JPWO2016136899A1 - 気密パッケージの製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明の技術的課題は、内部に収容される部材の熱劣化を招くことなく、素子基体と封着材料層の固着強度を高め得る方法を創案することにより、気密パッケージの長期信頼性を高めることである。本発明の気密パッケージの製造方法は、セラミック基体を用意すると共に、セラミック基体上に封着材料層を形成する工程と、ガラス基板を用意すると共に、ガラス基板がセラミック基体上の封着材料層に接触するように、セラミック基体とガラス基板を配置する工程と、レーザー光をガラス基板側から封着材料層に向けて照射し、封着材料層を介してセラミック基体とガラス基板を封着して、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。
Description
本発明は、レーザー光を用いた封着処理（以下、レーザー封着）による気密パッケージの製造方法に関する。
気密パッケージの特性維持及び長寿命化を図ることが鋭意検討されている。例えば、圧電振動子素子は、周囲環境の酸素や水分に暴露されることで、容易に劣化する敏感な素子である。そこで、圧電振動子パッケージ内に圧電振動子素子を気密状態で組み込み、圧電振動子パッケージの特性維持及び長寿命化を図ることが検討されている。
圧電振動子パッケージの気密構造として、圧電振動子素子が配置された素子基体の上に、間隔を置いてガラス基板を対向配置させた状態で、圧電振動子素子の周囲を囲むようにガラス基板と素子基体との間の隙間を封着材料層で封着する気密構造が検討されている。なお、素子基体として、セラミック、例えばアルミナが一般的に使用される。
しかし、圧電振動子素子は、耐熱性が低いことが知られている。よって、封着材料層の軟化流動温度域で焼成して、素子基体とガラス基板を封着すると、圧電振動子素子の特性が熱劣化する虞がある。
近年、気密パッケージの封着方法として、レーザー封着が検討されている。レーザー封着では、封着すべき部分のみを局所加熱し得るため、耐熱性が低い素子等の熱劣化を防止した上で、素子基体とガラス基板を封着することができる。
その一方で、レーザー封着では、素子基体と封着材料層の固着強度を高めることが困難である。そして、素子基体がセラミックの場合、素子基体と封着材料層の固着強度を高めることが更に困難である。
詳述すると、レーザー封着は、封着材料層を局所加熱して封着材料層を軟化流動させる方法であるため、封着に要する時間が短く、それに付随して、素子基体と封着材料層が反応する時間も短くなる。結果として、素子基体と封着材料層の界面で、反応層が十分に生成せず、素子基体と封着材料層の固着強度が低下してしまう。
本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであり、その技術的課題は、内部に収容される部材の熱劣化を招くことなく、素子基体と封着材料層の固着強度を高め得る方法を創案することにより、気密パッケージの長期信頼性を高めることである。
本発明者は、鋭意検討の結果、セラミック基体上に予め封着材料層を形成して、セラミック基体と封着材料層の固着強度を高めた後、封着材料層を介して、ガラス基板を対向配置し、ガラス基板と封着材料層をレーザー封着すると、気密パッケージの封着強度が向上することを見出し、本発明として提案するものである。すなわち、本発明の気密パッケージの製造方法は、セラミック基体を用意すると共に、セラミック基体上に封着材料層を形成する工程と、ガラス基板を用意すると共に、ガラス基板がセラミック基体上の封着材料層に接触するように、セラミック基体とガラス基板を配置する工程と、レーザー光をガラス基板側から封着材料層に向けて照射し、封着材料層を介してセラミック基体とガラス基板を封着して、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。
封着材料は、通常、低融点ガラスを含む。この低融点ガラスが、レーザー封着時に素子基体の表層を侵食して、反応層が生成することになる。素子基体がガラスである場合は、レーザー封着により反応層がある程度生成して、固着強度を確保することができる。しかし、素子基体がセラミックである場合、低融点ガラスが、レーザー封着時に素子基体の表層を侵食し難く、反応層が十分に生成しない。つまり素子基体がガラスの場合は、レーザー封着により反応層を形成し得るが、セラミックの場合は、レーザー封着により反応層を形成することが困難である。そこで、本発明では、電気炉焼成等により予めセラミック基体に封着材料層を形成した後、レーザー封着によりセラミック基体とガラス基板を封着している。これにより、セラミック基体と封着材料層の固着強度を高めると共に、ガラス基板と封着材料層の固着強度も確保することができる。なお、電気炉焼成等により予めセラミック基体に封着材料層を形成すれば、セラミック基体の表層に反応層を十分に形成することができる。
第二に、本発明の気密パッケージの製造方法は、基部と基部上に設けられた枠部とを有するセラミック基体を用い、枠部の頂部に封着材料層を形成することが好ましい。このようにすれば、圧電振動子素子等の部材を気密パッケージ内に収容し易くなる。
第三に、本発明の気密パッケージの製造方法は、枠部の頂部を研磨処理した後に、封着材料層を形成することが好ましい。
第四に、本発明の気密パッケージの製造方法は、枠部の頂部の表面粗さＲａが０．５μｍ未満になるように、枠部の頂部を研磨処理することが好ましい。
第五に、本発明の気密パッケージの製造方法は、封着材料ペーストを塗布、焼成して、セラミック基体上に封着材料の焼結体からなる封着材料層を形成することが好ましい。これにより、封着材料層の機械的強度を高めつつ、薄い封着材料層を形成し易くなる。
第六に、本発明の気密パッケージの製造方法は、５５〜９５体積％のビスマス系ガラスと５〜４５体積％の耐火性フィラーを含有する封着材料を用いることが好ましい。ビスマス系ガラスは、他の系のガラスと比較して、セラミックとの反応性が良好である。これにより、セラミック基体と封着材料層の固着強度を高めることができる。更に、ビスマス系ガラスは、低融点であるが、熱的安定性（耐失透性）が高い。これにより、レーザー封着時に良好に軟化流動し、レーザー封着の精度を高めることができる。なお、「ビスマス系ガラス」とは、Ｂｉ２Ｏ３を主成分とするガラスを指し、具体的にはガラス組成中にＢｉ２Ｏ３を５０質量％以上含むガラスを指す。
第七に、本発明の気密パッケージの製造方法は、封着材料層の平均厚みを１０μｍ未満とすることが好ましい。
第八に、本発明の気密パッケージの製造方法は、セラミック基体と封着材料層の熱膨張係数の差を４５×１０−７／℃未満とし、且つ封着材料層とガラス基板の熱膨張係数の差を４５×１０−７／℃未満とすることが好ましい。これにより、封着部分に残留する応力が小さくなるため、封着部分の応力破壊を防止し易くなる。
第九に、本発明の気密パッケージの製造方法は、グリーンシートの積層体を焼結して、セラミック基体を作製することが好ましい。このようにすれば、枠部を有するセラミック基体を作製し易くなる。
第十に、本発明の気密パッケージは、上記の気密パッケージの製造方法により作製されてなることが好ましい。
本発明の気密パッケージの製造方法では、セラミック基体を用意すると共に、セラミック基体上に封着材料層を形成する工程を有する。セラミック基体上に封着材料層を形成する方法として、封着材料ペーストをセラミック基体上に塗布して、封着材料膜を形成した後、封着材料膜を乾燥し、溶剤を揮発させて、更に封着材料の軟化点より高い温度で焼成して、封着材料ペースト中の樹脂成分の焼却（脱バインダー処理）及び封着材料の焼結（固着）を行う方法が好ましい。このようにすれば、封着材料層を容易に形成し得ると共に、セラミック基体と封着材料層の固着強度を高めることができる。
セラミック基体として、材料コストと焼結強度の観点から、アルミナ、窒化アルミニウム、ジルコニア、ムライト等が好ましい。また、セラミック基体として、グリーンシートの積層体を焼結してなるガラスセラミック（以下、ＬＴＣＣと称する）も好ましい。アルミナは、材料コストの点で有利である。窒化アルミニウムは、放熱性の観点から有利である。ＬＴＣＣは、枠部を有するセラミック基体を作製し易い利点を有する。
セラミック基体の厚みは０．１〜１．０ｍｍ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。
また、セラミック基体として、基部と基部上に設けられた枠部とを有するセラミック基体を用い、枠部の頂部に封着材料層を形成することが好ましい。このようにすれば、圧電振動子素子等の部材を気密パッケージ内に収容し易くなる。
この場合、枠部の頂部を研磨処理することが好ましく、その場合、セラミック基体の頂部の表面粗さＲａは、好ましくは０．５μｍ未満、０．２μｍ以下、特に０．０１〜０．１５μｍであり、セラミック基体の頂部の表面粗さ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、封着材料層の表面平滑性が向上して、レーザー封着の精度を高めることができる。結果として、気密パッケージの封着強度を高めることが可能になる。なお、「表面粗さＲａ」及び「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。
封着材料ペーストは、セラミック基体の外周端縁領域に沿って、額縁状に塗布されることが好ましい。このようにすれば、デバイスとして機能する有効面積を広げることができる。また圧電振動子素子等の部材を気密パッケージ内に収容し易くなる。
セラミック基体が枠部を有する場合、セラミック基体の外周端縁領域に沿って、枠部を額縁状に設けると共に、その枠部の頂部に封着材料ペーストを塗布することが好ましい。このようにすれば、デバイスとして機能する有効面積を広げることができる。また圧電振動子素子等の部材を枠部の内部に収容し易くなる。
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、通常、樹脂と溶剤を含む。ビークルに用いる樹脂として、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、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。
封着材料として、種々の材料が使用可能であり、例えば、ガラス粉末と耐火性フィラー粉末の複合粉末が使用可能である。ガラス粉末としては、種々の材料が使用可能であり、例えば、ビスマス系ガラス、リン酸錫系ガラス、バナジウム系ガラス等が使用可能であり、熱的安定性と反応層の深さの観点から、ビスマス系ガラスが好適である。なお、「リン酸錫系ガラス」とは、ＳｎＯとＰ２Ｏ５を主成分とするガラスを指し、具体的にはガラス組成中にＳｎＯとＰ２Ｏ５を合量で４０質量％以上含むガラスを指す。「バナジウム系ガラス」とは、Ｖ２Ｏ５を主成分とするガラスを指し、具体的にはガラス組成中にＶ２Ｏ５を合量で２５質量％以上含むガラスを指す。
特に、封着材料として、５５〜９５体積％のビスマス系ガラスと５〜４５体積％の耐火性フィラーを含有する封着材料を用いることが好ましく、６０〜８５体積％のビスマス系ガラスと１５〜４０体積％の耐火性フィラーを含有する封着材料を用いることが更に好ましく、６０〜８０体積％のビスマス系ガラスと２０〜４０体積％の耐火性フィラーを含有する封着材料を用いることが特に好ましい。ビスマス系ガラスに耐火性フィラーを添加すれば、封着材料の熱膨張係数が、セラミック基体とガラス基板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、レーザー封着の精度が低下し易くなる。
ビスマス系ガラスは、ガラス組成として、遷移金属酸化物を０．５質量％以上（好ましくは２〜１８質量％、より好ましくは３〜１５質量％、更に好ましくは４〜１２質量％、特に好ましくは５〜１０質量％）含むことが望ましい。このようにすれば、熱的安定性の低下を抑制しつつ、光吸収特性を高めることができる。
ビスマス系ガラスは、ガラス組成として、質量％で、Ｂｉ２Ｏ３ ６７〜９０％、Ｂ２Ｏ３ ２〜１２％、ＺｎＯ １〜２０％、ＣｕＯ＋Ｆｅ２Ｏ３ ０．５〜１８％を含有することが好ましい。上記のように各成分の含有量を限定した理由を以下に説明する。なお、各成分の含有範囲の説明において、％表示は、質量％を指す。また、「ＣｕＯ＋Ｆｅ２Ｏ３」は、ＣｕＯとＦｅ２Ｏ３の合量である。
Ｂｉ２Ｏ３は、反応層を形成するための主要成分であると共に、軟化点を下げるための主要成分であり、その含有量は、好ましくは６７〜８７％、より好ましくは７０〜８５％、特に好ましくは７２〜８３％である。Ｂｉ２Ｏ３の含有量が６７％より少ないと、反応層が生成し難くなることに加えて、軟化点が高くなり過ぎて、レーザー光を照射しても、ガラスが軟化し難くなる。一方、Ｂｉ２Ｏ３の含有量が９０％より多いと、ガラスが熱的に不安定になり、溶融時、焼結（固着）時、又はレーザー封着時にガラスが失透し易くなる。
Ｂ２Ｏ３は、ビスマス系ガラスのガラスネットワークを形成する成分であり、その含有量は、好ましくは２〜１２％、より好ましくは３〜１０％、更に好ましくは４〜１０％、特に好ましくは５〜９％である。Ｂ２Ｏ３の含有量が２％より少ないと、ガラスが熱的に不安定になり、溶融時、焼結（固着）時、又はレーザー封着時にガラスが失透し易くなる。一方、Ｂ２Ｏ３の含有量が１２％より多いと、軟化点が高くなり過ぎて、レーザー光を照射しても、ガラスが軟化し難くなる。
ＺｎＯは、溶融時、焼結（固着）時、又はレーザー封着時の失透を抑制すると共に、熱膨張係数を低下させる成分であり、その含有量は、好ましくは１〜２０％、より好ましくは２〜１５％、更に好ましくは３〜１１％、特に好ましくは３〜９％である。ＺｎＯの含有量が１％より少ないと、上記効果を得難くなる。一方、ＺｎＯの含有量が２０％より多いと、ガラス組成内の成分バランスが損なわれて、逆にガラスが失透し易くなる。
ＣｕＯ＋Ｆｅ２Ｏ３は、光吸収特性を有する成分であり、所定の発光中心波長を有するレーザー光を照射すると、レーザー光を吸収して、ガラスを軟化させ易くする成分である。また、ＣｕＯ＋Ｆｅ２Ｏ３は、溶融時、焼結（固着）時、又はレーザー封着時の失透を抑制する成分である。ＣｕＯ＋Ｆｅ２Ｏ３の含有量は、好ましくは０．５〜１８％、より好ましくは３〜１５％、更に好ましくは３．５〜１５％、更に好ましくは４〜１２％、特に好ましくは５〜１０％である。ＣｕＯ＋Ｆｅ２Ｏ３の含有量が０．５％より少ないと、光吸収特性が乏しくなり、レーザー光を照射しても、ガラスが軟化し難くなる。一方、ＣｕＯ＋Ｆｅ２Ｏ３の含有量が１８％より多いと、ガラス組成内の成分バランスが損なわれて、逆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０〜１５％、１〜１５％、２〜１２％、３〜１０％、特に４．５〜１０％である。Ｆｅ２Ｏ３の含有量は、好ましくは０〜７％、０．０５〜７％、０．１〜４％、特に０．２〜３％である。
酸化鉄中のＦｅイオンは、Ｆｅ２＋又はＦｅ３＋の状態で存在する。本発明において、酸化鉄中のＦｅイオンは、Ｆｅ２＋又はＦｅ３＋の何れかに限定されるものではなく、何れであっても構わない。よって、本発明では、Ｆｅ２＋の場合でも、Ｆｅ２Ｏ３に換算した上で取り扱うこととする。特に、照射光として赤外レーザーを使用する場合、Ｆｅ２＋が赤外域に吸収ピークを有するため、Ｆｅ２＋の割合は大きい方が好ましく、例えば、酸化鉄中のＦｅ２＋／Ｆｅ３＋の割合を０．０３以上（望ましくは０．０８以上）に規制することが好ましい。
上記成分以外にも、例えば、以下の成分を添加してもよい。
ＳｉＯ２は、耐水性を高める成分である。ＳｉＯ２の含有量は、好ましくは０〜１０％、０〜３％、特に０〜１％未満である。ＳｉＯ２の含有量が１０％より多いと、軟化点が高くなり過ぎて、レーザー光を照射しても、ガラスが軟化し難くなる。
Ａｌ２Ｏ３は、耐水性を高める成分である。Ａｌ２Ｏ３の含有量は、好ましくは０〜５％、０〜２％、特に０〜０．５％未満である。Ａｌ２Ｏ３の含有量が５％より多いと、軟化点が高くなり過ぎて、レーザー光を照射しても、ガラスが軟化し難くなる。
ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ（ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ及びＢａＯの合量）は、溶融時、焼結（固着）時、又はレーザー封着時の失透を抑制する成分であり、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯの含有量は、好ましくは０〜１５％、特に０〜１０％である。ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯの含有量が１５％より多いと、軟化点が高くなり過ぎて、レーザー光を照射しても、ガラスが軟化し難くなる。なお、ＭｇＯ、ＣａＯ及びＳｒＯの含有量は、それぞれ０〜５％、特に０〜２％が好ましい。ＢａＯの含有量は、好ましくは０〜１０％、特に０〜８％である。
ＣｅＯ２、ＷＯ３、Ｉｎ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３及びＳｂ２Ｏ３は、溶融時、焼結（固着）時、又はレーザー封着時の失透を抑制する成分である。各成分の含有量は、好ましくは０〜１０％、０〜５％、０〜２％、特に０〜１％である。各成分の含有量が１０％より多いと、ガラス組成内の成分バランスが損なわれて、逆にガラスが失透し易くなる。なお、熱的安定性を高める観点から、Ｓｂ２Ｏ３の微量添加が好ましく、具体的にはＳｂ２Ｏ３を０．０５％以上添加することが好ましい。
Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ及びＣｓの酸化物は、軟化点を低下させる成分であるが、溶融時に失透を助長する作用を有するため、合量で１％未満に規制することが好ましい。
Ｐ２Ｏ５は、溶融時の失透を抑制する成分である。しかし、Ｐ２Ｏ５の含有量が１％より多いと、溶融時にガラスが分相し易くなる。
Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３及びＧｄ２Ｏ３は、溶融時の分相を抑制する成分であるが、これらの合量が３％より多いと、軟化点が高くなり過ぎて、レーザー光を照射しても、ガラスが軟化し難くなる。
ＮｉＯ、Ｖ２Ｏ５、ＣｏＯ、ＭｏＯ３、ＴｉＯ２及びＭｎＯ２は、光吸収特性を有する成分であり、所定の発光中心波長を有するレーザー光を照射すると、レーザー光を吸収して、ガラスを軟化させ易くする成分である。各成分の含有量は、好ましくは０〜７％、特に０〜３％である。各成分の含有量が７％より多いと、レーザー封着時にガラスが失透し易くなる。
ＰｂＯは、軟化点を低下させる成分であるが、環境的影響が懸念される成分である。よって、ＰｂＯの含有量は、好ましくは０．１％未満である。
上記以外の成分であっても、ガラス特性を損なわない範囲で、例えば５％まで添加してもよい。
耐火性フィラーとして、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、ウイレマイトから選ばれる一種又は二種以上を用いることが好ましい。これらの耐火性フィラーは、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。上記の耐火性フィラーの内、コーディエライトが最も好ましい。コーディエライトは、粒径が小さくても、レーザー封着時にビスマス系ガラスを失透させ難い性質を有している。なお、上記の耐火性フィラー以外にも、β−ユークリプタイト、石英ガラス等を添加してもよい。
耐火性フィラー粉末（特にコーディエライト）中にＣｕＯ、Ｆｅ２Ｏ３等の遷移金属酸化物を０．１〜５質量％（好ましくは１〜３質量％）ドープすることが好ましい。このようにすれば、耐火性フィラー粉末に光吸収特性が付与されるため、封着材料の光吸収特性を高めることができる。
耐火性フィラーの平均粒径Ｄ５０は、好ましくは２μｍ未満、特に１．５μｍ未満である。耐火性フィラーの平均粒径Ｄ５０が２μｍ未満であると、封着材料層の表面平滑性が向上すると共に、封着材料層の平均厚みを１０μｍ未満に規制し易くなり、結果として、レーザー封着の精度を高めることができる。
耐火性フィラーの最大粒径Ｄ９９は、好ましくは５μｍ未満、４μｍ以下、特に３μｍ以下である。耐火性フィラーの最大粒径Ｄ９９を５μｍ未満であると、封着材料層の表面平滑性が向上すると共に、封着材料層の平均厚みを１０μｍ未満に規制し易くなり、結果として、レーザー封着の精度を高めることができる。ここで、「平均粒径Ｄ５０」と「最大粒径Ｄ９９」は、レーザー回折法により体積基準で測定した値を指す。
封着材料の熱膨張係数は、好ましくは６０×１０−７〜９５×１０−７／℃、６０×１０−７〜８５×１０−７／℃、特に６５×１０−７〜８０×１０−７／℃である。このようにすれば、封着材料層の熱膨張係数がガラス基板やセラミック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と共に、耐火性フィラーの含有量を低減し得るため、レーザー封着時に封着材料層が軟化流動し易くなる。なお、熱膨張係数は、３０〜３００℃の温度範囲において、押棒式ＴＭＡ装置で測定した値である。
セラミック基体と封着材料層の熱膨張係数の差は４５×１０−７／℃未満、特に３０×１０−７／℃以下が好ましく、封着材料層とガラス基板の熱膨張係数は４５×１０−７／℃未満、特に３０×１０−７／℃以下が好ましい。熱膨張係数の差が大き過ぎると、封着部分に残留する応力が不当に高くなり、気密パッケージの長期信頼性が低下する虞がある。
封着材料の軟化点は、好ましくは５００℃以下、４８０℃以下、特に４５０℃以下である。軟化点が５００℃より高いと、封着材料の焼結（固着）時に表面平滑性を得難くなり、更にレーザー封着時に封着材料が軟化流動し難くなる。軟化点の下限は特に設定されないが、ガラスの熱的安定性を考慮すれば、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であり、図１中のＴｓに相当する。
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、レーザー吸収材の含有量は、好ましくは０〜１５体積％、０〜１２体積％、特に０〜１０体積％である。レーザー吸収材の含有量が１５体積％より多いと、レーザー封着時にガラスが失透し易くなる。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り、特に、ビスマス系ガラスとの適合性の観点から、Ｍｎ系酸化物が好ましい。なお、レーザー吸収材を添加する場合、その含有量は０．１体積％以上、０．５体積％以上、１体積％以上、１．５体積％以上、特に２体積％以上が好ましい。
封着材料層の形成は、セラミック基体上に部材を実装した後に行ってもよいが、部材（特に熱劣化し易い素子）の熱劣化を防止する観点から、セラミック基体上に部材を実装する前に行うことが好ましい。
セラミック基体上に封着材料層を形成した後の封着材料層の平均厚みを１０μｍ未満、７μｍ未満、特に５μｍ未満に規制することが好ましい。同様にして、レーザー封着後の封着材料層の平均厚みも１０μｍ未満、７μｍ未満、特に５μｍ未満に規制することが好ましい。封着材料層の平均厚みが小さい程、封着材料層とセラミック基体及びガラス基板の熱膨張係数が十分に整合していなくても、レーザー封着後に封着部分に残留する応力が低減される。また、レーザー封着の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、封着材料層を形成した後に封着材料層の表面を研磨処理する方法が挙げられる。
セラミック基体上に封着材料層を形成した後の封着材料層の表面粗さＲａを０．５μｍ未満、０．２μｍ以下、特に０．０１〜０．１５μｍに規制することが好ましい。また、セラミック基体上に封着材料層を形成した後の封着材料層の表面粗さＲＭＳを１．０μｍ未満、０．５μｍ以下、特に０．０５〜０．３μｍに規制することが好ましい。このようにすれば、ガラス基板と封着材料層の密着性が向上し、レーザー封着の精度が向上する。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、セラミック基体の枠部の頂部を研磨処理する方法、耐火性フィラー粉末の粒度を規制する方法、封着材料層の表面を研磨処理する方法が挙げられる。
本発明の気密パッケージの製造方法は、ガラス基板を用意すると共に、ガラス基板がセラミック基体上の封着材料層に接触するように、セラミック基体とガラス基板を配置する工程を有する。ガラス基板として、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。特に、耐候性の観点から、無アルカリガラスが好適である。
ガラス基板の板厚は０．０１〜２．０ｍｍ、０．１〜１ｍｍ、特に０．５〜０．７ｍｍ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。
ガラス基板は、セラミック基体よりも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、ガラス基板をセラミック基体の上方に配置することが好ましい。
本発明の気密パッケージの製造方法は、ガラス基板側からレーザー光を封着材料層に向けて照射し、封着材料層を介してセラミック基体とガラス基板を封着して、気密パッケージを得る工程を有する。
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、半導体レーザー、ＹＡＧレーザー、ＣＯ２レーザー、エキシマレーザー、赤外レーザー等は、取扱いが容易な点で好ましい。
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、且つガラス基板の歪点以下）の温度でガラス基板を予備加熱すると、サーマルショックによるガラス基板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、ガラス基板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基板の割れを抑制することができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の気密パッケージの一実施形態を説明する。
図２は、本発明の気密パッケージ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、矩形状のセラミック基体１０の中央領域に部材（圧電振動子素子）１１が形成されており、且つ部材１１の周囲を額縁状に取り囲むように、セラミック基体１０の外周端縁領域に封着材料層１２が形成されている。ここで、封着材料層１２は、封着材料ペーストを塗布、乾燥した後、焼結させることにより形成したものである。なお、セラミック基体１０には、部材１１と外部を電気的に接続する電極膜（図示されていない）が形成されている。そして、ガラス基板１３は、封着材料層１２と接触するように、セラミック基体１０の上方に配置されている。更に、レーザー照射装置１４から出射したレーザー光Ｌが、ガラス基板１３側から封着材料層１２に沿って照射される。これにより、封着材料層１２が軟化流動し、セラミック基体１０とガラス基板１３が封着されて、気密パッケージ１の気密構造が形成される。
図３は、本発明の気密パッケージ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２は、矩形状のセラミック基体２０の外周端縁領域に枠部２１を有し、その内部に部材（量子ドットが分散された樹脂）２２が収容されている。そして、この枠部２１の頂部２３には封着材料層２４が形成されている。ここで、セラミック基体２０は、グリーンシートの積層体を焼結させることにより作製したものである。また、枠部２１の頂部２３は、予め研磨処理されており、表面粗さＲａが０．１５μｍ以下になっている。更に、封着材料層２４は、封着材料ペーストを塗布、乾燥した後、焼結させることにより形成したものである。なお、セラミック基体２０には、部材２２と外部を電気的に接続する電極膜（図示されていない）が形成されている。ガラス基板２５は、封着材料層２４と接触するようにセラミック基体２０の上方に配置されている。更に、レーザー照射装置２６から出射したレーザー光Ｌが、ガラス基板２５側から封着材料層２４に沿って照射される。これにより、封着材料層２４が軟化流動し、セラミック基体２０とガラス基板２４が封着されて、気密パッケージ２の気密構造が形成される。
以下、実施例に基づいて、本発明を詳細に説明する。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。
まず封着材料を作製した。表１は、封着材料の材料構成を示している。ビスマス系ガラスは、ガラス組成として、モル％で、Ｂｉ２Ｏ３ ７６．５％、Ｂ２Ｏ３ ８．０％、ＺｎＯ ６．０％、ＣｕＯ ５．０％、Ｆｅ２Ｏ３ ０．５％、ＢａＯ ４．０％を含有し、且つ表１に記載の粒度を有している。
上記のビスマス系ガラスと耐火性フィラー粉末とを表１に示す割合で混合して、封着材料を作製した。耐火物フィラーとして、表２に示す粒度を有するコーディエライトを用いた。この封着材料につき、ガラス転移点、軟化点、熱膨張係数を測定した。その結果を表１に示す。
ガラス転移点は、押棒式ＴＭＡ装置で測定した値である。
軟化点は、マクロ型ＤＴＡ装置で測定した値である。測定は、大気雰囲気下において、昇温速度１０℃／分で行い、室温から６００℃まで測定を行った。
熱膨張係数は、押棒式ＴＭＡ装置で測定した値である。測定温度範囲は３０〜３００℃である。
次に、上記封着材料を用いて、セラミック基体上に封着材料層を形成した（試料Ｎｏ．１〜６）。まず粘度が約１００Ｐａ・ｓ（２５℃、Ｓｈｅａｒ ｒａｔｅ：４）になるように、表１に記載の封着材料とビークルおよび溶剤を混練した後、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、ペースト化した。ビークルにはグリコールエーテル系溶剤にエチルセルロース樹脂を溶解させたものを使用した。次に、縦３ｍｍ×横３ｍｍ×厚み０．８ｍｍのセラミック基体（アルミナ又はＬＴＣＣ）の外周端縁領域に沿って、上記の封着材料ペーストを厚み：約５μｍ又は約８μｍ、幅：約０．３ｍｍになるように、スクリーン印刷機で額縁状に印刷した。さらに、大気雰囲気下にて、１２０℃で１０分間乾燥した後、大気雰囲気下にて、５００℃で１０分間焼成して、封着材料ペースト中の樹脂成分の焼却（脱バインダー処理）及び封着材料の焼結（固着）を行い、セラミック基体上に封着材料層を形成した。その後、セラミック基体の中央領域に素子を形成した。比較例として、同様の焼成条件により、ガラス基板上に封着材料を形成した（試料Ｎｏ．７〜９）。
封着材料層の平均厚みは、非接触式レーザー膜厚計で測定した値である。
最後に、封着材料層を介して、セラミック基体とガラス基板とを大気雰囲気下で接触配置した後、ガラス基板側から封着材料層に沿って、表中に記載の出力、走査速度にて、波長８０８ｎｍのレーザー光を照射することにより、封着材料層を軟化流動させて、セラミック基体とガラス基板を封着し、表２、３に記載の気密パッケージを得た。
各試料に対して、高温高湿高圧試験：ＨＡＳＴ試験（Ｈｉｇｈｌｙ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ Ｈｕｍｉｄｉｔｙ Ｓｔｒｅｓｓ ｔｅｓｔ）を行った後、セラミック基体とガラス基板について剥離の有無を観察し、剥離がなかったものを「○」、剥離が認められたものを「×」として、剥離性を評価した。なお、ＨＡＳＴ試験の条件は、１２１℃、湿度１００％、２ａｔｍ、２４時間である。
表２、３から明らかなように、試料Ｎｏ．１〜６は、セラミック基体側に封着材料層を形成した後、レーザー封着したため、剥離性の評価が良好であった。これは、封着材料層とセラミック基体が高い固着強度を有した状態でレーザー封着されたことを意味している。一方、試料Ｎｏ．７〜９は、ガラス基板側に封着材料層を形成した後、レーザー封着したため、剥離性の評価が不良であった。これは、レーザー封着による封着材料層の軟化流動が短時間であるため、封着材料層とセラミック基体が十分に反応せず、強い固着強度が得られなかったことを意味している。
本発明の気密パッケージは、圧電振動子パッケージに好適に適用可能であるが、それ以外にも、発光ダイオードを収容する気密パッケージ、耐熱性が低い量子ドットを分散させた樹脂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、２ 気密パッケージ
１０、２０ セラミック基体
１１、２２ 部材
１２、２４ 封着材料層
１３、２５ ガラス基板
１４、２６レーザー照射装置
２１ 枠部
２３ 枠部の頂部
Ｌ レーザー光
１０、２０ セラミック基体
１１、２２ 部材
１２、２４ 封着材料層
１３、２５ ガラス基板
１４、２６レーザー照射装置
２１ 枠部
２３ 枠部の頂部
Ｌ レーザー光
Claims (10)
- セラミック基体を用意すると共に、セラミック基体上に封着材料層を形成する工程と、
ガラス基板を用意すると共に、ガラス基板がセラミック基体上の封着材料層に接触するように、セラミック基体とガラス基板を配置する工程と、
レーザー光をガラス基板側から封着材料層に向けて照射し、封着材料層を介してセラミック基体とガラス基板を封着して、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。 - 基部と基部上に設けられた枠部とを有するセラミック基体を用い、枠部の頂部に封着材料層を形成することを特徴とする請求項１に記載の気密パッケージの製造方法。
- 枠部の頂部を研磨処理した後に、封着材料層を形成することを特徴とする請求項２に記載の気密パッケージの製造方法。
- 枠部の頂部の表面粗さＲａが０．５μｍ未満になるように、枠部の頂部を研磨処理することを特徴とする請求項２又は３に記載の気密パッケージの製造方法。
- 封着材料ペーストを塗布、焼成して、セラミック基体上に封着材料の焼結体からなる封着材料層を形成することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の気密パッケージの製造方法。
- ５５〜９５体積％のビスマス系ガラスと５〜４５体積％の耐火性フィラーを含有する封着材料を用いることを特徴とする請求項５に記載の気密パッケージの製造方法。
- 封着材料層の平均厚みを１０μｍ未満とすることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の気密パッケージの製造方法。
- セラミック基体と封着材料層の熱膨張係数の差を４５×１０−７／℃未満とし、且つ封着材料層とガラス基板の熱膨張係数の差を４５×１０−７／℃未満とすることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の気密パッケージの製造方法。
- グリーンシートの積層体を焼結して、セラミック基体を作製することを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の気密パッケージの製造方法。
- 請求項１〜９の何れかに記載の気密パッケージの製造方法により作製されてなることを特徴とする気密パッケージ。
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