JP7182596B2 - 透光性材料からなる封止用のリッド - Google Patents
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Description
A-1.リッド本体の構成材料・形状等
上記のとおり、本発明は、リッド全面を透光性材料とすることによって光学素子の発光・受光の機能を最大限に利用できるようにしている。この透光性材料とは、可視光、紫外光、赤外光の少なくともいずれかを透過できる材料である。透過可能な光の波長については特に限定されることはない。また、光の透過の程度(透過率)についても特に限定されない。この透光性材料の具体的な範囲として、ガラス、水晶、サファイア、シリコン、ゲルマニウムのいずれかが好ましい。また、ガラスに関しては、一般にガラスと称され透光性を有する材料を示すが、石英ガラス(合成ガラスを含む)、ホウケイ酸ガラス等が挙げられる。
リッド本体は、パッケージ本体との接合面に、リッド本体の外周形状に対応した枠状の接合領域を含む。接合領域とは、気密封止の際に、その一部又は全部がろう材を介してパッケージ本体に接触し接合される部位である。接合領域は、リッド本体の外周形状に対応する枠状の領域である。図1(a)(b)のようにリッド本体の外周形状が矩形であれば矩形の枠となり、図1(c)のように外周形状が円形であれば円形の枠(リング)となる。但し、接合領域の形状は、リッド本体の外周形状と完全一致する必要はない。図1(b)のように、接合領域の四隅について面取りされた形状としても良い。更に、外周形状に対応する枠状の領域とは、外枠又は内枠の少なくともいずれかがリッド本体の外周形状に沿っていれば良い。図1(d)のように、外枠がリッド本体の外周形状に沿った矩形である一方、内枠を円形とした接合領域とすることができる。接合領域の幅は、特に限定されることはない。接合領域の幅は、接合するパッケージ本体の寸法、例えば、容器状のパッケージ本体の開口部端面の幅等を考慮して任意に設定される。一般的には、リッド本体の長辺、直径の寸法に対して、1/20以上1/8以下の幅で設定される。接合領域の幅は、前記の範囲内であれば一様であることを要しない。
B-1.ろう材の構成元素及び組成
共晶合金とは、2種以上の元素からなる合金であって、共晶反応を発現することができる合金である。共晶反応とは、溶融状態(液相)から、合金の構成元素に由来した固体成分(固相)を同時に晶出させる反応である。上記したように、共晶合金は、共晶組成(共晶点)において比較的低い融点を示すことから、ろう材をリッド本体に融着する段階とリッドをパッケージ本体に接合する段階の双方において、リッド本体に与える熱影響・熱応力を比較的低減することができる。
本発明では、リッド本体の接合領域の範囲内に共晶合金からなるろう材が融着によって固定される。接合領域上に融着されたろう材は、パッケージの封止の際に再度溶融し、パッケージ本体の開口縁端部との接触により接合領域内で濡れ広がるようになっている。そして、パッケージ本体の開口縁端面とリッド本体とを接合し、パッケージ内部を気密封止する。融着とは、溶融させたろう材をリッド本体に接触させた後に凝固し、ろう材とリッド本体とを面接触した状態で接合し固定する態様である。リッド本体にろう材を融着するとき、固体のろう材をリッド本体に載置し、加熱して溶融させても良いが、溶融状態のろう材をリッド本体に供給しても良い。ろう材の融着についての好ましい工程については、後述する。
上記したとおり、本発明で共晶合金のろう材が適用されるのは、共晶合金は微細な共晶組織を発現させることができるからである。ろう材の材料組織を微細共晶組織にして粗大な固相を排除することで、安定した封止が可能となる。
上述のとおり、リッド本体の接合領域に融着されるろう材の寸法・形状は、特に限定されない。但し、本発明者等の検討によれば、ろう材をリッド本体に融着する段階及び封止のためにろう材を再溶融・凝固する段階において、リッド本体にクラックや割れ等の損傷をより高いレベルで抑制する条件として、ろう材に好適な形状があることが確認されている。
本発明に係る封止用のリッドは、ガラス等の透光性材料からなるリッド本体と、リッド本体に融着された共晶合金からなるろう材とからなることを必須の構成とするが、付加的な構成としてリッド本体の一方又は双方の表面に形成されるメタライズ膜、機能膜等が挙げられる。
本発明ではリッド本体のろう材が融着される面の表面の少なくとも一部に、金属からなる少なくとも1層のメタライズ膜を備え、このメタライズ膜の上にろう材が融着されたものが好ましい。メタライズ膜は、主に、リッド本体に対するろう材の密着性向上を意図して適用される。ろう材は金属(共晶合金)であり、ガラス等の透光性材料と異種材料であるので、組成によってはリッド本体との密着性に乏しく固定できない場合がある。そこで、金属からなるメタライズ膜を適用することで、ろう材の密着性を確保してリッド本体からの脱落等を防止することができる。メタライズ膜は、単層構造又は多層構造をとることができる。メタライズ膜の具体的な構成は、その機能に応じて数種の金属層が想定されている。
メタライズ膜の機能としては、ろう材のリッド本体に対する密着性改善が挙げられる。そのためのメタライズ膜として、ろう材が融着される面に、Au又はPtの少なくともいずれかからなる第1の金属層を形成するのが好ましい。Au又はPtは、上述した各種具体例のろう材に対する密着性が良好だからである。この第1の金属膜も単層又は多層とすることができ、Au又はPtのいずれかのみで構成しても良く、双方を積層(Au/Pt、Pt/Au)させても良い。この第1の金属膜は、薄すぎると下地が露出して密着性が低下することがある。一方、厚すぎると接合時にろう材と反応することで、接合不良や接合強度低下を起こすことがある。そこで、第1の金属膜の膜厚は、0.01μm以上1μm以下とすることが好ましい。
上述したAu、Ptで構成されるろう材融着面に形成される第1の金属膜は、リッド本体を構成する透光性材料に対して密着性に乏しい場合がある。そこで、ろう材が融着される第1の金属膜とリッド本体との密着性を向上させるメタライズ膜として、Mg、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、In、Sn、Sb、Ta、W、Re、Os、Irの少なくともいずれかよりなる第2の金属膜を形成することが好ましい。これらの金属は、透光性材料及びAu、Ptの双方に対する密着性が良好なので、ろう材をリッド本体に好適に固定することができる。特に、Cr、Tiは活性の高い金属であるため、リッド本体表面との密着性が高いメタライズ膜を形成できる。また、Niは保護性能に優れ、下地の酸化・変質を抑制するメタライズ膜を形成できる。よって、好ましくは、Cr、Ti、Niの少なくともいずれかからなる第2の金属層を有するメタライズ膜を形成することが好ましい。
本発明に係る封止用のリッドにおいてメタライズ膜を採用するとき、ろう材はメタライズ膜に接触した状態でリッド本体に融着されることとなる。このとき、ろう材とメタライズ膜との界面において、メタライズ膜を構成する金属元素がろう材中に拡散する可能性がある。本発明においては、このろう材中へ拡散する金属元素量を最低限にすることが好ましい。具体的には、拡散によってろう材内に形成され得る拡散領域の幅が2μm以下であることが好ましい。ろう材内部に金属元素の過度の拡散が生じた場合、界面付近におけるろう材の組成変動や化合物生成が生じている可能性がある。ろう材の組成変動や化合物生成は、融点の変化や、接合強度の低下や、リークの原因となる可能性がある。従って、過度の拡散がない状態が好ましい。この拡散領域の幅とは、融着界面付近のろう材内部について、メタライズ膜の構成金属であってろう材の構成金属ではない金属(Pt、Ni等が対象となることが多い)の有無を適宜の分析手段により測定することができる。拡散領域の幅は、1μm以下がより好ましい。拡散領域の幅の下限は、低いほど好ましいが好ましくは0.001μmとする。
上記のメタライズ膜のほか、本発明のリッド本体には表面と裏面の一方又は双方について、特定波長の透過率又は反射率を上昇させる目的で、機能膜を形成することができる。この機能膜の具体的な材質としては、MgF2が挙げられる。例えば波長250nm~400nmの紫外線の透過率を上昇させたい場合には,膜厚は60~100nmとすることが望ましい。
次に本発明に係る封止用のリッドの製造方法について説明する。本発明のリッドは、透光性材料のリッド本体に1片又は複数片の共晶合金からなるろう材を融着することで製造できる。
メタライズ膜は、リッド本体表面からCr(60nm)/Ni(200nm)/Au(100nm)の順序で各金属の薄膜を形成した。また、一部の実施例では、Ti(60nm)/Pt(200nm)/Au(100nm)の順序で形成したメタライズ膜も適用した。
Claims (15)
- 光学素子を収容するパッケージ本体に接合され、気密封止されたパッケージを製造するための封止用リッドにおいて、
可視光、紫外光、赤外光の少なくともいずれかを透過可能な透光性材料からなるリッド本体を備え、
前記リッド本体は、前記パッケージ本体と接合する面に、リッド本体の外周形状に対応した枠状の接合領域を含み、
前記リッド本体の前記接合領域上に複数片の共晶合金からなるろう材が融着されてなることを特徴とする封止用リッド。 - 複数片のろう材が、接合領域上に連続的に融着され枠形状を形成している請求項1記載の封止用リッド。
- 複数片のろう材のうち、少なくとも一つのろう材の任意断面の材料組織が、共晶組織と任意的に含まれる円相当径5μm以下の単一相とからなる材料組織である請求項1又は請求項2記載の封止用リッド。
- 複数片のろう材のうち、少なくとも一つのろう材の投影形状が略円形である請求項1~請求項3のいずれかに記載の封止用リッド。
- リッド本体を構成する透光性材料は、ガラス、水晶、サファイア、シリコン、ゲルマニウムのいずれかよりなる請求項1~請求項5のいずれかに記載の封止用リッド。
- 共晶合金からなるろう材は、Au系共晶ろう材である請求項1~請求項6のいずれかに記載の封止用リッド。
- 共晶合金からなるろう材は、Au-Snろう材である請求項1~請求項7のいずれかに記載の封止用リッド。
- リッド本体表面の少なくとも一部に、金属からなる少なくとも1層のメタライズ膜を有し、前記メタライズ膜の上にろう材が融着されてなる請求項1~請求項8のいずれかに記載の封止用リッド。
- メタライズ膜は、ろう材が融着される面にAu又はPtの少なくともいずれかからなる第1の金属層を有する請求項9記載の封止用リッド。
- メタライズ膜は、リッド本体の表面上にMg、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、In、Sn、Sb、Ta、W、Re、Os、Irの少なくともいずれかからなる第2の金属層を有する請求項9又は請求項10記載の封止用リッド。
- メタライズ膜を構成する金属元素がろう材内部へ拡散することで形成される拡散領域の幅が、2μm以下である請求項9~請求項11のいずれか1項に記載の封止用リッド。
- リッド本体は、片面もしくは両面に透過率又は反射率を上昇させる機能膜を有する請求項1~請求項12のいずれかに記載の封止用リッド。
- パッケージ本体に封止用リッドを接合する工程を含む気密封止方法において、
前記封止用リッドとして請求項1~請求項13のいずれかに記載の封止用リッドを接合する気密封止方法。 - 請求項1~請求項13のいずれかに記載の封止用リッドが接合されたパッケージ。
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