JP2016066798A - 光デバイス装置および光デバイスを覆うための保護カバー - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光透過性を有するガラス部材10の周辺部に、金属膜層11の主成分となるベース金属と金属酸化物を含む金属ジェルをガラス部材の取付部の形状及び大きさに応じて塗布し、加熱焼成することにより当該ガラス部材10にろう接にて接合可能な金属膜層11を生成する。内部にレーザチップ2を収納した金属性の収納容器5の開口部6を覆うために、ガラス部材10の取付部を形成する金属膜層11と収納容器5とはろう接にて接合される。
【選択図】図1
Description
また、電子部品用のキャップ構造として、金属製キャップとガラス表面に金属薄膜を有する透過窓を拡散接合法で接合する技術がある。このガラス表面に金属薄膜を形成する技術として、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、イオンビーム法などが使用される。(例えば、特許文献2参照)。
光デバイスを備える基部と、
波長150nmから7000nmの光を透過可能な前記光デバイスを覆うガラス部材と、
前記ガラス部材の周辺部に形成された金属膜層と、を有し
前記金属膜層と前記基部の金属部とがろう接にて接合されてなる光デバイス装置であって、
前記金属膜層は、8μm以上の膜厚を有するとともに、ろう接可能なベース金属と前記ベース金属よりもイオン化傾向の大きい他の金属とを少なくとも含む焼成金属層である
ことを特徴としている。
この特徴によれば、金属膜層は、焼成金属層であるため、8μm以上の緩衝効果を備える膜厚として形成でき、基部とガラスと間に生ずる横方向のせん断力に対して十分な耐久性を確保できることになる。また、金属膜層を、ろう接に供されるベース金属に、このベース金属よりもイオン化傾向の大きい他の金属とを含む焼成金属層で構成した場合、後述する実験によっても明らかなように、この種の他の金属がガラス材表面と金属膜層との固定力に大きく関与し、ガラス材表面と金属膜層との強力な接合を達成することになる。
光デバイスを備える基部と、
波長150nmから7000nmの光を透過可能な前記光デバイスを覆うガラス部材と、
前記ガラス部材の周辺部に形成された金属膜層と、を有し
前記金属膜層と前記基部の金属部とがろう接にて接合されてなる光デバイス装置であって、
前記金属膜層は、ろう接可能なベース金属と前記ベース金属よりもイオン化傾向の大きい他の金属とを少なくとも含む焼成金属層であり、
前記他の金属の表面露出度は、前記金属膜層における単位表面に対して3%以上である
ことを特徴としている。
この特徴によれば、金属膜層を、ろう接に供されるベース金属に、このベース金属よりもイオン化傾向の大きい他の金属とを含む焼成金属層で構成し、他の金属の表面露出度が、金属膜層における単位表面に対して3%以上である場合、後述する実験によっても明らかなように、この種の他の金属がガラス材表面と金属膜層との固定力が、従来のスパッタリングによる金属層を用いた場合に比べ少なくとも2倍以上となる。
前記金属膜層は、他の金属として金属酸化物を少なくとも含有する金属ジェルを前記ガラス部材表面に塗布し、加熱焼成することにより前記ガラス部材表面に固着されるものである
ことを特徴としている。
この特徴によれば、他の金属の酸化物の作用により金属膜層の主成分をなすベース金属を強度な密着度でガラス表面に接合させることが可能となる。また、ガラス部材表面に、金属膜層を形成したい形状、大きさ、厚さに金属ジェルを塗布し加熱焼成するだけで所望の大きさ、形状、厚さの金属膜層を容易に作成することができる。
光デバイスを覆うための保護カバーであって、
波長150nmから7000nmの光を透過可能なガラス部材と、
8μm以上の膜厚を有するとともに、ろう接可能なベース金属と前記ベース金属よりもイオン化傾向の大きい他の金属とを少なくとも含む焼成金属層と、からなる
ことを特徴としている。
この特徴によれば、金属膜層は、焼成金属層であるため、8μm以上の緩衝効果を備える膜厚として形成でき、基部とガラスと間に生ずる横方向のせん断力に対して十分な耐久性を確保できることになる。また、金属膜層を、ろう接に供されるベース金属に、このベース金属よりもイオン化傾向の大きい他の金属とを含む焼成金属層で構成した場合、後述する実験によっても明らかなように、この種の他の金属がガラス材表面と金属膜層との固定力に大きく関与し、ガラス材表面と金属膜層との強力な接合を達成することになる。
光デバイスを覆うための保護カバーであって、
波長150nmから7000nmの光を透過可能なガラス部材と、
ろう接可能なベース金属と前記ベース金属よりもイオン化傾向の大きい他の金属とを少なくとも含む焼成金属層からなり、前記他の金属の表面露出度が前記焼成金属層における単位表面に対して3%以上である金属膜層とからなる
ことを特徴としている。
この特徴によれば、金属膜層を、ろう接に供されるベース金属に、このベース金属よりもイオン化傾向の大きい他の金属とを含む焼成金属層で構成し、他の金属の表面露出度が、焼成金属層における単位表面に対して3%以上である場合、後述する実験によっても明らかなように、この種の他の金属がガラス材表面と金属膜層との固定力が、従来のスパッタリングによる金属層を用いた場合に比べ2倍以上となる。
前記金属膜層は、他の金属として金属酸化物を少なくとも含有する金属ジェルを前記ガラス部材表面に塗布し、加熱焼成することにより前記ガラス部材表面に固着されるものである
ことを特徴としている。
この特徴によれば、他の金属の酸化物の作用により金属膜層の主成分をなすベース金属を強度な密着度でガラス表面に接合させることが可能となる。また、ガラス部材表面に、金属膜層を形成したい形状、大きさ、厚さに金属ジェルを塗布し加熱焼成するだけで所望の大きさ、形状、厚さの金属膜層を容易に作成することができる。
図1は、半導体レーザデバイス1の概略断面図である。図1において、本発明の光デバイスに相当するレーザチップ2は円板状の金属製のステム3にマウントされ、ステム3を貫通する端子4がステム3に配設されている。レーザチップ2は不図示のワイヤによって端子4に接続されている。ステム3には、開口部6を有する本発明の基部に相当するキャップ5が取付けられている。キャップの開口部6は、透過性窓12と金属膜層11を有するガラス部材10をキャップ上面に金属膜層11によってろう接にて接合され、内部のレーザチップ2は外部から保護される。図2は、説明のためにキャップ5の一部を破断して示したキャップ5の分解斜視図と、キャップ5の開口部6を塞ぐための透過性窓周辺に金属膜層11を有するガラス部材10を示す。
金属膜層の主成分を成すベース金属としては、後に金属膜層にリフロー処理が施されるため、Ag(金)、Cu(銅)、Fe(鉄)など融点が500°C以上で、ろう接可能な金属等が使用される。ろう接とは、溶加金属であるろう材を接合に用いる接合方法であり、ろう材の溶融温度が450°C以上のものを硬ろう、450°C以下のものを軟ろうと呼ぶ。軟ろうの代表がはんだやソルダーである。ここでは融点が500°C以下の錫や鉛などの金属膜層の主成分をなすベース金属については説明しない。使用するガラス部材を光デバイスの保護カバーに適用する場合には、ベース金属としては耐腐食性や経年変化や劣化に強いAgが望ましい。
金属ジェルにはベース金属の粉末の他に、金属酸化物が添加される。この金属酸化物は、金属ジェルを焼成してベース金属を主成分として形成した金属膜層とガラスとの結合を強固とする役割を果たすことが明らかになった。ガラスは一般に酸化物との親和性がよく、ガラスと金属酸化物は強固な結合を形成する。このため金属酸化物がガラスと十分に結合しないベース金属とガラスの結合の仲介を成すと考えられる。ベース金属によって形成される金属膜層は他の装置に取り付けるためにろう接可能なものであり、ろう接のためにはベース金属として、比較的酸化しにくい、すなわちイオン化傾向の小さい金属が望ましい。具体的には、金(Au)や銀(Ag)がベース金属としては望ましい。一方、金属ジェルに添加される他の金属としては、ベース金属より酸化物を形成しやすい、つまりベース金属よりイオン化傾向が大きい金属を用いる必要がある。金属ジェルに添加する金属酸化物としては、酸化モリブデン、酸化銅、酸化亜鉛その他の金属酸化物を使用することができ、金属酸化物の添加量としては質量%で0.5%以上が望ましい(詳しくは、後述)。特に、ベース金属にAgを用いる場合には、金属酸化物として酸化モリブデンを添加した金属ジェルを用いることにより実証実験で強固な接合結果が得られているので金属酸化物としては酸化モリブデンが望ましい。なお、添加する金属酸化物は、酸化モリブデン、酸化銅、酸化亜鉛を単独で添加するだけでなく、これら金属酸化物のうち複数種類の金属酸化物を混合して用いてもよい。後述の密着強度試験のために作成した試作品では金属酸化物を添加しない金属ジェルを用いた場合、加熱焼成により形成された金属膜層はめっき施工時に比較的容易に剥離してしまい、ガラス部材とは事実上接合されていないという結果になった。また、金属酸化物の添加量が1%まではガラスと金属膜層の接合強度は急激に上昇するが、1%を超えると添加量を増やしても金属膜層とガラス部材の接合強度の上昇は緩やかになり安定する。金属酸化物の含有量を多くするほど、接合強度は大きくなるが、金属膜層を取付部としてろう接するときにろう材ののりが悪くなるなどの影響が考えられる。
上述の金属ジェルに更にガラス粉末を添加すると、加熱焼成温度を低くしてもガラスに金属膜層を形成することができる。すなわちガラス粉末を質量%で2%添加することにより、加熱焼成温度を500°Cとしても金属膜層の主成分を成す金属とガラスとの良好な接合が得られた。逆に言うと、ガラス粉末の添加量を少なくすると加熱焼成温度を高くする必要があるのである。従って、光透過性窓を形成するガラスの種類またはARコートの熱耐性に応じてガラス粉末の添加量を調整することができる。
金属ジェルの塗布方法は、公知のスクリーン印刷法を用いることができる。スクリーン印刷法では、網目状のメッシュに紫外線硬化型の感光性樹脂を塗布しメッシュを覆い、印刷したいパターン(ここでは金属膜層11のパターン)でマスクして露光する。露光後、現像して未硬化の樹脂を洗い流し、印刷したいパターン部分のみメッシュを露出させる。こうして完成した製版をカバー10の基体となるガラスに重ねて置き、製版の上に金属ジェルを載せ、ゴム板等でしごくと、メッシュの網目が露出した部分だけから金属ジェルが下に押し出され、印刷したいパターンがガラスに転移する。金属膜層11の厚さは、金属ジェルの塗布層の厚みに応じて変えることが可能となる。スクリーン印刷法では、印刷する金属ジェルの厚さは、使用するメッシュの密度やスクリーンを作製するときに塗布する感光性樹脂の厚さによって精密に制御することができる。
図3は、モリブデン含有量の異なる金属ジェルを用いてガラス表面に形成された焼成金属膜層表面を電子顕微鏡で撮影したものである。左から1列目の0.5%、1%、3%、5%、10%は金属ジェルに添加された酸化モリブデン量であり、質量%で示している。左から2列目はガラス表面に形成された焼成金属膜層を電子顕微鏡で撮影した反射電子画像である。この写真から金属膜層表面においてベース金属のAgの他に金属膜層表面に露出しているモリブデン部分を観測することができる。左から3列目は2列目の反射電子画像部分を元素マッピングにより元素分析したものである。色の少し薄い部分が金属膜層表面に露出しているモリブデンの含まれる部分である。4列目から6列目はモリブデンの含有率を計測する過程を説明するもので、詳しくは後述する。このように金属ジェルに添加した酸化モリブデンは加熱焼成後の金属膜層に判別可能に観測される。
このようにして作成されたカバーの透過性窓周辺部に形成された金属膜層11と、キャップ5の開口部周辺の金属は、ハードソルダーのAu・SnまたはGe・Snや、はんだを用いてろう接にて接合される。
保護カバーの透過性窓周辺部に形成された金属膜層11と、キャップ14の開口部周辺の金属部とは、直接ろう接により接合することもできるが、保護カバーの金属膜層にNiとAuめっきを施し、その上にAu・Snハードソルダーをのせ、適切な温度を加えることでAu・Snハードソルダーが溶け、金属膜層に流れだし、キャップの金属との接合が強固に行うことができる。
ガラス粉末を添加した金属ジェルを用いると加熱焼成温度を下げることができるので、融点の低いホウ珪酸系ガラス表面に金属膜層の形成が可能となるほか、サファイアガラスに表面反射防止用の多層誘電体薄膜を反射防止膜(ARコート)として施した場合でも反射膜層に悪影響を与えることなく本手法により金属膜層の形成が可能となる。
(実証試験)
ガラス基板としてはサファイアガラス21を用い、このサファイアガラス基板にAgを主成分とし酸化モリブデンを添加した金属ジェルをスクリーン印刷法でサファイアガラス基板に塗布し、乾燥後、大気雰囲気中で850°Cで加熱焼成し、5mm角の正方形で、膜厚が8μmの金属膜層22を形成した。金属膜層22にはNi−Auめっき層23を施し、Ni−Agめっき層23に引っ張り試験に用いる針金25をはんだ24によってはんだ付けした(図4参照)。剥離強度の測定では針金を引っ張る力を徐々に大きくしていき、金属膜層22がガラス基板21から剥がれる時の引っ張り力を剥離時強度としてガラスと金属膜層の密着度合いを測定した。
上述のように作成した6種類のサンプルのうち、剥離度強度試験を行った4種類の試作品それぞれ10個について剥離度強度結果を表1に示す。なお、酸化モリブデンを添加していない金属ジェルを用いて作成した試作品では、金属膜層へのめっき施工時に金属膜層がガラスから剥がれてしまい、密着強度の測定は不可能であった。
図5は、表1に示す剥離度強度結果と図3の酸化モリブデンの含有率をもとに作成した、金属膜層の酸化モリブデン含有率と密着強度の関係を示すグラフである。横軸は面積比によるモリブデン含有率であり、縦軸は密着強度試験に剥離度強度を示す。これをみると、酸化モリブデンが全く含まれない金属膜層は密着強度試験が不能であったが、酸化モリブデンの含有率が増えるにつれて密着強度は急激に上昇し、含有率が面積比で9.4%では平均1.27Kgfとなる。その後は、酸化モリブデンの含有率が増えるについて密着強度は増していくが、その上昇度合いは緩やかになる。
なお、今回の密着強度の試験では金属酸化物として酸化モリブデンを用いており、Agに添加した酸化モリブデンがガラスと金属膜層の主成分を成すAgとの接合に重要な役割を果たしていることがわかる。また、密着強度の測定は行っていないが、酸化銅や酸化亜鉛その他の金属酸化物を添加してもガラスとAgとは強固に接合される。これはガラスは一般的に酸化物との親和性が高いことによるものと考えられる。
光デバイス装置100として、発光ダイオード(LED)を例に挙げて説明する。LEDは、金属部を備えた基部105と、ガラス部材の表面(下面)の一部に金属膜層を有する保護カバー110と、基部の上に載置され、保護カバーによって保護された光デバイス(LEDダイス)102を備える。
基部として、セラミック基板を用いることができる。セラミック基板は、母体となる絶縁性のセラミック層と、光デバイスに給電(印可)するための導電性部材とを備える。
基部の上面視形状は、四角形、長方形、多角形、円形や、それらの組み合わせ形状とすることができる。図7に示すように、本実施例では、四角形の4つの角部が円弧状に凹んだ形状を例示している。
基部は、全体として平板状、あるいは、凹部を有する形状とすることができる。基部の
略中央に開口部を有する凹部が好ましく、凹部の底面に光デバイスを載置可能な大きさで設けるのが好ましい。図7では、上面視において外形が略四角形である基部と、その中央に略四角形の開口部を備えた凹部が設けられた基部を例示している。
金属部107は、凹部の側壁の上面の全面、又は一部に設けられる。金属部を一部に設ける場合は、ガラス部材の下面に設けられる金属膜層と対向する位置に、少なくとも一部が配置されるように設ける。
金属部は、積層構造又は単層構造とすることができる。積層構造としては、例えば、Niの上にAuが積層された構造、Pdの上にAgが積層された構造等が挙げられる。単層構造としては、Ag、Cu等が挙げられる。
図7では、凹部の側壁の上面は、四角形の枠状である。金属部は、壁面の上面の外辺及び内辺から離間するように設けられる。換言すると、壁面の上面の幅よりも、金属部の幅は狭い。
ガラス部材は、基部の凹部の側壁の上面に載置される。つまり、ガラス部材の外周は、基部の開口部よりも大きい。また、ガラス部材の外周は、基部の外周よりも小さい。
ガラス部材の下面には、金属膜層が設けられる。金属膜層は、凹部の側壁の上面と対向する位置に設けられる。金属膜層は、凹部の開口部上には形成されない。金属膜層は、図7では四角形のガラス部材の下面のうち、4つの角部に設けられる。各金属膜層は、図7では四角形を例示しているが、このほかにも円形、楕円形、多角形等の形状とすることができる。各金属膜層は、同じ大きさであることが好ましいが、異なる形状とすることもできる。
図7では、基部の金属部107と、ガラス部材の金属膜層111とは、異なる形状で形成されている。基部の金属部は、4つの角部と、その角部から隣接する角部に向かつて延伸するように設けられる。対向する2つの辺における金属部107a、107aは、角部から隣接する角部に達する長さで設けられる。また、これとは異なる対向する2つの辺における金属部107b、107bは、角部から隣接する角部に達しない長さで設けられる。換言すると、対向する2つの辺において、中央部以外に金属部を設けている。
以上に示す光デバイス装置は、接合性に優れ、信頼性に優れたものである。
例えば、ガラス表面に形成される焼成金属膜層11の形状は、相手方となる取付部の形状や保護の目的に応じて、図6(a)〜(c)に示すように四角形の枠状のものでもよいし、四角形の4隅、又は四角形の2辺だけでも良い。図6(a)のように透過性窓の周辺全体に焼成金属膜層11をもつカバーでは内部を密閉する目的に適する。一方、内部を密閉する必要がない場合には、図6(b)、(c)のもので良い。さらに、図2のように金属キャップの開口部を金属膜層を持つガラス部材で覆う代わりに、図6(d)のように、保護部材10全体をガラスで形成し、フランジ部分に焼成金属膜層11を形成し、この焼成金属膜層11を光デバイスを有する基台にろう付けしてもよい。
また、実施例1ではレーザ発光素子単体を保護する光透過性窓を有する保護カバーを例として説明したが、レーザ発光素子を含むモジュラ部品全体を保護する透過性窓を有する保護カバーにも適用できる。さらに、発光素子のように外部に光を発するデバイスだけでなく、光センサや太陽光発電など外部からの光を取込む必要がある素子が含まれる回路装置の保護のための光透過性窓を有するカバーとして適用可能である。
2 レーザチップ(光デバイス)
3 ステム
4 端子
5 キャップ(基部)
6 開口部
10 ガラス部材
11 金属膜層
12 透過窓
21 サファイアガラス
22 金属膜層
23 Ni−Auめっき
24 はんだ
25 針金
100 光デバイス装置
102 光デバイス
105 基部
107 金属部
110 保護カバー
111 金属膜層
Claims (11)
- 光デバイスを備える基部と、
波長150nmから7000nmの光を透過可能な前記光デバイスを覆うガラス部材と、
前記ガラス部材の周辺部に形成された金属膜層と、を有し
前記金属膜層と前記基部の金属部とがろう接にて接合されてなる光デバイス装置であって、
前記金属膜層は、8μm以上の膜厚を有するとともに、ろう接可能なベース金属と前記ベース金属よりもイオン化傾向の大きい他の金属とを少なくとも含む焼成金属層である
ことを特徴とする光デバイス装置。 - 光デバイスを備える基部と、
波長150nmから7000nmの光を透過可能な前記光デバイスを覆うガラス部材と、
前記ガラス部材の周辺部に形成された金属膜層と、を有し
前記金属膜層と前記基部の金属部とがろう接にて接合されてなる光デバイス装置であって、
前記金属膜層は、ろう接可能なベース金属と前記ベース金属よりもイオン化傾向の大きい他の金属とを少なくとも含む焼成金属層であり、
前記他の金属の表面露出度は、前記金属膜層における単位表面に対して3%以上である
ことを特徴とする光デバイス装置。 - 前記金属膜層は、他の金属として金属酸化物を少なくとも含有する金属ジェルを前記ガラス部材表面に塗布し、加熱焼成することにより前記ガラス部材表面に固着されるものである
ことを特徴とする請求項1または2に記載の光デバイス装置。 - 光デバイスを覆うための保護カバーであって、
波長150nmから7000nmの光を透過可能なガラス部材と、
8μm以上の膜厚を有するとともに、ろう接可能なベース金属と前記ベース金属よりもイオン化傾向の大きい他の金属とを少なくとも含む焼成金属層と、からなる
ことを特徴とする保護カバー。 - 光デバイスを覆うための保護カバーであって、
波長150nmから7000nmの光を透過可能なガラス部材と、
ろう接可能なベース金属と前記ベース金属よりもイオン化傾向の大きい他の金属とを少なくとも含む焼成金属層からなり、前記他の金属の表面露出度が前記焼成金属層における単位表面に対して3%以上である金属膜層とからなる
ことを特徴とする保護カバー。 - 前記金属膜層は、他の金属として金属酸化物を少なくとも含有する金属ジェルを前記ガラス部材表面に塗布し、加熱焼成することにより前記ガラス部材表面に固着されるものである
ことを特徴とする請求項4または5に記載の保護カバー。 - 前記基部は、前記光デバイスが載置される凹部を備え、前記金属部は前記凹部の側壁の上面に配置される
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の光デバイス装置。 - 上面視において、前記基部は外形が略四角形であり、前記凹部は開口部形状が略四角形であり、前記ガラス部材は前記開口部よりも大きく、前記基部の外周よりも小さい四角形である
ことを特徴とする請求項7に記載の光デバイス装置。 - 前記金属膜層は、前記ガラス部材の下面の4つの角部に設けられ、前記金属部は、前記金属膜層と対向する4つの角部及び、該角部から隣接する角部に向かつて延伸している
ことを特徴とする請求項8に記載の光デバイス装置。 - 前記基部はセラミックを含む
ことを特徴とする請求項7〜9のいずれか一項に記載の光デバイス装置。 - 前記金属部はNiの上にAuが積層されてなる
ことを特徴とする請求項7〜10のいずれか一項に記載の光デバイス装置。
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