JP2005259801A

JP2005259801A - 多層ガラス基板の製造方法

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Publication number: JP2005259801A
Application number: JP2004065996A
Authority: JP
Inventors: Takumi Usui; 巧臼井; Hiroshi Nakai; 博中井; Tomoyuki Futagawa; 智之二川
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-03-09
Filing date: 2004-03-09
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2024-03-09
Also published as: JP4214068B2

Abstract

【課題】スルーホールが形成されたガラス基板のスルーホールに絶縁物や導電物を充填することなく、気密性を確保した多層ガラス基板の製造方法を提供すること。
【解決手段】第一主面１０と第二主面１１とを接続するためのスルーホール２ａが形成され、前記スルーホール２ａの内壁５面と、前記第一主面のスルーホール開口部周囲６を含む近傍の面と前記第二主面のスルーホール開口部周囲６を含む近傍の面に導電膜３ａ、３ｂ、３ｃが形成されたガラス基板の複数枚１ａ、１ｂを重ねて、加熱加圧して接着する。
【選択図】図２

Description

本発明はガラス基板の接着方法に関し、特に気密性を必要とするガラス基板の両面を接続する導体膜を形成した多層ガラス基板の製造方法に関するものである。

従来より電子部品を搭載したスルーホールを形成した多層基板としてセラミック基板にスルーホールが形成された多層基板などが用いられている。

近年、電子部品搭載の多層基板も気密性を必要とする分野も多くなってきている。例えば、水晶振動子などは、極めて安定な振動の発振による安定な周波数特性を有するため携帯電話を初めとする多くの電子機器に用いられているし、ＳＡＷフィルター（表面弾性波フィルター）、自動車エアバッグ用の加速度センサー、自動車用その他の各種圧力センサーなど気密性を要求される電子部品の搭載には、多層基板も気密性を要求される。

例えば、水晶振動子を取り上げて説明すると、水晶振動子の電極には銀が使用されているが、気密性が不十分で、空気（特に酸素）が入り込むと、内部抵抗が大きくなるため、発振する周波数が変化してしまい、ついには発振が停止してしまうと言う問題が生じる。従って、これら気密性を要求される電子部品の搭載には、そのカバーだけでなく、電子部品が搭載される基板も気密性を必要とする分野も多くなってきている。

上述したように、従来より電子部品搭載のスルーホールを形成した多層基板としてセラミック基板にスルーホールが形成された多層基板などが用いられている。
通常、セラミック基板のスルーホールには、導電性の材料である金属粉末とセラミック基板に接着しやすいバインダー成分であるセラミック粉末からなるペーストを充填し、高温で焼成する。

ところで、近年、電子部品搭載基板や回路基板も含めて、電子機器の小型化が要求されるため多層基板も一層薄いものが採用されるようになってくる。

しかし、セラミック基板の場合には、薄いものを使用すると、セラミック基板はポーラスな素材であるので、気密性を要求される電子部品の搭載には、気密性の点で信頼性が十分でないという問題が生ずる。

そこで緻密な素材であるガラス基板の使用が考慮される。ガラス基板の場合には、セラミック基板の場合のようにスルーホール中の導通用の材料を高温で焼成する手段は、ガラス基板が溶融、変形してしまうため採用できない。
従ってガラス基板のスルーホール中の導通用の材料としては、金属粉末入りの導電性樹脂ペーストを充填したものや、半田塗布などが考えられる。

また、従来のガラス基板の製造方法としては、スルーホールに発泡性のガラスペーストを充填し焼成しているものがあった（例えば、下記特許文献１参照）。

図３は前記特許文献１に記載された従来のガラス基板の製造工程フローを示す断面図である。

図３において、ガラス絶縁基板１０１に開設されたスルーホール１０２の周壁及び開口部周りに導体膜１０３によるスルーホール導体１０３ａ及びスルーホールランド１０３ｂを形成する工程と、スルーホール１０２に充填材１０４として発泡性のガラスペーストを充填し、これを焼成してスルーホール１０２を塞ぐ工程とからなり、ガラスペーストを焼成する際、スルーホール内で発泡させるため、揮発分の蒸発その他ガラスペーストが収縮するのを、その発泡分だけガラス成分の見かけの容積が増量し、結果的にガラスペーストの焼成によって形成される充填材の収縮を防止できることになり、スルーホール１０２は発泡したガラスからなる充填材１０４で封止していた。
特開平０５−６７８６８号公報

しかしながら、この技術は、複数枚のガラス基板の積層された積層ガラス基板についての問題点については配慮されていない、主として単層ガラス基板に関する技術であるとともに、前記従来の構成では、充填材にもちいるガラスペーストが発泡する性質であることから、焼成したあと見かけの容積が増量しスルーホールが充填された状態になる。その結果、当然のことながら焼成後のガラスは非常に多孔質となり、前記セラミックス基板と同様に、多孔質のガラスで気密性を確保することが困難であるという課題を有していた。

スルーホール中の導通用の材料として、金属粉末入りの導電性樹脂ペーストを充填する場合も、ガラスは無機材料であり、樹脂は有機材料であるから、その両者の界面の接合性は必ずしも十分でなく、気密性を要求される分野には信頼性が十分でないし、半田塗布の場合には、スルーホール用の孔径が小さくなると、微量塗布が工業的に難しいという問題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、スルーホールがあっても気密性を確保した多層ガラス基板の製造方法を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の多層ガラス基板の製造方法は、第一主面と第二主面とを接続するためのスルーホールが形成され、前記スルーホールの内壁面と、前記第一主面のスルーホール開口部周囲を含む近傍の面と前記第二主面のスルーホール開口部周囲を含む近傍の面に導電膜が形成されたガラス基板の複数枚を重ねて、加熱加圧して相互に接着することを特徴とする。

本発明方法によって、前記第一主面のスルーホール開口部周囲を含む近傍の面と前記第二主面のスルーホール開口部周囲を含む近傍の面に導電膜が形成されたガラス基板の複数枚を重ねて、加熱加圧して相互に接着することにより、少なくともスルーホール開口部周囲を含む近傍の面に形成されている導電膜が、接着される相手方のガラス基板と気密に接着するので、一のガラス基板のスルーホール部の開口部が、接着する相手方のガラス基板と気密に接着し、スルーホール部気密性を確保した多層ガラス基板を製造することができる。

以上のように、本発明のガラス基板の製造方法によれば、第一主面と第二主面とを接続するためのスルーホールが形成され、前記スルーホールの内壁面と、前記第一主面のスルーホール開口部周囲を含む近傍の面と前記第二主面のスルーホール開口部周囲を含む近傍の面に導電膜が形成されたガラス基板の複数枚を重ねて、加熱加圧して相互に接着することにより、少なくともスルーホール開口部周囲を含む近傍の面の導電膜が接着される相手方のガラス基板と気密に接着するので、スルーホールを導電物や絶縁物で充填することなくスルーホール部気密性を確保した多層ガラス基板を製造することができる。

本発明において複数層積層される前の、単層の原料ガラス基板は、特に断らない限り単にガラス基板と略称することがある。これらが複数層積層された状態のガラス基板を特に断らない場合には、多層ガラス基板と略称する。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施の形態における多層ガラス基板の斜視図であり、図１（ａ）が２枚のガラス基板の接着前の状態の斜視図、図１（ｂ）が接着後の状態の多層ガラス基板の斜視図である。

図２は、図１（ｂ）に示したガラス基板の製造方法をＸ−Ｘ’線に沿った方向の断面図で示した本発明の一実施の形態における多層ガラス基板の製造工程フロー断面図である。

図１において、１ａ、１ｂはガラス基板を構成するためのガラス板、２ａ、２ｂはガラス基板１ａ、１ｂに形成したスルーホール、３ａ、３ｂはスルーホール２ａ、２ｂ内およびガラス板１ａ、１ｂの第一主面１０ならびに第二主面１１に形成した導体膜である。スルーホール２ａ、２ｂ内の導体膜は図２ではその部分を３ｃとして示したが、図１ではスルーホール２ａ、２ｂ内の導体膜の符号３ｃを付していない。スルーホール２ａ、２ｂ内およびガラス板の第一主面１０ならびに第二主面１１に形成した導体膜は一連の連続体であるから説明の便宜上、これをまとめて導体膜３と称することがあるが符号３は図面中には付していない。以上のように導体膜３は、スルーホール内と前記第一主面のスルーホール開口部周囲を含む近傍の面と前記第二主面のスルーホール開口部周囲を含む近傍の面に形成される。

図２（ｃ）において、４はガラス基板１ａ、１ｂを加熱加圧して相互に接着するときに用いる圧着金型である。

製造工程を下記に説明する。

硼珪酸ガラスなどからなるガラス基板１ａ、１ｂにアルミナや炭化珪素などの細粒状メディアを用いた乾式ブラスト法、或いはエッチング法などによりスルーホール２（２ａ、２ｂ）を形成する（図２（ａ）参照）。

ガラス基板１ａ、１ｂのスルーホール２ａ、２ｂの内壁５とガラス基板１ａ、１ｂのそれぞれの第一主面１０と第二主面１１とのスルーホール２ａ、２ｂ開口部周囲６近傍の面に真空蒸着またはスパッタリングなどにより３ａ、３ｂ、３ｃから成る導体膜３を形成する（図２（ｂ）参照）。尚、導体膜３ａ、３ｂは、要求される配線パターンに応じたパターンに形成される。配線パターンの形成には、フォトレジスト法その他の適宜の配線パターンの形成法が採用し得る。ここで導体膜３ａ、３ｂ、３ｃの一連に連なった導体膜を説明の便宜上まとめて３と表現しているが、図２中では符号３は付するのを省略した。

このとき、接着される各ガラス基板１ａの第二主面１１とガラス基板１ｂの第一主面１０に形成される導体膜３ａ、３ｂとガラス基板１ａ、１ｂとの熱圧着の際の接着性が良好なことから、導体膜の素材としてはチタンあるいは銅が望ましい。

かくして得られたガラス基板１ａ、１ｂを圧着金型４を用いて好ましくはガラスの徐冷点より高く軟化点未満程度の温度に加熱しながら加圧する（図２（ｃ）参照）。

この場合、通常、ガラス基板１ａの第二主面１１に、ガラス基板１ｂの導体膜３ａが接着し、ガラス基板１ｂの第一主面１０に、ガラス基板１ａの導体膜３ｂが接着する。ガラス基板１ａの第二主面１１上の導体膜３ｂとガラス基板１ｂの第一主面１０上の導体膜３ａとが重なり合う部分は導体膜３ｂと導体膜３ａとが接触し導通される。この導体膜３ｂと導体膜３ａとが接触し導通された導体膜をまとめて導体膜３ａ＋ｂで示した。（図２（ｄ）参照）。

これは、上記のようにガラス基板１ａの第二主面１１とガラス基板１ｂの第一主面１０上の導体膜３ａとが、また、ガラス基板１ｂの第一主面１０とガラス基板１ａの第二主面１１上の導体膜３ｂとが熱圧着され接着しているので、この両者の導体膜３ａと導体膜３ｂとの重なった部分が導通可能に接触することになり、従って導体膜３ａ＋ｂにより、ガラス基板１ａ、１ｂ間の導通接続を可能とするものである。

主に、一つのガラス基板上に形成されている導体膜とそれと対面している他方のガラス基板の面とが加熱加圧により接着するのは、導体膜の方がガラス材料より熱伝導性がよく、圧着金型４の熱が、導体膜を通して伝導しやすくなるためと考えられる。この加熱加圧接着により、一つのガラス基板のスルーホール開口部周囲を含む近傍の面の導体膜と対面している他方のガラス基板の面と密着して接着するので、スルーホール開口部から接着面へのガスの流路は遮断され多層基板の気密性が保たれる。

ここでいう気密性とはヘリウムをトレーサガスに用いた気密漏れ測定機で１×１０^-9Ｐａ・ｍ³／ｓｅｃ以下の漏れ量に保持した状態の事をいう。

気密性は、ＪＩＳＺ２３３１「ヘリウム漏れ試験方法（真空吹き付け法）」で“株式会社アルバック社製ヘリウムリークディテクター”用いて測定した。

上記方法によれば前記加熱加圧接着によりスルーホール２ａ、２ｂ間の気密性を保持することが出来るとともに、導体膜３ａ、３ｂの少なくとも一部が重なって接触した導体膜３ａ＋ｂが構成されてリード端子などを介することなくガラス基板間の電気的導通も同時に確保することができる。

さらに、所定の個々のサイズのガラス板を用いる代わりに、より大きな平面積を有するガラス板を用い、それに多数個のスルーホールを形成し、上述の実施の形態と同様に導体膜を形成し加熱しながら挟圧したのち所定の大きさの個片に切断することで、一度に大量の多層ガラス基板を得ることも可能となる。

また、上記図１、図２を用いて説明した実施の形態例は、ガラス基板２枚を接着する例を示して説明したが、ガラス基板３枚以上からなる更に多層のガラス基板を同様にして製造することもできる。

ガラス基板に用いられるガラス材料としては、電気絶縁性を有するガラスであれば特に限定するものではないが、硼珪酸ガラス、ソーダ石灰ガラスなど、ガラス基板に用いられている各種のガラスが好ましく用いられる。硼珪酸ガラスは特に好ましいガラスの一つである。

ガラス基板の大きさについても、何ら特に制限するものではない。特に近年、小型化が要求される分野においては、例えば、厚さ０．１〜３ｍｍ、より好ましくは０．１〜０．３ｍｍ程度のものが好適に用いられる。ガラス基板の平面積も特に制限するものではないが、小型化が要求される分野においては、例えば、用途に応じて０．１〜４０ｍｍ²のものが用いられる。なお、上述したように多数個のスルーホールを形成したガラス板に上述の実施の形態で示したと同様に導体膜を形成し加熱しながら挟圧したのち個片に切断することで、一度に大量の個々の多層ガラス基板を得ることも可能である。

ガラス基板の厚さ方向に貫通するスルーホールの直径（第一主面と第二主面のスルーホールの直径のうち、小さい方の径を意味する）も特に限定するものではないが、小型化が要求される分野においては、好ましくは０．０１〜１．５ｍｍ、より好ましくは０．１〜０．５ｍｍ程度が好適に採用される。

スルーホールの形成方法は、乾式ブラスト法（サンドブラスト法）やエッチング法などが好適である。特に乾式ブラスト法が好ましく、乾式ブラスト法に用いられる細粒状メディアとしては、アルミナや炭化珪素などの細粒状メディアが挙げられるがこれに限定されるものではない。乾式ブラストやエッチングを、ガラス基板の一方の主面側から行うことにより、例えば、ガラス基板の第一主面から第二主面に向かって第一主面側から乾式ブラストやエッチングによりスルーホールを形成したと仮定すると、第一主面のスルーホールの開口が大きくなり、第二主面のスルーホールの開口が第一主面のスルーホールの開口よりも小さくなる傾向がある。乾式ブラスト媒体やエッチング媒体との接触時間が第一主面から第二主面側に向かって少なくなるからと推定される。また乾式ブラスト媒体の噴射力（研磨力）も、第一主面側ほど強く、第二主面側に向かって小さくなるからと推定される。

従って、定かではないが、上記の場合、第一主面側ほど直径が大きく第二主面側に向かって直径が小さくなる傾向があることからスルーホールの長さ方向の断面は第一主面側から第二主面側に向かって略テーパー状に細くなっていると推定される。

テーパーの角度は、特に限定するものではないが、ガラス基板平面に対し厚み方向に下ろした垂線との角度で５〜２０度程度が好ましい。テーパーの角度は、用いたガラス基板の厚さと第一主面側のスルーホール開口の直径と第二主面側のスルーホール開口の直径とから計算により推定した値である。

上記のような状況から、真空蒸着またはスパッタリングにより導体膜３ａ、３ｂ、３ｃを形成した場合に、真空蒸着またはスパッタリングによってもスルーホール内壁にも導体膜３ｃが形成されやすくなると推定される。

以上、スルーホール内壁とガラス基板の第一主面と第二主面とのスルーホール開口部周囲６に真空蒸着またはスパッタリングにより導体膜３ａ、３ｂ、３ｃを形成するが、前述したように、導体膜の材料としては、本発明の加熱加圧工程でガラスとの接着性が良好なことから、チタンや銅が好ましく用いられる。

特に小型化の要求により、スルーホールの径も上記のように小さいものが採用される場合には、真空蒸着またはスパッタリングにより導体膜を形成することが工業的に有利な方法となる。導体膜の膜厚は特に限定するものではないが、０．０５μｍ〜０．１μｍ程度が好ましい。
加熱加圧工程における雰囲気としては、窒素ガス雰囲気などの不活性ガス雰囲気又は真空雰囲気が好ましい。

加熱温度としては、ガラスの徐冷点より高く軟化点未満が好ましい。加熱温度があまり高すぎると変形しやすくなり、また、加熱温度があまり低すぎると接着性が低下し、気密性が低下する傾向になる。より具体的な加熱温度としては、用いるガラスの種類や、加熱加圧工程の圧力によってもかなり変わるので一概に規定しがたいが、３００〜７００℃の範囲が好ましい。

ガラスの徐冷点（徐冷温度とも言う）は、ガラスの内部歪が１５分間で実質的に除去される温度（ＪＩＳＲ３１０３参照）であって、軟化点（軟化温度とも言う）も、ＪＩＳＲ３１０３に基づく軟化点である。尚、上記ガラスの徐冷点や軟化点は、常圧下での徐冷点や軟化点を意味する。

加熱加圧工程における加圧力としては、用いるガラスの種類、加熱温度により変わるので一概に規定しがたいが、１×１０⁶ Ｐａ以上で、加熱温度により接着可能な圧力を適宜選定すればよい。より具体的には１×１０⁷ Ｐａ〜１×１０⁹ Ｐａの範囲が好ましい。

徐冷点が５５７℃で、軟化点が７３６℃の硼珪酸ガラスからなる平面の面積が１．６ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのガラス基板１ａ、１ｂにアルミナ微粒子状メディアを用いた乾式ブラスト法により直径０．１５ｍｍ、スルーホールのテーパーの角度は、ガラス基板平面に対し厚み方向に下ろした垂線との角度で約５度のスルーホール２を形成した（図２（ａ）参照）。

前記ガラス基板１ａ、１ｂのスルーホール２ａ、２ｂ内壁５と、ガラス基板１ａ、１ｂの第一主面と第二主面とのスルーホール２ａ、２ｂ開口部周囲（ここではその面積０．１ｍｍ²）６にスパッタリングにより厚さ約０．１ μｍ（スルーホール開口部周囲の主面における厚み）のチタンの導体膜３ａ、３ｂを形成した（図２（ｂ）参照）。
ガラス基板１ａ、１ｂを圧着金型（住友重機械工業株式会社製ガラスモールド成型機）を用いてチッソガス雰囲気下で約６１０℃に加熱しながら１×１０⁸Ｐａの圧力で挟圧した（図２（ｃ）参照）。

前記ガラス基板１ａ、１ｂとその接合面における導体膜３ａ、３ｂとの熱圧着により多層ガラス基板を形成し、その接合面における導体膜３ａ、３ｂとが重なった部分も含めて導体膜３ａ＋ｂを接合面に有する多層ガラス基板を形成した（図２（ｄ）参照）。

ガラス基板１ａ、１ｂに形成された導体膜（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ａ＋ｂ）により、ガラス基板１ａ、１ｂ間の導通接続をデジタルマルチメータによりテストしたところ導通可能であることが確認された。

また、ＪＩＳＺ２３３１に従い、ヘリウムをトレーサガスに用いた気密漏れ測定機（株式会社アルバック社製“ヘリウムリークディテクター”）で気密性を試験したところ、得られた多層ガラス基板表裏間の漏れ量は１×１０^-9Ｐａ・ｍ³／ｓｅｃ以下であった。

本発明の多層ガラス基板の製造方法は、気密性を必要とする電子部品、例えば水晶振動子、ＳＡＷフィルター、自動車エアバッグ用の加速度センサー、自動車用その他の各種圧力センサーなどの電子部品に供される多層ガラス基板の製造方法として好適であり、各種電子部品の搭載基板などに有用である。特に小型化が要求され気密性を必要とする電子部品に供される多層ガラス基板の製造方法として好適である。

本発明の一実施の形態における多層ガラス基板の斜視図本発明の一実施の形態における多層ガラス基板の製造工程フロー断面図従来のガラス基板の製造工程フローを示す断面図

符号の説明

１ａガラス基板
１ｂガラス基板
２ａスルーホール
２ｂスルーホール
３ａ導体膜
３ｂ導体膜
３ｃ導体膜
３ａ+ｂ導体膜３ａと３ｂの重なり合った部分を有する導体膜
４圧着金型
５内壁
６開口部周囲
１０１ガラス基板
１０２スルーホール
１０３導体膜
１０３ａスルーホール導体
１０３ｂスルーホールランド
１０４充填材

Claims

第一主面と第二主面とを接続するためのスルーホールが形成され、前記スルーホールの内壁面と、前記第一主面のスルーホール開口部周囲を含む近傍の面と前記第二主面のスルーホール開口部周囲を含む近傍の面に導電膜が形成されたガラス基板の複数枚を重ねて、加熱加圧して相互に接着することを特徴とする多層ガラス基板の製造方法。
ガラス基板の複数枚を重ねる際に、当該積層面において、ガラス基板のスルーホール開口部周囲を含む近傍の面に形成された前記導電膜同士が少なくともその一部が重なるようにガラス基板の複数枚を重ねて、加熱加圧により接着することにより前記導電膜が導通接続している請求項１に記載の多層ガラス基板の製造方法。
ガラス基板の加熱温度が、ガラスの徐冷点より高く軟化点未満である請求項１又は２のいずれかに記載の多層ガラス基板の製造方法。
ガラス基板の加圧の圧力が、１×１０⁶ 〜１×１０⁹ Ｐａである請求項１〜３のいずれかに記載の多層ガラス基板の製造方法。
導電膜が、チタン又は銅から選ばれた導電膜である請求項１〜４のいずれかに記載の多層ガラス基板の製造方法。
ガラス基板の厚さが０．１〜３ｍｍである請求項１〜５のいずれかに記載の多層ガラス基板の製造方法。
ガラス基板の平面積が０．１〜４０ｍｍ²である請求項１〜６のいずれかに記載の多層ガラス基板の製造方法。
スルーホールの直径が０．０１〜１．５ｍｍである請求項１〜７のいずれかに記載の多層ガラス基板の製造方法。
ガラス基板の加圧の雰囲気が、不活性ガス雰囲気、又は真空雰囲気である請求項１〜８のいずれかに記載の多層ガラス基板の製造方法。