JP2014201452A - Glass-ceramic joined body - Google Patents

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和田 正紀
Masanori Wada
正紀 和田
俊貴 相松
Toshiki Aimatsu
俊貴 相松
伊東 一良
Kazuyoshi Ito
一良 伊東
泰之 小関
Yasuyuki Koseki
泰之 小関
龍介 永尾
Ryusuke Nagao
龍介 永尾
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日本電気硝子株式会社
Nippon Electric Glass Co Ltd
国立大学法人大阪大学
Osaka Univ
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a glass-ceramic joined body obtained by tightly joining glass and a ceramic by laser irradiation.SOLUTION: In a glass-ceramic joined body 10 obtained by joining glass 1 and a ceramic 2 by laser irradiation, the surface roughness Ra of the surface of the ceramic 2 in a joined area is 0.1 μm or less.

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。 The present invention, glass is bonded to glass and ceramics - relates ceramic joined article.

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。 Conventionally, for example, in Patent Document 1 or the like, a method of joining a plurality of members using an ultra-short pulse laser has been proposed. 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。 In this way, being in contact with two members to be joined, irradiating the ultrashort pulse laser. 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。 In the filament region formed by the laser irradiation, the two members are joined are locally heated. 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。 In the bonding method using an ultrashort pulse laser, because it is locally heated by small filament area can be joined without raising the temperature of the member.

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。 In Patent Document 1, as one member of the two members to be joined, glass, and include a transparent resin, as the other member, glass, resin, metal, silicon, semiconductor, and metal, silicon, semiconductor compounds are mentioned. 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。 However, for joining the glass and ceramic laser irradiation has not been specifically disclosed.

国際公開2008/035770号公報 WO 2008/035770 No.

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。 The present inventors have found that when attempting to bond the glass and ceramics with laser irradiation, the glass and glass, in the same conditions as in the case of such as glass and metal, it was found that it is difficult to bond.

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。 An object of the present invention, the glass was firmly bonded to glass and ceramics by laser irradiation - is to provide a ceramic joined body.

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。 The glass of the present invention - ceramic joined body, glass and glass and ceramic are joined by laser irradiation - a ceramic joined article, the surface roughness Ra of the ceramic surface in the junction region is 0.1μm or less It is characterized.

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。 In the present invention, the laser irradiation is preferably radiation of ultrashort pulse laser.

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。 Glass to be joined with the ceramic may be a tempered glass.

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。 According to the present invention, the glass firmly, bonding the glass and ceramics with laser irradiation - can be a ceramic joined body.

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。 Glass embodiments of the present invention - is a schematic sectional view showing a ceramic joined body. 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。 Glass of the embodiment shown in Figure 1 - is a schematic cross-sectional view showing a glass plate and the ceramic plate before bonding ceramic joined article. 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。 The glass plate and the ceramic plate in an embodiment of the present invention is a schematic sectional view for explaining a state of joining by laser irradiation. 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。 It is a schematic sectional view for explaining a state after bonding the glass plate and the ceramic plate by laser irradiation in the embodiment of the present invention. 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。 Glass embodiments of the present invention - is a schematic sectional view showing a ceramic package. 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。 Glass in the embodiment of the present invention - an optical micrograph showing the junction region of the ceramic joined article, (a) shows the shows the surface of the glass plate side of the joint body before stripping, (b) the glass after peeling It shows the release surface of the plate, and (c) shows release surface of the ceramic plate after peeling.

以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。 The following describes preferred embodiments of the present invention. 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。 However, the following embodiments are merely illustrative, the present invention is not limited to the following embodiments. 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。 In the drawings, members having substantially the same functions are sometimes referred to by the same reference numerals.

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。 Figure 1 is a glass embodiment of the present invention - is a schematic sectional view showing a ceramic joined body. 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。 Figure 2 is a glass of the embodiment shown in Figure 1 - is a schematic sectional view showing a glass plate before the bonding of the ceramic joined article 1 and the ceramic plate 2. 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。 As shown in FIG. 1, the glass of the present embodiment - ceramic assembly 10 includes a joining surface 1a of the glass plate 1 is constructed by joining the bonding surface 2a of the ceramic plate 2. 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。 In the present embodiment, the surface roughness Ra of the bonding surface 2a of the ceramic plate 2 is 0.1μm or less. 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。 Surface roughness Ra of the bonding surface 2a of the ceramic plate 2 becomes larger than 0.1 [mu] m, it becomes impossible to form a strong bond with the glass plate 1. 表面粗さRaは、さらに好ましくは、0.08μm以下である。 The surface roughness Ra is more preferably less 0.08 .mu.m. 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。 The lower limit of the surface roughness Ra is not particularly limited, it is generally not less than 0.02 [mu] m. 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。 In the present invention, the entire bonding surface 2a is not necessarily a surface roughness of less than Ra 0.1 [mu] m, a surface roughness Ra of at least the junction area may be at 0.1 [mu] m or less.

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。 Surface roughness Ra of the joint surface 1a of the glass plate 1 is not particularly limited but is preferably in the range of 0.005~0.05Myuemu, within the 0.005~0.02μm there it is more preferable.

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。 Surface roughness Ra in the present invention, Japanese Industrial Standard (JIS) can be measured according to 0601-1976, for example, it can be measured by Tokyo Seimitsu Co. SURFCOM.

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。 The material of the glass plate 1 is not particularly limited, for example, silicate glass, borosilicate glass, borate glass, and the like phosphate type glass. 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。 The material of the ceramic plate 2 is not particularly limited, for example, aluminum oxide, silicon oxide, and titanium oxide.

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。 Figure 3 is a schematic sectional view for explaining a state of joining by laser irradiation of the glass plate and the ceramic plate in an embodiment of the present invention. 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。 As shown in FIG. 3, is irradiated being in contact with the bonding surface 2a of the joint surface 1a and the ceramic plate 2 of glass plate 1, the ultra-short pulse laser 30 to a predetermined position from the glass plate 1 side through the lens 31 . 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。 The glass plate 1, to the ultra-short pulse laser 30, a transparent substrate. 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。 Here, it means that it is transparent to the laser to be used as "transparent". 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。 Accordingly, ultra-short pulse laser 30 is generally irradiated from the glass plate 1 side is a transparent substrate. 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。 However, the ceramic plate 2, when it is a substrate transparent to ultra-short pulse laser 30 may be irradiated with ultra-short pulse laser 30 from ceramic plate 2 side.

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。 Ultra-short pulse laser 30, the order of the pulse width is ultrashort optical pulse laser of less than 1 × 10 -9 seconds. 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。 As the ultrashort pulse laser, more preferably, using an ultrashort optical pulse laser of less than 1 × 10 -12 seconds. 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。 The use of ultra-short pulse laser, since the distortion is hard to remain in the joint surface, it is possible to impart high reliability.

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。 As shown in FIG. 3, the ultra-short pulse laser 30 is irradiated, the filament region 32 is formed. 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。 Filament region 32, ultra-short pulse laser 30 is a region of filamentation occurring in enters a medium such as glass. 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。 That is, when the ultra-short pulse laser 30 is incident on a medium such as glass, and a non-linear optical effect of the third order, the reducing effect of the refractive index due to plasma formation. 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。 These by two effects are balanced, phenomenon filamentation propagating at minimum peak size for a predetermined distance results. 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。 Region The filamentation is occurring, a filamentary region 32.

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。 As shown in FIG. 3, the filament region 32 is formed across the regions of the glass plate 1 and the ceramic plate 2. 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。 In the filament region 32, because the multiphoton absorption phenomenon occurs, the filament region 32 is selectively heated. 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。 This heating between the bonding surface 2a of the joint surface 1a and the ceramic plate 2 of glass plate 1 is bonded. 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。 Thus, as shown in FIG. 4, bonding region 33 extending over the glass plate 1 and the ceramic plate 2 is formed. 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。 By irradiating while scanning the ultrashort pulse laser 30, in a predetermined area, it is possible to form the bonding region 33.

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。 Figure 5 is a glass embodiment of the present invention - is a schematic sectional view showing a ceramic package. 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。 Glass shown in FIG. 5 - ceramic package, the glass of the present invention - illustrates an example of a ceramic joined body applications.

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。 As shown in FIG. 5, the glass - ceramic package 20 is configured by joining glass lid 3 on the ceramic package body 4. 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。 Ceramic package body 4 has a projecting portion 4c on its periphery. 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。 A joint portion 4a of the projecting portion 4c, and a joint portion 3a of the peripheral portion of the glass lid 3, by being joined by laser irradiation, and the ceramic package body 4 and the glass cover 3 is bonded.

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。 Within 4b of the ceramic package body 4, can be accommodated, for example a quartz oscillator. 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。 As a lid of the ceramic package body 4, by sealing with a glass lid 3 can be inspected visually inside 4b of the ceramic package body 4 after the sealing. 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。 Further, it is possible to laser irradiation or the like inside 4b after the sealing can be performed fine adjustment (tuning) or the like after the sealing.

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。 Will now be described by way of specific embodiments thereof, the invention is not to be limited to the following examples.

(実施例1) (Example 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。 Using the following glass plate and the ceramic plate, the glass of the present embodiment - to form a ceramic joined body. 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。 In addition, the surface roughness Ra was measured by Tokyo Seimitsu Co., Ltd. SURFCOM.

[ガラス板] [Glass plate]
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。 Vertical 5 mm, horizontal 5 mm, a glass plate made of thick 0.7mm borosilicate glass was used. ガラス板の接合面の表面粗さRaは、0.01μmである。 Surface roughness Ra of the bonding surface of the glass plate is 0.01 [mu] m.

[セラミック板] [Ceramic plate]
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。 Vertical 5 mm, horizontal 5 mm, the ceramic plate made of 96% purity alumina having a thickness of 0.3mm was used. セラミック板の接合面の表面粗さRaは、0.05μmである。 Surface roughness Ra of the bonding surface of the ceramic plate is 0.05 .mu.m.

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。 The ceramic plate is a material obtained by manufacturing plate with general extrusion polished using diamond abrasive grains, and adjust the surface roughness.

[ガラス板とセラミック板の接合] [Bonding the glass plate and the ceramic plate]
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。 Superposing the glass plate and the ceramic plate described above, under the following conditions, and the ultrashort pulse laser is irradiated from the glass plate side, by bonding a glass plate and the ceramic plate.

・光源:ファイバーレーザー(FCPA μJewel D−1000) Light source: fiber laser (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 Pulse energy: 0.40μJ or 0.50μJ@522nm, about 700 femtoseconds, 1MHz
・加工領域:0.5×0.5mm And processing area: 0.5 × 0.5mm 2
・走査速度:20mm/秒・走査間隔:10μm Scanning speed: 20mm / sec, scanning interval: 10μm

[接合状態の観察] [Observation of the bonding state]
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。 Resulting glass - for ceramic joined article was observed bonding state with an optical microscope. 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。 The glass - by peeling the ceramic joined article at the bonding interface was observed release surface of the glass plate and the ceramic plate after peeling. 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。 6, the glass - is an optical micrograph showing the junction region of the ceramic joined article, (a) shows the shows the surface of the glass plate side of the joint body before stripping, (b) is a glass plate after peeling It shows a release surface, and (c) shows release surface of the ceramic plate after peeling.

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。 6 (a), the black areas, glass - shows a junction region in the ceramic assembly. 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。 6 (b) is, while indicating release surface of the glass plate after peeling, upper left black region is a region in which cracking is part of the glass plate by peeling. 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。 Also the upper right of the ceramic plate shown in FIG. 6 (c), region by cracking of the glass plate corresponding to the upper left region in FIG. 6 (b) has been observed.

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。 6 shows the glass when the pulse energy was 0.50MyuJ - is shown a ceramic joined body which is obtained similar results when the pulse energy was 0.40MyuJ.

(比較例1) (Comparative Example 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。 Except that the surface roughness Ra of a ceramic plate is 0.5μm, the same procedure as in Example 1, by superposing the glass plate and the ceramic plate was irradiated with a laser. 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。 However, it was not possible to bond the glass plate and the ceramic plate.

(比較例2) (Comparative Example 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。 Except that the surface roughness Ra of a ceramic plate is 0.2μm, the same procedure as in Example 1, by superposing the glass plate and the ceramic plate was irradiated with a laser. 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。 However, it was not possible to bond the glass plate and the ceramic plate.

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 1 ... bonding surface 2 ... ceramic plate 2a ... joint surface 3 ... glass lid 3a ... junction 4b ... ceramic package of the joint 4 ... ceramic package body 4a ... ceramic package body of the glass lid of the ceramic plate of the glass plate 1a ... glass plate protrusions 10 ... glass inside 4c ... ceramic package body of the body - the ceramic assembly 20 ... glass - ceramic package 30 ... ultrashort pulse laser 31 ... lens 32 ... filament region 33 ... junction region

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、 Glass and glass and ceramic are joined by laser irradiation - a ceramic joined article,
    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。 Surface roughness Ra of the ceramic surface in the junction region is 0.1μm or less, the glass - ceramic joined article.
  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。 The laser irradiation, an irradiation of ultra-short pulse laser, glass according to claim 1 - ceramic joined article.
  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。 It said glass is a tempered glass, glass according to claim 1 or 2 - ceramic joined article.
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