガラス封止部
Ｂ・・・蓋体

Claims (2)

1. 中央部に光を透過させるための開口部を有する金属枠体と、両主面に反射防止膜が被着されたガラス材から成り、前記開口部を覆うように下側主面の外周部が前記開口部の周囲に低融点ガラスを介して接合された厚み０．５乃至１ｍｍの窓部材とを具備している蓋体であって、前記低融点ガラスはその幅が０．５乃至２ｍｍであり、前記窓部材は、前記下側主面と側面との間に前記下側主面に対して１４０°乃至１５０°の角度をなすとともに前記反射防止膜が被着されていない面取り部が形成されていることを特徴とする蓋体。
2. 上面に光素子を収容し搭載するための凹部を有する基体と、該基体の上面に前記凹部を塞ぐようにシーム溶接される請求項１記載の蓋体とを具備することを特徴とする光素子収納用パッケージ。

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