JP4429115B2 - Lid and optical element storage package using the same - Google Patents
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Description
本発明は、外部からの機械的衝撃や振動あるいは水分の浸入から光素子を保護するための蓋体および光素子収納用パッケージに関し、特にCCD,CMOS等の撮像素子、光スイッチ,ミラーデバイス等のMEMS、CD,DVD用のLD,PD等の光素子等を保護するための蓋体およびこれを用いた光素子収納用パッケージに関する。 The present invention relates to a lid for protecting an optical element from external mechanical shock, vibration, or moisture intrusion, and an optical element storage package, and more particularly to an imaging element such as a CCD or CMOS, an optical switch, a mirror device, etc. The present invention relates to a lid for protecting optical elements such as LD and PD for MEMS, CD, and DVD, and an optical element storage package using the lid.
従来の蓋体およびこれを用いた光素子収納用パッケージを図2に示す。図2において、11は窓体、12は封止材、13は金属枠体、14は蓋体、15は基体である。 A conventional lid and an optical element storage package using the same are shown in FIG. In FIG. 2, 11 is a window, 12 is a sealing material, 13 is a metal frame, 14 is a lid, and 15 is a base.
窓体11は熱膨張率が5.0乃至8.0×10-6/℃でヤング率が45乃至100GPaの物質で、主にホウケイ酸ガラスから成る。封止材12は熱膨張率が5.0乃至8.0×10-6/℃でヤング率が45乃至100GPaの物質で、封止温度が300乃至500℃の接合ガラスから成る。金属枠体13は熱膨張率が約5.0乃至7.0×10-6/℃でヤング率が100乃至220GPaの鉄(Fe)−ニッケル(Ni)−コバルト(Co)合金等の金属材料から成る。このように、蓋体14は異なる物性値をもつ3つの材質から構成されている。
The
このような光素子収納用パッケージ(以下、パッケージともいう)は、光を透過させるための開口部を有する金属枠体13およびこの開口部を覆うように封止材12を介して接合された透光性の窓体11から成る平板状の蓋体14と、切削やプレスなどの機械加工が可能な金属材料から成る上面に光素子を収容し搭載するための凹部を有する基体15とから構成され、蓋体14と基体15とはシーム溶接などで接合される。
しかしながら、熱膨張係数の異なる物質を、熱を加えて接合させる場合は少なからず反りが生じる。例えば図2記載の蓋体14において窓体11の熱膨張係数が7.0×10-6/℃で厚みが0.4mm、封止材12の熱膨張係数が7.2×10-6/℃、金属枠体13の熱膨張係数が10.0×10-6/℃で厚みが0.55mmという構成部材から成る場合、封止材12を用いて300乃至500℃という熱を伴うガラス接合をする封止工程後の冷却の際、各構成部材は熱膨張係数に比例して収縮することから、収縮率に差があることにより、蓋体14は中心が高く、端が低くなるような凸形状に変形し、30乃至150μmの反りが発生する。このように反りを有した蓋体14と基体15とをシーム溶接にて接合させる場合、蓋体14に反りと逆向きに変形させるような応力を加えて基体15の形状に沿うように蓋体14を変形させながら蓋体14と基体15とを接合させることになる。すなわち、蓋体14は、シーム溶接の電極ローラーが蓋体14上面から押しつけられることで、反りと逆向きに変形するような応力を受けながらシーム溶接に要する短い時間で基体15に接合されることから、この応力を分散することができずに非常に大きな残留応力を生じてしまうことになる。
However, when materials having different coefficients of thermal expansion are joined by applying heat, warping occurs. For example, in the
この接合による残留応力は、窓体11でも発生しており、窓体11が破壊され易くなってクラックを生じたり窓体11と封止材12との接合強度が弱くなって界面剥離を生じたりする。そして、これらの部位からパッケージの気密封止が破れ、内部に収容し搭載される光素子を長期間にわたり正常かつ安定に作動させることができなくなるという問題点を有していた。
Residual stress due to this bonding is also generated in the
加えて、シーム溶接の際、蓋体14と基体15との接合面に瞬間的に大きな熱量が発生するが、この溶接による熱が封止材12や窓体11にも伝わり、封止材12と窓体11との熱膨張係数の差から熱応力を発生させる。この熱応力も、窓体11にクラックを生じさせたり、窓体11と封止材12との界面剥離や接合強度の低下の要因となったりし、これらの部位からパッケージの気密封止が破れて内部に収容し搭載する光素子を長期間にわたり正常かつ安定に作動させることができなくなるという問題点を有していた。
In addition, during seam welding, a large amount of heat is instantaneously generated at the joint surface between the
さらに、金属枠体13の熱伝導率が高い場合、シーム溶接の際に発生する熱量が封止材12や窓体11に伝わりやすくなり、一方で冷却される際の温度勾配が大きくなることから、熱膨張係数の差により生じる熱応力が非常に大きくなるので、上記の問題点がより顕著になる。
Furthermore, when the thermal conductivity of the
また、各構成部品の熱膨張係数は一定でなく温度依存性があり、さらに熱伝導率まで考慮すると各構成部品の熱伝導率や熱膨張係数を近似させ、熱応力による反りや剥がれ等を抑止することは事実上困難であり、また、各構成部品の反り等が等しくなるように形状や接合部を制御することも事実上困難である。 In addition, the thermal expansion coefficient of each component is not constant but temperature-dependent, and considering the thermal conductivity, the thermal conductivity and thermal expansion coefficient of each component are approximated to prevent warping and peeling due to thermal stress. It is practically difficult to do this, and it is also practically difficult to control the shape and joints so that the warpage of each component becomes equal.
従って、本発明はかかる従来の問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、シーム溶接の際の変形や熱に起因して発生する残留応力や熱応力による窓体のクラックや接合破壊を有効に防止できるとともに、気密信頼性の高い蓋体とすることである。特に窓体に発生する残留応力を低減することができる光素子収納用パッケージを提供することにある。 Therefore, the present invention has been devised in view of such conventional problems, and its purpose is to crack or bond window bodies due to residual stress or thermal stress generated due to deformation or heat during seam welding. The lid can be effectively prevented from being broken and has high airtight reliability. In particular, an object of the present invention is to provide an optical element storage package that can reduce residual stress generated in a window.
本発明の蓋体は、下面に凹部を有し上面と前記凹部の底面との間を貫通する光を透過させるための開口部が形成された第一の枠体、および前記開口部を覆うように上側主面の外周部が前記凹部内の前記開口部の周囲に第一の封止材を介して接合され、前記凹部内に配置されたガラス製の窓体から成る第一の蓋体と、中央部に開口が形成され、外周部分より厚みの厚い前記開口の周囲の内周部分の上面に第二の封止材を介して前記第一の蓋体の前記第一の枠体の下面が接合された第二の枠体とを具備していることを特徴とする。 The lid of the present invention covers a first frame body having a recess on the lower surface and an opening for transmitting light penetrating between the upper surface and the bottom surface of the recess, and the opening. the outer peripheral portion of the upper main surface is bonded through a first sealing member around said opening of said recess, a first lid body consisting placed glass window member in the recess The lower surface of the first frame body of the first lid is formed through the second sealing material on the upper surface of the inner peripheral portion around the opening, the opening being formed in the central portion and being thicker than the outer peripheral portion. And a second frame joined to each other.
本発明の蓋体において、好ましくは、前記第一の枠体は、その厚みが前記第二の枠体の厚みより厚く、前記第一の枠体のヤング率が前記第二の枠体のヤング率より大きいことを特徴とする。 In the lid of the present invention, preferably, the first frame is thicker than the second frame, and the Young's modulus of the first frame is Young's of the second frame. It is characterized by being greater than the rate.
本発明の蓋体において、好ましくは、前記第一の枠体は、その熱伝導率が前記第二の枠体の熱伝導率より小さいことを特徴とする。 In the lid of the present invention, preferably, the first frame body has a thermal conductivity smaller than that of the second frame body.
本発明の光素子収納用パッケージは、上面に光素子を収容するための凹所を有する基体と、該基体の上面に前記凹所を塞ぐように接合された上記本発明の蓋体とを具備していることを特徴とする。 An optical element storage package of the present invention includes a base body having a recess for storing an optical element on an upper surface thereof, and the lid body of the present invention joined to the upper surface of the base body so as to close the recess. It is characterized by that.
本発明の蓋体は、下面に凹部を有し上面と凹部の底面との間を貫通する光を透過させるための開口部が形成された第一の枠体、および開口部を覆うように上側主面の外周部が凹部内の開口部の周囲に第一の封止材を介して接合され、凹部内に配置されたガラス製の窓体から成る第一の蓋体と、中央部に開口が形成され、外周部分より厚みの厚い開口の周囲の内周部分の上面に第二の封止材を介して第一の蓋体の第一の枠体の下面が接合された第二の枠体とを具備していることから、蓋体が基体の形状に沿うように変形を伴いながらシーム溶接される際に発生する残留応力や熱応力を、第二の枠体が大きく変形することによって、吸収、分散することができるので、窓体が接合されている第一の蓋体に応力による歪みや反りが発生することを効果的に抑制できる。 The lid of the present invention includes a first frame body having a recess on the lower surface and an opening for transmitting light penetrating between the upper surface and the bottom surface of the recess, and an upper side so as to cover the opening. The outer peripheral portion of the main surface is joined to the periphery of the opening in the recess through a first sealing material, and the first lid is formed of a glass window disposed in the recess, and the central portion opens. A second frame in which the lower surface of the first frame of the first lid is bonded to the upper surface of the inner peripheral portion around the opening thicker than the outer peripheral portion via the second sealing material The second frame greatly deforms the residual stress and thermal stress generated when the lid is seam welded with deformation so as to follow the shape of the base body. Can absorb and disperse, so that the first lid to which the window is joined is effectively strained and warped by stress. To be suppressed.
さらに、窓体は第二の枠体に、第一の枠体,第一の封止材および第二の封止材を介して接合されるので、シーム溶接による熱が窓体に伝わりにくくなり、窓体および第一の枠体自身の熱による変形やその変形による応力の発生を有効に抑止することができる。 Further, since the window body is joined to the second frame body via the first frame body, the first sealing material, and the second sealing material, heat due to seam welding is hardly transmitted to the window body. The deformation of the window and the first frame itself due to heat and the generation of stress due to the deformation can be effectively suppressed.
また、窓体が第一の枠体の凹部内の開口部の周囲に接合され、凹部内に配置されていることから、凹部内の窓体が第一の枠体に保護され、パッケージの製造時や使用時に窓体を衝突や接触などの外的要因による傷の発生や脱落などから保護することができる。 Further, since the window body is joined around the opening in the recess of the first frame body and disposed in the recess, the window body in the recess is protected by the first frame body, and the package is manufactured. It is possible to protect the window body from the occurrence of scratches or falling off due to external factors such as collision or contact during time or use.
本発明の蓋体は、好ましくは、第一の枠体は、その厚みが第二の枠体より厚く、第一の枠体のヤング率が第二の枠体のヤング率より大きいことから、シーム溶接の際に発生する残留応力や熱応力を第二の枠体の変形により効果的に吸収、分散させることができる。そうすることで第一の枠体が変形しにくくなるので窓体と第一の封止材とに加わる外力を抑止することができる。それによって、比較的強度の弱い窓体や第一の封止材の応力や反りの発生を少なくできるので、窓体のクラックや窓体と第一の封止材との封止部の破壊を有効に防止でき、気密信頼性の高い蓋体を実現することができる。 In the lid of the present invention, preferably, the first frame is thicker than the second frame, and the Young's modulus of the first frame is larger than the Young's modulus of the second frame. Residual stress and thermal stress generated during seam welding can be effectively absorbed and dispersed by deformation of the second frame. By doing so, it becomes difficult for the first frame to be deformed, so that external force applied to the window and the first sealing material can be suppressed. As a result, the occurrence of stress and warpage of the relatively weak window body and the first sealing material can be reduced, so that cracks in the window body and destruction of the sealing portion between the window body and the first sealing material can be prevented. A lid that can be effectively prevented and has high hermetic reliability can be realized.
本発明の蓋体は、好ましくは、第一の枠体は、その熱伝導率が第二の枠体の熱伝導率より小さいことから、シーム溶接の際に第二の枠体で発生した熱が、第二の枠体から第一の枠体へ伝わりにくくなるので、窓体や第一の封止材に熱応力が発生することをさらに抑止し、より気密信頼性の高い蓋体を実現することができる。 The lid of the present invention preferably has a heat conductivity generated in the second frame during seam welding because the first frame has a thermal conductivity smaller than that of the second frame. However, since it is difficult to transmit from the second frame to the first frame, thermal stress is further prevented from occurring in the window and the first sealing material, and a lid with higher hermetic reliability is realized. can do.
本発明の光素子収納用パッケージは、上面に光素子を収容するための凹所を有する基体と、基体の上面に凹所を塞ぐように接合された本発明の蓋体とを具備していることから、シーム溶接の際に発生する残留応力や熱応力に起因して蓋体に応力や反りが発生することを効果的に抑止することができるので、窓体や第一の封止材にクラックや接合破壊が発生することを効果的に防止することができるため、光学特性が長期に安定した光素子収納用パッケージとすることができる。 An optical element storage package of the present invention includes a base body having a recess for storing an optical element on the upper surface, and a lid body of the present invention joined to the upper surface of the base so as to close the recess. Therefore, it is possible to effectively suppress the occurrence of stress and warpage in the lid due to residual stress and thermal stress generated during seam welding. Since it is possible to effectively prevent the occurrence of cracks and bond breakage, it is possible to provide an optical element storage package with stable optical characteristics over a long period of time.
次に、本発明の蓋体およびこれを用いた光素子収納用パッケージ(以下、パッケージともいう)を添付の図面に基づいて詳細に説明する。 Next, a lid of the present invention and an optical element storage package (hereinafter also referred to as a package) using the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の蓋体およびこれを用いた光素子収納用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図である。図1において、1は反射防止膜が形成されたガラス製の窓体、2は窓体1の上側主面の外周部と枠体3の凹部3b内の開口部3aの周囲とを接合する第一の封止材、3は第一の枠体、4は第一の蓋体、5は第一の蓋体4の第一の枠体3の下面と第二の枠体6の開口6aの周囲とを接合する第二の封止材、6は第二の枠体、7は第一の蓋体4と第二の枠体6とが第二の封止材5を介して接合された本発明の蓋体、8は上面に光素子を搭載する凹所を有する基体を示し、主に窓体1、第一の封止材2、第一の枠体3によって第一の蓋体4が構成され、第一の蓋体4、第二の封止材5、第二の枠体6によって本発明の蓋体7が構成され、さらに蓋体7および基体8によって本発明の光素子収納用パッケージが構成される。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a lid of the present invention and an optical element storage package using the same. In FIG. 1,
窓体1の材質は透光性のガラス材であれば特に制限はないが、例えばホウケイ酸ガラスやソーダガラス,サファイヤガラス等の硬質ガラス材料が採用可能である。窓体1は、一般にこれら材料を板状のウエハに成形し、ウエハ表面を研磨した後、個片に切り出すことによって製作される。
Although the material of the
なお、窓体1となるウエハには光透過性を良くするために反射防止膜が塗布または蒸着により被着されるのが好ましい。反射防止膜は、チタニア(TiO2),アルミナ(SiO2),ジルコニア(ZrO2),フッ化マグネシウム(MgF2)等を真空蒸着法や高周波イオンプレーティング法,スパッタリング法等により多層積層して形成される。その層数や各層の厚みは要求される光学特性により異なるが、反射防止膜の総厚みは0.1乃至5.0μmとするのが反射防止膜の耐熱性および第一の封止材2となる低融点ガラスとの密着性を確保する上で好ましい。
Note that an antireflection film is preferably applied to the wafer to be the
窓体1をウエハから切り出して個片にするには、まず例えば直径が6インチ、厚みが0.5乃至1mmのウエハをステンレススチール(SUS)製の枠板に貼り付けられた厚さ90μmの塩化ビニル製のフィルムの中央部に粘着させ、その後に直径80mm、厚み0.15mmの円形刃をセットしたダイシング装置により、円形刃の回転速度20,000rpm以上、円形刃の送り速度20mm/秒の条件で窓部材を例えば20乃至25mm×10乃至15mmの個片に切断する。なお、ウエハから切り出された個片は、端面角部を面取り加工すると、封止面積を大きくすることできるので、第一の封止材2との応力緩和の観点からより好ましい。
To cut the
また第一の封止材2および第二の封止材5は、低融点ガラスであれば特に制限は無いが、例えば鉛ホウ酸系ガラス(PbO−B203系),ホウ酸塩ガラス(B2O3系,Li2O−B2O3系,Na2O−B2O3系等),鉛ケイ酸塩ガラス(PbO−SiO2系,PbO−B2O3−SiO2系等),リン酸塩ガラス(Na2O−P2O5系,B2O3−P2O5系等)やリン酸スズ亜鉛ガラス(P2O5−SnO−ZnO系)等が挙げられ、地球環境的には鉛フリーガラスであるホウ酸塩ガラスやリン酸塩ガラス,リン酸スズ亜鉛ガラス等が好ましい。
The
このような第一の封止材2および第二の封止材5は、低融点ガラスの粉末に無機充填材や有機溶剤および可塑材等を添加混合して得た混合ペーストを、厚みが100乃至300μmとなるようにスクリーン印刷またはディスペンサにより、それぞれ第一の枠体3もしくは第二の枠体6に塗布し、大気中で温度約350乃至470℃で溶融させることによって第一の枠体3および窓体1ならびに第一の窓体4および第二の枠体6が接合される。
The
第一の封止材2が被着される窓体1の外周部のガラス封止部の幅は、0.5乃至2mmとするのが好ましい。幅が0.5mm未満となると、第一の封止材2の量が不足することとなり、第一の枠体3に窓体1を接合させた際に気密不良を起こしたり、接合強度の低下を起こして窓体の剥がれ等を起こしたりする傾向がある。2mmを超えると、封止幅が過度に広くなって広い幅を封止するために、第一の封止材2の量を多くする必要があり、その結果、第一の枠体3に窓体1を接合させた際に窓体1の下側主面、すなわち基体8側の主面へ第一の封止材2が流れ出したりあるいは枠体の側壁内に流れ出したりして光を透過させる領域を狭くしてしまい、窓体1の光の透過率が悪くなる傾向がある。
The width of the glass sealing portion at the outer peripheral portion of the
また、第一の枠体3および第二の枠体6の、第一の封止材2および第二の封止材5が被着されない領域には、腐食を防止するためおよび第二の枠体6の外周下面と基体8とのシーム溶接のために各種めっき層を形成しておくとよい。このメッキ層は、好ましくはニッケル(Ni)メッキを1〜5μmの厚みで施した後、金(Au)メッキを1〜2μmの厚みで施すのがよい。
Further, in the first frame 3 and the second frame 6, an area where the
第一の枠体3は、下面に凹部3bを有し、中央部に上面と凹部3bの底面との間を貫通する光を透過させるための開口部3aが打抜き金型で打ち抜かれた形状に製作され、金属材料から成る板材等に、中央部に光を透過させるための開口6aを打抜き金型で打ち抜くことによって製作される。
The first frame 3 has a
第一の枠体3と第二の枠体6の材質としては、例えば、第一の枠体3として切削やプレスなどの機械加工が可能な鉄(Fe)−ニッケル(Ni)−コバルト(Co)合金であるFe(55%)−Ni(29%)−Co(16%)合金(ヤング率:130GPa,熱伝導率:16.7W/mK)、第二の枠体6として銅(ヤング率:125GPa,熱伝導率:421W/mK)等の金属材料を組み合わせたものや、第一の枠体3としてアルミナセラミックス(ヤング率:250〜400GPa,熱伝導率:10〜100W/mK)、第二の枠体6としてFe(55%)−Ni(29%)−Co(16%)合金(ヤング率:130GPa,熱伝導率:16.7W/mK)等のFe−Ni−Co合金や42アロイ(Fe(48%)−Ni(42%)合金、ヤング率:147GPa,熱伝導率:15.0W/mK,)、50アロイ(Fe(50%)−Ni(50%)合金、ヤング率:160GPa,熱伝導率:19.0W/mK)や銅(ヤング率:125GPa,熱伝導率:421W/mK)等の金属材料等を組み合わせるのがよい。 Examples of the material of the first frame 3 and the second frame 6 include iron (Fe) -nickel (Ni) -cobalt (Co) that can be machined such as cutting and pressing as the first frame 3. ) Fe (55%)-Ni (29%)-Co (16%) alloy (Young's modulus: 130 GPa, thermal conductivity: 16.7 W / mK) which is an alloy, and copper (Young's modulus: A combination of metal materials such as 125 GPa and thermal conductivity: 421 W / mK), alumina ceramics (Young's modulus: 250 to 400 GPa, thermal conductivity: 10 to 100 W / mK) as the first frame 3, second As the frame body 6, a Fe (55%)-Ni (29%)-Co (16%) alloy (Young's modulus: 130 GPa, thermal conductivity: 16.7 W / mK) or the like, such as Fe-Ni-Co alloy or 42 alloy ( Fe (48%)-Ni (42%) alloy, Young's modulus: 147 GPa, thermal conductivity: 15.0 W / mK, 50 alloy (Fe (50%)-Ni (5 (0%) Alloys, Young's modulus: 160 GPa, thermal conductivity: 19.0 W / mK) and metal materials such as copper (Young's modulus: 125 GPa, thermal conductivity: 421 W / mK) may be combined.
また、第一の枠体3の厚みt1は、第二の枠体6の厚みt2より厚みが厚くかつヤング率が大きいことが好ましい。これにより、第二の枠体6を第一の枠体3より変形しやすい構造とすることができるので、シーム溶接の際に発生する残留応力や熱応力を第二の枠体6の変形により効果的に第二の枠体6に吸収させることができ、第二の封止材5、第一の蓋体4に加わる外力を抑制することができる。さらに第一の枠体3自身が変形しにくいことから、窓体1、第一の封止材2に加わる外力は抑制される。これらの相乗効果により、第一の枠体3に取着されている窓体1とそれを接合している第一の封止材2にシーム溶接の際に発生する応力や反りにより生ずる外力をきわめて効果的に抑止することができる。
Further, the thickness t1 of the first frame 3 is preferably larger than the thickness t2 of the second frame 6 and has a larger Young's modulus. As a result, the second frame 6 can be made to be more easily deformable than the first frame 3, so that residual stress and thermal stress generated during seam welding can be reduced by deformation of the second frame 6. The second frame 6 can effectively absorb the external force applied to the
さらに、好ましくは第一の枠体3は、その熱伝導率が第二の枠体6より小さいことがよい。第一の枠体3の熱伝導率が第二の枠体6の熱伝導率より小さいことによって、シーム溶接の際に発生する熱を、第二の枠体6から第一の枠体3へ伝わりにくくすることができるので、第一の枠体3がこの伝達された熱により変形や熱応力を発生しにくくなり、第一の枠体3に取着されている窓体1および第一の封止材2にクラックや接合破壊を発生することを効果的に抑止することができる。従って、第二の枠体6に熱伝導率の小さな材料を選択し、第一の枠体3の熱伝導率が第二の枠体6の熱伝導率よりさらに小さい材料を選択するのが、窓体1および第一の封止材2にクラックや接合破壊を発生させないために好ましい。
Furthermore, the first frame 3 preferably has a thermal conductivity smaller than that of the second frame 6. Since the thermal conductivity of the first frame 3 is smaller than the thermal conductivity of the second frame 6, heat generated during seam welding is transferred from the second frame 6 to the first frame 3. Since it is difficult to transmit, the first frame 3 is less likely to be deformed or thermally stressed by the transmitted heat, and the
また、第一の枠体3の第一の封止材2との接合部の厚みt1は0.1乃至0.7mmの範囲とするのが好ましい。第一の枠体3の第一の封止材2との接合部の厚みが0.1mm未満だと、蓋体7と基体8とをシーム溶接する際に発生する蓋体7の残留応力により、窓体1のクラックや強度低下が起こるとともに、第一の封止材2に残留応力が作用して第一の封止材2と、窓体1および第一の枠体3との界面剥離や接合強度の低下が生じる。一方、第一の枠体3の厚みt1が0.7mmを超えると、窓体1上面から第一の枠体3上面までの距離が長くなることで光素子で発生した光が窓体1を通過してから、第一の枠体3の開口部側壁に遮られる確立が高くなることで光の透過率が低減して製品としてのパッケージの光学特性を低下させる場合がある。よって、第一の枠体3の厚みは0.1乃至0.7mmがよい。
Moreover, it is preferable that thickness t1 of the junction part with the
さらに、第二の枠体6の厚みt2は0.1乃至0.2mmの範囲とするのが好ましい。第二の枠体6のシーム溶接部の厚みが0.1mm未満だと、第一の蓋体4を第二の封止材5を介して第二の枠体6に接合する工程における熱履歴等の影響により第二の枠体6が大きく変形する場合がある。一方、第二の枠体6の厚みが0.2mmを超えるとシーム溶接する工程において溶接の熱が逃げ易く、シーム溶接部により多くの電流を流さないと、シーム溶接部の第二の枠体6の下面表面に被着されたNiが十分に溶融せず蓋体7と基体8との気密封止が困難となる場合がある。
Furthermore, the thickness t2 of the second frame 6 is preferably in the range of 0.1 to 0.2 mm. If the thickness of the seam welded portion of the second frame 6 is less than 0.1 mm, the thermal history in the step of joining the first lid 4 to the second frame 6 via the
第二の枠体6は、第二の枠体6のシーム溶接される外周部分の厚みt2が内周部分より薄くされた、図1のような形状のものである。図1のような形状とすることにより、第二の枠体6がたわみ易い構造となり、シーム溶接の際に発生する残留応力や熱応力を第二の枠体6の変形により効果的に吸収、分散させることができる。そうすることで第一の枠体3が変形しにくくなるので、窓体1と第一の封止材2とに加わる外力を抑止することができる。それによって、比較的強度の弱い窓体1や第一の封止材2に生じる応力や反りを少なくできるので、窓体1のクラックや窓体1と第一の封止材2との封止部の破壊を有効に防止でき、気密信頼性の高い蓋体を実現することができる。
Second frame 6, the thickness t2 of the peripheral portion to be seam welded of the second frame 6 is thinner than the inner circumferential portion is of a shape as shown in FIG. With the shape as shown in FIG. 1, becomes the second frame 6 backlash Wami structure easy, the residual stress and thermal stress generated during seam welding effectively by the deformation of the second frame 6 Can be absorbed and dispersed. By doing so, the first frame 3 is less likely to be deformed, so that an external force applied to the
基体8は、アルミナセラミックス,鉄(Fe)−ニッケル(Ni)−コバルト(Co)合金,銅(Cu)−タングステン(W)合金等から成り、上面に光素子を収容するための凹所8aを有するように、切削加工等によって形成される。また、凹所8a内の光素子の周辺から基体8の外側にかけて配線導体(図示せず)が導出されている。
The
まず、基体8の材質がアルミナセラミックスから成る場合、例えば、基体8の壁面または底面に、基体8の内外を導通させる配線導体と成る配線層が形成される。また、基体8がアルミナセラミックス等の絶縁体からなることにより基体8の上面の凹所8aの周囲に金属体をシーム溶接することができないために、基体8の蓋体7との接合面にメタライズ層が形成され、このメタライズ層にFe−Ni−Co合金等から成る枠体9が、融点が約700℃の銀ロウ材等にて接合される。
First, when the material of the
基体8の材質がFe−Ni−Co合金,Cu−W合金等の金属材料から成るときは、壁面または底面に設けられた貫通孔に、Fe−Ni−Co合金等からなる配線用リードピンを、例えば融点が約900度のホウ酸系ガラス等の高融点ガラスから成る接合材を介して貫通孔に挿通させて接合される。
When the material of the
そして、基体8の凹所8aに光素子をAu−Sn合金やAu−Si合金などの低融点金属ロウ材等により搭載し、光素子の電極を配線導体の凹所8a内の一端にAlやAuなどのワイヤーボンディングにより接続した後に、基体8の上面に凹所8aを塞ぐように上記本発明の蓋体7を載置し、蓋体7の外周部の上面にシーム溶接のローラーを押し付けながら80〜130mAの電流を流すことにより、蓋体7が基体8に溶接されて、本発明の光素子収納用パッケージが完成する。
Then, the optical element is mounted in the
そして、パッケージ外部から配線導体もしくは配線用リードピンを介して駆動信号を供給することによって光素子を光励起せしめ、この励起された光を窓体1を介して外部に出力する光装置とすることができる。または、外部からの光信号を窓体1から入力し、凹所8aの光素子によってこの光信号を電気信号に変換し、配線導体または配線リードピンを介して外部に電気信号を出力する光装置とすることができる。
The optical device can be optically excited by supplying a drive signal from the outside of the package via a wiring conductor or a wiring lead pin, and the excited light can be output to the outside through the
本発明のパッケージによれば、上面に光素子を収容するための凹所8aを有する基体8と、基体8の上面に凹所8aを塞ぐように接合された本発明の蓋体7とを具備していることから、シーム溶接の際に発生する残留応力や熱応力に起因して蓋体7に応力や反りが発生することを効果的に抑止することができ、窓体1や、窓体1と第一の封止材2との封止部のクラックや接合破壊が発生することを効果的に防止することができるため、光学特性が長期に安定した光素子収納用パッケージとすることができる。
According to the package of the present invention, the
本発明のパッケージは、例えば、CCD,CMOS等の撮像素子、光スイッチ,ミラーデバイス等のMEMS、CD,DVDの読み取りまたは書き込み装置用のLD(レーザダイオード),PD(フォトダイオード)等の電気−光信号変換を行なう光素子を収容するのに好適である。 The package of the present invention includes, for example, an image sensor such as a CCD and a CMOS, an MEMS such as an optical switch and a mirror device, an LD (laser diode) for reading or writing a CD or DVD, a PD (photodiode), etc. It is suitable for accommodating an optical element that performs optical signal conversion.
本発明の光素子収納用パッケージの実施例を以下に説明する。
図1に示すようなパッケージを製作するにあたり、窓体1として外形が縦21.40mm×横13.20mm×厚み1.00mmのホウケイ酸ガラスを準備した。
Examples of the optical element storage package of the present invention will be described below.
In manufacturing the package as shown in FIG. 1, borosilicate glass having an outer shape of 21.40 mm long × 13.20 mm wide × 1.00 mm thick was prepared as the
次に、外形寸法が縦27.75mm×横16.75mm×高さ2.00mm、前述のホウ酸系ガラスから成る窓体1を収容するための凹部3bの寸法が縦22.40mm×横14.40mm×高さ(2.00−t1)mm、開口部3aの寸法が縦17.30mm×横9.20mmであり、ヤング率が約310GPaのアルミナセラミックスおよびヤング率が約145GPaのFe−Ni−Co合金の2種類の材料を用いた第一の枠体3を準備した。なお、Fe−Ni−Co合金から成る第一の枠体3には、その表面に厚みが5.0μmのニッケル層および厚みが2.0μmの金層を順次メッキした。
Next, the outer dimensions are 27.75 mm in length × 16.75 mm in width × 2.00 mm in height, and the size of the
この第一の枠体3の凹部3bの開口部3aの周囲に、融点が約320℃の低融点ガラスである鉛ホウ酸系ガラスから成る第一の封止材2を塗布し、ヒータブロックにて350℃に加熱して溶融させることにより上記窓体1の上側主面の外周部が第一の枠体3の凹部3b内の開口部3aの周囲に第一の封止材2を介して接合された第一の蓋体4を作製した。
A
次に、外形寸法が縦31.20mm×横20.20mm×厚み0.5mm、シーム溶接部厚みがt2mm、開口6aの寸法が縦17.30mm×横19.20mmであり、その表面に厚みが5.0μmのニッケル層および厚みが2.0μmの金層が順次メッキされた、ヤング率が約145GPaのFe−Ni−Co合金およびヤング率が約125GPaの銅から成る2種類の材料を用いた第二の枠体6を準備した。この第二の枠体6の上面の開口6aの周囲に、前述の第一の封止材2と同じ鉛ホウ酸系ガラスから成る第二の封止材5を塗布し、ヒータブロックにて350℃に加熱して溶融させることにより第一の蓋体4の第一の枠体3の下面が第二の封止材5を介して接合された本発明の蓋体7を作製した。
Next, the outer dimensions are 31.20 mm long x 20.20 mm wide x 0.5 mm thick, the seam weld thickness is t2 mm, the dimensions of the opening 6a are 17.30 mm long x 19.20 mm wide, and a nickel layer with a thickness of 5.0 μm on the surface And a second frame 6 using two kinds of materials consisting of a Fe-Ni-Co alloy having a Young's modulus of approximately 145 GPa and copper having a Young's modulus of approximately 125 GPa, in which a gold layer having a thickness of 2.0 μm is sequentially plated. Got ready. The
さらに、ヤング率が約145GPaのFe−Ni−Co合金から成る、寸法が縦31.20mm×横20.20mm×厚み0.7mm、シーム溶接部厚み0.1mm、開口寸法が縦17.30mm×横19.20mmの金属枠体13の表面に厚みが5.0μmのニッケル層および厚みが2μmの金層が順次メッキされた従来の蓋体14を準備した。
Furthermore, a metal composed of an Fe-Ni-Co alloy with a Young's modulus of about 145 GPa, measuring 31.20 mm long x 20.20 mm wide x 0.7 mm thick, seam weld thickness 0.1 mm, opening dimensions 17.30 mm long x 19.20 mm wide A
そして、図1に示すような外形寸法が縦28.75mm×横17.75mm×厚み12.0mm、凹所8aの寸法が縦24.75mm×横13.75mm×高さ10.0mmのアルミナセラミックスから成る基体8に、外形寸法が縦27.75mm×横16.75mm×厚み0.50mm、開口寸法が縦26.75mm×横15.75mmのFe−Ni−Co合金から成るシールリング用枠体9を融点が約700℃の銀ロウ材にて接合した基体8を準備し上記蓋体7と基体8をシーム溶接(日本アビオニクス社製NAW-1099)にて接合したものを評価用試料とした。
Then, a
なお、第一の枠体3の第一の封止材2との接合部の厚みt1は0.1mm,0.3mm,0.7mmの3通り、第二の枠体6のシーム溶接部の厚みt2は0.1mm,0.2mmの2通りとし、上記にあるように2種類の材料によって作製した2種の第一の枠体3と、2種類の材料によって作製した2種の第二の枠体6とを組み合わせたもののうち18種類の評価用試料に従来品の蓋体14を加えた計19種類を評価用試料とした。
It should be noted that the thickness t1 of the joint portion between the first frame 3 and the
評価は、蓋体7と基体8とをシーム溶接後に外観試験および気密性試験ならびに構成部材の温度計測をし、さらに熱衝撃試験後に再度外観試験および気密性試験を行なうことにより行なった。各試験は以下の方法によって行なった。
The evaluation was performed by seaming the
窓体1および第一の封止材2の外観試験は、窓体1および第一の封止材2のクラックの有無および接合部の剥離の有無を20倍の顕微鏡で確認し、これら欠陥が無ければ合格(○)、有れば不合格(×)とした。
In the appearance test of the
気密性試験は、外観試験に合格したものを、ファインリーク装置(HELIOT ULVAC社製Helium Leak Detector Model 305)を用いてMIL-STD-883 METHOD 1014.10 SEALの規格に従って合否を判断し、1.0×10−9Pa・m3/秒未満であれば合格(○)、それ以上であれば不合格(×)とした。 In the airtightness test, the one that passed the appearance test was judged to pass or fail according to the standard of MIL-STD-883 METHOD 1014.10 SEAL using a fine leak device (Helium Leak Detector Model 305 manufactured by HELIOT ULVAC), and 1.0 × 10 − If it was less than 9 Pa · m 3 / sec, it was judged as acceptable (◯), and if it was more than that, it was judged as unacceptable (x).
そして、0℃で5分の恒温槽に放置後に100℃で5分の恒温層に放置する熱衝撃試験を15回繰り返した後に再度上記同様の外観試験および気密性試験を行ない、共に合格であれば合格(〇)とし、それ以外は不合格(×)とした。 Then, after repeating the thermal shock test in which the sample was left in a thermostatic chamber at 0 ° C. for 5 minutes and then left in a thermostatic layer at 100 ° C. for 5 minutes, the same appearance test and airtightness test were performed again, and both passed. Pass (◯), otherwise it was rejected (x).
また、窓体1の残留応力の大きさを判断するため、窓体1の最も高い部位の高さと最も低い部位の高さとの差をシーム溶接後に冷却して常温にもどった際に測定し、それを窓体1の反りとした。この窓体1の反りが小さいほうが、残留応力が小さくなるため、より気密信頼性が優れていると判断できる。
Moreover, in order to judge the magnitude | size of the residual stress of the
さらに、シーム溶接直後の部材(窓体1および第一の封止材2)の温度の高さが、冷却されて常温に戻った際の窓体1および第一の封止材2に生じる残留応力に大きく関係するため、シーム溶接の際に、窓体1および第一の封止材2の上面の温度を、熱電対を耐熱テープで取り付け、温度プロファイル計(キーエンス社製)を用いて測定した。
Further, the residual temperature generated in the
窓体1および第一の封止材2の温度測定は、第一の枠体3の厚みt1=0.1mmである6種類の評価用試料に従来品を加えた7種類の場合において測定した。なお、評価に用いたFe−Ni−Co合金、アルミナセラミックス、銅の熱伝導率は、それぞれ16.7W/mK、16.0W/mK、421.0W/mKである。
The temperature of the
この窓体1の反りと、シーム溶接直後の部材の温度の測定結果とにより、第一の枠体3の熱伝導率が第二の枠体6の熱伝導率より小さい場合は、シーム溶接直後の部材の温度が、より低くなり窓体1の反りが小さくなるとともに第一の封止材2の接合性を確保できるため、気密信頼性がより優れていると判断できる。
If the thermal conductivity of the first frame 3 is smaller than the thermal conductivity of the second frame 6 due to the warpage of the
以上の評価の結果をまとめて表1に示す。
表1の外観試験および気密性試験から分かるように、従来品に比べて本発明の蓋体7を具備する光素子収納用パッケージは、窓体1のクラックも見られず、気密性も良好であった。
As can be seen from the appearance test and the airtightness test in Table 1, the optical element storage package including the
また、第一の枠体3に第二の枠体6よりヤング率の大きい材料を用いることで、蓋体7の反りをより抑えることができることも分かった。また、第一の枠体3の第一の封止材2との接合部の厚みt1は、第二の枠体6のシーム溶接部の厚みt2より厚くすることが、窓体1の反りをより抑制する効果があることが分かった。
It was also found that the warping of the
さらに、第一の枠体3の厚みt1が同じ第一の枠体3同士において、第二の枠体6に、例えば、Fe−Ni−Co合金のような熱伝導率の小さな材料を選択し、第一の枠体3の熱伝導率が第二の枠体6の熱伝導率よりさらに小さい材料を選択した場合には、窓体1と第一の封止材2の温度はより低くなり、窓体の反りもより小さくなることで、熱応力の発生を、より抑える効果があることが分かった。
Further, in the first frames 3 having the same thickness t1 of the first frames 3, a material having a small thermal conductivity such as an Fe—Ni—Co alloy is selected for the second frame 6. When a material whose thermal conductivity of the first frame 3 is smaller than that of the second frame 6 is selected, the temperature of the
1・・・窓体
2・・・第一の封止材
3・・・第一の枠体
3a・・開口部
3b・・凹部
4・・・第一の蓋体
5・・・第二の封止材
6・・・第二の枠体
6a・・開口
7・・・蓋体
8・・・基体
8a・・凹所
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