JP2012509830A - 高cteガラスのレーザ援用フリット封着及び得られる封着ガラスパッケージ - Google Patents
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Abstract
Description
上述したレーザフリット封着プロセス200及び封着した、ほとんどはソーダ石灰ガラスの、高CTEガラス102及び110の解析を行った。解析は目視検査及び、様々な封着速度、レーザビームスポット径、等を含む、様々な封着条件の下で作製された、実験ガラスパッケージ100を試験するための新しいオンライン応力試験設備を用いて行った。ディスプレイガラスにともなうレーザ封着条件(レーザ出力33W,封着速度20mm/秒,1mm幅フリットに対するビーム径1.8mm)を用いる高CTEガラスの封着では一般に、封着高CTEガラスパッケージ100の過渡応力及び残留応力による、フリット108の望ましくないクラック発生及び剥離がおこることがわかった。さらに、封着速度の減速及び/またはレーザビーム115のスポット径の拡大により滞留加熱時間(フリット108の加熱、封着及び冷却に必要な時間)を長くすることによって、高CTEガラスパッケージ100の封着歩留がかなり改善され得ることがわかった。このことは、滞留加熱時間を長くして封着したソーダ石灰ガラスプレート102及び110について応力の低減を示す応力解析によって確かめられた。本明細書には、この解析だけでなく、高CTEガラス102及び110に対して最適化された封着条件及び、高CTEガラスプレート102及び110を封着するときの、CTE、アニール点、加熱プロファイル及びフリット組成、等のようなパラメータの重要性を示すために、他のガラスを用いた実験も示される。
これらの実験においては、上述した特許文献1及び2に説明される従来の封着プロセスで作製されたシールを評価するために行っている方法と同様の、光学顕微鏡を明視野及び暗視野で用いる目視検査によって、シール品質を評価した。この手法を用いることにより、いかなる、シール112の欠陥、フリット108の生じ得るクラックまたは剥離及び/またはガラスプレート102及び110のクラックも見ることができるであろう。一実験において、2枚のソーダ石灰ガラスプレート102及び110と1mm幅のフリットで、レーザ出力33W,封着速度2mm/秒及び拡大ビームスポット径3.2mmの封着条件を用いて、Caパッチ302を封入したガラスパッケージ100を作製した。カルシウムパッチ302は、例えば、(非気密)パッケージの漏れを検出するために用いることができ、したがって、敏感なパッケージ内容物の代用としてはたらくことができる。例えば、カルシウムパッチ302はOLEDデバイスの1つないしさらに多くの層の代わりになることができ、カルシウムパッチ試験の結果はOLEDデバイスに与えられるシールによる効果を判定するために用いることができる。所定の時間後のカルシウムパッチ302の全てまたは一部の「白色フレーク状痂皮」への転化は、パッケージ内の酸素の存在及びパッケージの潜在的漏れを示すために用いることができる。別の実験において、2枚の低CTEガラスプレート(コーニングのEagle(登録商標)ガラスプレート)及び1mm幅のフリットで、レーザ出力33W,封着速度20mm/秒及び拡大ビームスポット径3.2mmの封着条件を用いて、従来のガラスパッケージを作製した。いずれの場合にも、フリット108の組成は、Sb2O3(23.5モル%),V2O5(47.5モル%),P2O5(27モル%),TiO2(1.0モル%),Al2O3(1.0モル%),Fe2O3(2.5モル%)、及び少なくとも10%のβユークリプタイトガラス−セラミックCTE低下フィラー(LiAlSiO4)であった。封着ガラスパッケージ100及び従来の封着ガラスパッケージは、85℃/相対湿度85%のチャンバ内に1000時間おかれた、気密性試験に耐え抜くことができた。
・ソーダ石灰ガラス:73%SiO2,14%Na2O,9%CaO,0.15%Al2O3,0.03%K2O,4%MgO,0.02%TiO2,0.1%Fe2O3;
・フリット108:Sb2O3(23.5モル%),V2O5(47.5モル%),P2O5(27モル%),TiO2(1.0モル%),Al2O3(1.0モル%),Fe2O3(2.5モル%)、及び少なくとも10%のβユークリプタイトガラス−セラミックCTE低下フィラー(LiAlSiO4);
の通りであり、
・表#1の他のガラスは全てコーニング社の市販ガラスである。「Eagle2000」ガラスはCTEが32×10−7℃−1のアルカリ土類アルミノホウケイ酸ディスプレイガラスである。ガラスA(コーニング社製品番号7058)及びガラスB(コーニング社製品番号9753)は、CTEがそれぞれ51×10−7℃−1及び59×10−7℃−1の、石灰アルミノケイ酸ガラスである。ガラスC(コーニング社製品番号0211)は、顕微鏡カバーガラスとして市販されている、CTEが74×10−7℃−1の、アルカリ亜鉛ホウケイ酸ガラスである。
1. この実線は自然ガラス冷却レートを示す;
2. この実線は、3.2mmのスポット径を用いて2mm/秒で封着しているときに、0.7mm幅のフリット108の中心で測定した、加熱プロファイルを示す;
2A.この破線は、3.2mmのスポット径を用いて2mm/秒で封着しているときに、0.7mm幅のフリット108の縁で測定した、加熱プロファイルを示す;
3. この実線は、1.8mmのスポット径を用いて2mm/秒で封着しているときに、0.7mm幅のフリット108の中心で測定した、加熱プロファイルを示す;
3A.この破線は、1.8mmのスポット径を用いて2mm/秒で封着しているときに、0.7mm幅のフリット108の縁で測定した、加熱プロファイルを示す;
4. この実線は、1.8mmのスポット径を用いて20mm/秒で封着しているときに、0.7mm幅のフリット108の中心で測定した、加熱プロファイルを示す;
4A.この破線は、1.8mmのスポット径を用いて20mm/秒で封着しているときに、0.7mm幅のフリット108の縁で測定した、加熱プロファイルを示す;
を用いて識別される。
レーザ封着ガラスパッケージ100の応力を測定するため、発明者等は封着ガラスパッケージ100におけるその場複屈折を測定する計測装置を組み上げた。計測装置は、M.H.L.ターディ(Tardy)による論文、「光学材料における複屈折を測定するための実験的方法(Experimental Method for Measuring the Birefringence in Optical Materials)」,Optics Review,1929年,第8巻,p.59〜69に説明されている、ターディ方式と同様である(この論文の内容は本明細書に参照として含まれる)。しかし、これらの実験において、発明者等は高速ビデオカメラを備える計測装置を用いることで複屈折をモニタした。これにより、発明者等の封着ガラスパッケージ100における過渡応力及び残留応力の計算が可能になった。詳しくは、本計測装置を用いて発明者等が測定するのは遅延であり、遅延は複屈折に変換される必要があり、複屈折は次いで応力に変換される必要がある。2つの試験ガラスパッケージについて複屈折マップを作製した。試験ガラスパッケージのそれぞれは0.63mm厚ソーダ石灰ガラスプレート102及び110で、それらの間に代表的な1mm幅フリット108を置いて、作製し、第1の試験ガラスパッケージ100aは1.8mmのレーザビーム115のスポット径及び20Wのレーザ出力を用い、10mm/秒で封着し、第2の試験ガラスパッケージ100bは1.8mmのレーザビーム115のスポット径及び12Wのレーザ出力を用い、2mm/秒で封着した。10mm/秒で封着した第1のガラスパッケージの応力レベルは2mm/秒で封着した第2のガラスパッケージの応力レベルよりかなり高くなっていた(図6を見よ)。計測装置の較正のため、発明者等は同じ第2の封着ガラスパッケージを用いて、本計測装置で得られた残留複屈折を標準の較正済偏光計で得られた残留複屈折と比較した。
1. このソーダ石灰ガラスパッケージ100は、マスクを用い、175Wのレーザ出力及び4.8mmのレーザビームスポット径により20mm/秒で封着した;
2. このソーダ石灰ガラスパッケージ100は、マスクを用い、370Wのレーザ出力及び6.4mmのレーザビームスポット径により20mm/秒で封着した;
3. このソーダ石灰ガラスパッケージ100は、マスクを用い、18Wのレーザ出力及び1.6mmのレーザビームスポット径により20mm/秒で封着した;
を用いて識別される。
1.封着速度2mm/秒,レーザ出力12W,レーザビームスポット径1.8mm;
2.封着速度10mm/秒,レーザ出力20W,レーザビームスポット径1.8mm;を用いて識別される封着条件と関連付けられる。与えられるいかなる時点においても封着中に応力をモニタすることが可能であるから、過渡応力及び残量得応力のいずれについてもピーク応力値を得ることができた。このデータが図9にまとめられている。
(1)Eagleは代表的フリット108で封着された「Eagle2000」ガラスプレートを表す;
(2)SLNは代表的フリット108で封着されたソーダ石灰ガラスプレート102及び110を表す;
(3)SL90-10は、ガラス対CTE低下フィラー比が90/10の代表的フリット108で封着されたソーダ石灰ガラスプレート102及び110を指す(注:続く数字は2mm/秒または10mm/秒のレーザ封着速度を指す);
のように分別される。本グラフにおいて、封着条件には、(2mm/秒及び10mm/秒に対して、それぞれ)12Wおよび20Wのレーザ出力並びに1.8mmのレーザビームスポット径が含まれる。
上に示したように、ソーダ石灰ガラスのレーザ封着において高歩留でシール112を得るには加熱プロファイルの非常に大きな修正が必要である。発明者等は、様々なレーザスポット径及び封着速度に対し、上述した代表的フリット108を用いてソーダ石灰ガラス封着実験を行った。これらに実感は、<1mm/秒のかなり低速であっても、1.8mmのスポット径で得られるシール品質は低いが、〜2mm/秒の速度での封着においても、>3mmのスポット径を用いて得られたガラスパッケージ100のシール112の品質は高い。これは、滞留加熱時間、フリットの加熱、封着及び冷却に必要な時間(図2の工程216も見よ)、及びフリット108の中心及び縁に対する加熱の一様性の内のいつかの差で説明することができるであろう。フリット108の一様加熱により、フリット108の中心及び縁が同様の滞留加熱時間を有することが保証される。例えば、1.8mm幅のビーム(パワー12W)及び速度1mm/秒に対する1mm幅フリット108の中心の滞留加熱時間の差は1.8秒となるであろう。一方、3.25mm幅のビーム(パワー30W)及び速度2mm/秒に対して差はほぼ同じ(〜1.6秒)であるが、3.25mm幅ビームに対しては結果がかなり良かった。1.8mmビームに対するフリット108の縁に対する滞留加熱時間は(3.25mmビームに対するより)かなり短いであろう。レーザビームは、ビーム幅にわたって実質的に一様な強度を有する、階段状の強度プロファイル(ビーム幅にわたる強度分布)を有することができ、あるいはビームはガウス型強度プロファイルを有し得ることは当然である。本明細書に用いられるように、実質的に一様な強度分布は、ビーム幅にわたる強度のある程度小さい変動は許容されることを意味する。例えば、実施において真の階段関数分布は達成が非常に困難であり、分布の「両側」に若干の傾斜が、またはその他の小さな強度変動が、生じ得る。速度2mm/秒で作製したガラスパッケージ100内の(気密試験用)Caパッチ302を保護する代表的シール112は、上で論じられている(Caパッチ302を封止するガラスパッケージ100は、レーザ出力33W,封着速度2mm/秒及び拡大ビームスポット径3.2mmの封着条件を用いて、2枚のソーダ石灰ガラスプレート102及び110と1mm幅フリット108で作製された)。
20mm/秒の封着速度を達成するために、レーザビーム115のスポット径を大きくして低速時と同じ加熱プロファイルを維持することができる。400Wのレーザ出力、20mm/秒の封着速度及び9mmのレーザビームスポット径を用いてこれを実証した。作製したこのタイプのガラスパッケージ100の数は限られていたが、これらのガラスパッケージの内の少なくとも2つはCaパッチ302の封止に成功し、実験室環境内で少なくとも2000時間を耐え抜いている。これは、幅広加熱プロファイルを維持することで高CTEガラスの封着が可能になり得ることを示唆している。この手法により、比較的高い20ミリ/秒の封着速度を維持しながら、フリット108の幅にわたる滞留加熱時間を長くすることが可能になる。
ソーダ石灰ガラスプレート102及び110を封着する場合に、代表的フリット108からのCTEの変更はソーダ石灰ガラスプレート102及び110の封着に重要な効果を有していない。実際、フィラー量を少なくした高CTEフリット108では挙動が悪化するが、これらのガラスパッケージ100におけるシール112の作製には成功している。
歪点の影響
「Eagle2000」ガラスとソーダ石灰ガラスとは特性が異なるガラスとの異質ガラスの封着も調べ、結果を上の表#1にまとめてある。見てわかるように、「Eagle2000」ガラスとガラスAまたはガラスBとの封着は歪点の値の重要性を示す。ガラスの歪点が低くなるほど良好な封着が得られ、これは応力値に着目することで説明することができる。高歪点ガラスに対し、そのようなガラス内の全体的歪は、CTEは同じであるが歪点が低いガラス内の応力より高くなる。これはガラスの歪点より低い温度で応力が発達することによる。封着温度がガラスの歪点より低ければ、応力値はCTEが同じガラスと同じになるであろう。歪点が封着温度より低ければ、低歪点ガラスに対して応力は低くなるであろう。これはガラスA及びガラスBに当てはまり、歪点が472℃のガラスAは「Eagle2000」ガラスに良好に封着され、同様のCTEを有するが歪点が800℃をこえるガラスBは全く封着されず−それどころか、剥離が生じた。一般には、総歪値,CTE・ΔT/Δt(歪点対室温)をある値より低くするべきである。良好な封着を形成するための代表値は〜1500ppmである。しかし、ガラスが自然冷却レートより緩やかに冷却される場合には、上記の値を上回ることができる。すなわち、本発明においては、与えられた滞留加熱時間(例えば>400ミリ秒)において、[ガラスプレート102及びガラスプレート110の歪点]−[封着プロセス前のガラスプレート102及び/またはガラスプレート110の平衡温度]を500℃より小さくすることができる。例えば、滞留加熱時間を(<400ミリ秒に)短くする必要があれば、上式にしたがって、周囲温度を上げることによって歪点と周囲温度の差ΔTを小さくしなければならない。例えば、<100ミリ秒または<200ミリ秒の滞留加熱時間で封着する必要があれば、周囲温度をそれぞれ少なくとも200℃または100℃高くする必要があり得る。特に、本発明においては、[ガラスプレート102及びガラスプレート110の歪点]−[封着プロセス前のガラスプレート102及び/またはガラスプレート110の平衡温度]を約200ミリ秒以上の与えられた滞留加熱時間において約400℃より小さくすることが可能である。また、本発明においては、[ガラスプレート102及びガラスプレート110の歪点]−[封着プロセス前のガラスプレート102及び/またはガラスプレート110の平衡温度]を約100ミリ秒以上の与えられた滞留加熱時間において約300℃より小さくすることが可能である。
ガラスプレート102及びガラスプレート110の厚さもガラス封着に重要な役割を果たす。150μm厚のガラスCは「Eagle2000」ガラスに封着することができたが、>400μmの厚いガラスCでは、表#1に関して上述した封着条件において、クラックが延展し、剥離が生じた。この場合も、これらの実験は、組成がSb2O3(23.5モル%),V2O5(47.5モル%),P2O5(27モル%),TiO2(1.0モル%),Al2O3(1.0モル%),Fe2O3(2.5モル%)、及び少なくとも10%のβユークリプタイトガラス−セラミックCTE低下フィラー(LiAlSiO4)の、代表的フリット108を用いて行った。ソーダ石灰ガラスを用いた追加実験でも、2〜3ミリの厚いガラスの封着では0.7mmのガラスに比べて封着歩留が低下した。
102 高CTEガラスプレート
104 コンポーネント
106 電極
108 フリット
110 ガラスプレート
112 シール
114 封着デバイス(レーザ)
115 レーザビーム
118 封着線
Claims (8)
- ガラスパッケージを作製する方法において、前記方法が、
80〜90×10−7℃−1の範囲の熱膨張係数,CTEを有する、第1のガラスプレートを提供する工程、
第2のガラスプレートを提供する工程、
少なくとも35×10−7℃−1のCTEを有する、フリットを提供する工程、
前記第1のガラスプレート上または前記第2のガラスプレート上に前記フリットを布置する工程、
前記フリットを前記第1のガラスプレートと前記第2のガラスプレートの間において、前記第1のガラスプレートを前記第2のガラスプレートに重ねる工程、及び
レーザを用いて前記第1のガラスプレートまたは前記第2のガラスプレートを通して前記フリットにレーザビームを向け、次いで、前記フリットが溶融して前記第1のガラスプレートを前記第2のガラスプレートに結合するシールを形成するように、前記フリットを加熱するために前記フリットに沿って所定の封着速度で前記レーザビームを移動させる工程、
を含み、
前記レーザビームが前記フリット上にレーザビーム投影面積を形成し、前記レーザビーム投影面積内の前記フリットの与えられた点上で100ミリ秒以上の滞留時間を有する、
ことを特徴とする方法。 - 前記フリットの前記与えられた点上の前記レーザビームの前記滞留時間が、前記フリットの中心及び縁のいずれにおいても加熱及び冷却が実質的に一様であるような時間であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記第2のガラスプレートが、前記第1のガラスプレートの前記CTEより低い、30×10−7℃−1以下のCTEを有することを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
- 前記第1のガラスプレートが500℃より低い歪点を有することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の方法。
- 400ミリ秒以上の前記滞留加熱時間に対して、[前記第1のガラスプレートの歪点]−[前記封着の前の前記第1のガラスプレートの平衡温度]が500℃未満であることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の方法。
- ガラスパッケージにおいて、
80〜90×10−7℃−1の範囲の熱膨張係数,CTEを有する第1のガラスプレート、
第2のガラスプレート、及び
前記第1のガラスプレートを前記第2のガラスプレートに結合するシールを形成する、少なくとも35×10−7℃−1のCTEを有するフリット、
を有することを特徴とするガラスパッケージ。 - 前記第2のガラスプレートが、前記第1のガラスプレートの前記CTEより低い、30×10−7℃−1以下のCTEを有することを特徴とする請求項6に記載のガラスパッケージ。
- 前記第1のガラスプレートが500℃より低い歪点を有することを特徴とする請求項6または7に記載のガラスパッケージ。
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