JP4714485B2 - 窓ガラス付き蓋体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光半導体を封止して気密パッケージを形成するために用いられる、窓ガラス付き蓋体の製造方法に関するものである。

レーザダイオード等の光半導体素子を気密パッケージに構成した光半導体装置としては、基台に光半導体素子を搭載し、レンズキャップを基台に封着して光半導体素子を封止した構造が知られている。そのような光半導体装置に使用されるレンズキャップの例を、図４に示す。

図４において、キャップ本体１０１は円筒状であり、その頂部中央にレンズ装着孔１０２が設けられている。レンズ装着孔１０２にレンズ素材を加熱溶融して接合し、所定の曲面形状に成形することにより、ガラスレンズ１０３が設けられている。このように、ガラスレンズ１０３は、レンズ装着孔１０２に気密に溶着して装着されている。

図５（ａ）、（ｂ）は、図４に示したレンズキャップを、例えば特許文献１に開示された製造方法により製造する場合を示す。この製造方法によれば、蓋本体とレンズ素材とを治具内に配置したのち加熱して、レンズ素材を加熱して溶融することで所定のレンズ形状に成形すると共に気密状態に溶着する。

すなわち、まず図５（ａ）に示すように、頂部にレンズ装着孔１０２を備えた円筒状のキャップ本体１０１と、レンズ素材１０４とを、カーボングラファイト製の治具１０５内に配置する。そして、レンズ素材１０４を加熱して溶融することにより、図５（ｂ）に示すように、レンズ素材１０４を所定の曲面形状に成形する。同時に、レンズ装着孔１０２に気密にレンズ素材１０４を溶着して、キャップ本体１０１にレンズ１０３を装着した状態を得る。

図示しないがさらに、キャップ本体１０１の表面にレンズ素材１０４の溶着用としてあらかじめ設けられていた酸化被膜を化学研磨により除去する。次に、キャップ本体１０１にめっきを施した後、非酸化性雰囲気中において、レンズの表面の傷や曇りを除去するための加熱処理を適宜施し、レンズ１０３を透化させる。
特開２００３-２５８３５２号公報

上記従来の構成では、レンズの表面の傷や曇りを除去して透化させるための加熱処理を施す際に、レンズ素材の軟化点（レンズ素材を均一な直径の特定の炉中に吊るし、一定速度で昇温するとき、素材が自重で伸びる速度が特定の値になる温度）以上に加熱処理される。そのため、レンズ素材の軟化による表面張力が溶着部を支点として少なからず発生し、所望のレンズ形状から変形する。精度良く所望のレンズ形状を得るためには、予め変形予測した形状で成形したり、温度管理を厳しくすることで対応していた。

しかしながら、図１に示す様にレンズ３が球状空洞を有する形状の場合は、図５（ｂ）の様な溶着部を基準として、表面張力に従って成形される形状から大きくかけ離れているため、表面張力の影響が大きく、レンズ素材厚が均一な球状空洞を有するレンズを形成することは困難である。

本発明は、球面形状を有する窓ガラスを備えた窓ガラス付き蓋体を、安価で容易に生産できる製造方法を提供することを目的とする。

本発明の製造方法は、蓋本体に設けた窓ガラス装着孔に、球面形状を有する窓ガラスを気密に装着する窓ガラス付き蓋体の製造方法であって、前記蓋本体の窓ガラス装着孔に窓ガラス素材を配置して加熱処理を行うことにより、前記窓ガラス素材を前記蓋本体に溶着させる窓ガラス溶着工程と、前記窓ガラス素材の一方の面の側の空間における圧力を、他方の面の側の空間における圧力と等圧以上に保持して、前記窓ガラス溶着工程よりも低い温度で加熱処理を行うことにより、前記窓ガラス素材の表面状態および厚みを調整して前記窓ガラスとして完成させる窓ガラス整形工程とを備え、前記窓ガラス溶着工程では、前記窓ガラス素材を前記蓋本体に溶着させるとともに、前記窓ガラス素材を、前記蓋本体に対する内方または外方の何れか一方に凸状となった曲面形状を有し、前記凸状の曲面の背面に空洞部を形成する凹状の曲面を有する形状に予備成形し、前記窓ガラス整形工程では、前記窓ガラス素材の前記空洞部を覆い蓋治具を当接して密閉空間を形成し、前記加熱処理を行うことにより、前記密閉空間の内部圧力を、前記窓ガラス素材の前記凸状の外表面側の圧力と等圧以上に保持して、前記空洞部の形状を球状空洞へ補正することを特徴とする。

本発明の製造方法よれば、透化時の加熱により収縮しようとする表面張力による収縮作用を、空洞部に閉じ込められた気体が制御し、窓ガラス素材の厚さが均一で球面を有する窓ガラス付き蓋体を簡単な製造装置で安価に得る事ができる。また、窓ガラス素材の空洞部を容易に密閉空間として、加熱処理を行い密閉空間の内圧を上昇させることができる。

本発明の窓ガラス付き蓋体の製造方法は、前記窓ガラス溶着工程では、平坦な形状の前記窓ガラス素材を前記蓋本体に溶着させ、前記窓ガラス整形工程では、前記窓ガラス素材の両面が上下方向に向くように前記蓋本体を配置し、前記窓ガラス素材の一方の面の側における圧力を、他方の面の側の圧力と等圧以上に保持して、前記加熱処理を行うように実施することができる。

また、前記窓ガラス素材が形成する前記空洞部の前記予備形状における体積が、前記窓ガラス整形工程後の体積と同等になるように前記窓ガラス溶着工程を行うことが好ましい。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明の実施の形態における製造方法により製造される窓ガラス付き蓋体を示す斜視断面図である。図１において、蓋本体１はコバール等からなる金属製で円筒状であり、その頂部中央に窓ガラス装着孔２が設けられている。窓ガラス装着孔２を閉塞して、窓ガラス３が装着されている。窓ガラス３は、外面３ａおよび内面３ｂともに、窓ガラス装着孔２から、外方に向かって凸状となった球状面を形成している。すなわち窓ガラス３は、蓋本体１の円筒軸上における窓ガラス装着孔２よりも外側に頂点が位置するように湾曲しており、その厚みは略均一に形成されている。

図２Ａ〜２Ｃは、図１に示した窓ガラス付き蓋体の製造方法の工程を、フローに沿って示した断面図である。

まず、図２Ａの窓ガラス溶着工程に示すように、頂部に窓ガラス装着孔２を備えた円筒状の蓋本体１と、窓ガラス素材４とを、カーボングラファイト製の内面形成治具５、第１胴部治具６、および外面形成治具７により形成される空間内に配置する。そして、従来と同様の方法により非酸化性雰囲気において１０００℃で加熱処理を行い、窓ガラス素材４を予備成形するとともに、蓋本体１の先端周縁部に溶着する。この予備成形により、窓ガラス素材４を、蓋本体１から外側に向かって湾曲する曲面形状に成形する。内面形成治具５の先端外周面５ａは、概略球面を形成する凸面であり、外面形成治具７の内周面７ａは、概略球面を形成する凹面である。

内面形成治具５および外面形成治具７により予備成形する形状は、所望の球面状でなくても構わないが、窓ガラス素材４における破線８よりも先端に形成される空洞部の体積が、所望の球状が形成されたときの体積と等しくなるように設定することが望ましい。なお、内面形成治具５、第１胴部治具６、および外面形成治具７の配置は、図２（ａ）に示す状態に対して上下反転させた配置としてもよい。

次に、窓ガラス素材４が溶着された蓋本体１を治具５〜７から取り出して、図２Ｂに示すように、蓋治具９、第２胴部治具１０、および先端部治具１１により形成される空間内に配置して窓ガラス整形工程を行う。蓋治具９の先端９ａは平坦であり、予備成形された窓ガラス素材４の空洞部１２を封じ込めるように、蓋本体１の内腔に挿入して設置される。窓ガラス素材４の外周面と、第２胴部治具１０および先端部治具１１の内面との間には、適度な大きさの空間が形成される。蓋治具９の先端９ａにより封口されて窓ガラス素材４の空洞部１２に気体が密閉された状態で、蓋本体１を保持した蓋治具９、第２胴部治具１０、および先端部治具１１を、密閉容器１３内に載置し、非酸化性雰囲気において上記の予備成形の工程よりも低い温度、例えば８００℃で加熱処理する。

それにより、図２Ｃに示すように、窓ガラス装着孔２よりも外側の蓋本体１の円筒軸上に頂点が位置するように、外側に向かって湾曲した厚みが略均一の窓ガラス３が形成される。その作用は、以下のとおりである。

すなわち、加熱時に窓ガラス素材４の軟化表面張力により、窓ガラス素材４の表面積は小さくなろうとし、空洞部１２の内方へ収縮しようとする力が作用する。一方、蓋治具９の自重によりその先端周縁部が窓ガラス素材４との接触部を押圧し、窓ガラス素材４はその軟化と相まって蓋治具９の先端周縁部の形状になじむ。そのため、空洞部１２の気密性が向上し、内部に気体が封じ込められた状態になる。気体が封止込められた状態で昇温すれば、気体の膨張圧力に比べ窓ガラス素材４の表面張力は極めて小さいので、空洞部１２が膨らむが、窓ガラス素材４の球状凸面の外表面周囲空間の気体も膨張し空洞部１２と等圧になるため、窓ガラス素材４の膨張は抑制される。

つまり、加熱によって、空洞部１２と窓ガラス素材４の外表面周囲空間の気圧と体積を等しく保とうとする作用と、窓ガラス素材４の軟化表面張力により、形状は球状空洞へ補正される。同時に、窓ガラス素材４の表面状態は、擦りガラス材状から透明化され、厚みが均一な窓ガラス３を得ることができる。

上述の作用を効果的に得るためには、窓ガラス素材４の空洞部１２側の内部圧力が、外表面周囲空間の圧力、すなわち密閉容器１３内の圧力に対して等圧以上に保持されるように設定する。

なお、本実施の形態では、窓ガラス３が窓ガラス装着孔２から外方に向かって凸状となった球面状に形成される場合について示したが、窓ガラス３が窓ガラス装着孔２から内方に向かって凸状となった球面状に形成される場合、言い換えれば、窓ガラス素材４が蓋本体１の内部に向かって窪んだ球面状に予備成形される場合であっても、本発明の製造方法を適用可能である。その場合は、窓ガラス素材４の曲面形状および表面状態を調整するための加熱処理に際して、蓋治具９を、蓋本体１の外部から窓ガラス素材４の球状面周縁部に当接させて処理を行う。

なお、本実施の形態では、気密パッケージを形成するための蓋本体として、筒状金属を用いた場合を例として説明した。筒状金属を用いた蓋本体は、光半導体素子を搭載した基台に対して安価な抵抗溶接で封止してできることから広く用いられている。しかし、本発明はこれに限定されることなく、他の種類の蓋本体を用いた場合であっても同様に適用できる。例えば、面実装用パッケージに適したリッドタイプの場合でも、上述と同様の配置構成で加熱処理を実施することにより、図３に示す様な、角型のリッド１４に、球状空洞を形成して窓ガラス素材が溶着された窓ガラス付き蓋体を得ることができる。また、必要に応じ、１枚の角型リッドに複数の球面形状の窓ガラスを装着した、集積化に対応した窓ガラス付き蓋体にも適用することが出来る。

上述の実施の形態では、図２Ａに示す窓ガラス溶着工程で、窓ガラスの予備成形も併せて行ったが、必ずしも窓ガラスの予備成形を含む必要はない。例えば、窓ガラス溶着工程では、平坦な形状の窓ガラス素材を蓋本体に溶着させるだけでもよい。その場合、窓ガラス整形工程では、図２Ｂ、２Ｃに示した工程と同様に、窓ガラス素材の両面が上下方向に向くように蓋本体を配置し、窓ガラス素材の一方の面の側における圧力を、他方の面の側の圧力と等圧以上に保持して、上述と同様の加熱処理を行う。

あるいは、図２Ａに示す窓ガラス溶着工程では、既に予備成形された窓ガラス素材を供し、蓋本体に溶着させるのみとすることもできる。

要するに、本発明の窓ガラス付き蓋体の製造方法は、蓋本体の窓ガラス装着孔に窓ガラス素材を溶着した後、窓ガラス整形工程では、窓ガラス素材の一方の面の側における圧力を、他方の面の側の圧力と等圧以上に保持して、窓ガラス溶着工程よりも低い温度で加熱処理を行うことにより、窓ガラス素材の表面状態および厚みを調整して窓ガラスとして完成させるように実施されればよい。

本発明の窓ガラス付き蓋体の製造方法は、簡単な設備で一度に大量の窓ガラス素材を安価に球面形状に成形できるので、光半導体の気密パッケージ用の蓋体の製造に有用であり、さらに、電球や水槽等の製造にも有用である。

本発明の実施の形態における窓ガラス付き蓋体の斜視断面図 図１の窓ガラス付き蓋体の製造方法の工程を示す断面図 図２Ａに続く工程を示す断面図 図２Ｂに続く工程を示す断面図 本発明の他の実施の形態における窓ガラス付き蓋体の斜視断面図 従来例のレンズ付き蓋体の断面図 図４のレンズ付き蓋体の製造方法の工程をフローに沿って示す断面図

符号の説明

１ 蓋本体
２ 窓ガラス装着孔
３ 窓ガラス
３ａ 内面
３ｂ 外面
４ 窓ガラス素材
５ 内面形成治具
５ａ 先端外周面
６ 第１胴部治具
７ 外面形成治具
７ａ 内周面
８ 破線
９ 蓋治具
１０ 第２胴部治具
１１ 先端部治具
１２ 空洞部
１３ 密閉容器
１０１ キャップ本体
１０２ レンズ装着孔
１０３ ガラスレンズ
１０４ レンズ素材
１０５ 治具

Claims (3)

1. 蓋本体に設けた窓ガラス装着孔に、球面形状を有する窓ガラスを気密に装着する窓ガラス付き蓋体の製造方法において、
   前記蓋本体の窓ガラス装着孔に窓ガラス素材を配置して加熱処理を行うことにより、前記窓ガラス素材を前記蓋本体に溶着させる窓ガラス溶着工程と、
   前記窓ガラス素材の一方の面の側の空間における圧力を、他方の面の側の空間における圧力と等圧以上に保持して、前記窓ガラス溶着工程よりも低い温度で加熱処理を行うことにより、前記窓ガラス素材の表面状態および厚みを調整して前記窓ガラスとして完成させる窓ガラス整形工程とを備え、
   前記窓ガラス溶着工程では、前記窓ガラス素材を前記蓋本体に溶着させるとともに、前記窓ガラス素材を、前記蓋本体に対する内方または外方の何れか一方に凸状となった曲面形状を有し、前記凸状の曲面の背面に空洞部を形成する凹状の曲面を有する形状に予備成形し、
   前記窓ガラス整形工程では、前記窓ガラス素材の前記空洞部を覆い蓋治具を当接して密閉空間を形成し、前記加熱処理を行うことにより、前記密閉空間の内部圧力を、前記窓ガラス素材の前記凸状の外表面側の圧力と等圧以上に保持して、前記空洞部の形状を球状空洞へ補正することを特徴とする窓ガラス付き蓋体の製造方法。
2. 前記窓ガラス溶着工程では、平坦な形状の前記窓ガラス素材を前記蓋本体に溶着させ、
   前記窓ガラス整形工程では、前記窓ガラス素材の両面が上下方向に向くように前記蓋本体を配置し、前記窓ガラス素材の一方の面の側における圧力を、他方の面の側の圧力と等圧以上に保持して、前記加熱処理を行う請求項１記載の窓ガラス付き蓋体の製造方法。
3. 前記窓ガラス素材が形成する前記空洞部の前記予備形状における体積が、前記窓ガラス整形工程後の体積と同等になるように前記窓ガラス溶着工程を行う請求項１または２に記載の窓ガラス付き蓋体の製造方法。

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