JPWO2017203795A1 - 気密パッケージ及び気密パッケージの製造方法 - Google Patents
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Abstract
気密性及び放熱性に優れる、気密パッケージを提供する。
素子6を搭載して封止するための気密パッケージ1であって、素子6が搭載される底部2a及び底部2a上に配置された枠状の側壁部2bを有し、かつ窒化アルミニウムにより構成されている、容器2と、容器2の側壁部2bの上部に配置されており、容器2内を封止するためのガラス蓋3と、容器2の側壁部2bと、ガラス蓋3との間に配置されている、封着材料層4と、を備え、容器2の側壁部2bにおいて、封着材料層4が配置される領域の少なくとも一部に、容器2に含まれる成分の酸化物層5が設けられており、容器2の底部2aにおいて、素子6が搭載される領域に酸化物層5が設けられていない、気密パッケージ1。
素子6を搭載して封止するための気密パッケージ1であって、素子6が搭載される底部2a及び底部2a上に配置された枠状の側壁部2bを有し、かつ窒化アルミニウムにより構成されている、容器2と、容器2の側壁部2bの上部に配置されており、容器2内を封止するためのガラス蓋3と、容器2の側壁部2bと、ガラス蓋3との間に配置されている、封着材料層4と、を備え、容器2の側壁部2bにおいて、封着材料層4が配置される領域の少なくとも一部に、容器2に含まれる成分の酸化物層5が設けられており、容器2の底部2aにおいて、素子6が搭載される領域に酸化物層5が設けられていない、気密パッケージ1。
Description
本発明は、素子を搭載して封止するための気密パッケージ及び該気密パッケージの製造方法に関する。
従来、LEDなどの素子を搭載して封止するために、気密パッケージが用いられている。このような気密パッケージは、素子を搭載することができる容器と、容器内を封止するためのカバー部材が接合されることにより構成されている。
下記の特許文献1には、ガラスセラミックス基板と、カバーガラスとが、封着材料を介して接合されてなる気密パッケージが開示されている。特許文献1では、上記封着材料として、低融点の封着ガラスが用いられている。また、特許文献1における気密パッケージは、上記封着材料にレーザーを照射して軟化させ、ガラスセラミックス基板とカバーガラスとを接合することにより作製される。
また、下記の特許文献2には、窒化アルミニウムからなるセラミックス基板と、セラミックスキャップとが封着ガラスにより接合されてなる気密パッケージが開示されている。特許文献2では、セラミックス基板と封着ガラスの濡れ性を改善するために、セラミックス基板の表面全体を覆うように酸化物層が形成されている。上記酸化物層は、セラミックス基板に熱処理を施すことにより形成されている。
しかしながら、特許文献1のように、ガラスセラミックス基板を容器として用いる場合、素子から発生した熱を効率よく外部に放熱することが難しい。
他方、特許文献2のようにセラミックス基板の表面全体が酸化物層によって覆われている場合、素子などから発生した熱を十分に放熱できない場合があった。
本発明の目的は、気密性及び放熱性に優れる、気密パッケージを提供することにある。
本発明に係る気密パッケージは、素子を搭載して封止するための気密パッケージであって、前記素子が搭載される底部及び該底部上に配置された枠状の側壁部を有し、かつ窒化アルミニウムにより構成されている、容器と、前記容器の側壁部の上部に配置されており、前記容器内を封止するためのガラス蓋と、前記容器の側壁部と、前記ガラス蓋との間に配置されている、封着材料層と、を備え、前記容器の側壁部において、前記封着材料層が配置される領域の少なくとも一部に、前記容器に含まれる成分の酸化物層が設けられており、前記容器の底部において、前記素子が搭載される領域に前記酸化物層が設けられていないことを特徴としている。
本発明に係る気密パッケージは、好ましくは、前記酸化物層が、酸化アルミニウムを含む。
本発明に係る気密パッケージは、好ましくは、前記封着材料層が、ビスマス系ガラスを含む。
本発明に係る気密パッケージの製造方法は、本発明に従って構成される気密パッケージの製造方法であって、前記容器の側壁部において、前記封着材料層が配置される領域の少なくとも一部に大気圧プラズマを照射し、前記酸化物層を形成する工程と、前記容器の前記側壁部において、前記酸化物層が形成されている部分の上に、封着材料を介して前記ガラス蓋を配置し、レーザーを照射することにより前記封着材料を軟化させ、前記容器の側壁部及び前記ガラス蓋を接合させる工程と、を備える。
本発明に係る気密パッケージの製造方法では、前記酸化物層を形成する工程の前に、前記容器の底部に前記素子を搭載してもよい。
本発明に係る気密パッケージの製造方法では、前記レーザーの波長が、600nm〜1600nmであってもよい。
本発明に係る気密パッケージの製造方法では、前記封着材料が、ビスマス系ガラス粉末を含んでいることが好ましい。
本発明によれば、気密性及び放熱性に優れる、気密パッケージを提供することができる。
以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。
(気密パッケージ)
図1は、本発明の一実施形態に係る気密パッケージを示す模式的平面図である。図2は、図1のA−A線に沿う模式的断面図である。図1及び図2に示すように、気密パッケージ1は、容器2、ガラス蓋3及び封着材料層4を備える。気密パッケージ1内には、素子6が搭載され、封止されている。なお、素子6としては、深紫外線LEDや、MEMSなどを搭載することができる。
図1は、本発明の一実施形態に係る気密パッケージを示す模式的平面図である。図2は、図1のA−A線に沿う模式的断面図である。図1及び図2に示すように、気密パッケージ1は、容器2、ガラス蓋3及び封着材料層4を備える。気密パッケージ1内には、素子6が搭載され、封止されている。なお、素子6としては、深紫外線LEDや、MEMSなどを搭載することができる。
容器2は、窒化アルミニウムにより構成されている。容器2は、底部2a及び側壁部2bを有する。底部2aは、容器2において素子6が搭載される部分である。底部2a上に、枠状の側壁部2bが配置されている。また、側壁部2bの上面2b1上には、ガラス蓋3が配置されている。ガラス蓋3は、容器2内を封止するための部材である。なお、側壁部2bと、ガラス蓋3との間には、封着材料層4が設けられている。封着材料層4によって、側壁部2bと、ガラス蓋3とが、接合されている。なお、封着材料層4は、ビスマス系ガラスを含んでいる。もっとも、本発明において、封着材料層4は他のガラスを含んでいてもよく、特に限定されない。
本実施形態では、容器2の側壁部2bにおいて、封着材料層4が配置される領域に、容器2に含まれる成分の酸化物層5が設けられており、一方、容器2の底部2aの素子6が搭載される領域には、酸化物層5が設けられていない。
気密パッケージ1では、容器2の側壁部2bにおいて、封着材料層4が配置される領域に酸化物層5が設けられているので、気密性が高められている。また、容器2は、窒化アルミニウムにより構成されており、しかも素子6が搭載される領域に酸化物層5が設けられていないので、素子6から発生した熱を効率よく外部に放熱することができる。従って、気密パッケージ1は、気密性及び放熱性に優れている。
なお、酸化物層5を設けることにより、気密性が高められる理由については以下のようにして説明することができる。
気密パッケージ1のように、容器2が窒化アルミニウムにより構成される場合、窒化アルミニウムとガラスとの濡れ性が十分でないことから、容器2とガラス蓋3との接合強度が十分でなく、気密性を十分に高めることが難しい。また、ビスマス系ガラスは非常に低温で軟化するため、レーザー照射を用いた封着の場合に好ましいものであるが、焼成時に容器2を構成する窒化アルミニウム表層を酸化して窒素ガスを発生させやすいという性質を有している。そのため、封着材料層4中に発泡が生じ、容器2とガラス蓋3の接合強度が低下し、気密性が低下することが考えられる。
これに対して、本実施形態では、封着材料層4が配置される領域に酸化物層5が設けられているので、容器2と封着ガラスの濡れ性が改善される。また、酸化物層5が設けられることにより、ビスマス系ガラスが窒化アルミニウムと直接接触し難くなるので、窒素ガスの発生を抑制することができる。そのため、容器2とガラス蓋3との接合強度が低下し難く、気密性も低下し難い。よって、気密パッケージ1は、気密性に優れている。
なお、本実施形態では、封着材料層4が配置される領域の全てに酸化物層5が設けられているが、封着材料層4が配置される領域の少なくとも一部に酸化物層5が設けられていればよい。もっとも、気密性をより一層高める観点からは、本実施形態のように封着材料層4が配置される領域の全てに酸化物層5が設けられていることが好ましい。
また、容器2の表面において、素子6が搭載される領域以外の他の部分に酸化物層5が設けられていてもよい。もっとも、放熱性をより一層高める観点からは、封着材料層4が配置される領域のみに酸化物層5が設けられていることが好ましい。
以下、図3〜図6を参照して、気密パッケージ1の製造方法について説明する。
(気密パッケージの製造方法)
図3〜図6は、本発明の一実施形態に係る気密パッケージの製造方法を説明するための模式的断面図である。
図3〜図6は、本発明の一実施形態に係る気密パッケージの製造方法を説明するための模式的断面図である。
まず、図3に示すように、底部2a及び側壁部2bを有する容器2を用意する。
次に、容器2における側壁部2bの上面2b1に、大気圧下で発生させたプラズマである大気圧プラズマを照射し、図4に示す酸化物層5を形成する。この際、大気圧プラズマ処理は、容器2の側壁部2bにおいて、封着材料層4が配置される領域に酸化物層5が形成されるように行うものとする。また、容器2の底部2aにおいて、素子6が搭載される領域には酸化物層5が形成されないように行うものとする。例えば、酸化物層を形成したくない領域(素子が搭載される領域等)に予めマスキングすることで、所望する領域のみに酸化物層を形成することができる。なお、大気圧プラズマの照射は、素子6を搭載してから行ってもよい。
次に、図5に示すように、容器2の側壁部2bにおける酸化物層5上に、封着材料を印刷する。さらに封着材料の印刷後、乾燥、熱処理して封着材料を焼結させ、封着材料層4を形成する。なお、封着材料層4は、ガラス蓋3側に形成してもよく、或いは容器2及びガラス蓋3の両方に形成してもよい。
次に、容器2の底部2a上に、素子6を搭載する。
続いて、図6に示すように、側壁部2bの上面2b1上の封着材料層4が設けられている部分に、ガラス蓋3を配置する。なお、ガラス蓋3は、平面視において、封着材料層4が設けられている部分と少なくとも一部が重なるように配置すればよい。もっとも、ガラス蓋3は、平面視において、封着材料層4が設けられている部分と完全に重なるように配置することが好ましい。
次に、側壁部2bの上面2b1上に封着材料層4を介してガラス蓋3を配置した状態で、レーザー光源からレーザーを照射し、封着材料層4を軟化させ、容器2の側壁部2b及びガラス蓋3を接合させる。それによって、容器2の内部を気密封止して、図1及び図2に示す気密パッケージ1を得る。この方法によれば、封着材料層4のみを局所的に加熱することが可能であることから、深紫外線LEDや、MEMSなどの耐熱性の低い素子を劣化させることなくパッケージを気密封止することができる。上記レーザーとしては、例えば、波長が、600nm〜1600nmのレーザーを用いることができる。レーザーの照射方法については、以下、図7を参照して、より詳細に説明する。
図7は、本発明の一実施形態に係る気密パッケージの製造方法におけるレーザーの照射方法を説明するための模式的平面図である。
レーザーの照射に際しては、まず、レーザー光源7からレーザー8を始点9に照射する。続いて、矢印Bの方向に沿ってレーザーを走査して周回させる。周回させたレーザーは、始点9を超える位置まで照射する。それによって、容器2を封止する。本実施形態のように、レーザーの終点は、レーザーを周回させた後の始点9を超える位置であってもよいし、始点9と同じ位置であってもよい。
本実施形態の気密パッケージ1の製造方法では、容器2の側壁部2bにおいて、封着材料層4が配置される領域が大気圧プラズマにより処理されており、それによって酸化物層5が形成されているので、容器2とガラス蓋3との接合強度が高められている。また、酸化物層5が設けられることにより、容器2に含まれる窒化アルミニウムと封着材料が反応し難くなるので、窒素ガスの発生も抑制することができる。そのため、容器2とガラス蓋3の接合強度が低下し難く、気密性も低下し難い。また、容器2は、窒化アルミニウムにより構成されており、しかも素子6が搭載される領域に酸化物層5が設けられていないので、素子6から発生した熱を効率よく外部に放熱することができる。よって、本実施形態の製造方法により得られた気密パッケージ1は、気密性及び放熱性に優れている。
以下、本発明で用いられる各部材の詳細を説明する。
容器;
容器は、窒化アルミニウムにより構成されている。容器には、窒化アルミニウムを焼結する際の焼結助剤として、イットリウム化合物、タングステン化合物などが含まれていてもよい。
容器は、窒化アルミニウムにより構成されている。容器には、窒化アルミニウムを焼結する際の焼結助剤として、イットリウム化合物、タングステン化合物などが含まれていてもよい。
容器は、底部及び側壁部を有する。容器は、底部及び側壁部が一体成形されたものであってもよいし、底部及び側壁部がそれぞれ別々に成形されたものを接着剤などにより接合されたものであってもよい。
ガラス蓋;
ガラス蓋を構成するガラスとしては、例えば、SiO2−B2O3−RO(RはMg、Ca、SrまたはBa)系ガラス、SiO2−B2O3−R’2O(R’はLi、NaまたはKa)系ガラス、SiO2−B2O3−RO−R’2O(R’はLi、NaまたはKa)系ガラス、SnO−P2O5系ガラス、TeO2系ガラス又はBi2O3系ガラスなどを用いることができる。
ガラス蓋を構成するガラスとしては、例えば、SiO2−B2O3−RO(RはMg、Ca、SrまたはBa)系ガラス、SiO2−B2O3−R’2O(R’はLi、NaまたはKa)系ガラス、SiO2−B2O3−RO−R’2O(R’はLi、NaまたはKa)系ガラス、SnO−P2O5系ガラス、TeO2系ガラス又はBi2O3系ガラスなどを用いることができる。
封着材料層;
封着材料層を形成するための封着材料としては、Bi2O3系ガラス粉末、SnO−P2O5系ガラス粉末、V2O5−TeO2系ガラス粉末等の低融点の封着ガラスを含んでいることが好ましい。特に、レーザーを照射して封着する場合、封着材料をより一層短時間の加熱で軟化させる必要性と接合強度の点から、封着ガラスには、非常に軟化点の低いビスマス系ガラス粉末を用いることがより好ましい。また、封着材料には、低膨張耐火性フィラーや、レーザー吸収材などが含まれていてもよい。低膨張耐火性フィラーとしては、例えば、コーディエライト、ウイレマイト、アルミナ、リン酸ジルコニウム系化合物、ジルコン、ジルコニア、酸化スズ、石英ガラス、β−石英固溶体、β−ユークリプタイト、スポジュメンが挙げられる。また、レーザー吸収材としては、例えば、Fe、Mn、Cuなどから選ばれる少なくとも1種の金属または該金属を含む酸化物等の化合物が挙げられる。
封着材料層を形成するための封着材料としては、Bi2O3系ガラス粉末、SnO−P2O5系ガラス粉末、V2O5−TeO2系ガラス粉末等の低融点の封着ガラスを含んでいることが好ましい。特に、レーザーを照射して封着する場合、封着材料をより一層短時間の加熱で軟化させる必要性と接合強度の点から、封着ガラスには、非常に軟化点の低いビスマス系ガラス粉末を用いることがより好ましい。また、封着材料には、低膨張耐火性フィラーや、レーザー吸収材などが含まれていてもよい。低膨張耐火性フィラーとしては、例えば、コーディエライト、ウイレマイト、アルミナ、リン酸ジルコニウム系化合物、ジルコン、ジルコニア、酸化スズ、石英ガラス、β−石英固溶体、β−ユークリプタイト、スポジュメンが挙げられる。また、レーザー吸収材としては、例えば、Fe、Mn、Cuなどから選ばれる少なくとも1種の金属または該金属を含む酸化物等の化合物が挙げられる。
酸化物層;
酸化物層を構成する酸化物としては、例えば、酸化アルミニウムや、上述した焼結助剤の酸化物が挙げられる。焼結助剤の酸化物としては、例えば、酸化イットリウムや、酸化タングステンなどが挙げられる。
酸化物層を構成する酸化物としては、例えば、酸化アルミニウムや、上述した焼結助剤の酸化物が挙げられる。焼結助剤の酸化物としては、例えば、酸化イットリウムや、酸化タングステンなどが挙げられる。
なお酸化物層を形成する方法は、前述した大気圧プラズマを照射する方法に限られるものではない。酸化物層を形成する別の方法として、例えば窒化アルミニウム容器における側壁部の上部にレーザーを照射し加熱する手法が挙げられる。このときのレーザー光の波長は3000nm以上であることが好ましく、5000〜11000nmの範囲内であることがさらに好ましい。このような波長の範囲内とすることにより、効率良く窒化アルミニウム容器における側壁部の上部を加熱することができる。レーザー光を出射する光源としては、炭酸ガスレーザーが好ましく使用される。
また、窒化アルミニウム容器が黒色顔料を含んだ状態で焼結されている場合、波長が1600nm以下のレーザー光により前記容器における側壁部の上部を加熱し酸化物層を形成することができる。この場合、封着材料層を加熱する波長600nm〜1600nmのレーザー光を使用することができるため、効率良く生産することができる。
以下、本発明について、具体的な実施例に基づいて、さらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。
(実施例1)
まず、底部及び側壁部を有し、窒化アルミニウムにより構成されている容器を用意した。続いて、容器における側壁部に、窒素ガス雰囲気下で大気圧プラズマを24時間照射し、酸化物層を形成した。なお、大気圧プラズマの出力は45Wとし、照射範囲は直径0.5mmの範囲とした。また、大気圧プラズマは、容器の側壁部の上面において、封着材料層を形成する領域にのみ照射した。また、エネルギー分散型X線分光器(EDS)により、得られた酸化物層には、酸化アルミニウムや、容器を構成する窒化アルミニウムの焼結助剤であるイットリウムやタングステンの酸化物が含まれていることを確認した。
まず、底部及び側壁部を有し、窒化アルミニウムにより構成されている容器を用意した。続いて、容器における側壁部に、窒素ガス雰囲気下で大気圧プラズマを24時間照射し、酸化物層を形成した。なお、大気圧プラズマの出力は45Wとし、照射範囲は直径0.5mmの範囲とした。また、大気圧プラズマは、容器の側壁部の上面において、封着材料層を形成する領域にのみ照射した。また、エネルギー分散型X線分光器(EDS)により、得られた酸化物層には、酸化アルミニウムや、容器を構成する窒化アルミニウムの焼結助剤であるイットリウムやタングステンの酸化物が含まれていることを確認した。
次に、容器の側壁部における酸化物層上に、封着材料を印刷した。印刷後、乾燥、熱処理して封着材料を焼結させ、封着材料層を形成した。封着材料は、ガラス粉末、低膨張耐火性フィラー粉末及びレーザー吸収材の混合粉末を使用した。なお、混合粉末の具体的な組成を、下記の表1に示す。
次に、用意した容器の底部上に、素子としての深紫外線LEDを搭載した。
次に、容器における側壁部において、封着材料が設けられている部分に、ガラス蓋を配置した。続いて、容器における側壁部において、封着材料を介してガラス蓋を配置した状態で、レーザー光源からレーザーを照射し、封着材料を軟化させ、容器の側壁部及びガラス蓋を接合させた。それによって、容器の内部を封止し、気密パッケージを得た。
(比較例1)
大気圧プラズマを照射せず、酸化物層を形成しなかったこと以外は、実施例1と同様にして気密パッケージを得た。
大気圧プラズマを照射せず、酸化物層を形成しなかったこと以外は、実施例1と同様にして気密パッケージを得た。
(評価)
実施例1及び比較例1で得られた気密パッケージについて、実体顕微鏡を用いて気泡の有無を観察した。
実施例1及び比較例1で得られた気密パッケージについて、実体顕微鏡を用いて気泡の有無を観察した。
図8は、実施例1で得られた気密パッケージにおいて、封着材料層が設けられている部分の倍率50倍における実体顕微鏡写真である。また、図9は、比較例1で得られた気密パッケージにおいて、封着材料層が設けられている部分の倍率50倍における実体顕微鏡写真である。なお、図8及び図9において、白色で示す部分が封着材料層が設けられている領域である。図8及び図9より、封着材料層が設けられている領域において、比較例1では多数の気泡が観察されたのに対し、実施例1では気泡の発生が抑制されていることがわかる。そのため、実施例1の気密パッケージでは、容器とガラス蓋との接合強度が低下することなく、高い気密性を有していた。他方、比較例1の気密パッケージでは、容器の側壁部とガラス蓋との接合強度が低下し、十分な気密性が得られなかった。
1…気密パッケージ
2…容器
2a…底部
2b…側壁部
2b1…上面
3…ガラス蓋
4…封着材料層
5…酸化物層
6…素子
7…レーザー光源
8…レーザー
9…始点
2…容器
2a…底部
2b…側壁部
2b1…上面
3…ガラス蓋
4…封着材料層
5…酸化物層
6…素子
7…レーザー光源
8…レーザー
9…始点
Claims (7)
- 素子を搭載して封止するための気密パッケージであって、
前記素子が搭載される底部及び該底部上に配置された枠状の側壁部を有し、かつ窒化アルミニウムにより構成されている、容器と、
前記容器の側壁部の上部に配置されており、前記容器内を封止するためのガラス蓋と、
前記容器の側壁部と、前記ガラス蓋との間に配置されている、封着材料層と、
を備え、
前記容器の側壁部において、前記封着材料層が配置される領域の少なくとも一部に、前記容器に含まれる成分の酸化物層が設けられており、
前記容器の底部において、前記素子が搭載される領域に前記酸化物層が設けられていない、気密パッケージ。 - 前記酸化物層が、酸化アルミニウムを含む、請求項1に記載の気密パッケージ。
- 前記封着材料層が、ビスマス系ガラスを含む、請求項1又は2に記載の気密パッケージ。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の気密パッケージの製造方法であって、
前記容器の側壁部において、前記封着材料層が配置される領域の少なくとも一部に大気圧プラズマを照射し、前記酸化物層を形成する工程と、
前記容器の側壁部において、前記酸化物層が形成されている部分の上に、封着材料を介して前記ガラス蓋を配置し、レーザーを照射することにより前記封着材料を軟化させ、前記容器の側壁部及び前記ガラス蓋を接合させる工程と、
を備える、気密パッケージの製造方法。 - 前記酸化物層を形成する工程の前に、前記容器の底部に前記素子を搭載する、請求項4に記載の気密パッケージの製造方法。
- 前記レーザーの波長が、600nm〜1600nmである、請求項4又は5に記載の気密パッケージの製造方法。
- 前記封着材料が、ビスマス系ガラス粉末を含む、請求項4〜6のいずれか1項に記載の気密パッケージの製造方法。
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-
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