JP2018006456A - 気密パッケージ及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】封着材料層と容器の接合強度を高めることができる気密パッケージ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】枠部３を有する容器２と、枠部３の上に配置され、容器２を封止するガラス蓋４と、枠部３とガラス蓋４の間に配置され、ガラス蓋４と容器２を接合する封着材料層５とを備えた気密パッケージ１において、封着材料層５において、封着材料層５と容器２との接合面５ｂが、封着材料層５とガラス蓋４との接合面５ａよりも大きいことを特徴としている。
【選択図】図１

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及びその製造方法に関する。
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を封着材料を介して接合されることにより構成される。
下記の特許文献１には、ガラスセラミックスからなる容器と、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、上記封着材料を焼成して、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、深紫外線ＬＥＤ素子のような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、レーザー吸収材を含む封着材料にレーザー光を照射し、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（特許文献２）。
特開２０１４−２３６２０２号公報 特開２０１６−８６０４９号公報
しかしながら、封着材料層がレーザー吸収材を含むため、レーザー光が封着材料層で吸収され、容器と封着材料層との界面を十分に加熱することができず、ガラス蓋と封着材料層の接合強度は高いが、封着材料層と容器の接合強度が低いという課題があることを本発明者らは見出した。
本発明の目的は、封着材料層と容器の接合強度を高めることができる気密パッケージ及びその製造方法を提供することにある。
本発明の気密パッケージは、枠部を有する容器と、枠部の上に配置され、容器を封止するガラス蓋と、枠部とガラス蓋の間に配置され、ガラス蓋と容器を接合する封着材料層とを備えた気密パッケージにおいて、封着材料層において、封着材料層と容器との接合面が、封着材料層とガラス蓋との接合面よりも大きいことを特徴としている。
封着材料層の厚みは、１〜１００μｍの範囲内であることが好ましい。
封着材料層は、Ｆｅ、Ｍｎ、及びＣｕから選ばれる少なくとも１種の金属または該金属の酸化物の含有量が５質量％以下であることが好ましい。
容器は、窒化アルミニウムから構成されていることが好ましい。
本発明の電子デバイスは、上記本発明の気密パッケージと、気密パッケージ内に収容されている素子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の製造方法は、枠部を有する容器と、容器を封止するガラス蓋と、ガラス蓋と容器を接合する封着材料層とを用意する工程と、枠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重ね合わせる工程と、枠部と封着材料層の界面近傍に焦点を合わせるように、ガラス蓋側からレーザー光を照射して封着材料層によりガラス蓋と容器とを接合する工程とを備えることを特徴としている。
本発明の製造方法において、封着材料層は、レーザー光の波長に対し１０％以上の透過率を有することが好ましい。
本発明の製造方法において、封着材料層が形成されたガラス蓋を容器の上に重ね合わせることにより、枠部とガラス蓋の間に封着材料層を配置することが好ましい。
本発明の製造方法では、容器の上にガラス蓋を重ね合わせた状態において、封着材料層が枠部の内側に収まるように配置されていることが好ましい。
本発明によれば、封着材料層と容器の接合強度を高めることができる。
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に示す実施形態の気密パッケージを製造する工程を示す模式的断面図である。 比較例の気密パッケージを示す模式的断面図である。 図３に示す比較例の気密パッケージを製造する工程を示す模式的断面図である。
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、枠部３を有する容器２と、枠部３の上に配置され、容器２を封止するガラス蓋４と、枠部３とガラス蓋４の間に配置され、ガラス蓋４と容器２を接合する封着材料層５とを備えている。容器２内には、素子６が収容されている。
本実施形態において、封着材料層５は、容器２との接合面５ｂが、ガラス蓋４との接合面５ａよりも大きくなるようにガラス蓋４と容器２を接合している。封着材料層５は、一般にガラスを含んでいるため、ガラス蓋４との接着性は良好である。そのため、ガラス蓋４との接合面５ａが相対的に小さくとも必要な接合強度を得ることができる。本実施形態では、容器２との接合面５ｂを相対的に大きくすることにより、容器２と封着材料層５の接合強度を高めている。
封着材料層５が枠部３に沿って延びる方向に垂直な方向における封着材料層５の断面形状は、図１に示すように、接合面５ａから接合面５ｂに向かって拡がるテーパー形状を有している。封着材料層５の上記断面形状は、具体的には、台形の形状を有している。従って、接合面５ｂにおける封着材料層５の幅Ｗ２は、接合面５ａにおける封着材料層５の幅Ｗ１よりも大きくなっている。封着材料層５の幅Ｗ２は、封着材料層５の幅Ｗ１の１．０５倍以上であることが好ましい。これにより、封着材料層５と容器２の接合強度をより確実に高めることができる。封着材料層５の幅Ｗ２は、封着材料層５の幅Ｗ１の１．０５〜１．５倍の範囲内であることがさらに好ましい。封着材料層５の幅Ｗ１に対する封着材料層５の幅Ｗ２の比率が大きくなりすぎると、ガラス蓋４と封着材料層５の接合強度が低くなりすぎる場合がある。
封着材料層５の厚みは、１〜１００μｍの範囲内であることが好ましい。封着材料層５の厚みが薄すぎると、十分な接合強度が得られない場合がある。封着材料層５の厚みが厚すぎると、封着材料層５の許容剪断応力が低下し、十分な接合強度が得られない場合がある。封着材料層５厚みは、３〜２０μｍの範囲内であることがさらに好ましい。
封着材料層５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軟化させることができ、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、Ｂｉ２Ｏ３系ガラス粉末や、ＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５系ガラス粉末、Ｖ２Ｏ５−ＴｅＯ２系ガラス粉末などを用いることができる。
封着材料層５は、後述する製造工程において、封着材料層５を加熱して軟化させるためのレーザー光に対し透過性を有するものが好ましく用いられる。封着材料層５のレーザー光の波長に対する透過率は、１０％以上であることが好ましく、２０％以上であることがより好ましく、３０％以上であることがさらに好ましい。レーザー光の波長に対する透過率を高めることにより、枠部３と封着材料層５の界面近傍を効率的に加熱することができ、封着材料層５と容器２の接合強度を高めることができる。封着材料層５のレーザー光の波長に対する透過率の上限値は、特に限定されるものではないが、８０％程度までである。
レーザー光に対する透過性を高める観点から、封着材料層５には、レーザー光吸収材が実質的に含まれていないことが好ましい。レーザー光吸収材としては、一般に、Ｆｅ、Ｍｎ、及びＣｕから選ばれる少なくとも１種の金属または該金属の酸化物が知られている。従って、封着材料層５は、Ｆｅ、Ｍｎ、及びＣｕから選ばれる少なくとも１種の金属または該金属の酸化物の含有量が、５質量％以下であることが好ましく、３質量％以下であることがさらに好ましい。
封着材料層５には、レーザー光の波長に対する所望の透過率が得られる範囲であれば、低膨張耐火性フィラーが含有されていてもよい。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。
ガラス蓋４を構成するガラスとしては、レーザー光に対し透過性を有することが望ましく、レーザー光の波長に対する透過率は８０％以上であることが好ましい。このようなガラスとしては、例えば、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＲＯ（ＲはＭｇ、Ｃａ、ＳｒまたはＢａ）系ガラス、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｒ’２Ｏ（Ｒ’はＬｉ、ＮａまたはＫａ）系ガラス、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＲＯ−Ｒ’２Ｏ系ガラス、ＳｎＯ−Ｐ２Ｏ５系ガラス、ＴｅＯ２系ガラス又はＢｉ２Ｏ３系ガラスなどがあり、ガラス蓋４としてこれらのガラスを用いることができる。
容器２は、例えば、セラミック、ガラスセラミック、またはガラス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の具体例としては、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。ガラス粉末としては、例えば、ガラス蓋４と同様のガラスを用いることができる。
窒化アルミニウムは、ガラス材との濡れ性が悪い材料として知られており、ガラスを含む封着材料層を用いる場合、容器と封着材料層の接合強度が十分に得られないという問題がある。本発明によれば、容器２との接合面５ｂが相対的に大きくなるように封着材料層５を形成するので、容器２と封着材料層５の接合強度を改善することができる。
従来、ガラス材との濡れ性を改善するため、窒化アルミニウムからなる容器の表面に、加熱処理等により酸化物層を形成することなどが検討されている。しかしながら、素子が搭載される窒化アルミニウムの表面に酸化物層を形成すると、放熱性が低下するなどの問題が生じ、放熱性に優れた窒化アルミニウムの特性が損なわれる。本発明によれば、表面に酸化物層を形成せずとも、容器と封着材料層の接合強度を高めることができる。但し、本発明においても、窒化アルミニウムからなる枠部３の表面に酸化物層を形成し、封着材料層５で封着してもよい。
素子６は、本発明において特に限定されるものではない。しかしながら、上述のように、本発明によれば、放熱性に優れた窒化アルミニウム等を用いることができるので、耐熱性の低い素子、すなわち使用上限温度の低い素子を素子６として用いることができる。例えば、使用上限温度が３５０℃以下である素子を、本発明の気密パッケージに収容することができる。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。
しかしながら、素子６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に示す実施形態の気密パッケージを製造する工程を示す模式的断面図である。
図２（ａ）に示すように、ガラス蓋４の裏面に、ガラスフリットなどの封着材料を塗布して封着材料層５を形成する。次に、図２（ｂ）に示すように、素子６を収容した容器２の枠部３の上に封着材料層５が位置するように、ガラス蓋４を容器２の上に載置する。
次に、図２（ｃ）に示すように、レーザー光１０をガラス蓋４側から照射し、封着材料層５を加熱して軟化させ、封着材料層５によりガラス蓋４と容器２とを接合する。このとき、枠部３と封着材料層５の界面近傍に焦点を合わせるようにレーザー光１０を照射する。封着材料層５は、レーザー光１０に対し高い透過性を有しているので、レーザー光１０は、枠部３と封着材料層５の界面近傍にまで到達し、枠部３と封着材料層５の界面近傍に焦点を合わせることができる。これにより、枠部３と封着材料層５の界面近傍を中心にして封着材料層５及び枠部３が加熱されるため、枠部３と封着材料層５の接合強度を高めることができる。また、封着材料層５は、枠部３に近い部分の方が軟化して流動しやすくなるため、その断面形状は、図１に示すように、枠部３に向かって拡がるテーパー形状になる。
なお、レーザー光の波長は、６００〜１６００ｎｍの範囲内であることが望ましく、このようなレーザー光を出射する光源として、例えば、半導体レーザーを用いることができる。
図２（ｃ）に示すように、容器２の上にガラス蓋４を重ね合わせた状態において、封着材料層５は枠部３の内側に収まるように配置されている。これにより、加熱軟化した封着材料層５が周囲へはみ出すのを抑制することができる。
なお、本実施形態では、窒化アルミニウムからなる容器２を用いている。窒化アルミニウムは、上述のように、ガラス材との濡れ性が良くないので、枠部３の上に封着材料を塗布して封着材料層５を形成するのではなく、ガラス蓋４に封着材料層５を形成している。
以上のようにして、図１に示す、容器２との接合面５ｂがガラス蓋４との接合面５ａよりも大きい封着材料層５を有する気密パッケージ１を製造することができる。
図３は、比較例の気密パッケージを示す模式的断面図である。この比較例の気密パッケージ１１は、特許文献２のように、レーザー吸収材を含む封着材料を用いて、容器２にガラス蓋４を接合している。そのため、封着材料層５の断面形状は、図３に示すように、接合面５ｂから接合面５ａに向かって拡がる、本発明とは逆のテーパー形状を有している。従って、接合面５ｂにおける封着材料層５の幅Ｗ２は、接合面５ａにおける封着材料層５の幅Ｗ１よりも小さくなっている。そのため、容器２と封着材料層５の間で十分な接合強度を得ることができない。
図４は、図３に示す比較例の気密パッケージを製造する工程を示す模式的断面図である。
図４（ａ）に示すように、素子６を収容した容器２の枠部３の上に、レーザー吸収材を含む封着材料を塗布して封着材料層５を形成する。次に、図４（ｂ）に示すように、素子６を収容した容器２の枠部３の上に封着材料層５が位置するように、ガラス蓋４を容器２の上に載置する。
次に、図４（ｃ）に示すように、レーザー光１０をガラス蓋４側から照射し、封着材料層５を加熱して軟化させ、封着材料層５によりガラス蓋４と容器２とを接合する。なお、封着材料層５は、レーザー吸収材を含んでいるので、レーザー光１０は、枠部３と封着材料層５の界面近傍にまで到達することができないため、ガラス蓋４と封着材料層５の界面近傍に焦点を合わせるようにレーザー光１０が照射される。そのため、封着材料層５は、ガラス蓋４に近い部分の方が軟化して流動しやすくなる。この結果、封着材料層５の断面形状は、図３に示すように、ガラス蓋４に向かって拡がる逆のテーパー形状になる。
従って、比較例の気密パッケージ１１では、容器２と封着材料層５の間で十分な接合強度を得ることができず、信頼性に劣る。また、容器２の材質として、窒化アルミニウムを用いた場合、容器２と封着材料層５の間の接合強度はさらに低いものとなる。
本発明に従い、容器２との接合面５ｂがガラス蓋４との接合面５ａよりも大きくなるように封着材料層５を形成することにより、ガラス蓋４と容器２の接合強度を高めることができ、信頼性の高い気密パッケージにすることができる。
１…気密パッケージ
２…容器
３…枠部
４…ガラス蓋
５…封着材料層
５ａ…ガラス蓋との接合面
５ｂ…容器との接合面
６…素子
１０…レーザー光
Ｗ１…ガラス蓋との接合面における封着材料層の幅
Ｗ２…容器との接合面における封着材料層の幅

Claims (9)

  1. 枠部を有する容器と、
    前記枠部の上に配置され、前記容器を封止するガラス蓋と、
    前記枠部と前記ガラス蓋の間に配置され、前記ガラス蓋と前記容器を接合する封着材料層とを備えた気密パッケージにおいて、
    前記封着材料層において、前記封着材料層と前記容器との接合面が、前記封着材料層と前記ガラス蓋との接合面よりも大きい、気密パッケージ。
  2. 前記封着材料層の厚みが、１〜１００μｍの範囲内である、請求項１に記載の気密パッケージ。
  3. 前記封着材料層は、Ｆｅ、Ｍｎ、及びＣｕから選ばれる少なくとも１種の金属または該金属の酸化物の含有量が５質量％以下である、請求項１または２に記載の気密パッケージ。
  4. 前記容器が、窒化アルミニウムから構成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の気密パッケージ。
  5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の気密パッケージと、前記気密パッケージ内に収容されている素子とを備える、電子デバイス。
  6. 枠部を有する容器と、前記容器を封止するガラス蓋と、前記ガラス蓋と前記容器を接合する封着材料層とを用意する工程と、
    前記枠部と前記ガラス蓋の間に前記封着材料層を配置して、前記容器の上に前記ガラス蓋を重ね合わせる工程と、
    前記枠部と前記封着材料層の界面近傍に焦点を合わせるように、前記ガラス蓋側からレーザー光を照射して前記封着材料層により前記ガラス蓋と前記容器とを接合する工程とを備える、気密パッケージの製造方法。
  7. 前記封着材料層が、前記レーザー光の波長に対し１０％以上の透過率を有する、請求項６に記載の気密パッケージの製造方法。
  8. 前記封着材料層が形成された前記ガラス蓋を前記容器の上に重ね合わせることにより、前記枠部と前記ガラス蓋の間に前記封着材料層を配置する、請求項６または７に記載の気密パッケージの製造方法。
  9. 前記容器の上に前記ガラス蓋を重ね合わせた状態において、前記封着材料層が前記枠部の内側に収まるように配置されている、請求項６〜８のいずれか一項記載の気密パッケージの製造方法。
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