JP3439338B2 - 傾斜構造素子とその製造方法 - Google Patents

傾斜構造素子とその製造方法

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  • Glass Compositions (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、加熱することに
より結晶を析出する結晶化ガラス中に局部的に所望の質
及び/又は量の結晶を析出させてその部分の特性を変化
させ、その部分を「傾斜構造」とした傾斜構造素子とそ
の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】現在、一つのガラス構造体の内部構造や
組成に変化を持たせることによって、その構造体に複数
の機能を持たせた「傾斜構造素子」が、検討されてい
る。従来、このような傾斜構造素子は後述する熱拡散法
やコーティング法等によって形成されていた。
【0003】熱拡散法は二次物質の融液中に基礎材料を
浸漬し、この基礎材料中に二次物質を熱拡散させるもの
である。この熱拡散法では融液の温度と浸漬時間を制御
することによって所望の傾斜構造の素子を得ることがで
きる。
【0004】コーティング法は、基礎材料の表面に組成
や機能が少しずつ異なる多数の層を印刷又は浸漬によっ
て順次コーティングするものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、熱拡散法で
は、二次物質の融液から基礎材料を引き上げた場合、基
礎材料の表面に余分な二次物質が付着残留してしまうの
で、この二次物質を機械的に削り取るか、酸等の洗浄液
で溶解除去させなければならない。
【0006】しかし、基礎材料の表面から二次物質を機
械的に削り取る場合、基礎材料にダメージを与えないで
二次物質のみを削り取ることは困難であり、しかも基礎
材料が複雑な形状の場合、二次物質を機械的に削り取る
ことは不可能である。
【0007】また、基礎材料の表面から二次物質を酸等
の洗浄液で溶解除去させる場合、基礎材料の表面は原子
レベルで見ると場所によって違いがあり、しかも二次物
質の付着状況は均一でないので、二次物質を完全に除去
するための条件で二次物質を洗浄除去した場合、その条
件はある場所にとっては過剰になり、その場所では内部
の拡散物質まで溶解除去され、その部分の傾斜構造がず
れてしまう。
【0008】また、積層コーティング法はコーティング
のための工程数が非常に多くなるので量産が困難であ
り、しかも、コーティングのための工程数が非常に多い
のでコーティングの位置精度が悪く、傾斜構造を局所的
に精度良く作ることが困難である。
【0009】この発明はこのような課題の下でなされた
もので、所望の特性を有する傾斜構造素子と、そのよう
な傾斜構造素子を精度よく製造することができる方法を
提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】この発明に係る傾斜構造
素子は、加熱することにより結晶を析出する結晶化ガラ
スからなる母材相と、該母材相中に局部的に結晶が析出
して形成された変性部とを備えたものである。
【0011】ここで、前記結晶化ガラスとしては、例え
ば(Ba,Sr,Ca)O−Al23 −TiO2 −S
iO2 系結晶化ガラス、(Ba,Sr,Ca)O−Al
23 −SiO2 系結晶化ガラス又はNa2 O−K2
−Al23 −B23 −SiO2 系結晶化ガラスを挙
げることができるが、これ以外のガラスであっても加熱
することにより結晶を析出するものであれば、使用する
ことができる。
【0012】前記変性部は、前記母材相と機械的強度、
熱膨張係数、比誘電率、比透磁率、光透過率及び/又は
色調が相違することになる。前記変性部は表面から内部
に向って結晶の質及び/又は量が変化していてもよい。
【0013】この発明に係る傾斜構造素子の製造方法
は、結晶化ガラスからなる母材相に電磁波を局部的に照
射して該照射部分を加熱するものである。加熱された部
分は結晶を析出し、例えば機械的強度、熱膨張係数、比
誘電率、比透磁率、光の透過率、外観(色調など)など
の物理量が変化する。
【0014】ここで、前記電磁波としては、赤外線、電
子線、レーザー光を使用することができる。前記結晶化
ガラス中に析出する結晶の大きさ、形状、量、組成は、
前記電磁波の照射強度、照射時間を変化させることによ
り、すなわち照射部分の昇温速度、熱処理温度、最高温
度での保持時間等を変えることにより制御することがで
きる。なお、ガラスの組成比とは異なる組成比の結晶相
を析出させることも、熱処理条件を変えることである程
度は可能である。
【0015】前記結晶化ガラスとしては、例えば(B
a,Sr,Ca)O−Al23 −TiO2 −SiO2
系結晶化ガラス、(Ba,Sr,Ca)O−Al23
−SiO2 系結晶化ガラス又はNa2 O−K2 O−Al
23 −B23 −SiO2 系結晶化ガラスを挙げるこ
とができるが、これ以外のガラスであっても加熱するこ
とにより結晶を析出するものであれば、使用することが
できる。
【0016】
【実施例】
実施例1 まず、試料として(Ba,Sr,Ca)O−Al23
−TiO2 −SiO2系結晶化ガラスを使用し、この結
晶化ガラスに赤外線ビームを照射して局所的に加熱した
後、冷却し、この加熱部分に結晶を析出させた。ここ
で、赤外線による加熱条件は、赤外線ビームの集光径1
0mm、照射部分の温度900℃、照射時間10秒とし
た。
【0017】次に、このように処理された試料を赤外線
の照射を受けた部分で破断し、その破断面をフッ酸で軽
く腐食させ、この破断面の結晶の析出状況を、破断面を
示している図1の部分〜、すなわち破断面の厚さ方
向について顕微鏡で観察した。ここで、図1の部分
は各々50μm離れている。
【0018】この顕微鏡による観察の結果から、赤外線
の照射を受けた部分に結晶が析出していること、また、
結晶の析出の程度は赤外線の照射を受けた側のガラスの
表面に近い部分が大きく、内部に向って小さくなってい
ることがわかった。
【0019】実施例2 次に、この実施例1で得られた傾斜結晶化ガラスの結晶
化部分及びガラス部分と、均一結晶化ガラスの破壊靱性
値(Pa・m^0.5)を、JISR1607に定めら
れているインデンテイション法(ファインセラミックス
の破壊靱性試験法)によって、各々求めたところ、表1
に示す通りであった。
【0020】そして、傾斜結晶化ガラスの結晶化部分及
びガラス部分、均一結晶化ガラス、比較ガラスの各々に
ついて波長600nmの光の透過率を求めたところ、表
2に示す通りであった。
【0021】実施例3 次に、赤外線ビームの照射時間を2秒と短くした他は実
施例2と同一の条件で別の試料を作成し、結晶化部分及
びガラス部分の破壊靱性値及び光の透過率を調べたとこ
ろ、破壊靱性値は表1に示す通り、また、光の透過率
は表2に示す通りであった。
【0022】実施例4 次に、(Ba,Sr,Ca)O−Al23 −SiO2
系結晶化ガラスを用い、赤外線ビームによる照射部分の
温度を950℃とした他は、実施例2と同様にして傾斜
結晶化ガラスの結晶化部分及びガラス部分と、均一結晶
化ガラスの破壊靱性値及び光の透過率を調べたところ、
破壊靱性値は表1に示す通り、また、光の透過率は表
2に示す通りであった。
【0023】実施例5 次に、赤外線ビームの照射時間を2秒と短くした他は実
施例4と同一の条件で別の試料を作成し、結晶化部分及
びガラス部分の破壊靱性値及び光の透過率を調べたとこ
ろ、破壊靱性値は表1に示す通り、また、光の透過率
は表2に示す通りであった。
【0024】実施例6 次に、Na2 O−K2 O−Al23 −B23 −Si
2 系結晶化ガラスを用い、実施例2と同様にして傾斜
結晶化ガラスの結晶化部分及びガラス部分と、均一結晶
化ガラスの破壊靱性値及び光の透過率を調べたところ、
破壊靱性値は表1に示す通り、また、光の透過率は表
2に示す通りであった。
【0025】実施例7 次に、赤外線ビームの照射時間を2秒と短くした他は実
施例6と同一の条件で別の試料を作成し、結晶化部分及
びガラス部分の破壊靱性値及び光の透過率を調べたとこ
ろ、破壊靱性値は表1に示す通り、また、光の透過率
は表2に示す通りであった。
【0026】
【表1】
【0027】
【表1】
【0028】
【表1】
【0029】表1〜表1に示された結果から、赤外
線ビームの照射を受けて結晶化した部分の破壊靱性値は
ガラス部分と比較して高くなることがわかる。
【0030】
【表2】
【0031】
【表2】
【0032】
【表2】
【0033】表2〜表2に示された結果から、結晶
化部分の光の透過率は大幅に低下するが、結晶化部分以
外の部分の透過率は初期値とほとんど変化が見られない
ことがわかる。従来の強化方法はガラス全体に対して行
うため、結晶化によって透明性が損なわれるなどの弊害
があったが、この発明の方法を利用すれば強化したい部
分だけを結晶化させられるため、全体の透明性はほとん
ど損なわれない。
【0034】実施例8 次に、実施例2,3で使用した(Ba,Sr,Ca)O
−Al23 −TiO2 −SiO2 系結晶化ガラスにつ
いて、赤外線ビームを照射した部分の結晶化率(%)に
対する色調及び比誘電率の関係を調べたところ、表3
に示す通りであった。
【0035】実施例9 次に、実施例4,5で使用した(Ba,Sr,Ca)O
−Al23 −SiO2 系結晶化ガラスについて、赤外
線ビームを照射した部分の結晶化率(%)に対する色調
及び比誘電率の関係を調べたところ、表3に示す通り
であった。
【0036】実施例10 次に、実施例6,7で使用したNa2 O−K2 O−Al
23 −B23 −SiO2 系結晶化ガラスについて、
赤外線ビームを照射した部分の結晶化率(%)に対する
色調及び比誘電率の関係を調べたところ、表3に示す
通りであった。
【0037】
【表3】
【0038】
【表3】
【0039】
【表3】
【0040】表3〜表3に示された結果から、赤外
線を照射した部分の結晶化率に対する色調及び比誘電率
は相互に関係することがわかる。すなわち、赤外線の照
射条件を変えることによって、照射部分の色調、比誘電
率の制御が可能であることがわかる。
【0041】実施例11 次に、前述の(Ba,Sr,Ca)O−Al23 −T
iO2 −SiO2 系結晶化ガラス(Aガラス)、(B
a,Sr,Ca)O−Al23 −SiO2 系結晶化ガ
ラス(Bガラス)又はNa2 O−K2 O−Al23
23 −SiO2 系結晶化ガラス(Cガラス)につい
て、結晶化部分とガラス部分の線熱膨張率(室温〜60
0℃)を求めたところ、表4に示す通りであった。
【0042】そして、結晶化部分の上とガラス部分の上
にシリコン半導体ベアチップを面実装し、150℃〜−
80℃の間で加熱・冷却を100回繰り返すことによっ
てヒートショックを与え、不良率を求めたところ、表4
に示す通りであった。
【0043】
【表4】
【0044】表4に示された結果から、結晶化部分は熱
膨張率が小さくなり、半導体ベアチップを面実装した場
合、ヒートショック試験で不良が出ないことがわかる。
【0045】従って、この結晶化ガラスを基板に用い、
実装部分を結晶化させ、この部分に半導体ベアチップを
面実装させれば、接合部分の信頼性が向上する。特に、
熱膨張率が小さいシリコン半導体の面実装には効果的で
ある。
【0046】なお、バルクのガラスだけでなく、粉末ガ
ラスをシート化し、積層、圧着、焼成する場合も同様で
あった。但し、その時のガラス部分の光の透過率は60
%程度に低下し、色調も全てガラスの時で「透明感のあ
る乳白色」となった。他の値はバルクの時とほゞ同じで
あった。焼成温度は、Aガラスで800〜850℃、B
ガラスで850〜900℃、Cガラスで780〜830
℃、焼成時間は0.5〜2時間とした。
【0047】
【発明の効果】この発明によれば、赤外線等の電磁波の
照射条件を変えるだけで、変性部の物性値を変えること
ができるので、所望の特性を有する傾斜構造素子を容易
に製造することができるという効果がある。
【0048】また、この発明によれば、照射条件を変え
ることにより、いろいろな物性値を一つの試料中で傾斜
的に変化させて取らせることができるという効果があ
る。
【0049】その結果、この発明によれば、結晶が析出
して形成された変性部をマーキングとして利用すること
ができ、しかも変性部がガラス表面より内側に形成され
ることから、ガラス表面にマーキングを付加的に印刷す
る場合よりもマーキングの耐久性が高くなるという効果
がある。
【0050】また、この発明によれば、物品に接触する
ことなく、電磁波を照射するだけでマーキングを施すこ
とができるので、ガラス瓶等のように立体的な物品や表
面の粗い物品にも簡単にマーキングを施すことができる
という効果がある。
【0051】また、この発明によれば、マーキングを施
した部分とそれ以外の部分で全体として組成に違いはな
いので、ガラスを再利用する際に、マーキングの有るも
のをマーキングのないものと同じに扱うことができ、分
別等の付加的な経費を削減させることができるという効
果がある。
【0052】また、この発明によれば、物品の周辺や裏
面に影響を与えることなく部分的な彩度、透明度の調整
が可能(通常、結晶化したところは白く見え、予めガラ
ス組成を工夫しておくことによりマーキング部分の着色
も可能)なので、この技術をガラス製品の装飾手段とし
て利用することができるという効果がある。
【0053】また、この発明によれば、実装部品のラン
ド部だけを結晶化してその部分の強度を向上させ、実装
部品の基板への接合強度を向上させることができるとい
う効果がある。
【0054】また、この発明によれば、基板の半導体ベ
アチップを実装すべき部分の熱膨張率を小さくできるの
で、面実装されている半導体ベアチップのヒートショッ
ク試験に対する不良率を低下させ、半導体ベアチップの
接合部分の信頼性を向上させることができるという効果
がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1はガラス素体の断面図である。
【表1○1】
【表1○2】
【表1○3】
【表2○1】
【表2○2】
【表2○3】
【表3○1】
【表3○2】
【表3○3】

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 加熱すると結晶を析出するガラス(以
    下、「結晶化ガラス」という。)からなる母材相と、該
    母材相中に局部的に結晶が析出して形成された変性部と
    を備えたことを特徴とする傾斜構造素子。
  2. 【請求項2】 前記結晶化ガラスが(Ba,Sr,C
    a)O−Al23 −TiO2 −SiO2 系結晶化ガラ
    ス、(Ba,Sr,Ca)O−Al23 −SiO2
    結晶化ガラス又はNa2 O−K2 O−Al23 −B2
    3 −SiO2系結晶化ガラスであることを特徴とする
    請求項1に記載の傾斜構造素子。
  3. 【請求項3】 前記変性部は前記母材相と、機械的強
    度、熱膨張係数、比誘電率、比透磁率、光透過率及び/
    又は色調が相違することを特徴とする請求項1又は2に
    記載の傾斜構造素子。
  4. 【請求項4】 前記変性部は電磁波の照射を受けた側の
    表面から内部に向って析出する結晶の質及び/又は量が
    変化していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか
    に記載の傾斜構造素子。
  5. 【請求項5】 結晶化ガラスからなる母材相に電磁波を
    局部的に照射して該照射部分を加熱し、該照射部分に結
    晶を析出させることを特徴とする傾斜構造素子の製造方
    法。
  6. 【請求項6】 前記結晶化ガラスが(Ba,Sr,C
    a)O−Al23 −TiO2 −SiO2 系結晶化ガラ
    ス、(Ba,Sr,Ca)O−Al23 −SiO2
    結晶化ガラス又はNa2 O−K2 O−Al23 −B2
    3 −SiO2系結晶化ガラスであることを特徴とする
    請求項5に記載の傾斜構造素子の製造方法。
  7. 【請求項7】 前記電磁波が、赤外線、電子線又はレー
    ザー光であることを特徴とする請求項5又は6に記載の
    傾斜構造素子の製造方法。
  8. 【請求項8】 前記電磁波の照射強度、照射時間を調整
    して加熱条件を制御することを特徴とする請求項5〜7
    のいずれかに記載の傾斜構造素子の製造方法。
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