JP2006108162A - 気密封止方法及び該方法を用いた気密封止体、並びに該方法に用いる加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
空間系を有する光通信用部品及び装置において気密封止時の熱による筐体などの歪みを抑制し、低温で気密封止を可能とする気密封止方法及び該方法を用いた気密封止体、並びに該方法に用いる加熱装置を提供すること。
【解決手段】
筐体１と蓋２との気密封止方法において、筐体側と蓋側との各々の封止領域に濡れ層４，５を形成する工程と、筐体と蓋とが接触する部分に低融点材料層３を配置する工程と、不活性ガス雰囲気中にて、筐体と蓋とを組み合わせ、筐体又は蓋の該低融点材料が配置された近傍全体を同時に加熱・加圧し、該低融点材料を溶かし、該濡れ層の領域をロウ接して気密封止する工程とを含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、筐体と蓋との気密封止方法及び該方法を用いた気密封止体、並びに該方法に用いる加熱装置に関し、特に、筐体内に空間光学系を有する光通信用又は光計測用部品を組み込み、その後、該筐体を蓋で気密封止する気密封止方法及び該方法を用いた気密封止体、並びに該方法に用いる加熱装置に関する。

一般的に光通信用又は光計測用の光学部品を筐体内に収容し、該筐体の開口部を蓋で気密封止し、環境変化に対する耐久性に優れた光学装置を提供することが行われている。これらの気密封止においては、１×１０^−６atm・cc／sec以上の高い気密度を確保することが求められる場合があり、このような高い気密度には、筐体と蓋との接合には、シーム溶接による方法がとられている。シーム溶接方法としては、例えば、特許文献１又は２に示すように、電極ローラによる通電溶接や、電子ビームやレーザビームによる溶接が行われている。
特開平７−３２６６８７号公報 特開平８−４６０７５号公報

シーム溶接方法においては、筐体や蓋などの被接合材料の一部を溶融させて接合する方法であるため、溶融させる際には居所的及び短時間に１０００℃以上の熱が発生する。この熱により筐体などに歪みが生じ、空間光学系を有する光通信用又は光計測用部品の位置ズレを発生させ、光学的特性の劣化の原因となっている。しかも、シーム溶接は、接合部を順次溶接しながら作業を行うため、作業時間が長くなり、接合作業部とそれ以外との温度の不均一による筐体などの歪みも全体に蓄積し易いなどの欠点を有している。

このようなシーム溶接に対し、特許文献３においては、半田を利用した接合方法が開示されている。特許文献３では、電子部品用パッケージの製造方法として、上部が開口した凹形のセラミックパッケージと、当該パッケージの中に収納される電子素子である水晶振動板と、パッケージの開口部に接合される金属製の蓋とからなる。セラミックパッケージの開口部の周囲に周状の金属層が、また、蓋はコバール等の金属母材の下面に前記金属層に対応した周状の半田層が形成されている。気密封止を行う場合は、蓋の半田層とセラミックパッケージの金属層とを重ね合わせ、周囲温度を半田溶融温度にして半田の溶融接合を行う。
特開平１１−３０７６６１号公報

しかしながら、特許文献３においては、半田の融点までパッケージ全体を加熱するため、小型のパッケージにしか適用できないという問題がある。
しかも、半田が溶融する温度まで周囲を加熱するため、常温から加熱する場合には加熱時間が長くなり、筐体などの歪みが発生し易くなる上、特許文献３が対象とする小さな筐体（縦3.2mm×横2.5mm×高さ0.7mm）と比較し、光変調器モジュールなどは、縦70mm×横10mm×高さ5mmと大型化するため、前記加熱による歪みの影響は無視できない程、大きなものとなる。

本発明は、上述した問題を解決し、空間系を有する光通信用部品及び装置において気密封止時の熱による筐体などの歪みを抑制し、低温で気密封止を可能とする気密封止方法及び該方法を用いた気密封止体、並びに該方法に用いる加熱装置を提供するものである。

請求項１に係る発明では、筐体と蓋との気密封止方法において、筐体側と蓋側との各々の封止領域に半田が均一に表面に分布するための濡れ層を形成する工程と、筐体と蓋とが接触する部分に低融点材料層を配置する工程と、不活性ガス雰囲気中にて、筐体と蓋とを組み合わせ、筐体又は蓋の該低融点材料が配置された近傍全体を同時に加熱・加圧し、該低融点材料を溶かし、該濡れ層の領域をロウ接して気密封止する工程とを含むことを特徴とする。

また、請求項２に係る発明では、請求項１に記載の気密封止方法において、該濡れ層は、Ｎｉ，Ａｕ，Ｃｕ，のいずれか又はこれらの合金よりなることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明では、請求項１に記載の気密封止方法において、該低融点材料層は、Ｓｎ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉ，Ｚｎ，Ｉｎ，Ｓｂのいずれか又はこれらの合金よりなることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明では、請求項３に記載の気密封止方法において、該低融点材料層は、棒状・線状・リボン状・シート状・ボール状・ペースト状又はこれらの形状を２次加工した形状、あるいは筐体又は蓋の少なくとも一方にプリント形成された形状のいずれかであることを特徴とする。

また、請求項５に係る発明では、請求項１に記載の気密封止方法において、前記加熱・加圧を行う工程は、筐体又は蓋の少なくとも一方を、低融点材料の融点以下かつ融点に近い温度まで加熱する第１の加熱工程を有することを特徴とする。

また、請求項６に係る発明では、請求項１に記載の気密封止方法において、前記加熱・加圧を行う工程は、筐体又は蓋の少なくとも一方に対し、低融点材料層付近の温度を低融点材料の融点以上に短時間で加熱すると共に、筐体と蓋とを圧接するように両者を加圧する第２の加熱・加圧工程を有することを特徴とする。

また、請求項７に係る発明では、請求項５又は６に記載の気密封止方法において、第１の加熱工程又は第２の加熱・加圧工程は、加熱する際に、熱源と筐体又は蓋との間に柔軟性のある熱伝導性材料を挟み込むことを特徴とする。

また、請求項８に係る発明では、請求項１に記載の気密封止方法において、前記加熱・加圧を行う工程は、熱源又は加圧源の温度及び圧力を検知し、該検知結果に基づき該熱源又は該加圧源の温度又は圧力を調整する自動制御方法を含むことを特徴とする。

また、請求項９に係る発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の気密封止方法を用いて製造した気密封止体である。

また、請求項１０に係る発明では、請求項９に記載の気密封止体において、筐体と蓋が接触する部分において、筐体又は蓋の少なくとも一方に凹凸が形成されていることを特徴とする。

また、請求項１１に係る発明では、請求項１乃至８のいずれかに記載の気密封止方法に用いる加熱装置において、蓋に接触する加熱手段の形状が、低融点材料が配置される領域に対応して蓋側に凸部が形成されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、低融点材料層を用いて、筐体と蓋とを気密封止するため気密封止時の熱による筐体の歪みを抑制し、光学的特性への影響を抑えることが可能となる。しかも、筐体側と蓋側との各々の封止領域に濡れ層を形成するため、低融点材料が溶融した際に該濡れ層の領域に付着するため、低融点材料の浸透性を高めると共に、常に適正な位置に低融点材料を保持することが可能となる。さらに、不活性ガス雰囲気中で低融点材料の溶融処理を行うため、低融点材料中の成分が筐体内の光学部品等に飛散することを抑制することが可能となる。また、筐体又は蓋の低融点材料が配置された近傍全体を同時に加熱・加圧しながら、低融点材料を溶かすため、筐体や蓋への加熱による歪みを抑えることが可能となる。

請求項２に係る発明により、濡れ層にＮｉ，Ａｕ，Ｃｕ，のいずれか又はこれらの合金を用いることで、濡れ層を蒸着又はメッキ方法などを用いて筐体又は蓋に濡れ層を容易に形成することが可能となると共に、低融点材料との接着性も高く、より強固な接合が可能となる。

請求項３に係る発明により、低融点材料層にＳｎ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉ，Ｚｎ，Ｉｎ，Ｓｂのいずれか又はこれらの合金を用いることで、１００℃以上、２００℃以下の比較的低い融点でかつ、接合強度の高い接合材料を得ることが可能となる。しかも、これらの材料は、溶融時の低融点材料成分の飛散が少なく、筐体内の光学部品等を汚染することもない。

請求項４に係る発明により、低融点材料層に棒状・線状・リボン状・シート状・ボール状・ペースト状又はこれらの形状を２次加工した形状、あるいは筐体又は蓋の少なくとも一方にプリント形成された形状のいずれかを用いることで、低融点材料層を容易に筐体側又は蓋側に配置固定することが可能となり、気密封止の作業性が高くなる。

請求項５に係る発明により、加熱・加圧を行う工程が、筐体又は蓋の少なくとも一方を、低融点材料の融点以下かつ融点に近い温度まで加熱する第１の加熱工程を有するため、筐体及び蓋を均一に加熱するため、局所的な熱的歪みの発生を抑制することが可能となる。しかも、低融点材料の融点以下の温度（例えば、１００℃以下）であるため、熱的歪みの発生も極力抑制されている。

請求項６に係る発明により、加熱・加圧を行う工程が、筐体又は蓋の少なくとも一方に対し、低融点材料層付近の温度を低融点材料の融点以上に短時間で加熱すると共に、筐体と蓋とを圧接するように両者を加圧する第２の加熱・加圧工程を有するため、前記の第１の加熱工程と合わさり、低融点材料の融点までの温度差が小さく、低融点材料の溶融時の熱的歪みも抑制することが可能となる。しかも、該温度差が小さいことにより、溶融に係る加熱時間の短縮にも寄与する。さらに、筐体と蓋とを適切な圧力で圧接するため、低融点材料の厚みを常に適正な状態に保持でき、均質な気密封止を実現することが可能となる。また、押圧手段と加熱手段とを兼用させることにより、加熱手段の熱を効率よく筐体又は蓋に伝達することが可能となる。

請求項７に係る発明により、第１の加熱工程又は第２の加熱・加圧工程は、加熱する際に、熱源と筐体又は蓋との間に柔軟性のある熱伝導性材料を挟み込むため、加熱手段による熱伝導ムラを防止し、低融点材料全体に渡り均一な熱伝達を実現することができる。

請求項８に係る発明により、加熱・加圧を行う工程において、熱源又は加圧源の温度及び圧力を検知し、該検知結果に基づき該熱源又は該加圧源の温度又は圧力を調整する自動制御方法を有しているため、常に適切な温度及び圧力で気密封止を実現することができる。

請求項９に係る発明により、請求項１乃至８のいずれかに記載の気密封止方法を用いるため、気密封止時の熱による筐体などの歪みを抑制し、低温で気密封止された気密封止体を得ることができる。

請求項１０に係る発明により、筐体と蓋が接触する部分において、筐体又は蓋の少なくとも一方に凹凸が形成されているため、低融点材料の位置決めなどの低融点材料の溶融接合に係る作業性を向上すると共に、低融点材料による接合強度を高めることが可能となる。

請求項１１に係る発明により、請求項１乃至８のいずれかに記載の気密封止方法に用いる加熱装置において、蓋に接触する加熱手段の形状が、低融点材料が配置される領域に対応して蓋側に凸部が形成されているため、低融点材料の溶融に必要な箇所のみを一度に加熱することができ、筐体や蓋に対する余分な加熱による歪みの発生を抑制すると共に、封止作業に係る作業性を向上することが可能となる。

本発明に係る気密封止方法について、以下に詳細に説明する。
図１（ａ）は、気密封止した状態の筐体及び蓋の断面を示す図である。本発明の特徴の一つは、筐体と蓋との間に、半田等の低融点材料を用いた接合層３（低融点材料層という）を用い、両者を接合することであり、これにより、気密封止時に筐体など掛る温度を低下させることが可能とするものである。

低融点材料としては、Ｓｎ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉ，Ｚｎ，Ｉｎ，Ｓｂのいずれか又はこれらの合金を用い、１００℃以上、２００℃以下の比較的低い融点でかつ、接合強度の高い接合材料を利用することが好ましい。また、これらの材料は、溶融時の低融点材料成分の飛散が少なく、筐体内の光学部品等を汚染することもない。

筐体や蓋への低融点材料の接合性及び浸透性を向上するため、図１（ｂ）に示すように、筐体や蓋の低融点材料層３が付着する領域には、濡れ層４，５が形成されている。濡れ層の構成する材料には、Ｎｉ，Ａｕ，Ｃｕ，のいずれか又はこれらの合金を用いることで、蒸着又はメッキ方法などを用いて筐体又は蓋に濡れ層を容易に形成することが可能となる。

図２及び図３は、気密封止装置を示す図であり、加熱板１０上には、柔軟性のある熱伝導性材料によるマット１１を介して筐体１及び蓋２が設置される。そして、低融点材料層３を溶融させ筐体１と蓋２とを気密封止する際には、上部加熱手段１２が図中の矢印Ａのように下方に移動し、低融点材料層３が形成される近傍の蓋部分に接触し、蓋の一部を加熱・押圧する。上部加熱手段１２にもマット１１と同様に柔軟性のある熱伝導性材料１３が配置されている。これらの熱伝導性材料は、加熱板１０や上部加熱手段１２などにより筐体や蓋に対する加熱や加圧が不均一になることを防止し、特に熱伝導性材料１３においては、低融点材料を均一に溶融させると共に、筐体１に対する蓋３の押圧分布を均等に維持できるため、加熱・加圧に伴う温度斑や加圧斑を抑制することができる。

図３は、図２の断面概略図であり、加熱板１０は、電熱器１４により加熱され、上部加熱手段１２は、ヒータ１５で加熱されている。上部加熱手段１２の形状としては、蓋に当接する部分を蓋の周縁部のみとしており、これにより、蓋の中心など加熱不要な領域を加熱することを防止できる。特に、蓋に接触する加熱手段の形状が、低融点材料が配置される領域に対応して蓋側に凸部が形成されているため、低融点材料の溶融に必要な箇所のみを一度に加熱することができ、上述のように筐体や蓋に対する余分な加熱による歪みの発生を抑制すると共に、封止作業に係る作業性を向上することが可能となる。
ただし、気密封止時において蓋全体を加熱することが好ましい場合には、図３の上部加熱手段１２の形状に代えて、蓋全体に接触する平面を有する上部加熱手段を採用することも可能である。

上部加熱手段の上下移動方法について説明すると、上部加熱手段１２の上端には絶縁断熱性材料で形成されたピン２０が接続されており、該ピン２０に固定のフランジ２１と、構造支持体２３との間には、該フランジ２１を介して上部加熱手段１２を上方に付勢するバネ２２が設置されている。ピン２０の先端は、回転可能なカム２４に当接しており、該カムが回転することにより、ピン２０が上下し、結果として上部加熱手段が蓋２に対して上下方向に移動することとなる。

気密封止装置全体は、不活性ガスを充填した容器内に収容され、気密封止工程完了後には、筐体１内に不活性ガスが充填されるよう構成されている。不活性ガスとしてはＮ_２，Ｈｅが、安価でかつガスの取扱いも容易であり、気密封止の生産性が向上する観点から好ましい。また、上部加熱手段の駆動機構や後述する温度コントローラなどを、不活性ガスの容器外に配置することも可能である。

また、加熱板１０や上部加熱手段１２には、サーミスタ１７，１６が組み込まれており、各部材の温度を検知するよう構成されている。この温度検知結果は、温度コントローラ１８に入力され、予め設定された温度となるよう、電熱器１４及びヒータ１５の通電量が制御される。
さらに、上部加熱手段の蓋への押圧力を調整するため、例えば、加熱板１０に加わる圧力変化やカム２４の回転トルク変化を検出し、蓋への押圧力を測定し、上記温度コントローラと同様に、所定の押圧力となるようカム２４の回転角を調整するよう構成することも可能である。

次に、図２及び図３の気密封止装置を利用した気密封止方法を説明する。
濡れ層を形成した筐体１と蓋２を用意し、該筐体１内に光学部品等を配置すると共に、筐体１と蓋２との間に低融点材料層３を挟んで、加熱板１０上のマット１１上に配置する。
第１の加熱工程では、加熱板１０を電熱器１４により加熱し、筐体１及び蓋を、低融点材料の融点以下かつ融点に近い温度まで加熱する。

そして、第１の加熱工程を維持した状態で、蓋２に対して上部加熱手段を所定の押圧力を維持しながら押し下げると共に、ヒータ１５の通電量を制御して、低融点材料層付近の温度を低融点材料の融点以上に加熱を行う（第２の加熱・加圧工程）。
このように、低融点材料層３の溶融工程を第１の加熱工程と第２の加熱・加圧工程とに分離することにより、第２の加熱・加圧工程における、融点到達までの温度差を小さくでき、筐体などの歪み量も極力抑制することが可能となる。また、低融点材料層が均質に加熱されるため材料の浸透性が高まり、生産の歩留まりの向上にも寄与する。さらに、上記温度差が小さいため、第２の加熱・加圧工程に掛る作業時間の短縮化も達成することができる。

次に、低融点材料層の形状について説明する。
低融点材料層としては、筐体又は蓋の形状に応じて任意の形状が採用できるが、特に棒状・線状・リボン状・シート状・ボール状・ペースト状又はこれらの形状を２次加工した形状、あるいは筐体又は蓋の少なくとも一方にプリント形成された形状などが好適に使用可能である。なお、ペースト状の場合はディスペンサーを使用すると定量的に塗布するのに有効である。また、リボン状・シート状などの場合は予め筐体と蓋の形状に２次加工しておくと良い。

また、筐体１の低融点材料層３との接触端部の形状としては、図４に示すように任意の形状を採用することが可能であり、例えば、図４（ａ）のように凹部３０を設ける場合には、該凹部に低融点材料を正確に位置決めすることが可能であり、溶融時にも低融点材料が該凹部を中心に分布するため、低融点材料の位置を常に適正に保持することが可能となる。特に、図３に示すように、蓋２の周辺部のみを一度に加熱する加熱手段１２を用いる場合には、加熱手段１２が蓋２に接触する際に、低融点材料がずれる可能性があり、このような不具合を除去するためにも、凹部３０が有効に機能する。以下の図４（ｂ）〜（ｄ）についても同様である。

また、図４（ｂ）の凸部３３、図４（ｃ）の内側段差部３２、図４（ｄ）の外側段差部３３のように、内側又は外側に段差を形成することで、筐体１と蓋２との接合部からはみ出した低融点材料を筐体の内外に液ダレすることなく接合部付近に留めることが可能となる。
さらに、図４の（ａ）〜（ｄ）のようにように段差面を形成することで、低融点材料と筐体１との接触面積を増加し、低融点材料層３との接合強度を高く保つことも可能となる。
なお、図４（ａ）〜（ｄ）は、いずれも筐体側に凹凸を形成したが、これに限らず、接合部における蓋側に凹凸を形成したり、あるいは、筐体と蓋の両者に凹凸を形成することも可能である。

以上のように、本発明に係る気密封止方法により、空間系を有する光通信用部品及び装置において気密封止時の熱による筐体などの歪みを抑制し、低温で気密封止を可能とする気密封止方法及び該方法を用いた気密封止体、並びに該方法に用いる加熱装置を提供することが可能となる。

（ａ）は気密封止した状態の筐体及び蓋の断面を示す図であり、（ｂ）は気密封止前の接合部の状態を示す図である。 本発明に係る気密封止装置の斜視図を示す。 本発明に係る気密封止装置の断面図を示す。 筐体の開口端部の形状に係る実施例を示す図である。

符号の説明

１ 筐体
２ 蓋
３ 低融点材料層
４，５ 濡れ層
１０ 加熱板
１１ マット（熱伝導性材料）
１２ 上部加熱手段
１３ 熱伝導性材料
１４ 電熱器
１５ ヒータ
１６，１７ サーミスタ
１８ 温度コントローラ

Claims (11)

1. 筐体と蓋との気密封止方法において、
   筐体側と蓋側との各々の封止領域に濡れ層を形成する工程と、
   筐体と蓋とが接触する部分に低融点材料層を配置する工程と、
   不活性ガス雰囲気中にて、筐体と蓋とを組み合わせ、筐体又は蓋の該低融点材料が配置された近傍全体を同時に加熱・加圧し、該低融点材料を溶かし、該濡れ層の領域をロウ接して気密封止する工程とを含むことを特徴とする気密封止方法。
2. 請求項１に記載の気密封止方法において、該濡れ層は、Ｎｉ，Ａｕ，Ｃｕ，のいずれか又はこれらの合金よりなることを特徴とする気密封止方法。
3. 請求項１に記載の気密封止方法において、該低融点材料層は、Ｓｎ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｂｉ，Ｚｎ，Ｉｎ，Ｓｂのいずれか又はこれらの合金よりなることを特徴とする気密封止方法。
4. 請求項３に記載の気密封止方法において、該低融点材料層は、棒状・線状・リボン状・シート状・ボール状・ペースト状又はこれらの形状を２次加工した形状、あるいは筐体又は蓋の少なくとも一方にプリント形成された形状のいずれかであることを特徴とする気密封止方法。
5. 請求項１に記載の気密封止方法において、前記加熱・加圧を行う工程は、筐体又は蓋の少なくとも一方を、低融点材料の融点以下かつ融点に近い温度まで加熱する第１の加熱工程を有することを特徴とする気密封止方法。
6. 請求項１に記載の気密封止方法において、前記加熱・加圧を行う工程は、筐体又は蓋の少なくとも一方に対し、低融点材料層付近の温度を低融点材料の融点以上に短時間で加熱すると共に、筐体と蓋とを圧接するように両者を加圧する第２の加熱・加圧工程を有することを特徴とする気密封止方法。
7. 請求項５又は６に記載の気密封止方法において、第１の加熱工程又は第２の加熱・加圧工程は、加熱する際に、熱源と筐体又は蓋との間に柔軟性のある熱伝導性材料を挟み込むことを特徴とする気密封止方法。
8. 請求項１に記載の気密封止方法において、前記加熱・加圧を行う工程は、熱源又は加圧源の温度及び圧力を検知し、該検知結果に基づき該熱源又は該加圧源の温度又は圧力を調整する自動制御方法を含むことを特徴とする気密封止方法。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の気密封止方法を用いて製造した気密封止体。
10. 請求項９に記載の気密封止体において、筐体と蓋が接触する部分において、筐体又は蓋の少なくとも一方に凹凸が形成されていることを特徴とする気密封止体。
11. 請求項１乃至８のいずれかに記載の気密封止方法に用いる加熱装置において、蓋に接触する加熱手段の形状が、低融点材料が配置される領域に対応して蓋側に凸部が形成されていることを特徴とする加熱装置。
    

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