JP5491610B2 - シリコン封止枠を用いた電子モジュールのパッケージ構造 - Google Patents

Description

本発明は、パッケージ構造に関し、特に、電子モジュールの封止枠としてシリコン層を用いたパッケージ構造に関するものである。

液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）モジュール、色素増感太陽電池（ＤＳＳＣ：Ｄｙｅ‐Ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌ）モジュール、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）モジュール、プラズマディスプレイ・モジュール、または薄型電池モジュールなどの電子モジュールは、平行電極板ペアを有している。本体は、それらの間に配置されて、封止枠によりパッケージ化されている。これによって、モジュールを破損したり、その動作に影響を与えたりする可能性のある環境空気、ほこり、湿気、および他の汚染物が隔離される。

一般的に、封止枠の材料には２つの主な種類がある。第１のものは、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、紫外線硬化接着剤、またはポリウレタン（ＰＵ）といった高極性の材料である。これは、希釈のために溶媒と混合して、基板上に塗布または印刷することが可能である。そして、加熱により、または紫外線もしくは可視光線もしくは近赤外線照射への曝露により、重合のための架橋反応を実施する。
第２の種類は、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、または熱可塑性ポリマといった材料である。これらの材料は、高温で良好な流動性を示し、これは塗布するのに適している。そして、接着のため、および環境空気、ほこり、湿気を隔離する部分結晶領域を生成するために、ホットプレス工程が実施される。

第１の種類の材料の場合、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、紫外線硬化接着剤、またはポリウレタン（ＰＵ）といった高極性の材料は、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン・ナフタレート（ＰＥＮ）、金属、ガラス、ガラス繊維、液晶ポリマ、セラミックなど、ほとんど全ての基板材料との良好な密着性を有する。
このような高極性の材料である第１の種類の材料は、極性官能基を有する。有機溶媒または可塑剤といった電子モジュール内部の物質が、その為、封止枠に浸透しやすい。封止枠と基板との間の密着性および隔離能力が低下することになる。特に、色素増感太陽電池（ＤＳＳＣ）モジュール、およびコロイド型または液体型エネルギー貯蔵電池の場合に、より状況は悪くなる。

第２の種類の材料の場合、この材料は非極性であり、色素増感太陽電池（ＤＳＳＣ）モジュールおよびコロイド型または液体型エネルギー貯蔵電池に使用するのに適している。しかしながら、その乏しい流動性によって、印刷によるパターン塗布において多くの問題を引き起こすことになり得る。さらに、金属または高極性の他の材料などの基板材料との密着性が、ＬＣＤまたはＯＬＥＤなどの平行電極板ペアを封止するには不十分である。

よって、上記の問題を克服するための新規のパッケージ構造／材料が必要である。

本発明の目的は、封止枠が、防湿バリア、耐薬品性、および耐腐食性を向上させるためにシリコンで構成される、パッケージ構造を提供することである。極性溶媒および可塑剤の浸食は、シリコンの特性によって回避される。

本発明の他の目的は、透湿の可能性を最小限とするために、封止枠の外側に少なくとも１つの補助封止枠が配置される、パッケージ構造を提供することである。

本発明は、パッケージ構造を開示している。ＰＣＢ構造は、上基板と、下基板と、封止枠と、を有している。封止枠は、上基板と下基板との間に配置されて、内周を封止することにより、その内部に空間を形成している。そして、シリコン層を含む封止枠によって、防湿バリアを向上させることで、透湿の問題を解決している。また、極性溶媒および可塑剤の浸食が、シリコンの特性によって回避されることで、封止枠と上下基板との密着性が維持される。

さらに、シリコンと上下基板との密着性を高めるために、シリコン層は、その両側に配置された２つの変性シリコン層を有する。変性シリコン層は、様々に異なる材料への密着性を高めるように、その界面張力および極性が変更されている。

本発明の更なる適用範囲は、本明細書において以下で提示する詳細な説明から明らかになるであろう。しかし、当然のことながら、詳細な説明および具体例は、本発明の好適な実施形態を示すものであって、例示として提示しているにすぎず、当業者には、本発明の趣旨および範囲から逸脱しない種々の変更および変形が、この詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明は、本明細書において単に説明を目的として以下で提示する、本発明を限定するものではない、詳細な説明によって、より良く理解される。

本発明のパッケージ構造を示している。 本発明のパッケージ構造を示している。 従来のシリコン塗布層の例を示している。 本発明による変性シリコン層を有するパッケージ構造を示している。 本発明のパッケージ構造の実施形態を示しており、変性シリコン層が１つのみ配置されるものを示している。 本発明のパッケージ構造の実施形態を示しており、変性シリコン層が１つのみ配置されるものを示している。 本発明によるパッケージ構造の他の実施形態を示している。 本発明によるパッケージ構造の補助封止枠の他の実施形態を示している。

基板上に塗布または印刷されるシリコンの粘度は、シリコンオイルを添加することにより調整することができる。また、このシリコンは、電子モジュール内部の物質への熱的影響を軽減するように、低温で重合を実施することが可能である。
さらには、このシリコンは非極性材料である。これは、有機溶媒または可塑剤により浸食されたり、その影響を受けたりすることがない。そして、封止枠の中への吸湿、加湿、および湿気の拡散が容易に生じることはない。従って、パッケージ材料として適当である。

図１Ａおよび１Ｂを参照する。パッケージ構造は、上基板１１と、下基板１２と、封止枠２０と、を有している。上基板１１と下基板１２は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）モジュール、色素増感太陽電池（ＤＳＳＣ）モジュール、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）モジュール、プラズマディスプレイ・モジュール、または薄型電池モジュールといった電子モジュールの電極板であり得る。
従って、上基板１１および下基板１２の材料として、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン・ナフタレート（ＰＥＮ）、金属、ガラス、ガラス繊維、液晶ポリマが含まれる。封止枠２０は、上基板１１と下基板１２との間に配置されて、内周を封止することにより、その内部に空間Ｓを形成している。シリコン層２１を含む封止枠２０によって、防湿バリアを向上させることで、電子モジュールへの透湿の問題を解決している。また、極性溶媒および可塑剤の浸食が、シリコンの特性によって回避されることで、封止枠２０と上基板１１および／または下基板１２との密着性が維持される。

しかしながら、このシリコンは、その密着性が比較的弱い。ＰＰまたはＰＥと同様に、純シリコンは、基板１１、１２の材料の多くとの分散密着性の強さが十分ではない。このシリコンは、硬化時に、縮合反応と付加反応の両方を生じる。縮合反応により硬化された構造は、付加反応よりも接着力が弱い。また、縮合反応の副生成物は水素であり、これは気泡を生じやすい。
図２を参照する。シリコン層３２は、異なる材料による基板３１上に配置される。重合の際に、ガスすなわち水素がランダムに動く。基板３１が、金属、ガラス、またはポリマなどの圧縮材料で構成されていることに起因して、ガスは、基板３１によりブロックされると、それらの界面で積み重なって気泡３３を形成する。
シリコンは、その極性が極めて低いことによって、防湿力／撥水力を持つ。そして、そのようなパッケージ構造では、湿気は、封止枠２０と上基板１１または下基板１２との間で、その界面に沿った遅い拡散によってのみ、構造に浸透し得る。ところが、界面に気泡３３があると、構造は容易に剥離する。また、湿気の拡散経路がかなり短縮される。この場合、透過速度が増すことで、パッケージ構造の防湿バリアに影響する。

一般的には、シリコンはフィルで用いられる。すなわち、図２に示すように、シリコン層３２の片側は解放されている。そのため、重合がゆっくりと実施される場合、発生するガスを徐々に排出することができる。しかしながら、本発明では、図１Ｂに示すように、シリコン層２１は、上基板１１と下基板１２との間に配置される。そして硬化のために、ホットプレスまたは熱重合を実施しなければならない。これによって、より多くのガスが発生する。
ガスがランダムに動いて、上基板１１と下基板層１２によってブロックされると、積み重なったガス気泡によって、それらの接着界面にひびが入ることになる。また、ガス気泡が結合して、より大きな気泡となることで、接着を弱くする。より優れた防湿バリアを備えた構造を形成するためには、接着機構を形成する速度を速める必要がある。しかし、それに応じてガスが発生し、縮合反応と付加反応とが同時に実施される。縮合反応と付加反応の一方のみを実施することは、ほとんど不可能である。

この問題を解決するため、図３を参照して、シリコン層２１は、その両側に配置された２つの変性シリコン層２２、２３を有している。第１の変性シリコン層２２は、シリコン層２１と上基板１１との間に配置されている。第２の変性シリコン層２３は、シリコン層２１と下基板１２との間に配置されている。
変性シリコン層２２，２３は、その界面張力および極性が、上基板１１と下基板１２の材料に応じて変更されている。このため、第１の変性シリコン層２２と上基板１１との間、および第２の変性シリコン層２３と下基板１２との間の界面において、良好な接着状態を示す。また、発生するガス気泡の量が減少するとともに、ガス気泡の大きさが小さくなる。変性シリコン層２２，２３は、縮合型シリコンと付加型シリコンの比率を調整することにより、さらに／または、エポキシ、アクリル酸、もしくはそれらの組み合わせをシリコンに添加することにより、変性される。

次の形成方法の例では、変性シリコン層２２，２３は、それぞれ上基板１１と下基板１２の上に形成される。この場合、硬化のために、ゆっくりと重合が実施される。片側が解放されていることによって、発生したガスは、排出されることが可能である。また、変性シリコン層２２，２３は、上基板１１と下基板１２の材料に応じて変性される。第１の変性シリコン層２２と上基板１１との間、および第２の変性シリコン層２３と下基板１２との間の界面において、良好な接着状態を示す。そして、それらの間にシリコン層２１を配置し、硬化させることによって、上記の構造を形成する。

シリコン層２１が変性シリコン層２２，２３の間に配置され、これらが同じ材料または実質的に同じ材料で構成されていることによって、それらの間の接着力は強くなっている。ガスが発生しても、接着構造が簡単に弱められることはない。また、シリコンは上基板１１および下基板１２のような圧縮材料ではなく、微視的にシリコンはより大きな孔を内部に持つため、シリコン層２１が変性シリコン層２２，２３の間に配置されて硬化されても、発生するガスは、変性シリコン層２２，２３から容易に排出され、簡単に積み重なって気泡を形成することはない。
シリコン層２１と変性シリコン層２２、２３との間の分子間力は等しい。内部のガス流は一様である。ガス気泡が、簡単に結合して、より大きな気泡になることはない。このため、変性シリコン層２２，２３とシリコン層２１との間の界面において、良好な接着状態を示す。湿気が拡散によって界面を透過することは難しい。

また、変性シリコン層は、界面のうち一方の、接着状態が悪い方に配置されることもある。例えば、図４Ａを参照して、上基板１１とシリコン層２１との間に配置される第１の変性シリコン層２２のみを備える。あるいは、図４Ｂを参照して、下基板１２とシリコン層２１との間に配置される第２の変性シリコン層２３のみを備える。

微視的には変性シリコン層２２、２３は硬化の際に化学的架橋構造が誘導されるため、第１の変性シリコン層２２と上基板１１との間、および第２の変性シリコン層２３と下基板１２との間の密着性は、極めて優れている。これらの界面を湿気が透過することは難しい。
一方、シリコン層２１は、変性シリコン層２２、２３が既に硬化されている状況下で、ホットプレスにより硬化されなければならない。それらの間に化学的または物理的架橋構造を短時間で形成することは難しい。従って、シリコン層２１と変性シリコン層２２、２３との間の界面は、防湿バリアに影響する重要なポイントである。

シリコン層２１は、次の化学式で表されるシリコンを含んでいる。

結晶構造を誘導して、変性シリコン層２２，２３の架橋構造により、より優れた接着面および３次元バリアを形成することは容易である。シリコン層２１は、縮合反応と付加反応が同時に実施されるため、化学式１のシリコンのみで構成することはできない。変性シリコン層２２，２３も、同じく化学式１で表されるシリコンを含んでいる。結晶構造を誘導しやすくするため、シリコン層２１に含まれる化学式１のシリコンの量は、変性シリコン層２２、２３に含まれる化学式１のシリコンの量よりも、重量／容量ベースで０．１％から６０％多い。

一方、架橋構造を持つシリコン、すなわち変性シリコン層２２、２３は、次の化学式で表される。

これら２つの化学式を比較すると、明らかに炭素原子と酸素原子の量に違いが認められる。従って、さらに、変性シリコン層２２、２３の炭素原子の量は、シリコン層２１の炭素原子の量よりも約０．０１から６０モルパーセント多い、と規定することができる。あるいは、変性シリコン層２２，２３の酸素原子の量は、シリコン層２１の酸素原子の量よりも約０．０１から６０モルパーセント少ない。

また、シリコンが重合の際に完全に硬化しないと、湿気と容易に反応して、水または水素といった不要な副生成物を発生させる。この問題を解決するために、上基板１１と下基板１２との間で、封止枠２０の外側に、補助封止枠４０を配置する（図５を参照）。補助封止枠４０は、外側の湿気を隔離するために、エポキシ、アクリル樹脂、紫外線硬化接着剤、ポリエチレン（ＰＥ）、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、またはそれらの組み合わせからなる群から選択された材料で構成される。

さらに、より強力な防湿バリアが要求される場合には、補助封止枠４０は、３つの変性シリコン層４１を有する（図６を参照）。上記のように、湿気は、界面に沿った遅い拡散によってのみ、構造に浸透し得る。補助封止枠４０と封止枠２０との間の隙間Ｇ内が蒸気で飽和すると、湿気は内部空間Ｓに浸透し始めることが可能である。このように、防湿バリアは大きく向上している。

以上、本発明について記載したが、これを様々に変更可能であることは言うまでもない。そのような変更は、本発明の趣旨および範囲から逸脱するものとみなされるべきではなく、また、当業者に明らかであるようなすべての変更は、以下の請求項の範囲に含まれるものとする。

Claims (11)

1. 上基板と、
   前記上基板の下に配置された下基板と、
   前記上基板と前記下基板との間に配置されて、内周を封止することにより、その内部に空間を形成している封止枠であって、シリコン層を有する封止枠と、
   前記上基板と前記シリコン層との間、または、前記下基板と前記シリコン層との間のうち、少なくともいずれか一方に配置された変性シリコン層を備え、
   前記変性シリコン層は、縮合型シリコンと付加型シリコンの比率を調整することによって、変性されている、パッケージ構造。
2. 前記変性シリコン層は、その界面張力および極性が変更されている、請求項１に記載のパッケージ構造。
3. 前記変性シリコン層は、エポキシ、アクリル酸、またはそれらの組み合わせをシリコンに添加することによって、変性されている、請求項２に記載のパッケージ構造。
4. 前記シリコン層は、
   

   

   で表されるシリコンを含んでいる、請求項１に記載のパッケージ構造。
5. 前記変性シリコン層は、前記化学式で表されるシリコンを含み、前記シリコン層に含まれる前記化学式のシリコンの量は、前記変性シリコン層に含まれる前記化学式のシリコンの量よりも、重量／容量ベースで０．１％から６０％多い、請求項４に記載のパッケージ構造。
6. 前記変性シリコン層の炭素原子の量は、前記シリコン層の炭素原子の量よりも約０．０１から６０モルパーセント多い、請求項４に記載のパッケージ構造。
7. 前記変性シリコン層の酸素原子の量は、前記シリコン層の酸素原子の量よりも約０．０１から６０モルパーセント少ない、請求項４に記載のパッケージ構造。
8. 前記上基板および前記下基板は、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン・ナフタレート（ＰＥＮ）、金属、ガラス、ガラス繊維、液晶ポリマを含む材料で形成される、請求項１に記載のパッケージ構造。
9. 前記上基板と前記下基板との間で、前記封止枠の外側に配置された補助封止枠をさらに備える、請求項１に記載のパッケージ構造。
10. 前記補助封止枠は、エポキシ、アクリル樹脂、紫外線硬化接着剤、ポリエチレン（ＰＥ）、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、またはそれらの組み合わせからなる群から選択された材料で構成されている、請求項９に記載のパッケージ構造。
11. 前記補助封止枠は、３つの変性シリコン層を有する、請求項９に記載のパッケージ構造。

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