JP2022007385A

JP2022007385A - 蓋部材の製造方法

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Publication number: JP2022007385A
Application number: JP2020110321A
Authority: JP
Inventors: 亮太間嶌; Ryota Majima
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2020-06-26
Filing date: 2020-06-26
Publication date: 2022-01-13
Anticipated expiration: 2040-06-26
Also published as: CN115668482A; JP7473877B2; TW202201662A; KR20230028210A; WO2021261356A1

Abstract

【課題】パッケージに使用される蓋部材の破損を低減する。【解決手段】蓋部材の製造方法は、金属粒子を含む金属系接合材を蓋部材４の本体部７の表面７ａに塗布する塗布工程と、金属系接合材に熱処理を施す熱処理工程と、を備える。金属系接合材の金属粒子の粒子径Ｄ１０は５μｍ以上、粒子径Ｄ９０は５０μｍ以下である。【選択図】図５

Description

本発明は、パッケージに用いられる蓋部材を製造する方法に関する。

電子部品を収容するパッケージとして、凹部を有する基体と、凹部に収容された電子部品を覆うように基体に重ねられる蓋部材とを備えるものがある。一例として、特許文献１には、基体と蓋部材（窓部材）とを金属系接合材によって接合してなるパッケージ及びその製造方法が開示されている。

パッケージを製造するには、まず、凹部に電子部品が収容された基体を用意し、この基体に蓋部材を重ね合わせる。この場合において、基体と蓋部材との間に、金属系接合材（プリフォーム）を配置する。次に、基体と蓋部材の間で荷重をかけながら金属系接合材を加熱して溶融状態とする。その後、基体と蓋部材の間で荷重をかけながら金属系接合材を冷却して固化させることで、基体と蓋部材とを接合する（同文献の段落００３９参照）。

上記の製造方法の他、金属系接合材を用いて基体に蓋部材を接合する場合、蓋部材に金属系接合材を予め接合しておくことで、基体と蓋部材とを接合する工程を簡略化してもよい。

特開２０１８－３７５８１号公報

上記のように、金属系接合材を蓋部材に予め接合する場合、例えばペースト状の金属系接合材を蓋部材に塗布し、その後、金属系接合材に熱処理を施すことになる。この場合において、金属系接合材を加熱して溶融させた後の冷却工程において、金属接合材と蓋部材の熱膨張係数の差に起因して、蓋部材に応力が発生する。この応力が過大であると、蓋部材に破損が発生するおそれがあった。

本発明は上記の事情に鑑みて為されたものであり、パッケージに使用される蓋部材の破損を低減することを技術的課題とする。

本発明は上記の課題を解決するためのものであり、パッケージの基体を覆う蓋部材を製造する方法であって、前記蓋部材は、本体部を備え、金属粒子を含む金属系接合材を前記本体部の表面に塗布する塗布工程と、前記金属系接合材に熱処理を施す熱処理工程と、を備え、前記金属粒子の粒子径Ｄ１０が５μｍ以上、粒子径Ｄ９０が５０μｍ以下であることを特徴とする。なお、粒子径の値は、レーザー回折式粒度分測定装置によるものである。

本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、金属系接合材に含まれる金属粒子の粒子径を上記の数値範囲とすることで、熱処理工程において本体部に発生する応力を低減し、本体部の破損の発生を低減できることを見出した。

本発明に係る蓋部材の製造方法において、前記金属粒子は、Ａｕ－Ｓｎ合金を含んでもよい。

本発明に係る蓋部材の製造方法は、前記塗布工程の前に、前記本体部の前記表面に金属層を形成する金属層形成工程を備えることが好ましく、前記塗布工程では、前記金属層に重なるように前記金属系接合材を塗布してもよい。前記本体部の前記表面に金属層を形成することで、ペースト状の金属系接合材の濡れ性が改善され、蓋部材に良好な接合部を形成し易くなる。

本発明に係る蓋部材の製造方法において、前記本体部は、石英又は石英ガラスにより構成されてもよい。

本発明によれば、パッケージに使用される蓋部材の破損を低減することができる。

パッケージの断面図である。基体の平面図である。図２のＩＩＩ－ＩＩＩ矢視線に係る基体の断面図である。蓋部材の平面図である。図４のＶ－Ｖ矢視線に係る蓋部材の断面図である。蓋部材の要部拡大断面図である。蓋部材の製造方法を示すフローチャートである。蓋部材の製造方法における一工程を示す平面図である。蓋部材の製造方法における一工程を示す平面図である。パッケージの製造方法における一工程を示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、パッケージの一例を示す。パッケージ１は、基体２と、基体２に収容される電子部品３と、基体２及び電子部品３を覆う蓋部材４と、基体２と蓋部材４とを気密に接合する封止部５と、を備える。

図２及び図３は、蓋部材４が接合される前の基体２を示す。基体２は、電子部品３を収容する凹部２ａと、封止部５によって蓋部材４と接合される端面２ｂと、端面２ｂに形成される金属層６とを有する。

基体２の材質としては、例えば、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素等のセラミックス、これらセラミックスとガラス粉末が混合焼結されて成るガラスセラミックス、Ｆｅ－Ｎｉ－Ｃｏ合金、Ｃｕ－Ｗ合金、Ｋｏｖａｒ（登録商標）等の合金等が挙げられる。

図２に示すように、金属層６は、凹部２ａの開口部を囲む枠形状を有する。金属層６は、四角形状とされているが、この形状に限定されるものではない。例えば凹部２ａの開口部が円形である場合、金属層６は、凹部２ａの形状に対応するように、円形状に構成されてもよい。

金属層６は、端面２ｂ側から順に下地層、中間層、及び表層の三層を含む。下地層に用いられる金属としては、例えば、Ｃｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｔ等が挙げられる。中間層に用いられる金属としては、例えば、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ等が挙げられる。表層に用いられる金属としては、例えば、Ａｕ、Ｓｎ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｔ等が挙げられる。金属層６に用いられる金属は、単体であってもよいし、合金であってもよい。

金属層６を基体２の端面２ｂに形成する方法としては、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンアシスト又はイオンプレーティングを用いた真空蒸着法、及びＣＶＤ法等の成膜法が挙げられる。

電子部品３は、基体２における凹部２ａの底面に固定されている。電子部品３の例としては、レーザーモジュール、ＬＥＤ光源、光センサ、撮像素子、光スイッチ等の光学デバイスが挙げられる。電子部品３は、振動センサ、加速度センサ等であってもよい。本実施形態では、電子部品３が紫外線照射用ＬＥＤである場合を一例として説明する。

図４乃至図６は、基体２に接合される前の蓋部材４を示す。蓋部材４は、本体部７と、本体部７の一部に形成される金属層８と、接合部９と、を備える。

本体部７は、光透過性を有する基板により構成される。具体的には、本体部７は、石英基板、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノシリケートガラスその他の各種ガラスを含むガラス基板、サファイア基板、樹脂基板等により構成される。本実施形態では、高い紫外線透過性を有する石英基板又は石英ガラス基板が本体部７に用いられる場合について説明する。

本体部７の厚さは、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくは０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲内である。本体部７の熱膨張係数は、接合部９の熱膨張係数よりも小さい。本体部７の熱膨張係数は、基体２の熱膨張係数よりも小さい。

図１、図４及び図５に示すように、本体部７の表面は、第一主面７ａと、第一主面７ａの反対側に位置する第二主面７ｂと、を含む。第一主面７ａ及び第二主面７ｂは、基体２の凹部２ａの開口面積よりも大きな面積を有する。

図４及び図５に示すように、金属層８は、本体部７の第一主面７ａに形成されている。金属層８は、基体２の金属層６の形状に対応するように、四角形の枠形状を有する。金属層８の形状は本実施形態に限定されない。金属層８は、円形状その他の各種枠形状を有してもよい。

図６に示すように、金属層８は、本体部７の第一主面７ａ側から順に、下地層１０、中間層１１、及び表層１２の三層を含む。

下地層１０に用いられる金属としては、例えば、Ｃｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｔ等が挙げられる。中間層１１に用いられる金属としては、例えば、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ等が挙げられる。表層１２に用いられる金属としては、例えば、Ａｕ、Ｓｎ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｔ等が挙げられる。金属層８に用いられる金属は、単体であってもよいし、合金であってもよい。

下地層１０の厚さは、０．０１μｍ以上０．３μｍ以下であることが好ましい。中間層１１の厚さは、０．３μｍ以上３μｍ以下であることが好ましい。表層１２の厚さは、０．１μｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。

図４に示すように、接合部９は、金属層８の形状に対応するように、四角形の枠形状を有する。接合部９の形状は本実施形態に限定されず、円形その他の各種枠形状であってもよい。図６に示すように、接合部９は、金属層８の表層１２に重なるように層状に構成される。

接合部９は、金属系接合材により構成される。金属系接合材としては、半田材やろう材として市販されるものを用いることができる。金属系接合材としては、例えば、Ａｕ－Ｓｎ合金、Ｐｂ－Ｓｎ合金、Ａｕ－Ｇｅ合金等が挙げられる。本実施形態では、金属系接合材としてＡｕ－Ｓｎ合金が使用される場合について説明する。Ａｕ－Ｓｎ合金の金属系接合材については、質量％で、Ａｕを１０％以上８０％以下、Ｓｎを２０％以上９０％以下の範囲で含有することが好ましい。

接合部９の厚さは、例えば、５μｍ以上５０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上４０μｍ以下、より好ましくは１５μｍ以上２５μｍ以下である。

封止部５は、基体２の金属層６と蓋部材４の金属層８とを接合部９で一体に接合することにより形成される。

以下、蓋部材４の製造方法について説明する。図７に示すように、蓋部材４の製造方法は、準備工程Ｓ１と、金属層形成工程Ｓ２と、接合部形成工程Ｓ３と、切断工程Ｓ４とを備える。

図８に示すように、準備工程Ｓ１では、蓋部材４を複数形成することが可能な大型の基板１３が用意される。本実施形態では、４枚の蓋部材４（本体部７）を形成することが可能な基板１３を例示するが、基板１３の大きさは本実施形態に限定されない。基板１３は、蓋部材４の本体部７の母材であり、本体部７と同じ材料により構成される。このため、基板１３は、複数の本体部７が一体に構成されたものと見做すことができる。

図８に示すように、金属層形成工程Ｓ２では、基板１３の一方の面１３ａ（本体部７の第一主面７ａに相当）に複数の金属層８が形成される。各金属層８は所定の間隔をおいて形成される。金属層８を形成する方法としては、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンアシスト又はイオンプレーティングを用いた真空蒸着法、及びＣＶＤ法の成膜法が挙げられる。

図９に示すように、接合部形成工程Ｓ３では、金属層８に重なるように、接合部９が形成される。接合部形成工程Ｓ３は、金属系接合材を金属層８に重なるように塗布する塗布工程と、塗布工程後に、金属系接合材に熱処理を施す熱処理工程とを備える。

金属系接合材を構成する金属粒子の粒子径Ｄ１０は、５μｍ以上、好ましくは８μｍ以上、より好ましくは１０μｍ以上、更に好ましくは１２μｍ以上、特に好ましくは１６μｍ以上である。粒子径Ｄ９０は、５０μｍ以下、好ましくは４５μｍ以下、より好ましくは４０μｍ以下、更に好ましくは３５μｍ以下、特に好ましくは３２μｍ以下である。ここで、粒子径Ｄ１０とは、これ以下の粒子の比率が１０％である粒子径を指し、粒子径Ｄ９０とは、これ以下の粒子の比率が９０％である粒子径を指す。

金属粒子の粒子径Ｄ１０を上記のように規制すれば、塗布工程の段階で、蓋部材の単位面積当たりに接触する金属粒子の数を少なくできる。その結果、熱処理工程において、金属粒子の溶融により形成される接合部と、蓋部材との接触する面積（接合部が、金属層を介して蓋接合部と接する場合は、接合部と金属層の接触面積）が低減する。その結果、接合部と蓋部材の熱膨張係数の違いの影響を低減でき、蓋部材に破損が発生する虞を低減できる。また、金属粒子の粒子径Ｄ９０を上記のように規制すれば、熱処理工程で金属粒子が十分に溶融し、金属粒子の溶け残りを回避することが容易になり、形成後の接合部自身の強度が向上する。

塗布工程では、例えばペースト状の金属系接合材を金属層８に重なるように、四角形の枠状に塗布する。ペースト状の金属系接合材は、Ａｎ－Ｓｎ合金からなる金属粒子を含むことが好ましい。

塗布工程の具体例としては、マスクを用いた印刷法（スクリーン印刷法）、ディスペンサを用いた塗布法等が挙げられる。

熱処理工程は、加熱工程と、冷却工程とを備える。加熱工程では、本体部７をリフロー炉等の加熱装置を用いて加熱することで、金属系接合材を溶融させることができる。加熱工程は、例えば炉内に窒素を充填した状態で実施してもよい。加熱工程において、本体部７の金属製接合材は、３００℃以上の温度に加熱されることで溶融した状態となる。

本体部７の第一主面７ａ上で溶融した金属系接合材は、冷却工程において冷却されることで固化する。冷却工程は、１５０℃以上３００℃以下の温度範囲、２分間以上３０分間以下の時間の条件で温度を維持する徐冷を含むことが好ましい。

冷却工程において、本体部７と接合部９との熱膨張係数の差により、本体部７に応力が発生することとなるが、前述の通り、接合部９に係る金属系接合材に含まれる金属粒子（例えばＡｕ－Ｓｎ合金の粒子）の粒子径Ｄ１０を５μｍ以上とすることで、この応力を緩和することができる。また、粒子径Ｄ９０を５０μｍ以下とすることで、熱処理工程において、金属粒子が十分に溶融し、金属粒子の溶け残りを回避することが容易になり、形成後の接合部自身の強度が向上する。

以上により、複数の金属層８及び複数の接合部９が積層されてなるパッケージ用基板１３が完成する。切断工程Ｓ４において、この基板１３は、切断刃や、レーザー等を用いた公知の切断法により、図９に示す切断予定線ＣＬに沿って切断される。これにより、複数の蓋部材４が製造される。

次に、パッケージ１の製造方法について説明する。本方法は、上記のように製造された蓋部材４を基体２の端面２ｂに接合する接合工程を備える。

図１０に示すように、接合工程では、蓋部材４が基体２に重ねられる。具体的には、蓋部材４の本体部７の第一主面７ａを基体２に対向させ、接合部９を基体２の端面２ｂの金属層６に接触させる。その後、金属層６と接合部９とを圧接させた状態で加熱する（加熱工程）。これにより、接合部９の金属系接合材が溶融した状態となる。その後、溶融した金属系接合材を冷却することにより固化させる（冷却工程）。

冷却工程が終了すると、接合部９が基体２の金属層６と本体部７の金属層８とを一体に接合してなる封止部５が形成される。以上により、基体２の凹部２ａの気密性が保たれたパッケージ１が完成する。

以上説明した本実施形態に係る蓋部材４の製造方法によれば、ペースト状の金属系接合材における金属粒子の粒子径Ｄ１０を５μｍ以上、粒子径Ｄ９０を５０μｍ以下とすることで、接合部形成工程Ｓ３における冷却工程時に蓋部材４に発生する応力を緩和することができる。これにより、本体部７の破損を低減することができる。

蓋部材４の本体部７に石英基板又は石英ガラス基板を用いた場合には、接合部９と本体部７との熱膨張係数の差が顕著に大きくなる。この場合であっても、本体部７に発生する応力を可及的に低減することで、本体部７の破損を低減することが可能である。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、上記した作用効果に限定されるものでもない。本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

上記の実施形態では、複数の蓋部材４を製造することが可能な基板１３に複数の金属層８及び接合部９を形成する工程を示したが、本発明はこの構成に限定されない。本発明は、基板１３を切断することによって複数の本体部７を形成した後に、各本体部７に金属層８及び接合部９を形成してもよい。

上記の実施形態では、基板１３を切断予定線ＣＬに沿って切断する切断工程Ｓ４を例示したが、本発明はこの構成に限定されない。例えば複数の金属層８及び接合部９が形成された基板１３を切断することなく蓋部材４として使用してもよい。この場合、基板１３自体がこの蓋部材４の本体部７となる。この蓋部材４を複数の凹部２ａを有する基体２に接合することで、複数の電子部品３を備えるパッケージを製造することができる。このパッケージは、接合工程後に、複数の電子部品を個別に分割するように切断されてもよい。

以下、本発明に係る実施例について説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

本発明者は、本発明の効果を確認するための試験を行った。試験では、実施例に係る蓋部材と、比較例に係る蓋部材とを作製し、その本体部に割れ等の破損が発生するか否かを確認した。

蓋部材は、本体部を厚さ０．５ｍｍの石英ガラス基板とした。石英ガラス基板の一方の表面に金属層及び接合部を積層した。石英ガラス基板には、３層の金属層及び接合部を形成した。

金属層については、下地層をＣｒとし、中間層をＮｉとし、表層をＡｕとした。金属層及び接合部は、いずれも四角形の枠形状に構成した。金属層の一辺の長さは４００μｍであった。接合部の一辺の長さは３２０μｍであった。金属層の厚みは、１．２５μｍ（下地層：０．１μｍ、中間層：０．８５μｍ、表層：０．３μｍ）であった。接合部の厚みは、３０μｍであった。

実施例及び比較例に係る接合部は、以下の方法により形成した。まず、Ａｕ－Ｓｎ合金の金属粒子を含むペースト状の接合材を金属層に重なるように塗布した。実施例１の接合材は、金属粒子の粒子径Ｄ１０を１１μｍ、粒子径Ｄ９０を４２μｍとした。実施例２の接合材は、金属粒子の粒子径Ｄ１０を１７μｍ、粒子径Ｄ９０を３０μｍとした。比較例１の接合材は、金属粒子の粒子径Ｄ１０を３μｍ、粒子径Ｄ９０を４８μｍとした。比較例２の接合材は、金属粒子の粒子径Ｄ１０を２μｍ、粒子径Ｄ９０を８３μｍとした。

次に実施例１、２と比較例１、２の金属粒子を含むペーストが塗布された各石英ガラス基板を各１００個作製し、リフロー炉で３００℃まで加熱した。加熱後、石英ガラス基板を室温まで冷却した。冷却後、石英ガラス基板において、接合部が形成された部位に割れ等の破損が発生しているか否かを、石英ガラス基板側から、光学顕微鏡（１００倍）で確認した。

この試験の結果、実施例１の蓋部材における破損の発生率は、１％であった。また、実施例２の蓋部材における破損の発生率は、０％であった。一方、比較例１の蓋部材における破損の発生率は、７％であった。また、比較例２の蓋部材における破損の発生率は、９％であり、金属接合材には、金属粒子の溶け残りが確認できた。

実施例１、２に係る金属系接合材は、比較例１、２よりも大きな粒径の金属粒子を含む。このため、金属系接合材を金属層に塗布した場合に、金属層（表層）に対する金属粒子の接触面積を低減することが可能となる。この場合において、金属接合材は、加熱工程によって金属粒子が溶融した後であっても低接触面積を維持する。このように、金属系接合材の金属粒子と金属層との接触面積を低減することで、冷却工程において本体部（石英ガラス基板）に発生する応力を緩和することが可能になると推察される。

４蓋部材
７本体部
７ａ第一主面
８金属層
９接合部
Ｓ２金属層形成工程
Ｓ３接合部形成工程

Claims

パッケージの基体を覆う蓋部材を製造する方法であって、
前記蓋部材は、本体部を備え、
金属粒子を含む金属系接合材を前記本体部の表面に塗布する塗布工程と、
前記金属系接合材に熱処理を施す熱処理工程と、を備え、
前記金属粒子の粒子径Ｄ１０が５μｍ以上、粒子径Ｄ９０が５０μｍ以下であることを特徴とする蓋部材の製造方法。
前記金属粒子は、Ａｕ－Ｓｎ合金を含む請求項１に記載の蓋部材の製造方法。
前記塗布工程の前に、前記本体部の前記表面に金属層を形成する金属層形成工程を備え、
前記塗布工程では、前記金属層に重なるように前記金属系接合材を塗布する請求項１又は２に記載の蓋部材の製造方法。
前記本体部は、石英又は石英ガラスにより構成される請求項１から３のいずれか一項に記載の蓋部材の製造方法。