JP2017204599A - 気密パッケージの製造方法及び気密パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】レーザー光の照射によってガラス蓋内部に生じる熱応力を低減し、ガラス蓋にクラック等が発生するのを抑制することができる気密パッケージの製造方法を提供する。
【解決手段】素子が内部に搭載された容器２をガラス蓋３で封止した気密パッケージを製造する方法であって、容器２の内部に素子を搭載する工程と、容器２の封止部とガラス蓋３の間に封着材料層４を配置して、容器２の上にガラス蓋３を載せる工程と、封着材料層４を加熱溶融するための第１のレーザー光１１を、ガラス蓋３を通して封着材料層４に照射して封着材料層４を加熱溶融する工程と、ガラス蓋３を加熱するための第２のレーザー光１２を、ガラス蓋３に照射してガラス蓋３を加熱する工程とを備え、第１のレーザー光１１と第２のレーザー光１２が互いに異なる波長を有し、第１のレーザー光１１の照射によって生じるガラス蓋３内部の温度差を低減するように、第２のレーザー光１２が照射されることを特徴としている。
【選択図】図３

Description

本発明は、素子を搭載して封止するための気密パッケージの製造方法及び気密パッケージに関する。

従来、ＬＥＤなどの素子を搭載して封止するために、気密パッケージが用いられている。このような気密パッケージは、素子を搭載することができる容器と、容器内を封止するためのカバー部材が接合されることにより構成されている。

下記の特許文献１には、ガラスセラミックス基板と、ガラス蓋が、封着材料を介して接合されてなる気密パッケージが開示されている。特許文献１では、上記封着材料として、低融点ガラスからなるガラスフリットが用いられている。また、特許文献１では、上記ガラスフリットを焼成して、溶融させることにより、ガラスセラミックス基板とガラス蓋が接合されている。

しかしながら、耐熱性の低い素子が搭載される場合、特許文献１のようにガラスフリットを焼成して溶融させると、焼成の際の加熱により素子特性が熱劣化するおそれがある。これを解消する方法として、ガラスフリットにレーザーを照射し局所的に加熱することでガラスフリットを溶融する方法が考えられる。

特開２０１４−２３６２０２号公報

上記のレーザー照射による封着を採用することにより、搭載される素子の熱劣化を防止することができる。また、気密パッケージを構成する全ての材料が無機材料からなるため、酸素及び水等の透過による劣化も効果的に防止することができる。

一方、気密性を維持しながら、パッケージ強度を高めるためには、ガラス蓋の厚みを大きくしたいという要望がある。しかしながら、ガラス蓋の厚みを大きくすると、レーザー照射による加熱でガラス蓋内部での温度差が大きくなり、熱応力によりガラス蓋にクラックが発生するという課題があることを本発明者等は見出した。

本発明の目的は、レーザー光の照射によってガラス蓋内部に生じる熱応力を低減し、ガラス蓋にクラック等が発生するのを抑制することができる気密パッケージの製造方法及び気密パッケージを提供することにある。

本発明の製造方法は、素子が内部に搭載された容器をガラス蓋で封止した気密パッケージを製造する方法であって、容器の内部に素子を搭載する工程と、容器の封止部とガラス蓋の間に封着材料層を配置して、容器の上にガラス蓋を載せる工程と、封着材料層を加熱溶融するための第１のレーザー光を、ガラス蓋を通して封着材料層に照射して封着材料層を加熱溶融する工程と、ガラス蓋を加熱するための第２のレーザー光を、ガラス蓋に照射してガラス蓋を加熱する工程とを備え、第１のレーザー光と第２のレーザー光が互いに異なる波長を有し、第１のレーザー光の照射によって生じるガラス蓋内部の温度差を低減するように、第２のレーザー光が照射されることを特徴としている。

本発明においては、ガラス蓋における第１のレーザー光の照射領域と第２のレーザー光の照射領域とが少なくとも一部において重なるように、第１のレーザー光と第２のレーザー光が同時に照射されることが好ましい。

第１のレーザー光は、６００〜１６００ｎｍの範囲内の波長を有することが好ましい。

第２のレーザー光は、３０００ｎｍ以上の波長を有することが好ましい。

容器は、セラミックまたはガラスセラミックからなることが好ましい。

封着材料層は、ガラスフリットから形成されることが好ましい。

本発明の気密パッケージは、使用上限温度が３５０℃以下である素子と、素子を内部に搭載する容器と、０．２ｍｍを超える厚みを有し、容器を封止するガラス蓋と、容器の封止部とガラス蓋の間に配置される封着材料層とを備えることを特徴としている。

本発明の気密パッケージに搭載される素子としては、ＭＥＭＳ及び深紫外線ＬＥＤが挙げられる。

容器は、例えば、酸化アルミニウム、ガラスセラミック、または窒化アルミニウムから形成することができる。

本発明の製造方法によればレーザー光の照射によってガラス蓋内部に生じる熱応力を低減し、ガラス蓋にクラック等が発生するのを抑制することができる。

本発明の気密パッケージは、優れた気密性及びパッケージ強度を有している。

本発明の一実施形態の気密パッケージを示す模式的断面図である。 図１に示す気密パッケージを製造する工程を説明するための模式的断面図である。 図１に示す気密パッケージを製造する工程において、第１のレーザー光及び第２のレーザー光を照射する状態を示す模式的拡大断面図である。 第１の実施形態における第１のレーザー光及び第２のレーザー光の照射領域を示す模式的平面図である。 第２の実施形態における第１のレーザー光及び第２のレーザー光の照射領域を示す模式的平面図である。 第３の実施形態における第１のレーザー光及び第２のレーザー光の照射領域を示す模式的平面図である。

以下、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、本発明の一実施形態の気密パッケージを示す模式的断面図である。図１に示すように、本実施形態の気密パッケージ１は、素子５を内部に搭載する容器２と、容器２を封止するガラス蓋３と、容器２の封止部２ａとガラス蓋３との間に配置される封着材料層４とを備えている。封着材料層４で容器２の封止部２ａとガラス蓋３とが接合されることにより、容器２がガラス蓋３で封止されて気密な構造が形成されている。

容器２は、例えば、セラミック、ガラスセラミックなどから構成される。セラミックとしては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、ジルコニア、ムライトなどが挙げられる。ガラスセラミックとしては、ＬＴＣＣ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）などが挙げられる。ＬＴＣＣの具体的としては、酸化チタンや酸化ニオブ等の無機粉末とガラス粉末との焼結体などが挙げられる。

ガラス蓋３を構成するガラスとしては、例えば、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＲＯ（ＲはＭｇ、Ｃａ、ＳｒまたはＢａ）系ガラス、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｒ’_２Ｏ（Ｒ’はＬｉ、ＮａまたはＫａ）系ガラス、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＲＯ−Ｒ’_２Ｏ系ガラス、ＳｎＯ−Ｐ_２Ｏ_５系ガラス、ＴｅＯ_２系ガラス又はＢｉ_２Ｏ_３系ガラスなどを用いることができる。

ガラス蓋３の厚みは、本発明において特に限定されるものではないが、一般には、０．０１ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲内のものが用いられる。ガラス蓋３の厚みが０．２ｍｍを超えると、レーザー照射における熱応力が大きくなり、クラックを生じやすくなる。そのため、ガラス蓋３の厚みが０．２ｍｍを超えると、本発明の効果がより発揮されやすくなる。ガラス蓋３の厚みは、さらに好ましくは０．３ｍｍ以上であり、より好ましくは０．４ｍｍ以上である。

封着材料層４を形成するための封着材料としては、低融点ガラス粉末を含むガラスフリットを用いることが好ましい。低融点ガラス粉末を含んでいる場合、より低温で封着材料を溶融させることができ、素子の熱劣化をより一層抑制することができる。低融点ガラス粉末としては、例えば、Ｂｉ_２Ｏ_３系ガラス粉末や、ＳｎＯ−Ｐ_２Ｏ_５系ガラス粉末、Ｖ_２Ｏ_５−ＴｅＯ_２系ガラス粉末などを用いることができる。なお、レーザー光の吸収を向上させるために、ガラス中にＣｕＯ、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_２等から選ばれる少なくとも１種の顔料が含まれていてもよい。また、封着材料には、上記の低融点ガラス粉末の他に、低膨張耐火性フィラーや、レーザー光吸収材などが含まれていてもよい。低膨張耐火性フィラーとしては、例えば、コーディエライト、ウイレマイト、アルミナ、リン酸ジルコニウム系化合物、ジルコン、ジルコニア、酸化スズ、石英ガラス、β−石英固溶体、β−ユークリプタイト、スポジュメンが挙げられる。また、レーザー光吸収材としては、例えば、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｕなどから選ばれる少なくとも１種の金属または該金属を含む酸化物等の化合物が挙げられる。

素子５は、本発明において特に限定されるものではないが、本発明の製造方法によれば、耐熱性の低い素子であっても、パッケージングの際の熱劣化を抑制することができるので、使用上限温度の低い素子を用いた場合に、本発明の効果がより発揮されやすくなる。また、本発明によれば、パッケージ１の強度を高めるために、ガラス蓋３の厚みを大きくしても、気密性の高いパッケージングにすることができる。このため、高い強度と気密性が求められる素子を用いた場合に、本発明の効果がより発揮されやすくなる。したがって、素子５として、使用上限温度が低く、かつ高い気密性が求められる素子を用いた場合に、本発明の効果がより発揮されやすくなる。このような素子として、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）、深紫外線ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などが挙げられる。

したがって、使用上限温度が３５０℃以下である素子としては、上記のＭＥＭＳ及び深紫外線ＬＥＤが挙げられる。なお、素子の使用上限温度は、素子毎に規格として定められた温度であり、動作上限温度、最高使用温度などとも称される温度である。

しかしながら、素子５は、上記のものに限定されるものではなく、上記以外のＬＥＤ、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）などの発光素子、ＣＣＤ(Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ)などの受光素子や、その他の素子も用いることができる。

図２は、図１に示す気密パッケージを製造する工程を説明するための模式的断面図である。本実施形態の製造方法では、まず、図２（ａ）に示すように、容器２の内部に素子５を搭載する。

次に、図２（ｂ）に示すように、容器２の封止部２ａの上に、封着材料を塗布して封着材料層４を形成する。次に、図２（ｃ）に示すように、封着材料層４を形成した封止部２ａの上に、ガラス蓋３を載せる。これにより、容器２の封止部２ａとガラス蓋３の間に封着材料層４を配置することができる。なお、本実施形態では、容器２側に封着材料を塗布しているが、ガラス蓋３側に封着材料を塗布してもよい。また、容器２側とガラス蓋３側の両方に封着材料を塗布してもよい。次に、図３を参照して以下に説明するように、上方からガラス蓋３を通してレーザー光を照射し、封着材料層４を加熱溶融する。

図３は、本実施形態の気密パッケージを製造する工程において、第１のレーザー光及び第２のレーザー光を照射する状態を示す模式的拡大断面図である。

図３に示すように、封着材料層４を加熱溶融するための第１のレーザー光１１を、ガラス蓋３を通して封着材料層４に照射する。第１のレーザー光１１は、図３に示すように、真上から照射される。第１のレーザー光１１の照射により、封着材料層４が加熱溶融される。また、同時に、ガラス蓋３を加熱するための第２のレーザー光１２を、ガラス蓋３に照射する。第２のレーザー光１２は、図３に示すように、上方斜め方向から照射される。第２のレーザー光１２の照射により、ガラス蓋３が加熱される。

第１のレーザー光１１は封着材料層４を加熱するレーザー光であり、第２のレーザー光１２はガラス蓋３を加熱するレーザー光であるので、第１のレーザー光１１と第２のレーザー光１２は互いに異なる波長を有している。すなわち、第１のレーザー光１１の波長は、ガラス蓋３を透過して封着材料層４が大きな吸収を有する波長であることが好ましく、第２のレーザー光１１の波長は、ガラス蓋３が大きな吸収を有する波長であることが好ましい。

第１のレーザー光１１の波長は、６００〜１６００ｎｍの範囲内であることが好ましい。このような波長の範囲内とすることにより、効率良く封着材料層４を加熱することができる。第１のレーザー光１１を出射する光源としては、半導体レーザーが好ましく用いられる。

第２のレーザー光１２の波長は、３０００ｎｍ以上であることが好ましく、５０００〜１１０００ｎｍの範囲内であることがさらに好ましい。このような波長の範囲内とすることにより、効率良くガラス蓋３全体を均一に加熱することができる。第２のレーザー光１２を出射する光源としては、炭酸ガスレーザーが好ましく用いられる。

第１のレーザー光１１が封着材料層４に照射されることにより、封着材料層４が加熱される。このため、封着材料層４に接しているガラス蓋３の部分が局所的に高温に加熱される。したがって、封着材料層４近傍のガラス蓋３の部分が温度上昇する。一方、封着材料層４から離れたガラス蓋３の部分は、加熱されにくい。このため、第１のレーザー光１１の照射によって、ガラス蓋３内部に温度差が生じる。この温度差は、ガラス蓋３の厚みが大きくなるほど大きくなる。

一方、本実施形態では、第２のレーザー光１２がガラス蓋３に照射されることにより、ガラス蓋３が加熱されている。このため、第２のレーザー光１２の照射により、第１のレーザー光１１の照射によって生じるガラス蓋３内部の温度差が低減される。ガラス蓋３内部の温度差を低減することができるので、ガラス蓋３内部に生じる熱応力を低減させ、ガラス蓋３にクラック等が発生するのを抑制することができる。

したがって、本実施形態によれば、厚みが大きくガラス蓋３を用いても、ガラス蓋３内部に生じる熱応力を低減し、ガラス蓋３にクラック等が発生するのを抑制することができる。

図３に示す実施形態では、第１のレーザー光１１を真上から照射し、第２のレーザー光１２を上方斜め方向から照射しているが、本発明はこれに限定されるものではない。第１のレーザー光１１及び第２のレーザー光１２の両方を真上から照射してもよいし、両方を上方斜め方向から照射してもよい。また、第１のレーザー光１１を上方斜め方向から照射し、第２のレーザー光１２を真上から照射してもよい。第１のレーザー光１１及び第２のレーザー光１２の走査及び照射方向は、ガルバノスキャナ等を用いて制御することができる。

図４は、第１の実施形態における第１のレーザー光及び第２のレーザー光の照射領域を示す模式的平面図である。本実施形態では、第１のレーザー光の照射領域２１全体が、第２のレーザー光の照射領域２２内に含まれており、第１のレーザー光の照射領域２１と第２のレーザー光の照射領域２２は完全に重なっている。この状態で、第１のレーザー光１１と第２のレーザー光１２を矢印Ａ方向に走査させて、封着材料層４及びガラス蓋３上を周回させる。これにより、封着材料層４を加熱溶融して、容器２の封止部２ａとガラス蓋３とを接合する。

図５は、第２の実施形態における第１のレーザー光及び第２のレーザー光の照射領域を示す模式的平面図である。本実施形態では、第２のレーザー光の照射領域２２が、第１のレーザー光の照射領域２１よりも矢印Ａ方向に先行している。したがって、第１のレーザー光の照射領域２１と第２のレーザー光の照射領域２２は、一部が重なった状態となっている。この状態で、第１のレーザー光１１と第２のレーザー光１２を矢印Ａ方向に走査させて周回させ、封着材料層４を加熱溶融して、容器２の封止部２ａとガラス蓋３とを接合する。

図６は、第３の実施形態における第１のレーザー光及び第２のレーザー光の照射領域を示す模式的平面図である。本実施形態では、第１のレーザー光の照射領域２１と第２のレーザー光の照射領域２２が重ならずに、第２のレーザー光の照射領域２２が、第１のレーザー光の照射領域２１よりも矢印Ａ方向に先行して走査している。この状態で、第１のレーザー光１１と第２のレーザー光１２を矢印Ａ方向に走査させて周回させ、封着材料層４を加熱溶融して、容器２の封止部２ａとガラス蓋３とを接合する。

本発明においては、図４及び図５に示すように、ガラス蓋３における第１のレーザー光の照射領域２１と第２のレーザー光の照射領域２２とが少なくとも一部において重なるように、第１のレーザー光１１と第２のレーザー光１２が同時に照射されることが好ましい。これにより、ガラス蓋３内部の温度差をより効果的に低減することができるからである。

第１のレーザー光１１及び第２のレーザー光１２のうちの一方が他方より先行して走査される場合には、図５及び図６に示すように、第２のレーザー光１２を先行させることが好ましい。これは、第１のレーザー光１１のみを最初に照射すると、第２のレーザー光１２を照射しないときと同様の温度差がガラス蓋３内部に生じる場合があるからである。したがって、本発明においては、ガラス蓋３の被照射領域に対し、第２のレーザー光１２を照射すると同時に第１のレーザー光１１を照射するか、あるいは第２のレーザー光１２を照射した後に、第１のレーザー光１１を照射することが好ましい。

上記実施形態では、第１のレーザー光の照射領域２１が第２のレーザー光の照射領域２２より小さい例を示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、第１のレーザー光の照射領域２１と第２のレーザー光の照射領域２２が互いに同程度の大きさであってもよいし、第１のレーザー光の照射領域２１が第２のレーザー光の照射領域２２より大きくてもよい。

１…気密パッケージ
２…容器
２ａ…封止部
３…ガラス蓋
４…封着材料層
５…素子
１１…第１のレーザー光
１２…第２のレーザー光
２１…第１のレーザー光の照射領域
２２…第２のレーザー光の照射領域
Ａ…走査方向

Claims (11)

1. 素子が内部に搭載された容器をガラス蓋で封止した気密パッケージを製造する方法であって、
   前記容器の内部に前記素子を搭載する工程と、
   前記容器の封止部と前記ガラス蓋の間に封着材料層を配置して、前記容器の上に前記ガラス蓋を載せる工程と、
   前記封着材料層を加熱溶融するための第１のレーザー光を、前記ガラス蓋を通して前記封着材料層に照射して前記封着材料層を加熱溶融する工程と、
   前記ガラス蓋を加熱するための第２のレーザー光を、前記ガラス蓋に照射して前記ガラス蓋を加熱する工程とを備え、
   前記第１のレーザー光と前記第２のレーザー光が互いに異なる波長を有し、前記第１のレーザー光の照射によって生じる前記ガラス蓋内部の温度差を低減するように、前記第２のレーザー光が照射される、気密パッケージの製造方法。
2. 前記ガラス蓋における前記第１のレーザー光の照射領域と前記第２のレーザー光の照射領域とが少なくとも一部において重なるように、前記第１のレーザー光と前記第２のレーザー光が同時に照射される、請求項１に記載の気密パッケージの製造方法。
3. 前記第１のレーザー光が、６００〜１６００ｎｍの範囲内の波長を有する、請求項１または２に記載の気密パッケージの製造方法。
4. 前記第２のレーザー光が、３０００ｎｍ以上の波長を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の気密パッケージの製造方法。
5. 前記容器がセラミックまたはガラスセラミックからなる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の気密パッケージの製造方法。
6. 前記封着材料層がガラスフリットから形成される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の気密パッケージの製造方法。
7. 使用上限温度が３５０℃以下である素子と、
   前記素子を内部に搭載する容器と、
   ０．２ｍｍを超える厚みを有し、前記容器を封止するガラス蓋と、
   前記容器の封止部と前記ガラス蓋の間に配置される封着材料層とを備える、気密パッケージ。
8. 前記素子が、ＭＥＭＳまたは深紫外線ＬＥＤである、請求項７に記載の気密パッケージ。
9. 前記容器が、酸化アルミニウムから形成されている、請求項７または８に記載の気密パッケージ。
10. 前記容器が、ガラスセラミックから形成されている、請求項７または８に記載の気密パッケージ。
11. 前記容器が、窒化アルミニウムから形成されている、請求項７または８に記載の気密パッケージ。

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