JP7047270B2 - 封着材料層付きパッケージ基体の製造方法及び気密パッケージの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、封着材料層付きパッケージ基体の製造方法及び気密パッケージの製造方法に関する。

気密パッケージは、一般的に、基部と基部上に設けられた枠部とを有するパッケージ基体と、光透過性を有するガラス蓋と、それらで囲まれた内部空間に収容される内部素子と、を備えている。

気密パッケージの内部に実装されるＭＥＭＳ（微小電気機械システム）素子等の内部素子は、周囲環境から浸入する水分により劣化する虞がある。従来まで、パッケージ基体とガラス蓋とを一体化するために、低温硬化性を有する有機樹脂系接着剤が使用されていた。しかし、有機樹脂系接着剤は、水分や気体を完全に遮蔽できないため、内部素子を経時的に劣化させる虞がある。

一方、ガラス粉末を含む複合粉末を封着材料に用いると、封着部分が周囲環境の水分で劣化し難くなり、気密パッケージの気密信頼性を確保し易くなる。

しかし、ガラス粉末は、有機樹脂系接着剤よりも軟化温度が高いため、封着時に内部素子を熱劣化させる虞がある。このような事情から、近年、レーザー封着が注目されている。

レーザー封着では、一般的に、近赤外域の波長を有するレーザー光が封着材料層に照射された後、封着材料層が軟化変形して、ガラス蓋とパッケージ基体が気密一体化される。そして、レーザー封着では、封着すべき部分のみを局所的に加熱することが可能であり、内部素子を熱劣化させることなく、パッケージ基体とガラス蓋とを気密一体化することができる。

特開２０１４－２２４００６ 特開２０１４－１７７３５６

パッケージ基体とガラス蓋をレーザー封着する場合、通常、ガラス蓋側に封着材料層が形成されるが、パッケージ基体側には封着材料層が形成されない。

しかし、パッケージ基体側に封着材料層を形成せず、ガラス蓋側に封着材料層を形成すると、レーザー封着の際に、パッケージ基体と封着材料層の界面で反応層が形成され難く、パッケージ基体と封着材料層の界面で封着強度を確保し難くなる。

また、電気炉焼成により、パッケージ基体の枠部の頂部に予め封着材料層を形成すると、パッケージ基体の枠部内に収容される内部素子が熱劣化してしまう。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、その技術的課題は、内部素子の熱劣化を防止しつつ、パッケージ基体と封着材料層の界面で封着強度を有効に確保し得る方法を提供することである。

本発明者は、種々の実験を繰り返した結果、樹脂比率が低い封着材料ペーストを用いると共に、レーザー光の照射により乾燥膜を焼結させることにより、上記課題を解決し得ることを見出した。すなわち、本発明の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法は、基部と基部上に設けられた枠部とを有するパッケージ基体を用意する工程と、封着材料とビークルを混練して、樹脂量が０．６質量％未満となる封着材料ペーストを作製する工程と、パッケージ基体の枠部の頂部上に、封着材料ペーストを塗布、乾燥し、乾燥膜を作製する工程と、乾燥膜にレーザー光を照射することにより、乾燥膜を焼結させて、封着材料層を得る工程と、を備えることを特徴とする。

本発明の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法は、樹脂量が０．６質量％未満となる封着材料ペーストを作製した後、この封着材料ペーストを塗布、乾燥して、乾燥膜を作製することを特徴とする。このようにすれば、レーザー光の照射により乾燥膜を焼結させる場合に、樹脂の分解熱によるエネルギーロスが少なくなるため、低出力のレーザー光を使用することが可能になる。結果として、内部素子の熱劣化を抑制することができる。更にレーザー光の照射により乾燥膜を焼結させる場合に、封着材料層中に樹脂が残存し難くなる。結果として、レーザー封着の際に、封着材料層中で樹脂の再分解が発生し難くなり、封着材料層の流動不良や発泡を防止することができる。

また、本発明の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法は、乾燥膜にレーザー光を照射することにより、乾燥膜を焼結させて、平均厚みが１．０～１０．０μｍとなる封着材料層を得ることが好ましい。

また、本発明の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法は、封着材料層の波長８０８ｎｍの単色光の吸収率が、厚み１μｍ当たり５～５０％であることが好ましい。

また、本発明の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法は、パッケージ基体の枠部の頂部上に乾燥膜を形成する前に、パッケージ基体の枠部内に内部素子を収容する工程を備えることが好ましい。

また、本発明の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法は、パッケージ基体が、ガラスセラミック、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムの何れか、或いはこれらの複合材料であることが好ましい。

また、本発明の気密パッケージの製造方法は、上記の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法により、封着材料層付きパッケージ基体を作製する工程と、ガラス蓋を用意する工程と、封着材料層を介してパッケージ基体とガラス蓋を積層配置する工程と、ガラス蓋側からレーザー光を照射し、封着材料層を軟化変形させることにより、ガラス蓋とパッケージ基体を気密一体化して、気密パッケージを得る工程と、を備えることが好ましい。

本発明の一実施形態を説明するための概略断面図である。

本発明の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法は、基部と基部上に設けられた枠部とを有するパッケージ基体を用意する工程を備える。基部と基部上に設けられた枠部とを有するパッケージ基体は、枠部内に内部素子を収容することができる。パッケージ基体の枠部は、パッケージ基体の外周に額縁状に形成されていることが好ましい。このようにすれば、デバイスとして機能する有効面積を拡大することができる。また気密パッケージ内の空間に内部素子を収容し易くなり、且つ配線接合等も行い易くなる。

枠部の頂部の幅は、好ましくは１００～３０００μｍ、２００～１５００μｍ、特に３００～９００μｍである。枠部の頂部の幅が狭過ぎると、枠部の頂部上に封着材料層を形成し難くなる。一方、枠部の頂部の幅が広過ぎると、デバイスとして機能する有効面積が小さくなる。

パッケージ基体の枠部の高さ、つまりパッケージ基体から基部の厚みを引いた高さは、好ましくは１００～３０００μｍ、特に２００～２５００μｍである。このようにすれば、内部素子を適正に収容しつつ、気密パッケージの薄型化を図り易くなる。

パッケージ基体の基部の厚みは０．１～４．５ｍｍ、特に０．２～３．５ｍｍが好ましい。これにより、気密パッケージの薄型化を図ることができる。

パッケージ基体は、ガラス、ガラスセラミック、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムの何れか、或いはこれらの複合材料（例えば、窒化アルミニウムとガラスセラミックを一体化したもの）であることが好ましい。ガラスセラミックは、封着材料層と反応層を形成し易いため、パッケージ基体と封着材料層の界面で強固な封着強度を確保することができる。更にサーマルビアを容易に形成し得るため、気密パッケージが過度に温度上昇する事態を適正に防止することができる。窒化アルミニウムと酸化アルミニウムは、放熱性が良好であるため、気密パッケージが過度に温度上昇する事態を適正に防止することができる。

ガラスセラミック、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムは、黒色顔料が分散されている（黒色顔料が分散された状態で焼結されてなる）ことが好ましい。このようにすれば、パッケージ基体が、封着材料層を透過したレーザー光を吸収することができる。その結果、レーザー封着の際にパッケージ基体の封着材料層と接触する箇所が加熱されるため、封着材料層とパッケージ基体の界面で反応層の形成を促進することができる。

本発明の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法は、封着材料とビークルを混練して、樹脂量が０．６質量％未満となる封着材料ペーストを作製する工程を有する。封着材料は、一般的に、ガラス粉末と耐火性フィラー粉末を含む複合材料粉末であり、必要に応じて、着色顔料等のレーザー吸収材が添加される場合がある。そして、封着材料は、レーザー封着の際に、軟化流動して、パッケージ基体とガラス蓋を気密一体化する材料である。ビークルは、一般的に、樹脂と溶媒の混合物、つまり樹脂が溶解した粘性溶液を指し、封着材料を分散して、パッケージ基体の枠部の頂部に封着材料ペーストを均一に塗布するための材料である。また、ビークル中に、必要に応じて、界面活性剤、増粘剤等が添加される場合もある

封着材料として、種々の材料が使用可能である。その中でも、レーザー封着強度を高める観点から、ビスマス系ガラス粉末と耐火性フィラー粉末を含む複合粉末を用いることが好ましい。複合粉末として、５５～１００体積％のビスマス系ガラス粉末と０～４５体積％の耐火性フィラー粉末を含有する複合粉末を用いることが好ましく、６０～９５体積％のビスマス系ガラス粉末と５～４０体積％の耐火性フィラー粉末を含有する複合粉末を用いることが更に好ましく、６０～８５体積％のビスマス系ガラス粉末と１５～４０体積％の耐火性フィラー粉末を含有する複合粉末を用いることが特に好ましい。耐火性フィラー粉末を添加すれば、封着材料層の熱膨張係数が、ガラス蓋とパッケージ基体の熱膨張係数に整合し易くなる。その結果、レーザー封着後に封着部分に不当な応力が残留する事態を防止し易くなる。一方、耐火性フィラー粉末の含有量が多過ぎると、ビスマス系ガラス粉末の含有量が相対的に少なくなるため、封着材料層の表面平滑性が低下して、レーザー封着精度が低下し易くなる。

封着材料の軟化点は、好ましくは５１０℃以下、４８０℃以下、特に４５０℃以下である。封着材料の軟化点が高過ぎると、封着材料層の表面平滑性を高め難くなる。封着材料の軟化点の下限は特に設定されないが、ガラス粉末の熱的安定性を考慮すると、封着材料の軟化点は３５０℃以上が好ましい。ここで、「軟化点」は、マクロ型ＤＴＡ装置で測定した際の第四変曲点に相当する。

ビスマス系ガラスは、ガラス組成として、モル％で、Ｂｉ_２Ｏ_３ ２８～６０％、Ｂ_２Ｏ_３ １５～３７％、ＺｎＯ ０～３０％、ＣｕＯ＋ＭｎＯ（ＣｕＯとＭｎＯの合量） １～４０％を含有することが好ましい。各成分の含有範囲を上記のように限定した理由を以下に説明する。なお、ガラス組成範囲の説明において、％表示はモル％を指す。

Ｂｉ_２Ｏ_３は、軟化点を低下させるための主要成分である。Ｂｉ_２Ｏ_３の含有量は、好ましくは２８～６０％、３３～５５％、特に３５～４５％である。Ｂｉ_２Ｏ_３の含有量が少な過ぎると、軟化点が高くなり過ぎて、軟化流動性が低下し易くなる。一方、Ｂｉ_２Ｏ_３の含有量が多過ぎると、レーザー封着の際にガラスが失透し易くなり、この失透に起因して、軟化流動性が低下し易くなる。

Ｂ_２Ｏ_３は、ガラス形成成分として必須の成分である。Ｂ_２Ｏ_３の含有量は、好ましくは１５～３７％、１９～３３％、特に２２～３０％である。Ｂ_２Ｏ_３の含有量が少な過ぎると、ガラスネットワークが形成され難くなるため、レーザー封着の際にガラスが失透し易くなる。一方、Ｂ_２Ｏ_３の含有量が多過ぎると、ガラスの粘性が高くなり、軟化流動性が低下し易くなる。

ＺｎＯは、耐失透性を高める成分である。ＺｎＯの含有量は、好ましくは０～３０％、３～２５％、５～２２％、特に５～２０％である。ＺｎＯの含有量が多過ぎると、ガラス組成の成分バランスが崩れて、かえって耐失透性が低下し易くなる。

ＣｕＯとＭｎＯは、レーザー吸収能を大幅に高める成分である。ＣｕＯとＭｎＯの合量は、好ましくは１～４０％、３～３５％、１０～３０％、特に１５～３０％である。ＣｕＯとＭｎＯの合量が少な過ぎると、レーザー吸収能が低下し易くなる。一方、ＣｕＯとＭｎＯの合量が多過ぎると、軟化点が高くなり過ぎて、レーザー光を照射しても、ガラスが軟化流動し難くなる。またガラスが熱的に不安定になり、レーザー封着時にガラスが失透し易くなる。なお、ＣｕＯの含有量は、好ましくは１～３０％、特に１０～２５％である。ＭｎＯの含有量は、好ましくは０～２５％、１～２５％、特に３～１５％である。

上記成分以外にも、例えば、以下の成分を添加してもよい。

ＳｉＯ_２は、耐水性を高める成分である。ＳｉＯ_２の含有量は、好ましくは０～５％、０～３％、０～２％、特に０～１％である。ＳｉＯ_２の含有量が多過ぎると、軟化点が不当に上昇する虞がある。またレーザー封着の際にガラスが失透し易くなる。

Ａｌ_２Ｏ_３は、耐水性を高める成分である。Ａｌ_２Ｏ_３の含有量は０～１０％、０．１～５％、特に０．５～３％が好ましい。Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が多過ぎると、軟化点が不当に上昇する虞がある。

Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ及びＫ_２Ｏは、耐失透性を低下させる成分である。よって、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ及びＫ_２Ｏの含有量は、それぞれ０～５％、０～３％、特に０～１％未満が好ましい。

ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ及びＢａＯは、耐失透性を高める成分であるが、軟化点を上昇させる成分である。よって、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ及びＢａＯの含有量は、それぞれ０～２０％、０～１０％、特に０～５％が好ましい。

Ｆｅ_２Ｏ_３は、耐失透性とレーザー吸収能を高める成分である。Ｆｅ_２Ｏ_３の含有量は、好ましくは０～１０％、０．１～５％、特に０．４～２％である。Ｆｅ_２Ｏ_３の含有量が多過ぎると、ガラス組成の成分バランスが崩れて、かえって耐失透性が低下し易くなる。

Ｓｂ_２Ｏ_３は、耐失透性を高める成分である。Ｓｂ_２Ｏ_３の含有量は、好ましくは０～５％、特に０～２％である。Ｓｂ_２Ｏ_３の含有量が多過ぎると、ガラス組成の成分バランスが崩れて、かえって耐失透性が低下し易くなる。

ガラス粉末の平均粒径Ｄ_５０は、好ましくは１５μｍ未満、０．５～１０μｍ、特に１～５μｍである。ガラス粉末の平均粒径Ｄ_５０が小さい程、ガラス粉末の軟化点が低下する。ここで、「平均粒径Ｄ_５０」は、レーザー回折法により体積基準で測定した値を指す。

耐火性フィラー粉末として、コーディエライト、ジルコン、酸化錫、酸化ニオブ、リン酸ジルコニウム系セラミック、ウイレマイト、β－ユークリプタイト、β－石英固溶体から選ばれる一種又は二種以上が好ましく、特にβ－ユークリプタイト又はコーディエライトが好ましい。これらの耐火性フィラー粉末は、熱膨張係数が低いことに加えて、機械的強度が高く、しかもビスマス系ガラスとの適合性が良好である。

耐火性フィラー粉末の平均粒径Ｄ_５０は、好ましくは２μｍ未満、特に０．１μｍ以上、且つ１．５μｍ未満である。耐火性フィラー粉末の平均粒径Ｄ_５０が大き過ぎると、封着材料層の表面平滑性が低下し易くなると共に、封着材料層の平均厚みが大きくなり易く、結果として、レーザー封着精度が低下し易くなる。

耐火性フィラー粉末の９９％粒径Ｄ_９９は、好ましくは５μｍ未満、４μｍ以下、特に０．３μｍ以上、且つ３μｍ以下である。耐火性フィラー粉末の９９％粒径Ｄ_９９が大き過ぎると、封着材料層の表面平滑性が低下し易くなると共に、封着材料層の平均厚みが大きくなり易く、結果として、レーザー封着精度が低下し易くなる。ここで、「９９％粒径Ｄ_９９」は、レーザー回折法により体積基準で測定した値を指す。

封着材料は、光吸収特性を高めるために、更にレーザー吸収材を含んでもよいが、レーザー吸収材は、ビスマス系ガラスの失透を助長する作用を有する。よって、封着材料層中のレーザー吸収材の含有量は、好ましくは１０体積％以下、５体積％以下、１体積％以下、０．５体積％以下、特に実質的に含有しないことが好ましい。ビスマス系ガラスの耐失透性が良好である場合は、レーザー吸収能を高めるために、レーザー吸収材を１体積％以上、特に３体積％以上導入してもよい。なお、レーザー吸収材として、Ｃｕ系酸化物、Ｆｅ系酸化物、Ｃｒ系酸化物、Ｍｎ系酸化物及びこれらのスピネル型複合酸化物等が使用可能である。

封着材料の熱膨張係数は、好ましくは５５×１０^－７～１１０×１０^－７／℃、６０×１０^－７～１０５×１０^－７／℃、特に６５×１０^－７～１００×１０^－７／℃である。このようにすれば、封着材料の熱膨張係数がガラス蓋やパッケージ基体の熱膨張係数に整合して、封着部分に残留する応力が小さくなる。なお、「熱膨張係数」は、３０～３００℃の温度範囲において、ＴＭＡ（押棒式熱膨張係数測定）装置で測定した値である。

封着材料ペーストは、通常、三本ローラー等により、封着材料とビークルを混練することにより作製される。ビークルは、上記の通り、通常、樹脂と溶剤を含む。樹脂は、ペーストの粘性を調整する目的で添加される。但し、高分子量の樹脂、例えば２５０超の分子量を有する樹脂は、レーザー光の照射の際に、大きな分解熱が生じるため、乾燥膜の焼結が困難になる。

封着材料ペースト中の樹脂量は０．６質量％未満であり、好ましくは０．５質量％以下、０．４質量％以下、０．３質量％以下、０．２質量％以下、特に０．１質量％未満である。封着材料ペースト中の樹脂量が多過ぎると、レーザー光の照射により乾燥膜を焼結させる場合に、樹脂の分解熱によるエネルギーロスが多くなるため、低出力のレーザー光を使用することが不可能になる。結果として、内部素子が熱劣化し易くなる。更にレーザー光の照射により乾燥膜を焼結させる場合に、封着材料層中に樹脂が残存し易くなる。結果として、レーザー封着の際に、封着材料層中で樹脂の再分解が発生して、封着材料層に流動不良や発泡が発生し易くなる。

本発明の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法では、樹脂を実質的に含まないビークル（樹脂量が０．１質量％未満であるビークル）を用いることが最も好ましいが、ビークルに樹脂を少量添加する場合、樹脂として、アクリル酸エステル（アクリル樹脂）、エチルセルロース、ポリエチレングリコール誘導体、ニトロセルロース、ポリメチルスチレン、ポリエチレンカーボネート、ポリプロピレンカーボネート、メタクリル酸エステル等が使用可能である。ビークルに用いる溶剤として、Ｎ、Ｎ’－ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、α－ターピネオール、高級アルコール、γ－ブチルラクトン（γ－ＢＬ）、テトラリン、テルペン、ブチルカルビトールアセテート、酢酸エチル、酢酸イソアミル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ベンジルアルコール、トルエン、３－メトキシ－３－メチルブタノール、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノブチルエーテル、トリプロピレングリコールモノメチルエーテル、トリプロピレングリコールモノブチルエーテル、プロピレンカーボネート、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、Ｎ－メチル－２－ピロリドン等が使用可能である。

本発明の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法は、パッケージ基体の枠部の頂部上に乾燥膜を形成する前に、パッケージ基体の枠部内に内部素子を収容する工程を備えることが好ましい。このようにすれば、気密パッケージの製造効率を高めることができる。

本発明の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法は、パッケージ基体の枠部の頂部上に、封着材料ペーストを塗布、乾燥し、乾燥膜を作製する工程を備える。封着材料ペーストの塗布は、ディスペンサーやスクリーン印刷機等の塗布機を用いることが好ましい。このようにすれば、塗布膜や乾燥膜の寸法精度を高めることができる。

塗布膜の乾燥は、封着材料ペースト中の溶媒が揮発する下限温度より高く、内部素子の耐熱温度より低い温度が好ましい。

本発明の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法は、乾燥膜にレーザー光を照射して、乾燥膜を焼結させて、封着材料層を得る工程を備える。乾燥膜に照射するレーザーとして、種々のレーザーを使用することができる。特に、近赤外半導体レーザーは、取扱いが容易な点で好ましい。

レーザーのビーム径は、焼結状態を均一化するために、乾燥膜の幅よりも大きいことが好ましい。

レーザー光を照射する際の外部雰囲気は特に限定されず、大気雰囲気でもよく、窒素雰囲気等の不活性雰囲気でもよい。

レーザー光を照射する際に、１００℃以上、且つ内部素子の耐熱温度以下の温度でパッケージ基体を予備加熱することが好ましい。これにより、乾燥膜の内部と外表面の温度差が小さくなるため、封着材料層の表面状態が均一、且つ円滑になり易い。

乾燥膜へのレーザーの走査は、一定の速度で行ってもよいし、任意の領域で速度を変更してもよい。

封着材料層は、枠部との接触位置が枠部の頂部の内側端縁から離間するように形成されると共に、枠部の頂部の外側端縁から離間するように形成することが好ましく、枠部の頂部の内側端縁から５０μｍ以上、６０μｍ以上、７０～２０００μｍ、特に８０～１０００μｍ離間した位置に形成されることが更に好ましい。枠部の頂部の内側端縁と封着材料層の離間距離が短過ぎると、レーザー封着の際に、局所加熱で発生した熱が逃げ難くなるため、冷却過程でガラス蓋が破損し易くなる。一方、枠部の頂部の内側端縁と封着材料層の離間距離が長過ぎると、気密パッケージの小型化が困難になる。また枠部の頂部の外側端縁から５０μｍ以上、６０μｍ以上、７０～２０００μｍ、特に８０～１０００μｍ離間した位置に形成されていることが好ましい。枠部の頂部の外側端縁と封着材料層の離間距離が短過ぎると、レーザー封着の際に、局所加熱で発生した熱が逃げ難くなるため、冷却過程でガラス蓋が破損し易くなる。一方、枠部の頂部の外側端縁と封着材料層の離間距離が長過ぎると、気密パッケージの小型化が困難になる。

封着材料層の表面の表面粗さＲａは、好ましくは０．５μｍ未満、０．２μｍ以下、特に０．０１～０．１５μｍである。また、封着材料層の表面粗さＲＭＳは、好ましくは１．０μｍ未満、０．５μｍ以下、特に０．０５～０．３μｍである。このようにすれば、レーザー封着精度が向上する。ここで、「表面粗さＲａ」と「表面粗さＲＭＳ」は、例えば、触針式又は非接触式のレーザー膜厚計や表面粗さ計により測定することができる。なお、上記のように封着材料層の表面粗さＲａ、ＲＭＳを規制する方法としては、封着材料層の表面を研磨処理する方法、耐火性フィラー粉末の粒度を小さくする方法が挙げられる。

封着材料層の平均厚みは、好ましくは１０．０μｍ以下、特に１．０μｍ以上、且つ６．０μｍ未満である。封着材料層の平均厚みが小さい程、封着材料層とガラス蓋の熱膨張係数が不整合である時に、レーザー封着後に封着部分に残留する応力を低減することができる。またレーザー封着精度を高めることもできる。なお、上記のように封着材料層の平均厚みを規制する方法としては、封着材料ペーストを薄く塗布する方法、封着材料層の表面を研磨処理する方法が挙げられる。

封着材料層の波長８０８ｎｍの単色光の吸収率（厚み方向）は、好ましくは２０～９０％、特に３０～６０％である。また、封着材料層の波長８０８ｎｍの単色光の吸収率は、厚さ１μｍ当たり５～５０％、特に７～３０％であることが好ましい。波長８０８ｎｍの単色光の吸収率が低過ぎると、封着材料層が軟化変形し難くなり、レーザー出力を過度に高める必要がある。結果として、内部素子が熱劣化する虞が生じる。また、波長８０８ｎｍの単色光の吸収率が高過ぎると、パッケージ基体と封着材料層の界面に十分な熱を与えらないため、両者間の反応があまり進行せず、封着材料層の焼結が不十分になる虞がある。ここで、「波長８０８ｎｍの単色光での光吸収率」は、分光光度計で反射率と透過率を測定し、その合計値を１００％から減じた値を指す。

本発明の気密パッケージの製造方法は、上記の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法により、封着材料層付きパッケージ基体を作製する工程と、ガラス蓋を用意する工程と、封着材料層を介してパッケージ基体とガラス蓋を積層配置する工程と、ガラス蓋側からレーザー光を照射し、封着材料層を軟化変形させることにより、ガラス蓋とパッケージ基体を気密一体化して、気密パッケージを得る工程と、を備えることが好ましい。

ガラス蓋として、種々のガラスが使用可能である。例えば、無アルカリガラス、ホウケイ酸ガラス、ソーダ石灰ガラスが使用可能である。

ガラス蓋の板厚は０．０１～２．０ｍｍ、０．１～１ｍｍ、特に０．２～０．７ｍｍが好ましい。これにより、気密パッケージの薄型化を図ることができる。

ガラス蓋の内部素子側の表面に機能膜を形成してもよく、ガラス蓋の外側の表面に機能膜を形成してもよい。特に機能膜として反射防止膜が好ましい。これにより、ガラス蓋の表面で反射する光を低減することができる。

本発明の気密パッケージの製造方法は、封着材料層を介してパッケージ基体とガラス蓋を積層配置する工程を有する。この場合、ガラス蓋をパッケージ基体の下方に配置してもよいが、レーザー封着の効率の観点から、ガラス蓋をパッケージ基体の上方に配置することが好ましい。

ガラス蓋の表面上に、封着材料層を形成することが好ましく、この場合、パッケージ基体に形成された封着材料層とガラス蓋に形成された封着材料層の中心線同士が重なるように、パッケージ基体とガラス蓋を積層配置することが好ましい。また、ガラス蓋に形成された封着材料層の封着パターンは、パッケージ基体の枠部の頂部に形成された封着材料層の封着パターンと略同一であることが好ましい。このようにすれば、レーザー封着精度とレーザー封着強度を同時に高めることができる。

本発明の気密パッケージの製造方法は、ガラス蓋側からレーザー光を照射し、封着材料層を軟化変形させることにより、ガラス蓋とパッケージ基体を気密一体化して、気密パッケージを得る工程を備える。

レーザー封着を行う雰囲気は特に限定されず、大気雰囲気でもよく、窒素雰囲気等の不活性雰囲気でもよい。

レーザー封着を行う際に、（１００℃以上、且つ内部素子の耐熱温度以下）の温度でガラス蓋を予備加熱すると、サーマルショックによるガラス蓋の割れを抑制することができる。またレーザー封着直後に、ガラス蓋側からアニールレーザーを照射すると、サーマルショックによるガラス蓋の割れを抑制することができる。

レーザー封着を行う際に、（１００℃以上、且つ内部素子の耐熱温度以下）の温度でパッケージ基体を予備加熱すると、レーザー封着時にパッケージ基体側への熱伝導を阻害し得るため、レーザー封着を効率良く行うことができる。

ガラス蓋を押圧した状態でレーザー封着を行うことが好ましい。これにより、レーザー封着時に封着材料層の軟化変形を促進することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明を説明する。図１は、本発明の一実施形態を説明するための断面概念図である。気密パッケージ１は、パッケージ基体１０とガラス蓋１１を備えている。パッケージ基体１０は基部１２を有し、更に基部１２の外周端縁上に枠部１３を有している。また、パッケージ基体１０の枠部１３内に内部素子１４が収容されている。そして、この枠部１３の頂部１５には封着材料層１６が形成されており、その頂部１５の表面は、予め研磨処理されており、その表面粗さＲａが０．１５μｍ以下になっている。そして、封着材料層１６の幅は、枠部１３の幅よりも若干小さくなっている。更に、封着材料層１６は、封着材料ペーストを塗布、乾燥し、乾燥膜を作製した上で、その乾燥膜にレーザー光を照射して、焼結させたものである。その封着材料ペーストは、樹脂量が０．６質量％未満であり、封着材料とビークルを三本ローラー等で混練することにより作製されている。その封着材料は、ガラス組成中に遷移金属酸化物を含むビスマス系ガラスと耐火性フィラー粉末とを含有している。なお、パッケージ基体１０内には、内部素子１４と外部を電気的に接続する電気配線（図示されていない）が形成されている。

ガラス蓋１１の表面には、額縁状の封着材料層１７が形成されている。封着材料層１７は、封着材料を焼結させたものであり、封着材料層１６と略同様の材料構成であり、その封着材料は、ガラス組成中に遷移金属酸化物を含むビスマス系ガラスと耐火性フィラー粉末とを含有している。そして、封着材料層１７の幅は、封着材料層１６の幅と略同様である。更に、封着材料層１７の厚みは、封着材料層１６の厚みよりも若干小さくなっている。

また、ガラス蓋１１が上方になり、且つ封着材料層１６と封着材料層１７の幅方向の中心線同士が接触するように、パッケージ基体１０とガラス蓋１１とが積層配置されている。その後、レーザー照射装置１８から出射したレーザー光Ｌが、ガラス蓋１１側から封着材料層１６と封着材料層１７に沿って照射される。これにより、封着材料層１６と封着材料層１７が軟化流動した後、パッケージ基体１０とガラス蓋１１が気密一体化されて、気密パッケージ１の気密構造が形成される。

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。なお、以下の実施例は単なる例示である。本発明は、以下の実施例に何ら限定されない。

表１は、本発明の実施例（試料Ｎｏ．１～４）、比較例（試料Ｎｏ．５～８）を示している。

まず所望のガラス組成になるように、各種酸化物、炭酸塩等の原料を調合したガラスバッチを準備し、これを白金坩堝に入れて１２００℃で２時間溶融した。次に、それぞれ得られた溶融ガラスを水冷ローラーにより薄片状に成形した。最後に、薄片状のビスマス系ガラスをボールミルにて粉砕後、空気分級してビスマス系ガラス粉末を得た。なお、試料Ｎｏ．１、２、５、６に係るガラス粉末は、ガラス組成として、モル％で、Ｂｉ_２Ｏ_３ ３９％、Ｂ_２Ｏ_３ ２３．７％、ＺｎＯ １４．１％、Ａｌ_２Ｏ_３ ２．７％、ＣｕＯ ２０％、Ｆｅ_２Ｏ_３ ０．６％を含有し、また試料Ｎｏ．２、３、７、８に係るガラス粉末については、ガラス組成として、モル％で、Ｂｉ_２Ｏ_３ ４５％、Ｂ_２Ｏ_３ ２７．７％、ＺｎＯ １９．１％、Ａｌ_２Ｏ_３ ３．７％、ＣｕＯ ４．０％、Ｆｅ_２Ｏ_３ ０．６％を含有する。

次に、得られたビスマス系ガラス粉末を７０．０体積％、耐火性フィラー粉末を３０．０体積％の割合で混合して、封着材料（複合粉末）を作製した。ここで、ビスマス系ガラス粉末の平均粒径Ｄ_５０を１．０μｍ、９９％粒径Ｄ_９９を２．５μｍとし、耐火性フィラー粉末の平均粒径Ｄ_５０を１．０μｍ、９９％粒径Ｄ_９９を２．５μｍとした。なお、耐火性フィラー粉末はβ－ユークリプタイトである。

得られた封着材料につき、熱膨張係数を測定したところ、その熱膨張係数は、７１×１０^－７／℃であった。なお、熱膨張係数は、押棒式ＴＭＡ装置で測定したものであり、その測定温度範囲は３０～３００℃である。

続いて、次のようにして、アルミナ製のパッケージ基体（３０ｍｍ×３０ｍｍ、枠部高さ３ｍｍ、枠部幅２ｍｍ）の枠部の頂部の中心線に沿って、表中の厚みを有し、且つ幅０．５ｍｍの封着材料層を形成した。

詳述すると、まず粘度が約１００Ｐａ・ｓ（２５℃、Ｓｈｅａｒ ｒａｔｅ：４）になるように、上記の封着材料とビークルを混練した後、更に三本ロールミルで粉末が均一に分散するまで混錬して、ペースト化し、封着材料ペーストを得た。

試料Ｎｏ．１、３では、ビークルとしてテルペン系溶液を使用した。試料Ｎｏ．２、４では、ビークルとしてテルペン系溶液にエチルセルロース樹脂を溶解させたものを使用した。試料Ｎｏ．５～８では、ビークルとしてトリプロピレングリコールモノブチルエーテルにエチルセルロース樹脂を溶解させたものを使用した。なお、試料Ｎｏ．５と試料Ｎｏ．６及び試料Ｎｏ．７と試料Ｎｏ．８は、それぞれビスマス系ガラスとビークルの配合比が異なっている。

次に、パッケージ基体の枠部の頂部の中心線と封着材料層の幅方向の中心線とが一致するように、スクリーン印刷機により上記封着材料ペーストを印刷した後、大気雰囲気下において１００℃で１０分間乾燥することにより、パッケージ基体の枠部の頂部上に乾燥膜を形成した。

更に、乾燥膜が上方になるように、治具でパッケージ基体を固定し、波長８０８ｎｍの半導体レーザーを照射速度８ｍｍ／秒で照射して、乾燥膜を軟化変形させて、焼結させることにより、パッケージ基体の枠部の頂部上に封着材料層を形成した。封着材料層の表面状態を顕微鏡で観察したところ、表面平滑性が高かったものを「○」、表面平滑性が低かったものを「△」、焼結自体がなされていないものを「×」として、評価した。

また、厚み０．３ｍｍ、２９．８ｍｍ×２９．８ｍｍのホウケイ酸ガラス（ＮＥＧ製ＢＤＡ）の一方の表面に、パッケージ基体に形成された封着材料層と同一パターンで封着材料ペーストを塗布し、大気雰囲気において１００℃で１０分間乾燥した後、電気炉により５２０℃で１０分間焼成し、封着材料層付きガラス蓋を作製した。

最後に、パッケージ基体に形成された封着材料層とガラス蓋に形成された封着材料層が接するように、パッケージ基体とガラス蓋を積層配置した。その後、押圧治具を用いてガラス蓋を押圧しながら、ガラス蓋側から封着材料層に向けて、波長８０８ｎｍの半導体レーザーを照射速度１５ｍｍ／秒で照射して、封着材料層を軟化変形させることにより、パッケージ基体とガラス蓋とを気密一体化し、気密パッケージを得た。なお、レーザー封着後の封着材料層の上から見た平均幅は、レーザー封着前に封着材料層の上方から見た平均幅の１１０％になるように、レーザー照射径とレーザー出力を調整した。

得られた気密パッケージについて、気密信頼性を評価した。詳述すると、得られた気密パッケージに対して、高温高湿高圧試験（温度８５℃、相対湿度８５％、１０００時間）を行った後、封着材料層の近傍を観察したところ、ガラス蓋にクラック、破損等が全く認められなかったものを「○」、ガラス蓋にクラック、破損等が認められたものを「×」として気密信頼性を評価した。なお、試料Ｎｏ．６～８については、封着材料層の焼結が不十分であるため、本評価を省略した。

表１から分かるように、試料Ｎｏ．１～４は、封着材料ペースト中の樹脂量が適正であるため、封着材料層の焼結状態が良好であった。その結果、レーザー封着による気密信頼性も良好であった。一方、試料Ｎｏ．５～８は、封着材料ペースト中の樹脂量が多かったため、封着材料層の焼結状態が不良であり、多数の泡の残存も確認された。

本発明の製造方法で作製された気密パッケージは、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）素子等の内部素子が実装された気密パッケージに好適であるが、それ以外にも圧電振動素子や樹脂中に量子ドットを分散させた波長変換素子等を収容する気密パッケージ等にも好適に適用可能である。

１ 気密パッケージ
１０ パッケージ基体
１１ ガラス蓋
１２ 基部
１３ 枠部
１４ 内部素子
１５ 枠部の頂部
１６、１７ 封着材料層
１８ レーザー照射装置
Ｌ レーザー光

Claims (6)

1. 基部と基部上に設けられた枠部とを有するパッケージ基体を用意する工程と、
   ガラス組成として、モル％で、ＣｕＯ １～２０％、ＣｕＯ＋ＭｎＯ １～４０％、Ａｌ_２Ｏ_３ ０．１～１０％を含有するビスマス系ガラス粉末を含む封着材料とビークルを混練して、樹脂量が０．６質量％未満となる封着材料ペーストを作製する工程と、
   パッケージ基体の枠部の頂部上に、封着材料ペーストを塗布、乾燥し、乾燥膜を作製する工程と、
   乾燥膜にレーザー光を照射することにより、乾燥膜を焼結させて、封着材料層を得る工程と、を備えることを特徴とする封着材料層付きパッケージ基体の製造方法。
2. 乾燥膜にレーザー光を照射することにより、乾燥膜を焼結させて、平均厚みが１．０～１０．０μｍとなる封着材料層を得ることを特徴とする請求項１に記載の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法。
3. 封着材料層の波長８０８ｎｍの単色光の吸収率が、厚さ１μｍ当たり５～５０％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法。
4. パッケージ基体の枠部の頂部上に乾燥膜を形成する前に、パッケージ基体の枠部内に内部素子を収容する工程を備えることを特徴とする請求項１～３の何れかに記載の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法。
5. パッケージ基体が、ガラスセラミック、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムの何れか、或いはこれらの複合材料であることを特徴とする請求項１～４の何れかに記載の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法。
6. 請求項１～５の何れかに記載の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法により、封着材料層付きパッケージ基体を作製する工程と、
   ガラス蓋を用意する工程と、
   封着材料層を介してパッケージ基体とガラス蓋を積層配置する工程と、
   ガラス蓋側からレーザー光を照射し、封着材料層を軟化変形させることにより、ガラス蓋とパッケージ基体を気密一体化して、気密パッケージを得る工程と、を備えることを特徴とする気密パッケージの製造方法。

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