KR20190134595A - 커버 유리 및 이것을 사용한 기밀 패키지 - Google Patents

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KR20190134595A
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마사유키 히로세
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니폰 덴키 가라스 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 커버 유리는 한쪽의 표면 상에 봉착 재료층을 갖는 커버 유리로서, 봉착 재료층에 공극이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

커버 유리 및 이것을 사용한 기밀 패키지
본 발명은 커버 유리 및 이것을 사용한 기밀 패키지에 관한 것이고, 구체적으로는 소정 형상의 봉착 재료층을 갖는 커버 유리 및 이것을 사용한 기밀 패키지에 관한 것이다.
기밀 패키지는 일반적으로 패키지 기체와, 광 투과성을 갖는 커버 유리와, 그들의 내부에 수용되는 내부 소자를 구비하고 있다.
기밀 패키지의 내부에 실장되는 MEMS(미소 전기 기계 시스템) 소자 등의 내부 소자는 주위 환경으로부터 침입하는 수분에 의해 열화될 우려가 있다. 종래까지 패키지 기체와 커버 유리를 일체화하기 위해서 저온 경화성을 갖는 유기 수지계 접착제가 사용되고 있었다. 그러나, 유기 수지계 접착제는 수분이나 기체를 완전히 차폐할 수 없기 때문에 내부 소자를 경시적으로 열화시킬 우려가 있다.
한편, 유리 분말과 내화성 필러 분말을 포함하는 복합 분말을 봉착 재료에 사용하면 봉착 부분이 주위 환경의 수분에 의해 열화되기 어려워져 기밀 패키지의 기밀 신뢰성을 확보하기 쉬워진다.
그러나, 유리 분말은 유기 수지계 접착제보다도 연화 온도가 높기 때문에 봉착 시에 내부 소자를 열 열화시킬 우려가 있다. 이러한 사정으로부터 최근 레이저 봉착이 주목받고 있다.
레이저 봉착에서는 일반적으로 근적외역의 파장을 갖는 레이저(이하, 근적외 레이저)가 봉착 재료층에 조사된 후, 봉착 재료층이 연화 변형되어 커버 유리와 패키지 기체가 기밀 일체화된다. 레이저 봉착에서는 봉착해야 할 부분만을 국소적으로 가열하는 것이 가능하며, 내부 소자를 열 열화시키는 일 없이 패키지 기체와 커버 유리를 기밀 일체화할 수 있다.
일본특허공개 2014-12634호 공보
봉착 재료층의 근적외광의 흡수능은 레이저 봉착 효율을 높이기 위해서 커버 유리의 근적외광의 흡수능보다도 높게 되어 있다. 그리고, 봉착 재료층은 레이저 봉착 시에 근적외 레이저에 의해 직접 가열되지만, 커버 유리는 근적외광을 거의 흡수하지 않기 때문에 근적외 레이저에 의해 직접 가열되지 않는다. 즉, 커버 유리의 표면 내에 있어서 봉착 재료층이 형성되어 있는 영역은 레이저 봉착 시에 국소 가열되지만, 봉착 재료층이 형성되어 있지 않은 영역은 국소 가열되지 않는다.
이 국소 가열의 유무에 기인하여 커버 유리의 봉착 재료층이 형성되어 있는 영역과 봉착 재료층이 형성되어 있지 않은 영역 사이에 팽창/수축차가 생겨 커버 유리의 면 내에 열 변형이 발생한다. 이 열 변형은 커버 유리를 파손시키는 경우가 많아 기밀 신뢰성을 확보함에 있어서 큰 문제가 된다.
이 문제에 대하여 봉착 재료층의 폭을 넓히면 열 변형을 완화할 수 있지만, 봉착 재료층의 폭이 지나치게 크면 봉착 재료층의 폭방향의 중앙부와 끝 가장자리부에서 온도차가 커지고, 열 변형의 편재화가 생겨 기밀 신뢰성이 저하할 우려가 있다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 그 기술적 과제는 레이저 봉착 시에 커버 유리의 열 변형을 저감할 수 있는 커버 유리 및 이것을 사용한 기밀 패키지를 제공하는 것이다.
본 발명자는 여러가지 실험을 반복한 결과, 봉착 재료층에 공극을 형성함으로써 상기 기술적 과제를 해결할 수 있는 것을 찾아내고, 본 발명으로서 제안하는 것이다. 즉, 본 발명의 커버 유리는 한쪽의 표면 상에 봉착 재료층을 갖는 커버 유리로서, 봉착 재료층에 공극이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 여기서, 「공극」이란 봉착 재료층 내에 형성되어 평면에서 볼 때 외부와 연통하고 있지 않은 봉착 재료층의 미형성 부분을 말한다.
본 발명의 커버 유리는 봉착 재료층에 공극이 형성되어 있다. 이것에 의해 레이저 봉착 시에 봉착 재료층의 폭방향의 중앙부와 끝 가장자리부에서 온도 구배가 완화되기 때문에 커버 유리의 면 내에 팽창/수축차가 생기기 어려워져서 커버 유리의 면 내에 열 변형이 발생하기 어려워지고, 결과로서 커버 유리가 파손되기 어려워진다.
또한, 본 발명의 커버 유리는 봉착 재료층의 공극의 폭이 봉착 재료층의 평균폭의 2~60%인 것이 바람직하다. 여기서, 「공극의 폭」은 봉착 재료층의 폭방향에 있어서의 공극의 길이 치수를 가리킨다. 「봉착 재료층의 평균폭」은 공극이 없다고 가정했을 경우의 봉착 재료층의 평균폭을 가리킨다.
또한, 본 발명의 커버 유리는 공극이 봉착 재료층의 중심선을 따라 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 커버 유리는 봉착 재료층이 커버 유리의 외주단 가장자리를 따라 액자 형상으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 커버 유리는 봉착 재료층의 평균 두께가 8.0㎛ 미만인 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 레이저 봉착 후의 기밀 패키지 내에서의 잔류 응력이 작아지기 때문에 기밀 패키지의 기밀 신뢰성을 높일 수 있다.
도 1(a)는 본 발명의 커버 유리의 일례를 설명하기 위한 상방 개략도이다. 도 1(a)로부터 알 수 있는 바와 같이, 커버 유리(11)의 한쪽의 표면에는 봉착 재료층(15)이 커버 유리(11)의 외주단 가장자리를 따라 액자 형상으로 형성되어 있다. 그리고, 봉착 재료층(15)에는 봉착 재료층(15)의 폭방향의 중심선을 따라 선 형상의 공극(G)이 전체 둘레에 걸쳐 형성되어 있고, 그 공극(G)의 폭은 봉착 재료층(15)의 평균폭의 약 10%로 되어 있다(도면 중에서는 공극(G)의 폭이 과장되어서 도시되어 있음). 도 1(b)는 본 발명의 커버 유리의 일례를 설명하기 위한 상방 개략도이다. 도 1(b)로부터 알 수 있는 바와 같이, 커버 유리(11)의 한쪽의 표면에는 봉착 재료층(15)이 커버 유리(11)의 외주단 가장자리를 따라 액자 형상으로 형성되어 있다. 그리고, 봉착 재료층(15)에는 봉착 재료층(15)의 폭방향의 중심선을 따라 진원 형상의 공극(G)이 일정 간격으로 연속적으로 형성되어 있고, 그 공극(G)의 폭은 봉착 재료층(15)의 평균폭의 약 15%로 되어 있다(도면 중에서는 공극(G)의 폭이 과장되어서 도시되어 있음).
본 발명의 기밀 패키지는 패키지 기체와 커버 유리를 갖는 기밀 패키지에 있어서, 패키지 기체와 커버 유리 사이에 봉착 재료층이 배치되어 있고, 당해 봉착 재료층에 공극이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 기밀 패키지는 봉착 재료층의 공극의 폭이 봉착 재료층의 평균폭의 2~60%인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 기밀 패키지는 패키지 기체가 기부와 기부 상에 설치된 프레임부를 갖고, 패키지 기체의 프레임부 내에 내부 소자가 수용되어 있으며, 패키지 기체의 프레임부의 정상부와 커버 유리 사이에 봉착 재료층이 배치되어 있는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 기밀 패키지 내의 공간에 내부 소자를 수용하기 쉬워진다.
또한, 본 발명의 기밀 패키지는 패키지 기체가 유리, 유리 세라믹, 질화알루미늄, 산화알루미늄 중 어느 하나, 또는 이들의 복합 재료인 것이 바람직하다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명을 설명한다. 도 2는 본 발명의 일실시형태를 설명하기 위한 개략 단면도이다. 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 기밀 패키지(1)는 패키지 기체(10)와 커버 유리(11)를 구비하고 있다. 또한, 패키지 기체(10)는 기부(12)와, 기부(12)의 외주단 가장자리를 따라 액자 형상의 프레임부(13)를 갖고 있다. 그리고, 패키지 기체(10)의 프레임부(13) 내에는 내부 소자(14)가 수용되어 있다. 또한, 패키지 기체(10) 내에는 내부 소자(14)와 외부를 전기적으로 접속하는 전기 배선(도시되어 있지 않음)이 형성되어 있다.
봉착 재료층(15)은 봉착 재료층의 폭방향의 중심선을 따라 공극이 전체 둘레에 걸쳐 형성되어 있고, 그 공극의 폭은 봉착 재료층의 평균폭의 약 8%로 되어 있다. 또한, 봉착 재료층(15)의 평균 두께는 8.0㎛ 미만으로 되어 있다. 그리고, 봉착 재료층(15)은 패키지 기체(10)의 프레임부(13)의 정상부와 커버 유리(11)의 내부 소자(14)측의 표면 사이에 프레임부(13)의 정상부의 전체 둘레에 걸쳐 배치되어 있다. 또한, 봉착 재료층(15)은 비스무트계 유리와 내화성 필러 분말을 포함하고 있지만, 실질적으로 레이저 흡수재를 포함하고 있지 않다. 그리고, 봉착 재료층(15)의 폭은 패키지 기체(10)의 프레임부(13)의 정상부의 폭보다도 작고, 또한 커버 유리(11)의 끝 가장자리로부터 이간되어 있다.
또한, 상기 기밀 패키지(1)는 다음과 같이 해서 제작할 수 있다. 우선 봉착 재료층(15)과 프레임부(13)의 정상부가 접하도록 봉착 재료층(15)이 미리 형성된 커버 유리(11)를 패키지 기체(10) 상에 적재한다. 계속해서, 커버 유리(11)측으로부터 봉착 재료층(15)을 따라 레이저 조사 장치로부터 출사한 레이저광(L)을 조사한다. 이것에 의해 봉착 재료층(15)이 연화 유동하여 패키지 기체(10)의 프레임부(13)의 정상부의 표층과 반응함으로써 패키지 기체(10)와 커버 유리(11)가 기밀 일체화되어서 기밀 패키지(1)의 기밀 구조가 형성된다.
도 1은 본 발명의 커버 유리의 일례를 설명하기 위한 상방 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시형태를 설명하기 위한 개략 단면도이다.
도 3은 매크로형 DTA 장치로 측정했을 때의 복합 분말의 연화점을 나타내는 모식도이다.
본 발명의 커버 유리는 한쪽의 표면 상에 봉착 재료층을 갖는다. 봉착 재료층은 레이저 봉착 시에 연화 변형되어 패키지 기체의 표층에 반응층을 형성하고, 패키지 기체와 커버 유리를 기밀 일체화하는 기능을 갖고 있다.
봉착 재료층에는 공극이 형성되어 있고, 그 공극의 폭은 봉착 재료층의 평균폭의 2~60%가 바람직하고, 3~40%, 4~30%, 특히 5~20%가 바람직하다. 공극의 폭이 봉착 재료층의 평균폭에 비해 지나치게 작으면 봉착 재료층의 폭방향의 중앙 영역과 끝 가장자리부에서 온도차가 커지고, 열 변형의 편재화가 생겨 기밀 신뢰성이 저하할 우려가 있다. 한편, 공극의 폭이 봉착 재료층의 평균폭에 비해 지나치게 크면 레이저 봉착 강도나 레이저 봉착 정밀도가 저하하여 기밀 신뢰성이 저하할 우려가 있다.
공극의 평균폭은 바람직하게는 10~800㎛, 보다 바람직하게는 20~300㎛, 특히 바람직하게는 30~200㎛이다. 공극의 평균폭이 지나치게 작으면 봉착 재료층의 폭방향의 중앙 영역과 끝 가장자리부에서 온도차가 커지고, 열 변형의 편재화가 생겨 기밀 신뢰성이 저하할 우려가 있다. 한편, 공극의 평균폭이 지나치게 크면 레이저 봉착 강도나 레이저 봉착 정밀도가 저하하여 기밀 신뢰성이 저하할 우려가 있다.
공극의 형상은 특별히 한정되지 않지만, 봉착 재료층의 폭방향의 중앙 영역과 끝 가장자리부의 온도차를 저감하는 관점으로부터 봉착 재료층의 폭방향의 중심선을 따라 선 형상의 공극이 봉착 재료층의 전부에 걸쳐 형성되어 있는 것이 바람직하고, 봉착 재료층의 폭방향의 중심선을 따라 진원 형상의 공극이 일정 간격으로 연속적으로 형성되어 있는 것도 바람직하다. 특히, 봉착 재료층의 폭방향의 중심선을 따라 선 형상의 공극이 봉착 재료층의 전부에 걸쳐 형성되어 있는 것이 바람직하다.
봉착 재료층의 평균폭은 바람직하게는 100~3000㎛, 보다 바람직하게는 300~2000㎛, 특히 바람직하게는 500~1500㎛이다. 봉착 재료층의 평균폭이 지나치게 작으면 레이저 봉착 강도나 레이저 봉착 정밀도가 저하하여 기밀 신뢰성이 저하할 우려가 있다. 한편, 봉착 재료층의 평균폭이 지나치게 크면 봉착 재료층의 폭방향의 중앙 영역과 끝 가장자리부에서 온도차가 커지고, 열 변형의 편재화가 생겨 기밀 신뢰성이 저하할 우려가 있다.
봉착 재료층은 적어도 유리 분말과 내화성 필러 분말을 포함하는 복합 분말의 소결체가 바람직하다. 이렇게 하면, 봉착 재료층의 표면 평활성을 높일 수 있다. 결과로서, 레이저 봉착 시에 커버 유리의 열 변형이 저감됨과 아울러 기밀 패키지의 기밀 신뢰성을 높일 수 있다. 유리 분말은 레이저 봉착 시에 연화 변형되어 패키지 기체와 커버 유리를 기밀 일체화하는 성분이다. 내화성 필러 분말은 골재로서 작용하고, 봉착 재료층의 열 팽창계수를 저하시키면서 기계적 강도를 높이는 성분이다. 또한, 봉착 재료층에는 유리 분말과 내화성 필러 분말 이외에도 광 흡수 특성을 높이기 위해서 레이저 흡수재를 포함하고 있어도 좋다.
복합 분말로서 여러가지 재료가 사용가능하다. 그 중에서도 레이저 봉착 강도를 높이는 관점으로부터 비스무트계 유리 분말과 내화성 필러 분말을 포함하는 복합 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 복합 분말로서 55~95체적%의 비스무트계 유리 분말과 5~45체적%의 내화성 필러 분말을 함유하는 복합 분말을 사용하는 것이 바람직하고, 60~85체적%의 비스무트계 유리 분말과 15~40체적%의 내화성 필러 분말을 함유하는 복합 분말을 사용하는 것이 더욱 바람직하고, 60~80체적%의 비스무트계 유리 분말과 20~40체적%의 내화성 필러 분말을 함유하는 복합 분말을 사용하는 것이 특히 바람직하다. 내화성 필러 분말을 첨가하면 봉착 재료층의 열 팽창계수가 커버 유리와 패키지 기체의 열 팽창계수에 정합하기 쉬워진다. 그 결과, 레이저 봉착 후에 봉착 부분에 부당한 응력이 잔류하는 사태를 방지하기 쉬워진다. 한편, 내화성 필러 분말의 함유량이 지나치게 많으면 비스무트계 유리 분말의 함유량이 상대적으로 적어지기 때문에 봉착 재료층의 표면 평활성이 저하하여 레이저 봉착 정밀도가 저하하기 쉬워진다.
복합 분말의 연화점은 바람직하게는 510℃ 이하, 480℃ 이하, 특히 450℃ 이하이다. 복합 분말의 연화점이 지나치게 높으면 봉착 재료층의 표면 평활성을 높이기 어려워진다. 복합 분말의 연화점의 하한은 특별히 설정되지 않지만, 유리 분말의 열적 안정성을 고려하면 복합 분말의 연화점은 350℃ 이상이 바람직하다. 여기서, 「연화점」은 매크로형 DTA 장치로 측정했을 때의 제 4 변곡점이며, 도 3 중의 Ts에 상당한다.
비스무트계 유리는 유리 조성으로서 몰%로 Bi2O3 28~60%, B2O3 15~37%, ZnO 0~30%, CuO+MnO 15~40%를 함유하는 것이 바람직하다. 각 성분의 함유 범위를 상기와 같이 한정한 이유를 이하에 설명한다. 또한, 유리 조성 범위의 설명에 있어서 %표시는 몰%를 가리킨다.
Bi2O3는 연화점을 저하시키기 위한 주요 성분이다. Bi2O3의 함유량은 바람직하게는 28~60%, 33~55%, 특히 35~45%이다. Bi2O3의 함유량이 지나치게 적으면 연화점이 지나치게 높아져서 연화 유동성이 저하하기 쉬워진다. 한편, Bi2O3의 함유량이 지나치게 많으면 레이저 봉착 시에 유리가 실투되기 쉬워지고, 이 실투에 기인하여 연화 유동성이 저하하기 쉬워진다.
B2O3는 유리 형성 성분으로서 필수 성분이다. B2O3의 함유량은 바람직하게는 15~37%, 19~33%, 특히 22~30%이다. B2O3의 함유량이 지나치게 적으면 유리 네트워크가 형성되기 어려워지기 때문에 레이저 봉착 시에 유리가 실투되기 쉬워진다. 한편, B2O3의 함유량이 지나치게 많으면 유리의 점성이 높아져 연화 유동성이 저하하기 쉬워진다.
ZnO는 내실투성을 높이는 성분이다. ZnO의 함유량은 바람직하게는 0~30%, 3~25%, 5~22%, 특히 5~20%이다. ZnO의 함유량이 지나치게 많으면 유리 조성의 성분 밸런스가 무너져서 오히려 내실투성이 저하하기 쉬워진다.
CuO와 MnO는 레이저 흡수능을 대폭 높이는 성분이다. CuO와 MnO의 합량은 바람직하게는 15~40%, 20~35%, 특히 25~30%이다. CuO와 MnO의 합량이 지나치게 적으면 레이저 흡수능이 저하하기 쉬워진다. 한편, CuO와 MnO의 합량이 지나치게 많으면 연화점이 지나치게 높아져서 레이저광을 조사해도 유리가 연화 유동하기 어려워진다. 또한, 유리가 열적으로 불안정해져 레이저 봉착 시에 유리가 실투되기 쉬워진다. 또한, CuO의 함유량은 바람직하게는 8~30%, 특히 13~25%이다. MnO의 함유량은 바람직하게는 0~25%, 3~25%, 특히 5~15%이다.
상기 성분 이외에도 예를 들면, 이하의 성분을 첨가해도 좋다.
SiO2는 내수성을 높이는 성분이다. SiO2의 함유량은 바람직하게는 0~5%, 0~3%, 0~2%, 특히 0~1%이다. SiO2의 함유량이 지나치게 많으면 연화점이 부당하게 상승할 우려가 있다. 또한, 레이저 봉착 시에 유리가 실투퇴기 쉬워진다.
Al2O3는 내수성을 높이는 성분이다. Al2O3의 함유량은 0~10%, 0.1~5%, 특히 0.5~3%가 바람직하다. Al2O3의 함유량이 지나치게 많으면 연화점이 부당하게 상승할 우려가 있다.
Li2O, Na2O 및 K2O는 내실투성을 저하시키는 성분이다. 따라서, Li2O, Na2O 및 K2O의 함유량은 각각 0~5%, 0~3%, 특히 0~1% 미만이 바람직하다.
MgO, CaO, SrO 및 BaO는 내실투성을 높이는 성분이지만, 연화점을 상승시키는 성분이다. 따라서, MgO, CaO, SrO 및 BaO의 함유량은 각각 0~20%, 0~10%, 특히 0~5%가 바람직하다.
Fe2O3는 내실투성과 레이저 흡수능을 높이는 성분이다. Fe2O3의 함유량은 바람직하게는 0~10%, 0.1~5%, 특히 0.4~2%이다. Fe2O3의 함유량이 지나치게 많으면 유리 조성의 성분 밸런스가 무너져서 오히려 내실투성이 저하하기 쉬워진다.
Sb2O3는 내실투성을 높이는 성분이다. Sb2O3의 함유량은 바람직하게는 0~5%, 특히 0~2%이다. Sb2O3의 함유량이 지나치게 많으면 유리 조성의 성분 밸런스가 무너져서 오히려 내실투성이 저하하기 쉬워진다.
유리 분말의 평균 입경 D50은 바람직하게는 15㎛ 미만, 0.5~10㎛, 특히 1~5㎛이다. 유리 분말의 평균 입경 D50이 작을수록 유리 분말의 연화점이 저하한다. 여기서, 「평균 입경 D50」은 레이저 회절법에 의해 체적 기준으로 측정한 값을 가리킨다.
내화성 필러 분말로서 코디에라이트, 지르콘, 산화주석, 산화니오브, 인산지르코늄계 세라믹, 윌레마이트, β-유크립타이트, β-석영 고용체로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상이 바람직하고, 특히 β-유크립타이트 또는 코디에라이트가 바람직하다. 이들의 내화성 필러 분말은 열 팽창계수가 낮은 것에 추가하여 기계적 강도가 높고, 게다가 비스무트계 유리와의 적합성이 양호하다.
내화성 필러 분말의 평균 입경 D50은 바람직하게는 2㎛ 미만, 특히 0.1㎛ 이상, 또한 1.5㎛ 미만이다. 내화성 필러 분말의 평균 입경 D50이 지나치게 크면 봉착 재료층의 표면 평활성이 저하하기 쉬워짐과 아울러 봉착 재료층의 평균 두께가 커지기 쉽고, 결과로서 레이저 봉착 정밀도가 저하하기 쉬워진다.
내화성 필러 분말의 99% 입경 D99는 바람직하게는 5㎛ 미만, 4㎛ 이하, 특히 0.3㎛ 이상, 또한 3㎛ 이하이다. 내화성 필러 분말의 99% 입경 D99가 지나치게 크면 봉착 재료층의 표면 평활성이 저하하기 쉬워짐과 아울러 봉착 재료층의 평균 두께가 커지기 쉽고, 결과로서, 레이저 봉착 정밀도가 저하하기 쉬워진다. 여기서, 「99% 입경 D99」는 레이저 회절법에 의해 체적 기준으로 측정한 값을 가리킨다.
봉착 재료층은 광 흡수 특성을 높이기 위해서 레이저 흡수재를 더 포함해도 좋지만, 레이저 흡수재는 비스무트계 유리의 실투를 조장하는 작용을 갖는다. 따라서, 봉착 재료층 중의 레이저 흡수재의 함유량은 바람직하게는 10체적% 이하, 5체적% 이하, 1체적% 이하, 0.5체적% 이하, 특히 실질적으로 함유하지 않는 것이 바람직하다. 비스무트계 유리의 내실투성이 양호한 경우는 레이저 흡수능을 높이기 위해서 레이저 흡수재를 1체적% 이상, 특히 3체적% 이상 도입해도 좋다. 또한, 레이저 흡수재로서 Cu계 산화물, Fe계 산화물, Cr계 산화물, Mn계 산화물 및 이들의 스피넬형 복합 산화물 등이 사용가능하다.
봉착 재료층의 열 팽창계수는 바람직하게는 55×10-7~100×10-7/℃, 60×10-7~82×10-7/℃, 특히 65×10-7~76×10-7/℃이다. 이렇게 하면, 봉착 재료층의 열 팽창계수가 커버 유리나 패키지 기체의 열 팽창계수에 정합하여 봉착 부분에 잔류하는 응력이 작아진다. 또한, 「열 팽창계수」는 30~300℃의 온도 범위에 있어서 TMA(압봉식 열 팽창계수 측정) 장치로 측정한 값이다.
봉착 재료층의 평균 두께는 바람직하게는 8.0㎛ 미만, 특히 1.0㎛ 이상, 또한 6.0㎛ 미만이다. 봉착 재료층의 평균 두께가 작을수록 봉착 재료층과 커버 유리의 열 팽창계수가 부정합일 때에 레이저 봉착 후에 봉착 부분에 잔류하는 응력을 저감할 수 있다. 또한, 레이저 봉착 정밀도를 높일 수도 있다. 또한, 상기와 같이 봉착 재료층의 평균 두께를 규제하는 방법으로서는 복합 분말 페이스트를 얇게 도포하는 방법, 봉착 재료층의 표면을 연마 처리하는 방법을 들 수 있다.
봉착 재료층의 파장 808nm의 단색광에서의 광 흡수율은 바람직하게는 60% 이상, 특히 70% 이상이다. 이 광 흡수율이 낮으면, 레이저 봉착 시의 레이저 출력을 높이지 않으면 봉착 재료층이 연화 변형되지 않게 된다. 결과로서, 커버 유리에 부당한 열 변형이 발생할 우려가 생기고, 내부 소자가 열 손상될 우려도 생긴다. 여기서, 「파장 808nm의 단색광에서의 광 흡수율」은 봉착 재료층의 두께방향의 반사율과 투과율을 분광 광도계로 측정하고, 그 합계값을 100%로부터 감한 값을 가리킨다.
봉착 재료층의 표면 거칠기 Ra는 바람직하게는 0.5㎛ 미만, 0.2㎛ 이하, 특히 0.01~0.15㎛이다. 또한, 봉착 재료층의 표면 거칠기 RMS는 바람직하게는 1.0㎛ 미만, 0.5㎛ 이하, 특히 0.05~0.3㎛이다. 이렇게 하면, 패키지 기체와 봉착 재료층의 밀착성이 향상되고, 레이저 봉착 정밀도가 향상된다. 여기서, 「표면 거칠기 Ra」와 「표면 거칠기 RMS」는 예를 들면, 촉침식 또는 비접촉식의 레이저 막 두께계나 표면 거칠기계에 의해 측정할 수 있다. 또한, 상기와 같이 봉착 재료층의 표면 거칠기 Ra, RMS를 규제하는 방법으로서는 봉착 재료층의 표면을 연마 처리하는 방법, 내화성 필러 분말의 입도를 작게 하는 방법을 들 수 있다.
봉착 재료층은 여러가지 방법에 의해 형성가능하지만, 그 중에서도 복합 분말 페이스트의 도포, 소결에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 그리고, 복합 분말 페이스트의 도포는 디스펜서나 스크린 인쇄기 등의 도포기를 사용하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 봉착 재료층의 치수 정밀도를 높일 수 있다. 여기서, 복합 분말 페이스트는 복합 분말과 비히클의 혼합물이다. 그리고, 비히클은 통상 용매와 수지를 포함한다. 수지는 페이스트의 점성을 조정하는 목적으로 첨가된다. 또한, 필요에 따라 계면활성제, 증점제 등을 첨가할 수도 있다.
복합 분말 페이스트는 통상 3개 롤러 등에 의해 복합 분말과 비히클을 혼련함으로써 제작된다. 비히클은 통상 수지와 용제를 포함한다. 비히클에 사용하는 수지로서 아크릴산에스테르(아크릴 수지), 에틸셀룰로오스, 폴리에틸렌글리콜 유도체, 니트로셀룰로오스, 폴리메틸스티렌, 폴리에틸렌카보네이트, 폴리프로필렌카보네이트, 메타크릴산에스테르 등이 사용가능하다. 비히클에 사용하는 용제로서 N,N'-디메틸포름아미드(DMF), α-테르피네올, 고급 알코올, γ-부틸락톤(γ-BL), 테트랄린, 부틸카르비톨아세테이트, 아세트산에틸, 아세트산이소아밀, 디에틸렌글리콜모노에틸에테르, 디에틸렌글리콜모노에틸에테르아세테이트, 벤질알코올, 톨루엔, 3-메톡시-3-메틸부탄올, 트리에틸렌글리콜모노메틸에테르, 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 디프로필렌글리콜모노메틸에테르, 디프로필렌글리콜모노부틸에테르, 트리프로필렌글리콜모노메틸에테르, 트리프로필렌글리콜모노부틸에테르, 프로필렌 카보네이트, 디메틸술폭시드(DMSO), N-메틸-2-피롤리돈 등이 사용가능하다.
복합 분말 페이스트는 패키지 기체 상, 특히 패키지 기체의 프레임부의 정상부 상에 도포해도 좋지만, 커버 유리의 외주단 가장자리를 따라 액자 형상으로 도포하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 패키지 기체에의 봉착 재료층의 베이킹이 불필요해져 MEMS 소자 등의 내부 소자의 열 열화를 억제할 수 있다.
커버 유리로서 여러가지 유리가 사용가능하다. 예를 들면, 무알칼리 유리, 알칼리붕규산 유리, 소다 석회 유리가 사용가능하다. 또한, 커버 유리는 복수매의 유리판을 맞붙인 적층 유리이어도 좋다.
커버 유리의 내부 소자측의 표면에 기능막을 형성해도 좋고, 커버 유리의 외측의 표면에 기능막을 형성해도 좋다. 특히 기능막으로서 반사 방지막이 바람직하다. 이것에 의해 커버 유리의 표면에서 반사하는 광을 저감할 수 있다.
커버 유리의 두께는 바람직하게는 0.1mm 이상, 0.15~2.0mm, 특히 0.2~1.0mm이다. 커버 유리의 두께가 작으면 기밀 패키지의 강도가 저하하기 쉬워진다. 한편, 커버 유리의 두께가 크면 기밀 패키지의 박형화를 도모하기 어려워진다.
커버 유리와 봉착 재료층의 열 팽창계수차는 50×10-7/℃ 미만, 40×10-7/℃ 미만, 특히 30×10-7/℃ 이하가 바람직하다. 이 열 팽창계수차가 지나치게 크면 봉착 부분에 잔류하는 응력이 부당하게 높아져 기밀 패키지의 기밀 신뢰성이 저하하기 쉬워진다.
봉착 재료층은 커버 유리의 끝 가장자리를 따라 커버 유리의 끝 가장자리로부터 50㎛ 이상, 60㎛ 이상, 70~1500㎛, 특히 80~800㎛ 이간되도록 형성되어 있는 것이 바람직하다. 커버 유리의 끝 가장자리와 봉착 재료층의 이간 거리가 지나치게 짧으면 레이저 봉착 시에 커버 유리의 끝 가장자리 영역에 있어서 커버 유리의 내부 소자측의 표면과 외측의 표면의 표면 온도차가 커져 커버 유리가 파손되기 쉬워진다.
본 발명의 기밀 패키지는 패키지 기체와 커버 유리를 갖는 기밀 패키지에 있어서 패키지 기체와 커버 유리 사이에 봉착 재료층이 배치되어 있고, 당해 봉착 재료층에 공극이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 기밀 패키지의 기술적 특징의 일부는 본 발명의 커버 유리의 설명란에 이미 기재되었으며, 그 중복 부분에 대해서는 편의상 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 기밀 패키지에 있어서, 패키지 기체는 기부와 기부 상에 설치된 프레임부를 갖는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 패키지 기체의 프레임부 내에 내부 소자를 수용하기 쉬워진다. 패키지 기체의 프레임부는 패키지 기체의 외주에 액자 형상으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 디바이스로서 기능하는 유효 면적을 확대할 수 있다. 또한, 기밀 패키지 내의 공간에 내부 소자를 수용하기 쉬워지고, 또한 배선 접합 등도 행하기 쉬워진다.
프레임부의 정상부에 있어서의 봉착 재료층이 배치되는 영역의 표면의 표면 거칠기 Ra는 1.0㎛ 미만인 것이 바람직하다. 이 표면의 표면 거칠기 Ra가 커지면 레이저 봉착 정밀도가 저하하기 쉬워진다.
프레임부의 정상부의 폭은 바람직하게는 100~3000㎛, 200~1500㎛, 특히 300~900㎛이다. 프레임부의 정상부의 폭이 지나치게 좁으면 봉착 재료층과 프레임부의 정상부의 위치 맞춤이 곤란해진다. 한편, 프레임부의 정상부의 폭이 지나치게 넓으면 디바이스로서 기능하는 유효 면적이 작아진다.
봉착 재료층은 프레임부와의 접촉 위치가 프레임부의 정상부의 내측단 가장자리로부터 이간되도록 형성됨과 아울러 프레임부의 정상부의 외측단 가장자리로부터 이간되도록 형성하는 것이 바람직하고, 프레임부의 정상부의 내측단 가장자리로부터 50㎛ 이상, 60㎛ 이상, 70~2000㎛, 특히 80~1000㎛ 이간된 위치에 형성되는 것이 더욱 바람직하다. 프레임부의 정상부의 내측단 가장자리와 봉착 재료층의 이간 거리가 지나치게 짧으면 레이저 봉착 시에 국소 가열에 의해 발생한 열이 빠져나가기 어려워지기 때문에 냉각 과정에서 커버 유리가 파손되기 쉬워진다. 한편, 프레임부의 정상부의 내측단 가장자리와 봉착 재료층의 이간 거리가 지나치게 길면 기밀 패키지의 소형화가 곤란해진다. 또한, 프레임부의 정상부의 외측단 가장자리로부터 50㎛ 이상, 60㎛ 이상, 70~2000㎛, 특히 80~1000㎛ 이간된 위치에 형성되어 있는 것이 바람직하다. 프레임부의 정상부의 외측단 가장자리와 봉착 재료층의 이간 거리가 지나치게 짧으면 레이저 봉착 시에 국소 가열에 의해 발생한 열이 빠져나가기 어려워지기 때문에 냉각 과정에서 커버 유리가 파손되기 쉬워진다. 한편, 프레임부의 정상부의 외측단 가장자리와 봉착 재료층의 이간 거리가 지나치게 길면 기밀 패키지의 소형화가 곤란해진다.
패키지 기체의 기부의 두께는 0.1~4.5mm, 특히 0.2~3.5mm가 바람직하다. 이것에 의해 기밀 패키지의 박형화를 도모할 수 있다.
패키지 기체의 프레임부의 높이, 즉, 패키지 기체로부터 기부의 두께를 뺀 높이는 바람직하게는 100~4000㎛, 특히 200~3000㎛이다. 이렇게 하면, 내부 소자를 적정하게 수용하면서 기밀 패키지의 박형화를 도모하기 쉬워진다.
패키지 기체는 유리, 유리 세라믹, 질화알루미늄, 산화알루미늄 중 어느 하나, 또는 이들의 복합 재료(예를 들면, 질화알루미늄과 유리 세라믹을 일체화한 것)인 것이 바람직하다. 유리 세라믹은 봉착 재료층과 반응층을 형성하기 쉽기 때문에 레이저 봉착에 의해 강고한 봉착 강도를 확보할 수 있다. 또한, 서멀 비아를 용이하게 형성할 수 있기 때문에 기밀 패키지가 과도하게 온도 상승하는 사태를 적정하게 방지할 수 있다. 질화알루미늄과 산화알루미늄은 방열성이 양호하기 때문에 기밀 패키지가 과도하게 온도 상승하는 사태를 적정하게 방지할 수 있다.
유리 세라믹, 질화알루미늄, 산화알루미늄은 흑색 안료가 분산되어 있는(흑색 안료가 분산된 상태에서 소결되어서 이루어짐) 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 패키지 기체가 봉착 재료층을 투과한 레이저광을 흡수할 수 있다. 그 결과, 레이저 봉착 시에 패키지 기체의 봉착 재료층과 접촉하는 개소가 가열되기 때문에 봉착 재료층과 패키지 기체의 계면에서 반응층의 형성을 촉진할 수 있다.
본 발명의 기밀 패키지를 제조하는 방법으로서는 커버 유리측으로부터 봉착 재료층을 향해 레이저광을 조사하여 봉착 재료층을 연화 변형시킴으로써 패키지 기체와 커버 유리를 기밀 일체화해서 기밀 패키지를 얻는 것이 바람직하다. 이 경우, 커버 유리를 패키지 기체의 하방에 배치해도 좋지만, 레이저 봉착 효율의 관점으로부터 커버 유리를 패키지 기체의 상방에 배치하는 것이 바람직하다.
레이저로서 여러가지 레이저를 사용할 수 있다. 특히, 근적외 반도체 레이저는 취급이 용이한 점에서 바람직하다.
레이저 봉착을 행하는 분위기는 특별히 한정되지 않고, 대기 분위기이어도 좋고, 질소 분위기 등의 불활성 분위기이어도 좋다.
레이저 봉착을 행할 때에 100℃ 이상, 또한 내부 소자의 내열 온도 이하의 온도에서 커버 유리를 예비 가열하면 레이저 봉착 시에 서멀 쇼크에 의한 커버 유리의 파손을 억제하기 쉬워진다. 또한, 레이저 봉착 직후에 커버 유리측으로부터 어닐 레이저를 조사하면 서멀 쇼크나 잔류 응력에 의한 커버 유리의 파손을 더욱 억제하기 쉬워진다.
커버 유리를 압박한 상태에서 레이저 봉착을 행하는 것이 바람직하다. 이것에 의해 레이저 봉착 시에 봉착 재료층의 연화 변형을 촉진할 수 있다.
(실시예)
이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 설명한다. 또한, 이하의 실시예는 단순한 예시다. 본 발명은 이하의 실시예에 하등 한정되지 않는다.
표 1은 본 발명의 실시예(시료 No.1~5)를 나타내고 있다. 표 2는 비교예(시료 No.6~10)를 나타내고 있다.
Figure pct00001
Figure pct00002
최초에 유리 조성으로서 몰%로 Bi2O3 39%, B2O3 23.7%, ZnO 14.1%, Al2O3 2.7%, CuO 20%, Fe2O3 0.5%를 함유하도록 각종 산화물, 탄산염 등의 원료를 조합한 유리 배치를 준비하고, 이것을 백금 도가니에 넣어 1200℃에서 2시간 용융했다. 이어서, 얻어진 용융 유리를 수냉 롤러에 의해 박편 형상으로 성형했다. 최후에 박편 형상의 비스무트계 유리를 볼 밀로 분쇄 후, 공기 분급해서 비스무트계 유리 분말을 얻었다.
또한, 비스무트계 유리 분말을 70.0체적%, 내화성 필러 분말을 30.0체적%의 비율로 혼합하여 복합 분말을 제작했다. 여기서, 비스무트계 유리 분말의 평균 입경 D50을 1.0㎛, 99% 입경 D99를 2.5㎛로 하고, 내화성 필러 분말의 평균 입경 D50을 1.0㎛, 99% 입경 D99를 2.5㎛로 했다. 또한, 내화성 필러 분말은 β-유크립타이트이다.
얻어진 복합 분말에 대하여 열 팽창계수를 측정한 결과, 그 열 팽창계수는 71×10-7/℃이었다. 또한, 열 팽창계수는 압봉식 TMA 장치로 측정한 것이며, 그 측정 온도 범위는 30~300℃이다.
이어서, 붕규산 유리로 이루어지는 커버 유리(Nippon Electric Glass Co., Ltd. 제작 BDA, 두께 0.3mm)의 외주단 가장자리를 따라 상기 복합 분말을 사용해서 액자 형상의 봉착 재료층을 형성했다. 상세히 서술하면, 우선 점도가 약100Pa·s(25℃, Shear rate: 4)가 되도록 상기 복합 분말, 비히클 및 용제를 혼련한 후, 3개 롤 밀로 분말이 균일하게 분산될 때까지 더 혼련하여 페이스트화해서 복합 분말 페이스트를 얻었다. 비히클에는 트리프로필렌글리콜모노부틸에테르에 에틸셀룰로오스 수지를 용해시킨 것을 사용했다. 그 후, 커버 유리의 외주단 가장자리로부터 100㎛ 이간된 위치에 외주단 가장자리를 따라 스크린 인쇄기에 의해 상기 복합 분말 페이스트를 액자 형상으로 인쇄했다. 시료 No.1~5에 의한 봉착 재료층에 대해서는 중심선을 따라 선 형상의 공극을 전체 둘레에 걸쳐 형성했지만, 시료 No.6~10에 의한 봉착 재료층에 대해서는 공극을 형성하지 않았다. 또한, 대기분위기 하에서 120℃에서 10분간 건조시킨 후, 대기 분위기하에서 500℃에서 10분간 소성(실온으로부터의 승온 속도 5℃/분, 실온까지의 강온 속도 5℃/분)함으로써 커버 유리의 한쪽의 표면 상에 표에 기재된 치수를 갖는 봉착 재료층을 형성했다.
계속해서 대략 구형의 기부와, 기부의 외주를 따라 설치된 대략 액자 형상의 프레임부를 갖는 패키지 기체를 제작했다. 상세히 서술하면, 커버 유리와 마찬가지의 종횡 치수를 갖고, 또한 프레임부의 폭 2.5mm, 프레임부의 높이 2.5mm, 기부의 두께 1.0mm의 치수를 갖는 패키지 기체가 얻어지도록 그린 시트(Nippon Electric Glass Co., Ltd. 제작 MLB-26B)를 적층, 압착한 후, 870℃에서 20분간 소성하여 유리 세라믹으로 이루어지는 패키지 기체를 얻었다.
최후에 봉착 재료층을 통해 패키지 기체와 커버 유리를 적층 배치했다. 그 후, 압박 지그를 사용해서 커버 유리를 압박하면서 커버 유리측으로부터 봉착 재료층을 향해 스폿 지름 0.8~2.3mm, 파장 808nm의 반도체 레이저를 조사 속도 15mm/초로 조사해서 봉착 재료층을 연화 변형시킴으로써 패키지 기체와 커버 유리를 기밀 일체화하여 기밀 패키지를 얻었다. 또한, 레이저 봉착 후의 봉착 재료층의 평균폭은 레이저 봉착 전의 봉착 재료층의 평균폭의 120%가 되도록 레이저 조사 지름과 출력을 조정했다.
이어서, 얻어진 기밀 패키지에 대하여 기밀 신뢰성을 평가했다. 상세히 서술하면, 얻어진 기밀 패키지에 대하여 고온 고습 고압 시험(온도 85℃, 상대 습도 85%, 1000시간)을 행한 후, 봉착 재료층의 근방을 관찰한 결과, 커버 유리에 크랙, 파손 등이 전혀 확인되지 않았던 것을 「○」, 커버 유리에 크랙, 파손 등이 확인된 것을 「×」로 해서 기밀 신뢰성을 평가했다.
표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 시료 No.1~5는 봉착 재료층에 공극이 형성되어 있기 때문에 기밀 신뢰성의 평가가 양호했다. 한편, 표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 시료 No.6~10은 봉착 재료층에 공극이 형성되어 있지 않기 때문에 기밀 신뢰성의 평가가 불량했다.
(산업상 이용가능성)
본 발명의 기밀 패키지는 MEMS(미소 전기 기계 시스템) 소자 등의 내부 소자가 실장된 기밀 패키지에 적합하지만, 그 이외에도 압전 진동 소자나 수지 중에 퀀텀닷을 분산시킨 파장 변환 소자 등을 수용하는 기밀 패키지 등에도 적합하게 적용가능하다.

Claims (9)

  1. 한쪽의 표면 상에 봉착 재료층을 갖는 커버 유리로서,
    봉착 재료층에 공극이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 커버 유리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    봉착 재료층의 공극의 폭이 봉착 재료층의 평균폭의 2~60%인 것을 특징으로 하는 커버 유리.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    공극이 봉착 재료층의 중심선을 따라 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 커버 유리.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    봉착 재료층이 커버 유리의 외주단 가장자리를 따라 액자 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 커버 유리.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    봉착 재료층의 평균 두께가 8.0㎛ 미만인 것을 특징으로 하는 커버 유리.
  6. 패키지 기체와 커버 유리를 갖는 기밀 패키지에 있어서,
    패키지 기체와 커버 유리 사이에 봉착 재료층이 배치되어 있고,
    당해 봉착 재료층에 공극이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 기밀 패키지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    봉착 재료층의 공극의 폭이 봉착 재료층의 평균폭의 2~60%인 것을 특징으로 하는 기밀 패키지.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    패키지 기체가 기부와 기부 상에 설치된 프레임부를 갖고,
    패키지 기체의 프레임부 내에 내부 소자가 수용되어 있으며,
    패키지 기체의 프레임부의 정상부와 커버 유리 사이에 봉착 재료층이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 기밀 패키지.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    패키지 기체가 유리, 유리 세라믹, 질화알루미늄, 산화알루미늄 중 어느 하나, 또는 이들의 복합 재료인 것을 특징으로 하는 기밀 패키지.
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