JP2014201452A - ガラス−セラミック接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザー照射によりガラスとセラミックを強固に接合させたガラス−セラミック接合体を提供する。【解決手段】ガラス１とセラミック２とをレーザー照射によって接合させたガラス−セラミック接合体１０であって、接合領域におけるセラミック２の表面の表面粗さＲａが、０．１μｍ以下であることを特徴としている。【選択図】図１

Description

本発明は、ガラスとセラミックを接合させたガラス−セラミック接合体に関するものである。

従来、例えば特許文献１等において、超短パルスレーザーを用いて複数の部材を接合する方法が提案されている。この方法では、接合しようとする２つの部材を当接させた状態で、超短パルスレーザーを照射する。このレーザー照射により形成されたフィラメント領域において、２つの部材が局所的に加熱されて接合される。超短パルスレーザーを用いた接合方法では、微小なフィラメント領域で局所的に加熱されるため、部材の温度を上昇させることなく接合させることができる。

特許文献１においては、接合させる２つの部材のうちの一方の部材として、ガラス、透明な樹脂が挙げられており、他方の部材として、ガラス、樹脂、金属、シリコン、半導体、及び金属、シリコン、半導体の化合物が挙げられている。しかしながら、ガラスとセラミックをレーザー照射で接合することについては具体的に開示されていない。

国際公開２００８／０３５７７０号公報

本発明者らは、ガラスとセラミックをレーザー照射で接合しようとする場合、ガラスとガラス、ガラスと金属などの場合と同様の条件では、接合させることが困難であることを見出した。

本発明の目的は、レーザー照射によりガラスとセラミックを強固に接合させたガラス−セラミック接合体を提供することにある。

本発明のガラス−セラミック接合体は、ガラスとセラミックとをレーザー照射によって接合させたガラス−セラミック接合体であって、接合領域におけるセラミック表面の表面粗さＲａが、０．１μｍ以下であることを特徴としている。

本発明において、レーザー照射は、超短パルスレーザーの照射であることが好ましい。

セラミックと接合させるガラスは、強化ガラスであってもよい。

本発明によれば、レーザー照射でガラスとセラミックを強固に接合させたガラス−セラミック接合体とすることができる。

本発明の実施形態のガラス−セラミック接合体を示す模式的断面図である。 図１に示す実施形態のガラス−セラミック接合体の接合前のガラス板及びセラミック板を示す模式的断面図である。 本発明の実施形態においてガラス板とセラミック板をレーザー照射で接合する状態を説明するための模式的断面図である。 本発明の実施形態においてガラス板とセラミック板をレーザー照射で接合した後の状態を説明するための模式的断面図である。 本発明の実施形態のガラス−セラミックパッケージを示す模式的断面図である。 本発明の実施例におけるガラス−セラミック接合体の接合領域を示す光学顕微鏡写真であり、（ａ）は剥離前の接合体のガラス板側の表面を示しており、（ｂ）は剥離後のガラス板の剥離表面を示しており、（ｃ）は剥離後のセラミック板の剥離表面を示している。

以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。

図１は、本発明の実施形態のガラス−セラミック接合体を示す模式的断面図である。図２は、図１に示す実施形態のガラス−セラミック接合体の接合前のガラス板１及びセラミック板２を示す模式的断面図である。図１に示すように、本実施形態のガラス−セラミック接合体１０は、ガラス板１の接合面１ａと、セラミック板２の接合面２ａとを接合することにより構成されている。本実施形態において、セラミック板２の接合面２ａの表面粗さＲａは、０．１μｍ以下である。セラミック板２の接合面２ａの表面粗さＲａが、０．１μｍより大きくなると、ガラス板１と強固な接合を形成することができなくなる。表面粗さＲａは、さらに好ましくは、０．０８μｍ以下である。表面粗さＲａの下限値は、特に限定されるものではないが、一般には０．０２μｍ以上である。なお、本発明においては、接合面２ａ全体が、０．１μｍ以下の表面粗さＲａである必要はなく、少なくとも接合領域における表面粗さＲａが０．１μｍ以下であればよい。

ガラス板１の接合面１ａの表面粗さＲａは、特に限定されるものではないが、０．００５〜０．０５μｍの範囲内であることが好ましく、０．００５〜０．０２μｍの範囲内であることがさらに好ましい。

本発明における表面粗さＲａは、日本工業規格（ＪＩＳ）０６０１−１９７６に準拠して測定することができ、例えば、東京精密株式会社製サーフコムにより測定することができる。

ガラス板１の材質は、特に限定されるものではなく、例えば、ケイ酸塩系ガラス、ホウケイ酸塩系ガラス、ホウ酸塩系ガラス、リン酸塩系ガラスなどが挙げられる。セラミック板２の材質は、特に限定されるものではなく、例えば、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化チタンなどが挙げられる。

図３は、本発明の実施形態においてガラス板とセラミック板をレーザー照射で接合する状態を説明するための模式的断面図である。図３に示すように、ガラス板１の接合面１ａとセラミック板２の接合面２ａを当接させた状態で、レンズ３１を通して超短パルスレーザー３０をガラス板１側から所定の箇所に照射する。ガラス板１は、超短パルスレーザー３０に対して、透明な基板である。ここで、「透明」とは使用するレーザーに対して透明であることを意味している。したがって、超短パルスレーザー３０は、一般に、透明な基板であるガラス板１側から照射される。しかしながら、セラミック板２が、超短パルスレーザー３０に対して透明な基板である場合には、セラミック板２側から超短パルスレーザー３０を照射してもよい。

超短パルスレーザー３０は、パルス幅のオーダーが１×１０^−９秒未満の超短光パルスレーザーである。超短パルスレーザーとして、さらに好ましくは、１×１０^−１２秒未満の超短光パルスレーザーを用いる。超短パルスレーザーを用いることにより、接合面に歪みが残りにくいので、高い信頼性を付与することができる。

図３に示すように、超短パルスレーザー３０が照射されると、フィラメント領域３２が形成される。フィラメント領域３２は、超短パルスレーザー３０がガラスなどの媒質に入射して生じるフィラメンテーションの領域である。すなわち、超短パルスレーザー３０がガラスなどの媒質に入射すると、３次の非線形光学効果と、プラズマ形成による屈折率の減少効果とが生じる。これら２つの効果が均衡することにより、所定の距離にわたって最小ピーク径で伝搬するフィラメンテーションという現象が生じる。このフィラメンテーションが生じている領域が、フィラメント領域３２である。

図３に示すように、フィラメント領域３２は、ガラス板１とセラミック板２の領域に跨って形成されている。フィラメント領域３２においては、多光子吸収現象が生じるため、フィラメント領域３２が選択的に加熱される。この加熱により、ガラス板１の接合面１ａとセラミック板２の接合面２ａとの間が接合される。これにより、図４に示すように、ガラス板１とセラミック板２に跨る接合領域３３が形成される。超短パルスレーザー３０を走査しながら照射することにより、所定の領域に、接合領域３３を形成することができる。

図５は、本発明の実施形態のガラス−セラミックパッケージを示す模式的断面図である。図５に示すガラス−セラミックパッケージは、本発明のガラス−セラミック接合体の用途の一例として示すものである。

図５に示すように、ガラス−セラミックパッケージ２０は、セラミックパッケージ本体４にガラス蓋３を接合することにより構成されている。セラミックパッケージ本体４は、その周縁部に突出部４ｃを有している。突出部４ｃの接合部４ａと、ガラス蓋３の周縁部の接合部３ａとが、レーザー照射により接合されることにより、セラミックパッケージ本体４とガラス蓋３とが接合されている。

セラミックパッケージ本体４の内部４ｂに、例えば水晶振動子などを収納することができる。セラミックパッケージ本体４の蓋として、ガラス蓋３を用いて封止することにより、封止後にセラミックパッケージ本体４の内部４ｂを視覚で検査することができる。また、封止後に内部４ｂにレーザー照射等をすることができるので、封止後に微調整（チューニング）等を実施することができる。

以下、本発明を具体的な実施例により説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるのではない。

（実施例１）
以下のガラス板とセラミック板を用いて、本実施例のガラス−セラミック接合体を作製した。なお、表面粗さＲａは、東京精密株式会社製サーフコムにて測定した。

［ガラス板］
縦５ｍｍ、横５ｍｍ、厚さ０．７ｍｍのホウケイ酸ガラスからなるガラス板を用いた。ガラス板の接合面の表面粗さＲａは、０．０１μｍである。

［セラミック板］
縦５ｍｍ、横５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの純度９６％のアルミナからなるセラミック板を用いた。セラミック板の接合面の表面粗さＲａは、０．０５μｍである。

このセラミック板は、一般的な押し出し成形にて製板したものをダイヤモンド砥粒を用いて研磨し、表面粗さを調整した。

［ガラス板とセラミック板の接合］
上記のガラス板とセラミック板を重ね合わせ、以下の条件で、超短パルスレーザーをガラス板側から照射して、ガラス板とセラミック板を接合させた。

・光源：ファイバーレーザー（ＦＣＰＡ μＪｅｗｅｌ Ｄ−１０００）
・パルスエネルギー：０．４０μＪまたは０．５０μＪ＠５２２ｎｍ、約７００フェムト秒、１ＭＨｚ
・加工領域：０．５×０．５ｍｍ^２
・走査速度：２０ｍｍ／秒
・走査間隔：１０μｍ

［接合状態の観察］
得られたガラス−セラミック接合体について、接合状態を光学顕微鏡で観察した。また、ガラス−セラミック接合体を接合界面で剥離して、剥離後のガラス板及びセラミック板の剥離表面を観察した。図６は、ガラス−セラミック接合体の接合領域を示す光学顕微鏡写真であり、（ａ）は剥離前の接合体のガラス板側の表面を示しており、（ｂ）は剥離後のガラス板の剥離表面を示しており、（ｃ）は剥離後のセラミック板の剥離表面を示している。

図６（ａ）において、黒い領域は、ガラス−セラミック接合体における接合領域を示している。図６（ｂ）は、剥離後のガラス板の剥離表面を示しているが、左上の黒い領域は、剥離によりガラス板の一部が割れた領域である。図６（ｃ）に示すセラミック板の右上にも、図６（ｂ）の左上の領域に対応したガラス板の割れによる領域が観察されている。

なお、図６は、パルスエネルギーを０．５０μＪとしたときのガラス−セラミック接合体を示しているが、パルスエネルギーを０．４０μＪとしたときも同様の結果が得られている。

（比較例１）
表面粗さＲａが０．５μｍであるセラミック板を用いる以外は、実施例１と同様にして、ガラス板とセラミック板とを重ねあわせて、レーザーを照射した。しかしながら、ガラス板とセラミック板とは接合することができなかった。

（比較例２）
表面粗さＲａが０．２μｍであるセラミック板を用いる以外は、実施例１と同様にして、ガラス板とセラミック板とを重ね合わせて、レーザーを照射した。しかしながら、ガラス板とセラミック板とは接合することができなかった。

１…ガラス板
１ａ…ガラス板の接合面
２…セラミック板
２ａ…セラミック板の接合面
３…ガラス蓋
３ａ…ガラス蓋の接合部
４…セラミックパッケージ本体
４ａ…セラミックパッケージ本体の接合部
４ｂ…セラミックパッケージ本体の内部
４ｃ…セラミックパッケージ本体の突出部
１０…ガラス−セラミック接合体
２０…ガラス−セラミックパッケージ
３０…超短パルスレーザー
３１…レンズ
３２…フィラメント領域
３３…接合領域

Claims (3)

1. ガラスとセラミックとをレーザー照射によって接合させたガラス−セラミック接合体であって、
   接合領域におけるセラミック表面の表面粗さＲａが、０．１μｍ以下である、ガラス−セラミック接合体。
2. 前記レーザー照射が、超短パルスレーザーの照射である、請求項１に記載のガラス−セラミック接合体。
3. 前記ガラスが、強化ガラスである、請求項１または２に記載のガラス−セラミック接合体。