KR20200021462A - 창재, 광학 패키지 - Google Patents

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Abstract

광학 소자를 구비한 광학 패키지용 창재이며, 무기 재료의 기체와, 상기 무기 재료의 기체의 한쪽 면 상에 배치된 접합층을 갖고, 상기 접합층 중의 금의 체적 비율이 10% 이하인 창재를 제공한다.

Description

창재, 광학 패키지
본 발명은, 창재, 광학 패키지에 관한 것이다.
종래부터 발광 다이오드 등의 광학 소자를 회로 기판의 오목부 내에 배치 후, 해당 오목부의 개구부를, 투명 수지 기재 등을 구비한 창재에 의해 밀봉하고, 광학 패키지로서 사용하는 경우가 있었다.
이 경우, 창재는 수지제의 접착제 등에 의해 회로 기판과 접합되어 있었지만, 광학 소자의 종류 등에 따라서는 기밀 밀봉성의 향상이 요구되고 있었다. 이 때문에, 회로 기판과 창재를 수지제의 접착제 대신에, 금속 재료에 의해 접합하는 것이 검토되어 왔다.
예를 들어 특허문헌 1에는, 실장 기판과, 상기 실장 기판에 실장된 자외선 발광 소자와, 상기 실장 기판 상에 배치되어 상기 자외선 발광 소자를 노출시키는 관통 구멍이 형성된 스페이서와, 상기 스페이서의 상기 관통 구멍을 막도록 상기 스페이서 상에 배치된 커버를 구비하고 상기 스페이서는, Si에 의해 형성된 스페이서 본체와, 상기 스페이서 본체에 있어서의 상기 실장 기판과의 대향면측에서 상기 실장 기판의 상기 제1 접합용 금속층에 대향하고 있고 상기 대향면에 있어서의 외주연의 전체 둘레를 따라 형성되어 있는 제2 접합용 금속층을 구비하고, 상기 관통 구멍은, 상기 스페이서 본체에 형성되어 있고, 상기 관통 구멍은, 상기 실장 기판으로부터 이격됨에 따라서 개구 면적이 점차 증가하고 있고, 상기 커버는, 상기 자외선 발광 소자로부터 방사되는 자외선을 투과하는 유리에 의해 형성되고, 상기 스페이서와 상기 커버가 직접 접합되어 있고, 상기 스페이서의 제2 접합용 금속층과 상기 실장 기판의 상기 제1 접합용 금속층이 상기 제2 접합용 금속층의 전체 둘레에 걸쳐서 AuSn에 의해 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 장치가 개시되어 있다
일본특허 제5877487호
그러나, 특허문헌 1에 개시된 발광 장치에서 사용한 커버는, 스페이서를 개재해서 AuSn에 의해 실장 기판과 접합되어 있고, 금(Au)의 사용량이 많기 때문에, 비용의 관점에서 문제가 있었다.
상기 종래 기술이 갖는 문제를 감안하여, 본 발명의 일측면에서는, 비용을 억제한 창재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서 본 발명의 일 형태에서는, 광학 소자를 구비한 광학 패키지용 창재이며,
무기 재료의 기체와,
상기 무기 재료의 기체의 한쪽 면 상에 배치된 접합층을 갖고,
상기 접합층 중의 금의 체적 비율이 10% 이하인 창재를 제공한다.
본 발명의 일 형태에 따르면, 비용을 억제한 창재를 제공할 수 있다.
도 1은 본 실시 형태의 창재의 구성 설명도이다.
도 2는 무기 재료의 기체의 측면의 구성예의 설명도이다.
도 3은 창재의 땜납층의 두께 측정점의 위치의 설명도이다.
도 4는 본 실시 형태의 광학 패키지의 구성 설명도이다.
도 5는 실시예에 있어서의 개편화 전의 무기 재료의 기체의 절단 전 자재의 설명도이다.
도 6은 실시예 1에 있어서의 리플로우 시험의 온도 프로파일의 설명도이다.
도 7은 실시예 2에 있어서의 접합 공정의 온도 프로파일이다.
도 8은 실시예 4에 있어서의 개편화 후의 무기 재료의 기체의 측면에 발생한 선상 모양의 설명도이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해서 도면을 참조하여 설명하지만, 본 발명은, 하기의 실시 형태에 제한되지 않고, 본 발명의 범위를 일탈하지 않고, 하기의 실시 형태에 다양한 변형 및 치환을 가할 수 있다.
[창재]
본 실시 형태의 창재의 일 구성예에 대해서 설명을 행한다.
본 실시 형태의 창재는, 광학 소자를 구비한 광학 패키지용 창재에 관한 것으로, 무기 재료의 기체와, 무기 재료의 기체의 한쪽 면 상에 배치된 접합층을 갖고, 접합층 중의 금의 체적 비율이 10% 이하이다.
본 실시 형태의 창재의 구성예에 대해서, 도 1의 (A), 도 1의 (B)를 사용하면서, 이하에 구체적으로 설명한다. 도 1의 (A)는, 본 실시 형태의 창재(10)의 무기 재료의 기체(11)와, 접합층(12)과의 적층 방향과 평행한 면에서의 단면도를 모식적으로 도시하고 있다. 또한, 도 1의 (B)는, 도 1의 (A) 중에 나타낸 블록 화살표 A를 따라, 도 1의 (A)에 나타낸 창재(10)를 본 경우의 구조를 나타내고 있다. 즉, 도 1의 (A)에 나타낸 창재(10)의 저면도를 나타내고 있다.
본 실시 형태의 창재(10)는, 무기 재료의 기체(11)와, 접합층(12)을 갖는다. 그리고, 접합층(12)은 무기 재료의 기체(11)의 한쪽 면(11a) 상에 배치할 수 있다.
여기서, 무기 재료의 기체(11)의 한쪽 면(11a)은, 광학 패키지를 제조할 때, 광학 소자를 구비한 회로 기판과 접합하는 측의 면에 닿는다. 즉, 무기 재료의 기체(11)의 한쪽 면(11a)은, 광학 소자와 대향하는 측의 면이라고도 할 수 있다.
그리고, 무기 재료의 기체(11)의 한쪽 면(11a)과 반대측에 위치하는 다른 쪽 면(11b)은, 광학 패키지로 한 경우에, 외부에 노출되는 측의 면이 된다.
또한, 도 1에서는 무기 재료의 기체(11)가 판상 형상의 경우를 예로 나타내고 있지만, 이러한 형상에 한정되는 것은 아니다.
여기서, 본 실시 형태의 창재에 포함되는 각 부재에 대해서 설명한다.
(무기 재료의 기체)
무기 재료의 기체(11)는 특별히 한정되는 것이 아니고, 임의의 재료를 사용하여, 임의의 형상으로 할 수 있다.
단, 무기 재료의 기체(11)는, 광학 패키지로 한 경우에, 회로 기판이 구비하는 광학 소자에 관한 광 중, 특히 투과하는 것이 요구되는 파장 영역의 광(이하, 「원하는 파장 영역의 광」이라고 기재한다)에 대해서, 투과율이 충분히 높아지도록, 재료나, 그 두께 등을 선택하는 것이 바람직하다. 예를 들어 원하는 파장 영역의 광에 대해서, 투과율은 50% 이상이 바람직하고, 70% 이상이 보다 바람직하고, 80% 이상이 더욱 바람직하고, 90% 이상이 특히 바람직하다.
무기 재료의 기체(11)는, 원하는 파장 영역의 광이 적외 영역의 광인 경우, 예를 들어 파장이 0.7㎛ 이상 1㎜ 이하의 범위의 광에 대해서, 투과율은 50% 이상이 바람직하고, 70% 이상이 보다 바람직하고, 80% 이상이 더욱 바람직하고, 90% 이상이 특히 바람직하다.
또한, 무기 재료의 기체(11)는, 원하는 파장 영역의 광이 가시 영역의 광(청~녹~적)인 경우, 예를 들어 파장이 380㎚ 이상 800㎚ 이하의 범위의 광에 대해서, 투과율은 50% 이상이 바람직하고, 70% 이상이 보다 바람직하고, 80% 이상이 더욱 바람직하고, 90% 이상이 특히 바람직하다.
무기 재료의 기체(11)는, 원하는 파장 영역의 광이 자외 영역의 광인 경우, 예를 들어 파장이 200㎚ 이상 380㎚ 이하의 범위의 광에 대해서, 투과율은 50% 이상이 바람직하고, 70% 이상이 보다 바람직하고, 80% 이상이 더욱 바람직하고, 90% 이상이 특히 바람직하다.
무기 재료의 기체(11)는, 원하는 파장 영역의 광이 자외 영역의 UV-A의 광인 경우, 예를 들어 파장이 315㎚ 이상 380㎚ 이하의 범위의 광에 대해서, 투과율은 50% 이상이 바람직하고, 70% 이상이 보다 바람직하고, 80% 이상이 더욱 바람직하고, 90% 이상이 특히 바람직하다.
무기 재료의 기체(11)는, 원하는 파장 영역의 광이 자외 영역의 UV-B의 광인 경우, 예를 들어 파장이 280㎚ 이상 315㎚ 이하의 범위의 광에 대해서, 투과율은 50% 이상이 바람직하고, 70% 이상이 보다 바람직하고, 80% 이상이 더욱 바람직하고, 90% 이상이 특히 바람직하다.
무기 재료의 기체(11)는, 원하는 파장 영역의 광이 자외 영역의 UV-C의 광인 경우, 예를 들어 파장이 200㎚ 이상 280㎚ 이하의 범위의 광에 대해서, 투과율은 50% 이상이 바람직하고, 70% 이상이 보다 바람직하고, 80% 이상이 더욱 바람직하고, 90% 이상이 특히 바람직하다.
또한, 무기 재료의 기체(11)의 투과율은, JIS K 7361-1(1997)에 준하여 측정을 행할 수 있다.
무기 재료의 기체(11)의 재료로서는, 이미 설명한 바와 같이 임의로 선택할 수 있고, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 기밀 밀봉성이나, 내구성을 특히 높이는 관점에서, 예를 들어 석영이나, 유리 등을 바람직하게 사용할 수 있다. 석영에는, 석영 유리나, SiO2를 90질량% 이상 함유한 것이 포함된다. 유리로서는, 예를 들어 소다석회 유리, 알루미노실리케이트 유리, 보로실리케이트 유리, 무알칼리 유리, 결정화 유리 및 고굴절률 유리(nd≥1.5)를 들 수 있다. 또한, 무기 재료의 기체의 재료로서는 1종류로 한정되는 것이 아니고, 2종류 이상의 재료를 조합해서 사용할 수도 있다. 이 때문에, 예를 들어 무기 재료의 기체(11)의 재료로서는, 예를 들어 석영, 소다석회 유리, 알루미노실리케이트 유리, 보로실리케이트 유리, 무알칼리 유리, 결정화 유리 및 고굴절률 유리(nd≥1.5)에서 선택된 1종류 이상의 재료를 바람직하게 사용할 수 있다.
무기 재료의 기체(11)의 재료로서 유리를 사용하는 경우, 해당 무기 재료의 기체(11)는 화학 강화 처리가 실시되어 있어도 된다.
무기 재료의 기체(11)의 두께에 대해서도 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 0.03㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.05㎜ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하고, 0.1㎜ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하고, 0.3㎜ 이상으로 하는 것이 특히 바람직하다.
무기 재료의 기체(11)의 두께를 0.03㎜ 이상으로 함으로써, 광학 패키지에 요구되는 강도를 충분히 발휘하면서, 창재의 무기 재료의 기체(11)의 면을 개재해서 수분 등이 광학 소자를 배치한 측으로까지 투과하는 것을 특히 억제할 수 있다. 상술한 바와 같이 무기 재료의 기체(11)의 두께를 0.3㎜ 이상으로 함으로써, 광학 패키지에 대해서 특히 강도를 높일 수 있어, 바람직하다.
무기 재료의 기체(11)의 두께의 상한값에 대해서도 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 5㎜ 이하로 하는 것이 바람직하고, 3㎜ 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 1㎜ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 이것은 무기 재료의 기체(11)의 두께를 5㎜ 이하로 함으로써 원하는 파장 영역의 광 투과율을 충분히 높게 할 수 있기 때문이다. 무기 재료의 기체(11)의 두께를 1㎜ 이하로 함으로써, 특히 광학 패키지의 저배화를 도모할 수 있기 때문에, 더욱 바람직하다.
또한, 무기 재료의 기체(11)의 형상은 특별히 한정되는 것이 아니고, 두께는 균일할 필요는 없다. 이 때문에, 무기 재료의 기체의 두께가 균일하지 않은 경우, 무기 재료의 기체 중, 적어도 광학 패키지로 한 경우에 광학 소자에 관한 광의 광로 상에 있는 부분의 두께가 상기 범위에 있는 것이 바람직하고, 무기 재료의 기체의 두께가 어느 부분에서도 상기 범위에 있는 것이 보다 바람직하다.
무기 재료의 기체(11)의 형상은 상술한 바와 같이 특별히 한정되는 것이 아니다. 예를 들어 판상 형상이나, 렌즈가 일체로 된 형상, 즉 렌즈에서 유래하는 오목부나 볼록부를 포함하는 형상으로 할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들어 무기 재료의 기체(11)의 한쪽 면(11a)이 평탄면이고, 다른 쪽 면(11b)이 볼록부나 오목부를 갖는 형태나, 한쪽 면(11a)의 형상과 다른 쪽 면(11b)의 형상이 이러한 형태와 반대로 된 형태를 들 수 있다. 또한, 무기 재료의 기체(11)의 한쪽 면(11a)이 볼록부를 갖고, 다른 쪽 면(11b)이 오목부를 갖는 형태나, 한쪽 면(11a)의 형상과 다른 쪽 면(11b)의 형상이 이러한 형태와 반대로 된 형태를 들 수 있다. 또한, 무기 재료의 기체(11)의 한쪽 면(11a)와 다른 쪽 면(11b)의 각각이, 볼록부 또는 오목부를 갖는 형태를 들 수 있다.
또한, 무기 재료의 기체(11)의 한쪽 면(11a)이 볼록부나 오목부를 갖는 경우에도, 무기 재료의 기체(11)의 한쪽 면(11a)의 접합층(12)을 배치하는 부분은, 예를 들어 복수의 창재(10)를 제조한 경우 등에, 창재(10) 사이의 접합층(12)의 형상의 변동을 억제하기 위해서 평탄한 것이 바람직하다.
무기 재료의 기체(11)의 측면은, 한쪽 면(11a)의 외주를 따른 선상 모양을 가질 수 있다.
본 실시 형태의 창재는, 예를 들어 광학 소자를 배치한 회로 기판 상에 배치하여, 광학 패키지로 할 수 있다. 이 때문에, 광학 패키지의 형태에 따라서는, 창재의 사이즈가 매우 작아지는 경우가 있다. 그래서, 무기 재료의 기체(11)의 절단전 자재를 원하는 크기로 절단할 때, 레이저광을 사용한 절단 방법을 채용하는 것이 바람직하다.
이러한 레이저광을 사용한 절단 방법은, 예를 들어 먼저 레이저광의 초점 위치가 무기 재료의 기체의 절단 전 자재의 두께 방향의 임의의 위치가 되도록 설정하고, 레이저광의 조사 위치가 절단선을 따르도록 하여, 레이저광의 조사 위치 및/또는 무기 재료의 기체의 절단 전 자재를 이동시킨다. 그 후, 절단선이 지지점이 되도록 힘을 가함으로써, 혹은 저절로 이러한 힘이 가해짐으로써, 절단선을 따라 무기 재료의 기체의 절단 전 자재를 임의의 형상으로 절단할 수 있다.
상기 절단 방법에서는, 레이저광의 초점 위치를 무기 재료의 기체의 절단 전 자재의 두께 방향의 임의의 위치에 설정하고, 레이저광의 조사 위치 등을 이동시킴으로써, 무기 재료의 기체의 절단 전 자재의 레이저광의 초점 위치가 통과한 장소에 대해서 무기 재료의 결합 상태에 변화가 생겼다고 생각된다. 이 때문에, 그 후, 힘이 가해짐으로써, 무기 재료의 결합 상태에 변화가 생긴 부분을 기점으로 무기 재료의 기체의 절단 전 자재를 용이하게 절단할 수 있다고 추인된다.
또한, 무기 재료의 기체의 절단 전 자재의 두께에 따라서는, 무기 재료의 기체의 절단 전 자재의 두께 방향에 있어서의 레이저광의 초점 위치를 변경하고, 절단선을 따라 복수회 레이저광을 조사할 수도 있다. 이와 같이, 레이저광의 초점 위치를 변경하고, 절단선을 따라 복수회 레이저광을 조사하는 경우, 레이저광의 조사회마다, 무기 재료의 기체의 절단 전 자재의 두께 방향에 있어서, 레이저광 입사면에서 먼 위치로부터, 가까운 위치로 레이저광의 초점 위치를 변화시키는 것이 바람직하다.
절단면의 절결, 깨짐, 칩핑 등의 불량의 발생을 억제할 수 있는 점에서, 레이저광의 조사 횟수는, 2회 이상이 바람직하고, 3회 이상이 보다 바람직하고, 5회 이상이 더욱 바람직하다. 레이저광의 조사 횟수의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 10회를 초과하는 경우, 비용 상승으로 되기 때문에 10회 이하가 바람직하다.
그리고, 이러한 절단 방법에 의해 절단한 경우, 레이저광의 초점 위치가 통과한 위치에, 무기 재료의 결합 상태가 변화함으로써 생겼다고 생각되는 선상 모양이 남는다. 레이저광의 초점 위치는 무기 재료의 기체의 절단 전 자재의 두께 방향의 임의의 위치가 되도록 설정하고 있기 때문에, 예를 들어 도 2에 도시한 바와 같이, 무기 재료의 기체(11)의 한쪽 면(11a)이나 다른 쪽 면(11b)의 외주를 따른 선상 모양(111)으로 할 수 있다. 절단 시의 절결, 깨짐, 칩핑 등의 불량 발생의 억제의 관점에서, 이 선상 모양(111)은, 무기 재료의 기체(11)의 한쪽 면(11a)이나 다른 쪽 면(11b)에 평행한 선상 모양인 쪽이 바람직하지만, 반드시 평행할 필요는 없다.
그리고, 상술한 바와 같이, 절단선을 따라 복수회 레이저광을 조사하는 경우에는, 얻어진 무기 재료의 기체의 측면, 즉 절단면에는 조사 횟수와 동수의 선상 모양이 남는다. 또한, 복수 생기는 선상 모양끼리의 간격은 거의 동일한 것이, 절단면의 절결 등의 불량의 발생을 억제하는 점에서 바람직하다. 구체적으로는 예를 들어, 절단 후에 얻어지는 무기 재료의 기체의 측면에 포함되는 선상 모양간의 폭이, 중앙값의 20% 이내의 오차에 수렴되어 있는 것이 바람직하다. 선상 모양은 레이저광의 초점 위치에 대응한 위치에 발생하기 때문에, 선상 모양간의 간격은, 레이저광의 초점 위치에서 제어할 수 있다.
또한, 무기 재료의 기체(11)의 절단 방법은 상술한 예에 한정되는 것이 아니고, 임의의 방법에 의해 절단할 수 있다. 상술한 절단 방법 이외의 방법으로 절단을 행한 경우, 무기 재료의 기체(11)의 측면, 즉 절단면은, 상술한 경우와 다른 단면 형상을 갖고 있어도 된다. 다른 절단 방법으로서는, 예를 들어, 다이싱 쏘나 와이어 쏘를 들 수 있다. 이들 절단 방법은 무기 재료의 기체의 절단 전 자재의 두께가 1㎜ 이상인 경우에 유효하다.
무기 재료의 기체(11)의 표면에는 반사 방지막을 배치해 둘 수도 있다. 반사 방지막을 배치함으로써, 광학 패키지로 한 경우에, 광학 소자, 혹은 외부로부터의 광이 무기 재료의 기체(11)의 표면에서 반사되는 것을 억제하고, 광학 소자, 혹은 외부로부터의 광의 투과율을 높일 수 있어, 바람직하다. 반사 방지막으로서는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 다층막을 사용할 수 있고, 다층막은, 알루미나(산화 알루미늄, Al2O3), 산화하프늄(HfO2), 산화티타늄(TiO2) 등에서 선택되는 1종류 이상의 재료의 층인 제1층과, 실리카(산화규소, SiO2)의 층인 제2층을 교대로 적층한 막으로 할 수 있다. 다층막을 구성하는 층의 수는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 상기 제1층과, 제2층을 1조로 해서, 다층막은 제1층과, 제2층의 조를 1조 이상 갖는 것이 바람직하고, 2조 이상 갖는 것이 보다 바람직하다. 이것은 다층막이 제1층과, 제2층을 1조 이상 가짐으로써, 무기 재료의 기체(11)의 표면에서 광이 반사되는 것을 특히 억제할 수 있기 때문이다.
다층막을 구성하는 층의 수의 상한에 대해서도 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 생산성 등의 관점에서, 상기 제1층과, 제2층의 조를 4조 이하 갖는 것이 바람직하다.
반사 방지막을 갖는 경우, 반사 방지막은 무기 재료의 기체(11)의 적어도 한쪽 면(11a) 상에 배치하는 것이 바람직하고, 한쪽 면(11a) 및 다른 쪽 면(11b)의 양면에 배치하는 것이 보다 바람직하다. 한쪽 면(11a) 및 다른 쪽 면(11b)의 양면에 반사 방지막을 배치하는 경우, 양 반사 방지막의 구성은 상이해도 되지만, 생산성 등의 관점에서, 동일한 구성의 반사 방지막을 갖는 것이 바람직하다.
반사 방지막으로서, 상술한 다층막을 사용하는 경우, 최표면에 실리카의 제2층이 위치하는 것이 바람직하다. 반사 방지막의 최표면에 실리카의 제2 층이 위치 함으로써, 반사 방지막의 표면이 유리 기판의 표면과 유사한 조성이 되어, 내구성이나, 접합층(12)과의 밀착성이 특히 높아져서, 바람직하기 때문이다.
(접합층)
접합층(12)은, 광학 패키지로 한 경우에, 무기 재료의 기체(11)와, 광학 소자를 구비한 회로 기판을 접합하는 부재에 닿는다. 이 때문에, 접합층(12)은, 무기 재료의 기체(11)와, 광학 소자를 구비한 회로 기판을 접합할 수 있는 부재이면 되고, 그 구체적인 구성은 특별히 한정되는 것이 아니다. 단, 광학 패키지로 했을 때의 기밀성을 높이는 관점에서 접합층(12)은 금속 재료에 의해 구성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 접합층(12)은 접합층(12) 중의 금의 체적 비율이 10% 이하인 것이 바람직하다. 접합층(12) 중의 금의 체적 비율을 10% 이하로 함으로써, 접합층 중에 포함되는 금의 비율을 충분히 억제하여, 창재의 비용을 억제할 수 있다. 접합층(12) 중의 금의 체적 비율은, 보다 바람직하게는 8% 이하이고, 더욱 바람직하게는 6% 이하이다.
또한, 접합층(12)은 금을 함유하지 않을 수도 있는 점에서, 접합층(12) 중의 금의 체적 비율은 0 이상으로 할 수 있다.
접합층(12)은, 함유하는, 후술하는 땜납층 등의 각 층을 대략 균일한 두께로 할 수 있다. 이 때문에, 예를 들어 접합층(12) 중에 금을 함유하는 층이, 금을 포함하는 금층으로서 존재하는 경우에는, 금의 체적 비율은, 금층의 두께가 접합층(12)의 두께에 차지하는 비율로 할 수도 있다. 또한, 금을 함유하는 층이, 금 이외의 성분도 함유하는 경우에는, 금을 함유하는 층의 두께가 접합층(12)의 두께에 차지하는 비율에, 금을 함유하는 층 중의 금의 체적 함유 비율을 곱셈한 값으로 할 수도 있다.
또한, 상술한 바와 같이 각 층의 두께를 사용해서 접합층 중의 금의 체적 비율을 산출하는 경우, 후술하는 땜납층의 두께로서는, 단순 평균의 평균값을 사용할 수 있다.
접합층(12)은, 예를 들어 도 1의 (A)에 도시하는 바와 같이, 하지 금속층(121)과, 땜납층(122)을 갖는 것이 바람직하다.
하지 금속층(121)은, 무기 재료의 기체(11)와, 땜납층(122)과의 밀착성을 높이는 기능을 가질 수 있다. 하지 금속층(121)의 구성은 특별히 한정되지 않지만, 도 1의 (A)에 나타낸 바와 같이 복수의 층으로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
하지 금속층(121)의 구성은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 2층, 혹은 3층으로 구성할 수 있다. 구체적으로는 예를 들어 무기 재료의 기체(11)측으로부터 순서대로 제1 하지 금속층(121A)과, 제2 하지 금속층(121B)을 가질 수 있다. 또한, 제2 하지 금속층(121B)과 땜납층(122) 사이에 도시하지 않은 제3 하지 금속층을 더 배치할 수도 있다.
제1 하지 금속층(121A)은, 무기 재료의 기체(11)와 다른 층과의 밀착성을 높이는 기능을 가질 수 있다. 제1 하지 금속층(121A)의 재료는, 무기 재료의 기체(11)와 다른 층과의 밀착성을 높일 수 있는 재료가 바람직하고, 기밀성도 높아지는 재료가 보다 바람직하다. 제1 하지 금속층(121A)은, 예를 들어 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 팔라듐(Pd)에서 선택된 1종류 이상을 함유하는 층으로 하는 것이 바람직하다. 제1 하지 금속층(121A)은, 예를 들어 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 팔라듐(Pd)에서 선택된 1종류 이상의 재료를 포함하는 층으로 할 수도 있다. 또한, 이 경우에도 제1 하지 금속층(121A)이 불가피 불순물을 포함하는 것을 배제하는 것이 아니다.
제1 하지 금속층(121A)은, 크롬(Cr), 티타늄(Ti) 및 텅스텐(W), 팔라듐(Pd)에서 선택된 1종류 이상의 금속의 금속막 또는 금속 산화물막으로 하는 것이 보다 바람직하다.
제2 하지 금속층(121B)은, 땜납층과 다른 층과의 밀착성을 높이는 기능을 갖고 있고, 예를 들어 니켈(Ni), 구리(Cu), 백금(Pt), 은(Ag)에서 선택된 1종류 이상의 금속을 함유하는 층으로 하는 것이 바람직하다. 비용을 특히 억제하는 관점에서는, 제2 하지 금속층(121B)은 니켈(Ni), 구리(Cu)에서 선택된 1종류 이상의 금속을 함유하는 층으로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 제2 하지 금속층(121B)은, 예를 들어 니켈(Ni), 구리(Cu), 백금(Pt), 은(Ag)에서 선택된 1종류 이상의 금속을 포함하는 층으로 할 수도 있다. 이 경우도 비용의 관점에서는, 제2 하지 금속층(121B)은, 니켈(Ni), 구리(Cu)에서 선택된 1종류 이상의 금속을 포함하는 층으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 어느 경우에도, 제2 하지 금속층(121B)이 불가피 불순물을 포함하는 것을 배제하는 것이 아니다.
또한, 제3 하지 금속층을 더 설치하는 경우, 제3 하지 금속층은, 예를 들어 니켈(Ni), 금(Au)에서 선택된 1종류 이상을 함유하는 층으로 하는 것이 바람직하다. 특히 제3 하지 금속층을 니켈(Ni)을 함유하는 층으로 하는 경우에는, 땜납의 습윤성을 향상시키기 위해서 니켈-붕소 합금(Ni-B)을 함유하는 층, 혹은 Ni-B를 포함하는 층으로 하는 것이 바람직하다. 제3 하지 금속층을 형성함으로써, 예를 들어 하지 금속층(121)과, 땜납층(122)이 반응하는 것을 특히 억제할 수 있다. 제3 하지 금속층은 니켈(Ni), 금(Au)에서 선택된 1종류 이상의 금속을 포함하는 층으로 할 수도 있다. 이 경우에도, 제3 하지 금속층이 불가피 불순물을 포함하는 것을 배제하는 것이 아니다.
하지 금속층(121)을 구성하는 각 층의 두께는 특별히 한정되는 것이 아니고 임의로 선택할 수 있다.
예를 들어 제1 하지 금속층(121A)의 두께는, 무기 재료의 기체(11)와의 밀착성을 특히 높이는 관점에서 0.03㎛ 이상이 바람직하다. 제1 하지 금속층(121A)의 두께의 상한에 대해서도 특별히 한정되는 것은 아니지만, 비용을 충분히 저감하는 관점에서 0.2㎛ 이하가 바람직하다.
제2 하지 금속층(121B)의 두께에 대해서는, 땜납층(122)과의 밀착성을 특히 높이는 관점에서 0.1㎛ 이상이 바람직하다. 제2 하지 금속층(121B)의 두께의 상한에 대해서도 특별히 한정되는 것은 아니지만, 비용을 충분히 저감하는 관점에서 2.0㎛ 이하가 바람직하다.
제3 하지 금속층도 마련하는 경우, 그 두께는 특별히 한정되지 않지만, 하지 금속층(121)과 땜납층(122)과의 반응을 특히 억제하는 관점에서, 예를 들어 0.05㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 제3 하지 금속층의 두께의 상한에 대해서도 특별히 한정되는 것은 아니지만, 비용을 충분히 저감하는 관점에서 1.0㎛ 이하가 바람직하다.
다음에 땜납층(122)에 대해서 설명한다.
땜납층(122)은, 광학 패키지를 제조할 때, 무기 재료의 기체(11)와, 광학 소자를 구비한 회로 기판을 접합하는 기능을 갖고, 그 구성에 대해서는 특별히 한정되는 것은 아니다.
단, 땜납층(122)의 두께의 평균값은 5㎛ 이상이 바람직하고, 15㎛ 이상이 보다 바람직하다. 이것은 땜납층(122)의 두께의 평균값을 5㎛ 이상으로 함으로써, 예를 들어 접합하는 회로 기판의, 접합층(12)과의 접합면에 요철이 포함되어 있었다 하더라도 그 오목부를 땜납층의 재료에 의해 충전하고, 특히 기밀 밀봉성을 높일 수 있기 때문이다.
또한, 여기에서의 평균값은 단순 평균(산술 평균이나, 상가 평균이라고 불리는 경우도 있다)의 값을 의미한다. 이하, 단순히 「평균」이라고 하는 경우에는 단순 평균을 의미한다.
또한, 땜납층(122)의 두께의 평균값의 상한에 대해서도 특별히 한정되지 않지만, 50㎛ 이하가 바람직하고, 30㎛ 이하가 보다 바람직하다. 땜납층(122)의 두께의 평균값이 50㎛를 초과하여 과도하게 두꺼워져도 기밀 밀봉성의 효과에 대해서 큰 변화는 발생하지 않기 때문이다.
또한, 땜납층(122)의 두께의 평균값은, 창재(10)의 땜납층(122)에 대해서 임의의 복수의 측정점에서 두께를 레이저 현미경(키엔스사 제조, 형식 VK-8510)으로 측정하여, 평균값을 구함으로써 산출할 수 있다. 평균값을 산출하기 위해서 땜납층(122)의 두께를 측정하는 측정점의 수는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 2점 이상이 바람직하고, 4점 이상이 보다 바람직하다. 측정점의 수의 상한값에 대해서도 특별히 한정되지 않지만, 효율성의 관점에서 10점 이하가 바람직하고, 8점 이하가 보다 바람직하다.
땜납층(122)의 두께의 평균값을 산출하는 경우, 예를 들어 도 3에 도시한 측정점 Z1 내지 Z8에 있어서 두께를 측정하고, 평균값을 산출하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 도 3은 측정점의 예를 나타내기 위해서 도시한 도면이며, 도 1의 (B)에 대응하는 도면이다. 도 3 및 도 1의 (B)는, 창재(10)의 접합층(12)을 형성한 측에서 본 경우의 도면, 즉 저면도이고, 땜납층(122)을 포함하는 접합층(12)이 무기 재료의 기체(11)의 외주를 따라서 배치된 형상으로 되어 있다. 그리고, 땜납층(122)을 포함하는 접합층(12)은 중앙부에 개구부를 갖고, 해당 개구부로부터 무기 재료의 기체(11)가 보이는 형상으로 할 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 땜납층(122)이 중앙에 사각형의 개구부를 구비하고, 외형이 사각형을 갖는 경우, 그 4개의 변(301 내지 304)의 모퉁이부(31A 내지 31D)의 중심 위치의 측정점 Z1, Z3, Z5, Z7과, 변부(32A 내지 32D)의 중심 위치의 측정점 Z2, Z4, Z6, Z8에 있어서 땜납층의 최대 높이인 두께를 측정하고, 그 평균값을 땜납층(122)의 두께의 평균값으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 땜납층의 저면 형상은 도 1의 (B), 도 3에 도시한 형태에 한정되는 것이 아니고, 임의의 형상으로 할 수 있고, 예를 들어 외형이 사각형 이외의 다각형 형상 등을 갖고, 개구부도 이것에 대응한 형상으로 할 수도 있다. 이 경우도 예를 들어 각 변의 모퉁이부, 변부의 각 중심 위치에서 두께를 측정하고, 측정한 두께의 평균값을 땜납층의 두께로 할 수 있다. 모퉁이부, 변부에 대해서는, 후술한다.
땜납층(122)은, 두께의 편차, 즉 두께의 단순 평균값과의 편차는 ±20㎛ 이내가 바람직하고, ±10㎛ 이내가 보다 바람직하다.
이것은 땜납층(122)의 두께의 편차를 ±20㎛ 이내로 함으로써, 광학 패키지를 제조할 때, 창재와, 광학 소자를 배치한 회로 기판과의 사이의 기밀 밀봉성을 특히 높일 수 있어, 바람직하기 때문이다.
또한, 땜납층(122)의 두께의 편차가 ±20㎛ 이내란, 편차가 -20㎛ 이상 +20㎛ 이하의 범위에 분포하는 것을 의미한다.
또한, 땜납층(122)의 두께의 편차는, 상술한 땜납층의 두께의 평균값과, 평균값을 산출할 때 사용한 측정값에서 산출할 수 있다.
또한, 땜납층(122)은 그 형성 방법에 의해, 땜납층의 모퉁이부와 변부에서 두께에 미소하기는 하지만, 변동이 발생하는 경우가 있다. 이 때문에, 땜납층(122)의 두께에 대해서 가중 평균도 아울러 산출하여, 평가의 지표에 사용해도 된다. 땜납층(122)의 두께에 대해서 가중 평균을 산출하는 경우, 땜납층에 포함되는 각 변의 두께의 가중 평균을 산출하여, 모든 변의 두께의 가중 평균의 평균(단순 평균)을 땜납층(122)의 두께의 가중 평균으로 할 수 있다.
각 변의 두께의 가중 평균은, 각 변에 포함되는 모퉁이부 및 변부의 중심 위치에 있어서 각각 두께를 측정하고, 측정점이 모퉁이부인 경우에는, 해당 모퉁이부의 가중 평균을 산출하는 변의 길이 방향의 길이에 의해, 측정점이 변부인 경우에는, 해당 변부의 가중 평균을 산출하는 변의 길이 방향의 길이에 의해 가중치를 부여할 수 있다.
또한, 모퉁이부란 땜납층의 변이 중복되어 있는 부분을 가리키고, 변부란 그 이외의 장소를 가리킨다. 예를 들어 도 3에 도시한 땜납층(122)의 경우, 땜납층(122)은 중앙에 사각형의 개구부를 구비하고, 외형이 사각형이고, 변(301) 내지 변(304)의 4변을 갖고 있다. 그리고, 도 3에 도시한 땜납층(122)은, 변(301) 내지 변(304)이 서로 중복된 모퉁이부(31A) 내지 모퉁이부(31D)를 갖고 있다.
구체적으로는, 모퉁이부(31A)는, 변(301)과 변(304)이 중복된 직선 A1, A2, B1, B2로 둘러싸인 영역이 된다. 모퉁이부(31B)는, 변(301)과 변(302)이 중복된 직선 A3, A4, B1, B2로 둘러싸인 영역이 된다. 모퉁이부(31C)는, 변(302)과 변(303)이 중복된 직선 A3, A4, B3, B4로 둘러싸인 영역이 된다. 모퉁이부(31D)는, 변(303)과 변(304)이 중복된 직선 A1, A2, B3, B4로 둘러싸인 영역이 된다.
또한, 도 3에 도시한 땜납층(122)은, 변부(32A) 내지 변부(32D)를 갖고 있다. 구체적으로는, 변부(32A)는 직선 A2, A3, B1, B2로 둘러싸인 영역이 된다. 또한, 변부(32B)는 직선 A3, A4, B2, B3로 둘러싸인 영역이 된다. 변부(32C)는 직선 A2, A3, B3, B4로 둘러싸인 영역이 된다. 변부(32D)는 직선 A1, A2, B2, B3로 둘러싸인 영역이 된다.
변(301)에 대해서 가중 평균을 내는 경우에는, 이하의 수순에 의해 모퉁이부(31A, 31B) 및 변부(32A)에서의 두께를, 각 영역의 변(301)의 길이 방향의 길이로 가중치 부여해서 산출할 수 있다. 모퉁이부(31A)의 중심 위치의 측정점 Z1에서 측정한 두께 TZ1에 대하여, 모퉁이부(31A)에 있어서의 변(301)의 길이 방향의 길이 W1에 의해 가중치 부여를 행한다. 변부(32A)의 중심 위치의 측정점 Z2에서 측정한 두께 TZ2에 대하여, 변부(32A)에 있어서의 변(301)의 길이 방향의 길이 L1에 의해 가중치 부여를 행한다. 모퉁이부(31B)의 중심 위치의 측정점 Z3에서 측정한 두께 TZ3에 대하여, 모퉁이부(31B)에 있어서의 변(301)의 길이 방향의 길이 W2에 의해 가중치 부여를 행한다. 그리고, 산출 결과를 합계한 것을, 가중치 부여에 사용한 W1, L1, W2의 합계에 의해 나눔으로써, 변(301)의 가중 평균을 산출할 수 있다.
마찬가지로 하여, 다른 변에 대해서도 가중 평균을 산출하고, 그 평균값을 구함으로써 땜납층의 가중 평균을 구할 수 있다.
도 4에 도시한 땜납층(122)의 경우, 이하의 식 (1)에 의해 산출할 수 있다.
가중 평균값=[(W1×TZ1+L1×TZ2+W2×TZ3)/(W1+L1+W2)+(W3×TZ3+L2×TZ4+W4×TZ5)/(W3+L2+W4)+(W2×TZ5+L1×TZ6+W1×TZ7)/(W1+L1+W2)+(W4×TZ7+L2×TZ8+W3×TZ1)/(W3+L2+W4)]/4 … (1)
또한, 상기 식 (1) 중 TZx는, 각 측정점 Zx(x는 1 내지 8의 어느 것)에서 측정한 땜납층의 두께를 의미하고, 이하 마찬가지로 표기한다. 상기 식 (1) 중 L1, L2는, 도 3에 도시한 바와 같이, 땜납층(122)의 중앙에 형성된 개구부의 각 변의 길이가 된다. L1, L2는 임의의 위치에서 측정한 길이로 할 수도 있지만, 복수 개소에서 측정한 평균값을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 L1에 대해서는 개구부의 양 단부 및 중앙에서 측정한, 즉 예를 들어 직선 B2, B3, B5를 따라 측정한 개구부의 한변의 길이의 평균값으로 하는 것이 바람직하다. 또한, L2에 대해서도 마찬가지로 개구부의 양 단부 및 중앙에서 측정한, 즉 예를 들어 직선 A2, A3, A5를 따라 측정한 개구부의 한변의 길이의 평균값으로 하는 것이 바람직하다.
땜납층(122)의 선폭 W1 내지 W4에 대해서도 임의의 위치에서 측정한 길이로 할 수도 있지만, 복수 개소에서 측정한 평균값을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 선폭 W1의 경우, 변(304)의 길이 방향의 중심을 통과하는 직선 B5를 따라 측정한 값과, 개구부의 양 단부를 통과하는 직선 B2, B3을 따라 측정한 값의 세점에서의 측정값의 평균값을 사용하는 것이 바람직하다.
땜납층의 형성 방법에 따라서는, 예를 들어 두께가 좌우 대칭이 되는 경우도 있다. 예를 들어 땜납층을 딥법에 의해 형성하고, 그 딥 방향을 알고 있는 경우, 딥 방향을 중심으로 하여, 땜납층의 두께가 좌우 대칭이 된다. 예를 들어 도 3 중 직선 B5를 따라 딥을 행한 경우, 직선 B5를 중심으로 하여, 땜납층(122)의 두께는 좌우 대칭이 된다. 이 때문에, 이러한 경우, 측정점 Z7, Z6, Z5에 있어서의 땜납층(122)의 두께는 각각, 순서대로 측정점 Z1, Z2, Z3에 있어서의 땜납층(122)의 두께와 동치이기 때문에, 모든 측정점 Z1 내지 Z8에서 두께를 측정할 필요는 없다. 예를 들어 측정점 Z1 내지 Z4, Z8의 측정점 5점에서 두께를 측정하고, TZ1=TZ7, TZ2=TZ6, TZ3=TZ5로 해서, 땜납층(122)의 두께의 가중 평균을 산출할 수 있다. 또한, 단순 평균의 경우도 동일한 측정점만의 값으로부터 평균값을 구할 수도 있다.
땜납층의 가중 평균값은 특별히 한정되지 않지만, 4㎛ 이상인 것이 바람직하고, 13㎛ 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 땜납층의 가중 평균값의 상한도 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 70㎛ 이하가 바람직하고, 60㎛ 이하가 보다 바람직하다.
또한, 땜납층의 가중 평균값과의 편차, 즉 각 측정점에 있어서의 두께와, 산출한 가중 평균값과의 차는 ±30㎛ 이내로 하는 것이 바람직하다.
가중 평균값과, 가중 평균값과의 편차에 대해서, 바람직한 이유는 평균값의 경우와 마찬가지이므로 생략한다.
또한, 땜납층의 저면 형상은 도 1의 (B), 도 3에 도시한 형태에 한정되는 것이 아니고, 예를 들어 외형이 사각형 이외의 다각형 형상 등을 갖고, 개구부도 이것에 대응한 형상으로 할 수도 있다. 이 경우도 예를 들어 각 변에 포함되는 모퉁이부, 변부의 중심 위치에 있어서 두께를 측정하고, 각 영역의 가중 평균을 산출하는 변의 길이 방향의 길이에 의해 가중치를 부여하고, 각 변의 가중 평균을 산출하고, 모든 변의 두께의 가중 평균 평균을 구함으로써 땜납층의 가중 평균을 산출할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 창재는, 광학 소자를 구비한 회로 기판과 접합해서 사용할 수 있고, 땜납층(122)은, 이러한 회로 기판과 창재를 접합할 수 있다.
그리고, 땜납층(122)의 표면에는 산화막이 존재하는 것이 일반적이지만, 회로 기판과 접합하기 쉽게 하기 위해서, 땜납층(122)의 하면, 즉 회로 기판과 대향하는 측의 면의 표면에 존재하는 산화막은, 가열에 의해 용융한 땜납층(122)의 내부에 녹아들어, 회로 기판의 상면에 대하여, 용융한 땜납층(122)이 접할 수 있을 정도로 얇은 것이 바람직하다. 구체적인 땜납층의 표면의 산화막의 두께는 한정되지 않지만, 산화막의 두께는 10㎚ 이하가 바람직하고, 5㎚ 이하가 보다 바람직하다.
이러한 산화막은 적은 쪽이 바람직한 점에서, 산화막의 두께는 0 이상으로 할 수 있다.
땜납층(122)은 각종 땜납(접합용 조성물)에 의해 구성할 수 있다.
땜납층(122)에 사용하는 땜납으로서는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 영률이 50㎬ 이하의 재료가 바람직하고, 40㎬ 이하의 재료가 보다 바람직하고, 30㎬ 이하의 재료가 더욱 바람직하다.
이미 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 창재는, 광학 패키지의 부재로서 사용할 수 있지만, 광학 패키지로 한 후, 예를 들어 광학 소자를 발광, 소등 등을 한 경우에, 땜납층에 온도 변화를 발생시키는 경우가 있다. 그리고, 땜납층에 사용하는 땜납의 영률을 50㎬ 이하로 함으로써, 땜납층 부분에 온도 변화가 발생하고, 팽창, 수축한 경우에도, 다른 부재를 파괴하는 것 등을 특히 억제할 수 있어 바람직하기 때문이다.
또한, 땜납의 영률이 50㎬ 이하인 경우, 광학 패키지로 했을 때, 무기 재료의 기체(11)와, 광학 소자를 구비한 회로 기판과의 열 팽창차에 의해 발생하는 응력을, 양 부재를 접합하는 땜납층(122) 내에서 흡수할 수 있어, 바람직하기 때문이다.
땜납층(122)에 사용하는 땜납의 영률의 적합한 범위의 하한값은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 0보다 크면 되고, 기밀 밀봉성을 높이는 관점에서 10㎬ 이상이 바람직하다.
땜납의 영률은, 땜납에 대해서 인장 시험을 행하고, 그 결과로부터 산출할 수 있다.
또한, 땜납층(122)에 사용하는 땜납의 융점은 200℃ 이상이 바람직하고, 230℃이상이 보다 바람직하다. 이것은 땜납의 융점이 200℃ 이상인 경우, 광학 패키지로 했을 때의 내열성을 충분히 높일 수 있기 때문이다. 단, 땜납층(122)에 사용하는 땜납의 융점은 280℃ 이하가 바람직하다. 이것은, 광학 패키지를 제조할 때 열처리를 행하여, 땜납층(122)의 적어도 일부를 용융시키게 되지만, 땜납의 융점이 280℃ 이하인 경우, 열처리의 온도를 낮게 억제할 수 있기 때문에, 광학 소자 등에 대미지가 발생하는 것을 특히 억제할 수 있기 때문이다.
땜납층(122)에 사용하는 땜납은 밀도가 6.0g/㎤ 이상이 바람직하고, 7.0g/㎤ 이상이 보다 바람직하다. 이것은 땜납층(122)에 사용하는 땜납의 밀도를 6.0g/㎤ 이상으로 함으로써, 특히 기밀 밀봉성을 높일 수 있기 때문이다. 땜납층(122)에 사용하는 땜납의 밀도의 상한값은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 10g/㎤ 이하가 바람직하다.
땜납층(122)에 사용하는 땜납의 열 팽창률은 30ppm 이하가 바람직하고, 25ppm 이하가 보다 바람직하다. 이것은 땜납의 열 팽창률이 30ppm 이하인 경우, 광학 패키지로 하고, 광학 소자의 발광 등의 시에 발생하는 열에 의한 형상 변화가 억제되어, 광학 패키지가 파손하는 것 등을 보다 확실하게 방지할 수 있기 때문이다. 땜납층(122)에 사용하는 땜납의 열 팽창률 하한값은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 0.5ppm 이상이 바람직하다.
땜납층(122)에 사용하는 땜납의 구리 침식성은, 15% 이하가 바람직하고, 10% 이하가 보다 바람직하다. 이것은, 땜납층(122)에 사용하는 땜납의 구리 침식성이 15% 이하인 경우, 하지 금속층(121) 등과의 반응을 억제할 수 있어, 바람직하기 때문이다. 땜납층(122)에 사용하는 땜납의 구리 침식성의 하한값은 특별히 한정되지 않지만, 0 이상이 바람직하다. 또한, 땜납의 구리 침식성은, 구리 침식성 평가에 의해 평가할 수 있다.
구리 침식성은, 예를 들어 이하의 수순에 의해 평가할 수 있다.
직경 0.5㎜인 구리 와이어를 3㎜ 정도의 길이로 2개 절단하고, 2개의 구리 와이어의 표면을 RMA(Rosin Midly activated, 약활성 로진계) 타입의 플럭스에 침지해서 산화막을 제거한다.
산화막을 제거한 1개째의 구리 와이어를 에탄올로 세정하고, 1개째의 구리 와이어의 단면적 S1을 측정한다. 또한, 구리 와이어의 단면적이란, 구리 와이어의 길이 방향과 수직인 면에서의 단면적을 의미한다.
다음에 산화막을 제거한 2개째의 구리 와이어를, 평가를 행하는 땜납을 넣고 수온이 400℃가 되도록 가열된 땜납조에 60초간 침지한다. 이때, 구리 와이어의 산화막의 재발생을 방지하기 위해서, 플럭스에 의해 산화막을 제거하고 나서 60초 이내에 땜납조에 침지한다. 땜납조로의 침지 후, 구리 와이어를 끌어 올려서, 땜납조에 침지한 측의 단부로부터, 구리 와이어를 연마하고, 구리 단면이 확인되는 위치에서, 구리 와이어의 단면적 S2를 측정한다.
땜납조로의 침지 전의 구리 와이어의 단면적 S1에 대한, 땜납조로의 침지 후의 구리 와이어의 단면적 S2를 비교하여, 단면적 감소의 비율을 산출한다. 구체적으로는 이하의 식에 의해 산출할 수 있다.
(구리 침식성)=(S1-S2)/S1×100
땜납층을 구성하는 땜납은 상술한 바와 같이 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 주석, 게르마늄, 및 니켈을 함유하고, 게르마늄의 함유량이 10질량% 이하이고, 게르마늄의 함유량과, 니켈의 함유량이, 이하의 식 (1)을 충족하는 것이 바람직하다.
[Ni]≤2.8×[Ge]0.3 … (1)
(단, [Ni]는 질량% 환산으로의 니켈의 함유량, [Ge]는 질량% 환산으로의 게르마늄의 함유량을 나타낸다.)
상술한 땜납에 의하면, 해당 땜납을 피접합 부재 상에 배치한 후, 산화막 제거를 할 필요없이 용이하게 피접합물과 접합할 수 있기 때문이다.
이하에 땜납층에 적합하게 사용할 수 있는 상기 땜납이 함유하는 성분에 대해서 설명한다.
(주석)
상술한 땜납은, 주석(Sn)을 함유한다.
주석은, 회로 기판이나 하지 금속층 등의 피접합 부재와, 땜납과의 열 팽창차를 완화할 수 있다. 또한, 주석을 땜납의 주성분으로서 함유함으로써, 땜납의 융점 온도를 주석의 융점 온도인 230℃ 정도로 할 수 있다.
상술한 땜납은, 주석을 주성분으로서 함유할 수 있다. 주성분으로서 함유한다는 것은, 예를 들어 땜납 중에 가장 많이 포함되어 있는 성분을 의미하고 있고, 땜납 중에 60질량% 이상 함유되어 있는 성분이 바람직하다.
특히, 땜납의 주석 함유량은, 예를 들어 85.9질량% 이상이 보다 바람직하고, 87.0질량% 이상이 더욱 바람직하고, 88.0질량% 이상이 특히 바람직하다.
이것은 땜납 중 주석의 함유량이 85.9질량% 이상인 경우, 피접합 부재와, 땜납과의 열 팽창차의 완화, 및 땜납의 용융 온도의 저하에 대해서, 특히 높은 효과를 나타내기 때문이다.
땜납 중 주석의 함유량 상한값은 특별히 한정되는 것이 아니지만 예를 들어, 99.9질량% 이하가 바람직하고, 99.5질량% 이하가 보다 바람직하고, 99.3질량% 이하가 더욱 바람직하다.
상술한 땜납은 주석 이외에 게르마늄, 및 니켈도 함유한다. 그리고, 이들 성분을 함유함으로써, 피접합 부재에 도포했을 때 땜납의 표면에 산화 피막이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 상술한 땜납은, 게르마늄, 니켈 이외에도 후술하는 임의의 성분을 함유할 수도 있다. 이 때문에, 이들 주석 이외의 성분의 함유량을 충분히 확보하기 위해서, 상술한 바와 같이, 주석의 함유량은 99.9질량% 이하가 바람직하다.
또한, 후술하는 바와 같이 게르마늄 등의 함유량에 따라서는 피접합 부재간의 기밀 밀봉성을 특히 높일 수 있다. 기밀 밀봉성을 높이는 관점에서는, 땜납 중, 주석 이외의 게르마늄 등의 성분의 함유량이 일정량 이상 있는 것이 바람직하다. 이 때문에, 기밀 밀봉성을 특히 높이는 것이 요구되는 경우 등에는, 주석의 함유량 상한값은 98.8질량% 이하로 하는 것이 특히 바람직하다.
(게르마늄)
상술한 땜납은, 게르마늄을 함유한다.
게르마늄은, 피접합 부재의 접합면에 땜납을 도포했을 때 땜납의 표면에 산화 피막이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 이것은, 땜납을 도포하기 위해서 용융했을 때, 땜납에 포함되는 게르마늄이 우선적으로 산화하여, 땜납 중 니켈이 산화하는 것을 억제할 수 있기 때문이다.
상술한 땜납의 게르마늄 함유량은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 10질량% 이하가 바람직하고, 8질량% 이하가 보다 바람직하다.
이것은 땜납의 게르마늄의 함유량이 10질량%을 초과하면, 게르마늄 자신이 과도하게 산화물을 형성하게 되어, 오히려, 피접합 부재와의 접합을 방해할 우려가 있기 때문이다.
게르마늄의 함유량의 하한값은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 0.5질량%보다 많은 것이 바람직하고, 0.7질량% 이상이 보다 바람직하다.
땜납은 용융했을 때, 과잉이 된 산소가 가스화함으로써 땜납 내에 공극을 발생하는 경우가 있다. 특히 진공 환경 하에서 접합을 위해서 땜납을 용융했을 때는, 상술한 산소 등의 가스가 팽창하여 땜납 내에 공극을 발생시키기 쉬워진다. 그리고, 해당 공극에 의해, 피접합 부재간의 기밀 밀봉성이 저하되는 경우가 있다.
이에 반해, 땜납의 게르마늄 함유량을 0.5질량%보다 많게 함으로써, 상술과 같은 과잉의 산소에 기인하는 땜납 내의 공극의 발생을 억제하여, 피접합 부재간의 기밀 밀봉성을 특히 높일 수 있기 때문에 바람직하다.
(니켈)
상술한 땜납은, 상술한 바와 같이 니켈(Ni)을 함유한다.
땜납을 용융했을 때 땜납에 포함되는 니켈은 산화물이 되는 경향이 강하다. 이 때문에, 피접합 부재의 접합 부분, 예를 들어 회로 기판의 접합면에 산화물이 포함되어 있는 경우에, 해당 접합 부분의 산화물과 땜납이 결합하기 쉬워져, 땜납과, 산화물을 포함하는 해당 접합 부분과의 습윤성이 향상되어, 높은 접합 강도를 발휘하는 것이 가능해지기 때문이다.
상술한 땜납의 니켈 함유량은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 게르마늄의 함유량과 일정한 관계를 갖는 것이 바람직하다.
구체적으로는, 질량% 환산으로의 니켈의 함유량 [Ni]와, 질량% 환산으로의 게르마늄의 함유량 [Ge]는, 이하의 식 (1)을 충족하는 것이 바람직하다.
[Ni]≤2.8×[Ge]0.3 … (1)
이것은, 땜납의 질량% 환산으로의 니켈의 함유량 [Ni]가 2.8×[Ge]0.3을 초과하면, 해당 땜납을 피접합 부재의 접합면에 도포하기 위해서 용융했을 때, 땜납의 일부가 입자상에 녹아 남아서, 접합할 수 없게 되는 경우가 있기 때문이다.
특히, 질량% 환산으로의 니켈의 함유량 [Ni]와, 질량% 환산으로의 게르마늄의 함유량 [Ge]는, [Ni]≤2.4×[Ge]0.3을 충족하는 것이 보다 바람직하고, [Ni]≤2.0×[Ge]0.3을 충족하는 것이 더욱 바람직하다.
상술한 땜납의 니켈의 함유량의 하한값은 특별히 한정되는 것이 아니고, 0질량%보다 많으면 된다.
또한, 질량% 환산으로의 니켈의 함유량 [Ni]을, 질량% 환산으로의 게르마늄의 함유량 [Ge]로 제산한 값은 2.0 미만이 바람직하고, 1.5 미만이 보다 바람직하다. 즉 [Ni]/[Ge]＜2.0이 바람직하고, [Ni]/[Ge]＜1.5가 보다 바람직하다.
이것은, [Ni]/[Ge]가, 2.0 이상인 경우, 피접합 부재의 접합면에 도포하기 위해서 용융시킨 땜납의 표면에, 니켈의 산화 피막이 발생하는 경우가 있고, 접합을 저해할 우려가 있기 때문이다. 또한, 니켈의 산화 피막은, 금속 성분 중 니켈이 상대적으로 많이 포함되는 산화 피막을 의미한다.
또한, 질량% 환산으로의 니켈의 함유량 [Ni]을, 질량% 환산으로의 게르마늄의 함유량 [Ge]로 제산한 값은 0.005 이상이 바람직하고, 0.01 이상이 보다 바람직하다. 즉 0.005≤[Ni]/[Ge]가 바람직하고, 0.01≤[Ni]/[Ge]가 보다 바람직하다.
이것은 [Ni]/[Ge]이 0.005 미만인 경우, 땜납이, 충분한 산소를 유지할 수 없고, 피접합 부재의 접합 부분에 산화물이 포함되어 있는 경우에, 해당 접합 부분의 산화물에 대한 습윤성이 저하되고, 피접합 부재간의 기밀 밀봉성을 손상시킬 우려가 있기 때문이다.
또한, 게르마늄의 함유량과, 니켈의 함유량의 합계는 1.2질량%보다 많은 것이 바람직하다. 이것은, 땜납 중 게르마늄의 함유량과, 니켈의 함유량의 합계가 1.2질량% 보다 많은 경우, 피접합 부재간의 기밀 밀봉성을 특히 높일 수 있기 때문이다.
(이리듐)
상술한 땜납은, 또한 이리듐(Ir)을 함유할 수도 있다.
상술한 땜납이 이리듐을 함유함으로써, 땜납을 용융했을 때, 땜납 내의 공극의 발생을 저감할 수 있다. 땜납이 이리듐을 함유함으로써, 땜납을 용융했을 때 공극의 발생을 억제할 수 있는 이유에 대해서는 명백하지 않지만, 용융 금속의 표면 장력을 저하시켜서, 가스의 혼입을 저감시킬 수 있기 때문이라 추인된다.
이와 같이 땜납을 용융했을 때 공극의 발생을 저감할 수 있음으로써, 피접합 부재와의 접합 면적을 충분히 확보할 수 있기 때문에, 접합 강도를 높이는 것이 가능하게 된다. 또한, 누설 경로의 발생을 억제할 수 있기 때문에, 피접합 부재간의 기밀 밀봉성을 높일 수 있다.
또한, 땜납 중 공정물의 결정의 조대화는, 땜납을 용융하고, 응고시켜서, 피접합 부재간을 접합하는 접합부를 형성했을 때, 해당 접합부의 신도나 강도를 저하시키고, 접합부에 있어서의 크랙 발생의 원인이 되는 경우가 있다. 그러나, 땜납이 이리듐을 함유함으로써, 공정물의 결정의 조대화를 억제할 수 있고, 기밀성 저하의 원인이 되는 크랙의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 땜납은, 선상으로 가공해서 선상 땜납으로서 사용되는 것이 일반적이지만, 조대한 결정을 포함하는 선상 땜납은 물러서, 사용하기 어렵다. 이에 반해, 상술한 땜납은 이리듐을 함유함으로써, 땜납 중 공정물의 결정의 조대화를 억제할 수 있다. 이 때문에, 상술한 땜납은, 이리듐을 함유함으로써 선상 땜납으로 한 경우에도 취급성이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
여기에서 말하는 땜납에 포함되는 공정물이란, 예를 들어 게르마늄과, 니켈로 형성되는 Ge-Ni 공정물을 들 수 있다.
상술한 땜납의 이리듐 함유량은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 0.1질량% 이하가 바람직하고, 0.025질량% 이하가 보다 바람직하고, 0.005질량% 이하가 더욱 바람직하다.
이것은 땜납 중 이리듐의 함유량이 0.1질량%를 초과하는 경우, 해당 땜납을 용융했을 때, 그 표면에 산화 피막이 발생하는 경우가 있어, 피접합 부재의 접합을 저해할 우려가 있기 때문이다.
또한, 땜납 중 이리듐의 함유량이 0.025질량% 이하인 경우, 피접합 부재간의 기밀 밀봉성을 특히 높일 수 있기 때문에, 보다 바람직하다.
이리듐의 함유량의 하한값에 대해서도 특별히 한정되는 것이 아니고, 예를 들어 0질량% 이상으로 할 수 있고, 0.0005질량% 이상이 바람직하다.
(아연)
상술한 땜납은, 또한 아연(Zn)을 함유할 수도 있다.
땜납이 아연을 함유하는 경우, 해당 땜납을 용융했을 때 아연은 산화물이 되는 경향이 강하다. 이 때문에, 피접합 부재의 접합 부분에 산화물이 포함되어 있는 경우에, 해당 접합 부분의 산화물과 땜납이 결합하기 쉬워져서, 땜납과, 산화물을 포함하는 해당 접합 부분과의 습윤성이 향상되어, 높은 접합 강도를 발휘하는 것이 가능해진다.
상술한 땜납의 아연의 함유량은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 0.5질량% 이하가 바람직하다.
이것은 땜납 중 아연의 함유량이 0.5질량%를 초과하는 경우, 해당 땜납을 용융했을 때, 그 표면에 산화 피막이 발생하는 경우가 있고, 피접합 부재의 접합을 저해할 우려가 있기 때문이다.
아연의 함유량의 하한값에 대해서도 특별히 한정되는 것이 아니고, 예를 들어 0질량% 이상으로 할 수 있다.
(산소)
그리고, 상술한 땜납은 산소를 더 함유할 수 있다.
땜납 중 산소는, 피접합 부재의 접합 부분에 산화물이 포함되어 있는 경우에, 땜납과, 해당 산화물을 함유하는 접합 부분의 접합을 촉진하는 성분이 된다.
땜납 중에 포함되는 산소의 상태는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 산소는 땜납의 금속 재료 중에 용융한 형태로 함유되어 있는 것이 바람직하다. 이것은, 땜납과 피접합 부재의 계면에 있어서, 피접합 부재의 접합 부분의 산화물과, 땜납 중 금속 재료와의 사이의 산소 농도의 경사가 매끄러워져서, 접합 계면이 강고해지기 때문이다.
땜납 중에 산소를 함유시키는 방법은 특별히 한정되는 것이 아니지만, 예를 들어, 산소를 포함하는 분위기 하에서 땜납을 용융, 제조하는 방법, 및/또는 산소를 포함하는 분위기 하에서 피접합 부재와의 접합 작업을 행하는 방법을 들 수 있다.
또한, 피접합 부재를 접합하기 전의 땜납은, 후술하는 땜납 중 산소의 함유량을 충족하고 있는 것이 바람직하다. 이 때문에, 산소를 포함하는 분위기 하에서 땜납을 용융, 제조하는 방법에 의해 산소 농도를 조정하는 것이 바람직하다.
특히, 피접합 부재를 접합하기 전의 땜납 및 접합 후의 땜납 어느 것의 상태에 있어서도, 후술하는 땜납 중 산소의 함유량을 충족하고 있는 것이 보다 바람직하다.
땜납 중 산소의 함유량은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 0.0001질량% 이상으로 할 수 있고, 바람직하게는 0.0007질량% 이상이다.
이것은 산소의 함유량을 0.0001질량% 이상으로 함으로써, 접합 강도를 높이는 효과를 충분히 발휘할 수 있기 때문이다.
땜납 중 산소의 함유량의 상한값은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 2질량% 이하로 할 수 있고, 바람직하게는 1질량% 이하이다.
이것은 땜납이 함유하는 산소의 양이 너무 많아지면, 땜납 내부에 산화물의 석출이 발생하기 쉬워져서, 오히려 접합 강도가 저하될 우려가 있기 때문이다. 이 때문에, 상술한 바와 같이 땜납 중 산소의 함유량은 2질량% 이하가 바람직하다.
또한, 여기에서 말하는 땜납 중 산소의 함유량이란, 땜납 내부에 포함되는 산소의 함유량을 의미하고 있다. 즉, 땜납 표면에 산화 피막이 형성되어 있는 경우에는, 해당 산화 피막을 제거한 후의 땜납 중 산소 함유량을 나타내고 있다.
땜납 중 산소량을 측정할 때, 산화 피막의 제거 방법은 특별히 한정되는 것이 아니고, 예를 들어 산 등에 의해 땜납의 표면을 처리함으로써 제거할 수 있다.
땜납 중 산소 함유량의 측정은, 예를 들어 이하의 (1) 내지 (3)의 수순에 의해 측정할 수 있다.
(1) 분석용 시료로서, 제작한 땜납의 소편을 0.5g 준비한다.
(2) (1)에서 준비한 땜납의 소편의 표면에 포함되는 산화 피막의 영향을 제거하기 위해 화학 에칭을 실시한다.
구체적으로는, 땜납의 소편과, 2배 희석한 염산을 넣은 비이커를 워터 배스에 세트하고, 80℃에서 12분간 가열한다. 그 후, 탈기수로 데칸테이션을 행하고, 이어서 에탄올로 데칸테이션을 행한다.
(3) (2)에서 산화 피막의 제거를 행한 땜납의 시료에 대해서 산소 농도를 측정한다. 산소 농도의 측정은, 예를 들어 산소·수소 분석계를 사용해서 행할 수 있다.
여기까지, 상술한 땜납이 함유할 수 있는 각 성분에 대해서 설명했지만, 이러한 재료로 한정되는 것은 아니다. 또한, 상술한 땜납은, 예를 들어 땜납을 제조할 때 발생하는 불가피 성분을 함유하고 있어도 된다. 불가피 성분으로서는 특별히 한정되는 것이 아니다. 단, 불가피 성분으로서, Fe, Co, Cr, V, Mn, Sb, Pb, Bi, Zn, As, Cd로 이루어지는 군에서 선택되는 1종류 이상의 원소를 함유하는 경우, 상기 원소의 함유량은 합계로 1질량% 이하가 바람직하고, 합계로 500ppm 이하가 보다 바람직하다.
이것은 상기 원소는, 땜납의 피접합 부재에 대한 습윤성을 저하시키는 작용이 있고, 상기 원소의 합계 함유량을 1질량% 이하로 함으로써, 땜납의 피접합 부재에 대한 습윤성이 저하되는 것을 억제할 수 있기 때문이다.
그리고, Ga, P, B는 보이드 발생의 원인이 되기 때문에, Ga, P, B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종류 이상의 원소를 불가피 성분으로서 함유하는 경우, 그 함유량은 합계로 500ppm 이하가 바람직하고, 합계로 100ppm 이하가 보다 바람직하다.
또한, 상술한 땜납은, 은(Ag)을 함유하지 않는 것이 바람직하다.
이것은, 은은 주석과의 사이에서 금속간 화합물(Ag3Sn)을 생성한다. 그리고, Ag3Sn은 융점이 높기 때문에, 땜납 표면에 존재하면, 피접합 부재와의 습윤성을 약간이지만, 저하시킬 우려가 있기 때문이다.
이러한 피접합 부재와의 습윤성 저하의 현상은 종래의 초음파 땜질 인두 등을 사용하여, 산화 피막을 제거하면서 접합하는 땜납이면 문제는 되지 않는다. 그러나, 초음파 땜질 인두 등을 사용하지 않고, 산화 피막의 제거 작용이 작용하지 않는 환경 하에서 접합을 행하는 경우에는, 접합을 저해하는 요인이 되기 때문이다.
또한, 땜납이 은을 함유하지 않는다는 것은, 땜납을 산으로 용해해서 ICP 발광 분광 분석법에 의해 분석한 경우에, 검출 한계 이하를 의미하고 있다.
그리고, 상술한 땜납은, 땜납의 단면 중, 임의의 위치에 있어서의 면적이 1.0×106㎛2의 영역 내에 존재하는 공정물에 대해서, 공정물이 그 내부에 포함되는 최소 사이즈의 원을 공정물마다 형성한 경우에, 직경이 220㎛ 이상인 원이 2개 이하, 또는 직경이 350㎛ 이상인 원은 1개 이하가 바람직하다.
또한, 상술한 땜납은, 땜납의 단면 중, 임의의 위치에 있어서의 면적이 1.0×106㎛2의 영역 내에 존재하는 공정물에 대해서, 면적이 2000㎛2 이상의 공정물이 2개 이하 또는 4000㎛2 이상의 공정물은 1개 이하가 바람직하다.
또한, 상술한 땜납은, 적어도 피접합 부재를 접합하기 전에 있어서, 땜납의 단면의 소정의 영역 내의 공정물에 관한 상술한 규정의 어느 것, 또는 양쪽을 충족하는 것이 바람직하다. 특히, 상술한 땜납은, 피접합 부재를 접합하기 전, 및 피접합 부재를 접합한 후의 양쪽에 있어서, 땜납의 단면의 소정의 영역 내의 공정물에 관한 상술한 규정의 어느 것, 또는 양쪽을 충족하고 있는 것이 보다 바람직하다. 즉, 상술한 땜납은, 임의의 타이밍에서, 땜납의 단면의 소정의 영역 내의 공정물에 대해서 평가를 행한 경우에, 상술한 규정의 어느 것, 또는 양쪽을 충족하고 있는 것이 보다 바람직하다.
상술한 임의의 위치에 있어서의 면적이 1.0×106㎛2의 영역의 형상은 특별히 한정되는 것이 아니고, 임의의 형상으로 할 수 있다. 상기 영역의 형상으로서는, 예를 들어 정사각형, 직사각형, 다각형 등을 들 수 있다. 정사각형의 영역으로 하는 경우, 예를 들어 한변의 길이를 1.0×103㎛로 할 수 있다. 또한, 직사각형의 영역으로 하는 경우, 상기 면적을 확보할 수 있도록 각 변의 길이를 선택할 수 있고, 예를 들어 400㎛×2500㎛의 직사각형으로 할 수도 있다. 다각형의 영역으로 하는 경우에도, 상기 면적을 확보할 수 있도록 각 변의 길이를 선택할 수 있고, 다각형을 구성하는 각 변의 길이는 한정되는 것은 아니다.
상술한 땜납에 포함되는 공정물로서는, 예를 들어 게르마늄과, 니켈로 형성되는 Ge-Ni 공정물을 들 수 있다.
이미 설명한 바와 같이, 땜납 중 공정물의 결정의 조대화는, 땜납을 용융하고, 응고시켜서, 피접합 부재간을 접합하는 접합부를 형성했을 때, 해당 접합부의 신도나 강도를 저하시키고, 접합부에 있어서의 크랙 발생의 원인이 되는 경우가 있다. 그러나, 땜납의 단면에 있어서의 공정물이 상기 조건을 충족하는 경우, 공정물의 결정의 조대화를 억제할 수 있다고 할 수 있으며, 기밀성 저하의 원인이 되는 크랙의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 땜납은, 선상으로 가공해서 선상 땜납으로서 사용할 수 있지만, 땜납의 단면에 있어서의 공정물이 상기 조건을 충족하는 경우, 땜납 중 공정물의 결정의 조대화를 억제할 수 있고 있어, 선상 땜납으로 한 경우에 충분한 취급성을 가질 수 있다.
땜납층(122)에 적합하게 사용할 수 있는 땜납으로서는, 상술한 땜납 이외에도, 예를 들어 주석(Sn)-안티몬(Sb)계의 땜납 등을 들 수도 있다.
주석-안티몬계의 땜납의 각 성분의 함유량은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 안티몬의 함유량이 1질량% 이상인 것이 바람직하다. 안티몬은, 주석-안티몬계 땜납에 있어서 고상선 온도를 상승시키는 작용이 있고, 안티몬의 함유량을 1질량% 이상으로 함으로써 이러한 효과를 특히 발휘할 수 있어, 바람직하기 때문이다.
안티몬의 함유량의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 40질량% 이하로 하는 것이 바람직하다. 이것은, 안티몬의 함유량을 40질량% 이하로 함으로써, 고상선 온도가 과도하게 높아지는 것을 방지하여, 전자 부품의 실장에 적합한 땜납으로 할 수 있기 때문이다.
주석-안티몬계의 땜납은, 주석을 함유할 수 있다. 주석은, 회로 기판이나 하지 금속층 등의 피접합 부재와, 땜납과의 열 팽창차를 완화할 수 있다. 또한, 주석을 땜납의 주성분으로서 함유함으로써, 땜납의 융점 온도를 주석의 융점 온도인 230℃ 정도로 할 수 있다.
주석-안티몬계의 땜납은, 안티몬과 주석으로 구성할 수도 있고, 이 경우, 안티몬을 제외한 잔부를 주석에 의해 구성할 수 있다.
주석-안티몬계의 땜납은, 안티몬과 주석 이외에도 임의의 첨가 성분을 함유할 수 있고, 예를 들어 은(Ag), 구리(Cu) 등에서 선택된 1종류 이상을 함유할 수도 있다. 은이나 구리는, 안티몬과 마찬가지로 땜납의 고상선 온도를 상승시키는 작용을 갖는다. 이 경우, 안티몬과 임의의 첨가 성분 이외의 잔부를 주석에 의해 구성할 수 있다.
땜납층(122)에 적합하게 사용할 수 있는 땜납의 구성예에 대해서 설명했지만, 본 실시 형태의 창재(10)의 땜납층(122)에 사용하는 땜납은 이러한 땜납에 한정되는 것이 아닌 것은 이미 설명한 바와 같다.
접합층(12)의 형상은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 도 1의 (B)에 도시하는 바와 같이, 창재(10)의 접합층(12)을 형성한 측에서 본 경우의 도면, 즉 저면도에 있어서 땜납층(122)을 포함하는 접합층(12)이 무기 재료의 기체(11)의 외주를 따라 배치된 형상으로 할 수 있다. 그리고, 땜납층(122)을 포함하는 접합층(12)은 중앙부에 개구부를 갖고, 해당 개구부로부터 무기 재료의 기체(11)가 보이는 형상으로 할 수 있다. 도 1의 (B)에서는, 무기 재료의 기체(11) 쪽이, 땜납층(122)을 포함하는 접합층(12)보다 크게 되어 있지만, 이러한 형태에 한정되지 않는다. 예를 들어 무기 재료의 기재(11)의 외주와, 땜납층(122)을 포함하는 접합층(12)의 외주가 일치하도록 구성할 수도 있다.
또한, 도 1의 (B)에서는 접합층(12) 중, 최표면에 위치하는 땜납층(122)을 나타내고 있지만, 접합층(12)의 각 층의 적층 방향(도 1의 (A)에 있어서의 상하 방향)과 수직인 면에서의 접합층(12)의 단면 형상은, 층에 구애받지 않고 동일한 형상으로 하는 것이 바람직하다.
본 실시 형태의 창재의 제조 방법은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 이하의 공정을 가질 수 있다.
무기 재료의 기체를 준비하는 기체 준비 공정.
무기 재료의 기체의 한쪽 면 상에 접합층을 형성하는 접합층 형성 공정.
기체 준비 공정의 구체적인 조작은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 무기 재료의 기체를 원하는 사이즈가 되도록 절단하거나, 무기 재료의 기체 형상이 원하는 형상으로 되도록 가공할 수 있다. 또한, 무기 재료의 기체 표면에 반사 방지막을 배치하는 경우에는, 본 공정에서 반사 방지막을 형성할 수도 있다. 반사 방지막의 성막 방법은 특별히 한정되는 것이 아니고, 예를 들어 건식법이나, 습식법에 의해 성막할 수 있고, 건식법의 경우이면, 증착법, 스퍼터링법, 이온 플레이팅법 등에서 선택된 1종류 이상의 방법에 의해 성막할 수 있다. 습식법의 경우이면, 침지법이나, 스프레이 도포법 등에서 선택된 1종류 이상의 방법에 의해 성막할 수 있다.
접합층 형성 공정은, 예를 들어 하지 금속층을 형성하는 하지 금속층 형성 스텝과, 땜납층 형성 스텝을 가질 수 있다.
하지 금속층 형성 스텝은, 무기 재료의 기체의 한쪽 면 상에 하지 금속층을 형성할 수 있다. 하지 금속층을 형성하는 방법은 특별히 한정되지 않고, 성막하는 하지 금속층의 종류 등에 따라서 임의로 선택할 수 있다. 예를 들어 건식법이나, 습식법에 의해 성막할 수 있고, 건식법의 경우이면, 증착법, 스퍼터링법, 이온 플레이팅법 등에서 선택된 1종류 이상의 방법에 의해 성막할 수 있다. 습식법의 경우이면, 전해 도금법이나, 무전해 도금법, 인쇄법 등에서 선택된 1종류 이상의 방법에 의해 성막할 수 있다.
또한, 이미 설명한 바와 같이 하지 금속층은 복수의 층으로 구성할 수도 있고, 층마다 임의의 방법에 의해 성막할 수 있다.
땜납층 형성 스텝에서는, 무기 재료의 기체의 한쪽 면 상, 혹은 하지 금속층 상에 땜납층을 형성할 수 있다. 땜납층을 형성하는 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 딥법이나, 디스펜서를 사용한 도포법, 인쇄법, 레이저 메탈 디포지션법, 땜납 와이어를 사용한 방법 등에서 선택된 1종류 이상을 들 수 있다.
딥법은, 땜납 용융조 내에서 땜납층의 원료가 되는 땜납을 용융시켜 두고, 땜납층을 형성하는 부재, 예를 들어 하지 금속층을 배치한 무기 재료의 기체의 땜납층을 형성하는 부분을, 땜납 용융조 내의 용융 땜납에 딥 하고, 땜납층을 형성하는 방법이다.
디스펜서를 사용한 도포법은, 예를 들어 시린지가 접속된 디스펜서로부터, 땜납층을 형성하는 부재, 예를 들어 하지 금속층을 배치한 무기 재료의 기체의 땜납층을 형성하는 부분에 용융한 땜납을 공급하고, 땜납층을 형성하는 방법이다.
인쇄법은, 땜납층을 형성하는 부재, 예를 들어 하지 금속층을 배치한 무기 재료의 기체의 땜납층을 형성하는 부분에 대하여 페이스트상으로 한 땜납을 인쇄하고, 땜납층을 형성하는 방법이다. 또한, 인쇄 후 필요에 따라 열처리를 행할 수도 있다.
레이저 메탈 디포지션법은, 땜납층을 형성하는 부재, 예를 들어 하지 금속층을 배치한 무기 재료의 기체의 땜납층을 형성하는 부분에 대하여 분체상의 땜납을 공급하여, 레이저로 땜납을 용융 후, 냉각함으로써 땜납층을 형성하는 방법이다.
땜납 와이어를 사용한 방법은, 와이어상, 즉 선상으로 가공한 땜납을 사용하고, 예를 들어 자동 납땜 로봇 등에 의해, 땜납층을 형성하는 부재, 예를 들어 하지 금속층을 배치한 무기 재료의 기체의 땜납층을 형성하는 부분에 대하여 용융한 땜납을 공급하여, 땜납층을 형성하는 방법이다.
본 실시 형태의 창재의 제조 방법은, 필요에 따라서 또한 임의의 스텝을 가질 수도 있다.
접합층은 도 1의 (A), 도 1의 (B)를 사용해서 설명한 바와 같이 무기 재료의 기체(11)의 한쪽 면(11a) 상에 원하는 형상이 되도록 형성할 수 있다.
이 때문에, 본 실시 형태의 창재의 제조 방법은, 예를 들어 하지 금속층 형성 스텝과, 땜납층 형성 스텝과에 의해 접합층을 형성한 후, 해당 접합층이 원하는 형상이 되도록 패턴화하는 패턴화 스텝을 가질 수도 있다. 패턴화 스텝에서는, 예를 들어 땜납층이 노출된 면 상에, 형성하는 패턴에 대응한 레지스트를 배치하고, 에칭 등에 의해, 땜납층 및 하지 금속층 중 레지스트에 덮여 있지 않은 부분을 제거해서 패턴화할 수 있다. 패턴화 스텝 후에 레지스트를 제거하는 레지스트 제거 스텝을 실시할 수도 있다.
또한, 하지 금속층이 복수의 층을 포함하는 경우에 있어서, 하지 금속층에 포함되는 층의 일부를 성막 후, 패턴화 스텝을 실시하고, 해당 성막한 하지 금속층에 포함되는 층의 일부를 패턴화할 수도 있다. 그리고, 해당 패턴화 스텝 후에, 레지스트를 제거하는 레지스트 제거 스텝을 실시한 후, 패턴화된 하지 금속층 상에 또한 나머지의 하지 금속층을 형성할 수도 있다.
또한, 예를 들어 본 실시 형태의 창재의 제조 방법은, 하지 금속층 형성 스텝과, 땜납층 형성 스텝을 실시하기 전에, 하지 금속층, 및 땜납층을 형성하지 않는 부분에 레지스트를 배치하는 레지스트 배치 스텝을 가질 수도 있다. 레지스트 형성 후에, 하지 금속층, 및 땜납층을 형성함으로써, 형성하는 패턴에 대응한 부분에만 하지 금속층 및 땜납층을 형성할 수 있다. 이 경우, 땜납층 형성 스텝 후에 레지스트를 제거하는 레지스트 제거 스텝을 가질 수도 있다.
또한, 복수의 창재를 동시에 제조할 수 있도록, 복수개분의 크기의 무기 재료의 기체(절단 전 자재) 상에, 각 창재에 대응한 접합층을 복수 형성한 경우에는, 무기 재료의 기체를 절단하는 절단 공정을 가질 수도 있다. 절단 방법은 특별히 한정되는 것이 아니고, 이미 설명한 레이저광을 사용한 절단 방법 등, 무기 재료의 기체에 맞춘 절단 방법을 채용할 수 있다. 또한, 인접하는 창재에 있어서 접합층이 연속해서 형성되어 있는 경우, 즉 절단선 상에 접합층이 배치되어 있는 경우에는, 절단 공정에 있어서, 접합층도 맞추어서 절단할 수도 있다.
또한, 광학 패키지로 하고 나서, 회로 기판과 함께 무기 재료의 기체 등의 절단도 행하여, 개편화할 수도 있다.
이상으로 설명한 본 실시 형태의 창재에 의하면, 접합층 중의 금의 체적 비율을 억제하고 있기 때문에, 비용을 억제한 창재로 할 수 있다.
[광학 패키지]
이어서, 본 실시 형태의 광학 패키지의 일 구성예에 대해서 설명한다.
본 실시 형태의 광학 패키지는, 이미 설명한 창재와, 광학 소자를 구비한 회로 기판을 가질 수 있다.
본 실시 형태의 광학 패키지의 구성예에 대해서, 도 4를 사용해서 설명한다.
도 4는 본 실시 형태의 광학 패키지의 창재와 광학 소자를 구비한 회로 기판과의 적층 방향과 평행한 면에서의 단면도를 모식적으로 도시한 것이다. 또한, 도 4 중에서는 창재(10)와, 회로 기판(41)을 구별할 수 있도록 나누어서 기재하고 있지만, 광학 패키지(40)에 있어서 양 부재는 접합되어, 일체화하고 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태의 광학 패키지(40)는, 이미 설명한 창재(10)와, 광학 소자(42)를 구비한 회로 기판(41)을 갖는다.
창재(10)에 대해서는 이미 설명했기 때문에, 도 1의 경우와 동일한 번호를 붙이고, 설명을 생략한다.
회로 기판(41)에 대해서는 특별히 한정되지 않고, 절연성 기재(411)와, 광학 소자(42)에 대하여 전력을 공급하는 도시하지 않은 배선을 구비한 각종 회로 기판을 사용할 수 있다.
단, 창재(10)를 접합한 경우에, 창재(10)와, 회로 기판(41)으로 둘러싸인 공간 내의 기밀 밀봉성을 높이기 위해서, 회로 기판(41)은 세라믹스제의 절연성 기재(411)를 갖는 것이 바람직하다.
여기서, 회로 기판(41)의 절연성 기재(411)에 사용하는 세라믹스 재료로서는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 알루미나(산화 알루미늄, Al2O3)나, 질화알루미늄(AlN), LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics(저온 동시소성 세라믹스)) 등에서 선택된 1종류 이상을 들 수 있다.
회로 기판(41)의 절연성 기재(411)의 형상은 특별히 한정되지 않지만, 광학 패키지(40)로 한 경우에, 무기 재료의 기체(11)와 절연성 기재(411)와, 후술하는 접합부에서, 광학 소자(42)를 배치하는 부분에 폐쇄된 공간을 형성할 수 있도록 구성되어 있는 것이 바람직하다. 이 때문에, 절연성 기재(411)는, 그 상면(411a)의 중앙부에 개구부를 갖고, 해당 개구부를 포함하는 비관통 구멍인 오목부(411A)를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 절연성 기재(411)의 상면이란, 광학 패키지로 하는 경우에 창재(10)와 대향하는 면이며, 창재(10)와 접합하는 측의 면이라고도 할 수 있다.
이러한 오목부(411A)를 둘러싸는 벽부(411B)는, 광학 패키지로 한 경우에, 창재(10)의 접합층(12)과, 후술하는 회로 기판용 하지 금속층을, 모두 지지하기 위해서, 해당 접합층(12)이나, 회로 기판용 하지 금속층에 대응한 형상을 가질 수 있다.
또한, 회로 기판(41)은 절연성 기재(411)의 상면(411a)이며, 벽부(411B)의 상면에 회로 기판용 하지 금속층(412)을 가질 수 있다.
회로 기판용 하지 금속층(412)은, 회로 기판(41)의 절연성 기재(411)과, 창재(10)와의 밀착성을 높이는 작용을 가질 수 있다. 회로 기판용 하지 금속층(412)의 구체적인 구성은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 회로 기판(41)의 절연성 기재(411)측으로부터, 제1 회로 기판용 하지 금속층(412A), 제2 회로 기판용 하지 금속층(412B), 제3 회로 기판용 하지 금속층(412C)의 순서대로 적층한 층 구조를 가질 수 있다. 또한, 여기에서는 회로 기판용 하지 금속층(412)이 3층으로 구성되는 예를 나타냈지만, 이러한 형태에 한정되지 않고, 1층 혹은 2층, 혹은 4층 이상의 층으로 구성할 수도 있다.
상술한 바와 같이 회로 기판용 하지 금속층(412)을 3층으로 구성하는 경우, 예를 들어 제1 회로 기판용 하지 금속층(412A)은 회로 기판(41)에 있어서 배선(회로)을 형성하기 위해서 사용한 금속과 동일한 금속으로 구성하는 것이 바람직하다. 예를 들어 제1 회로 기판용 하지 금속층(412A)은, 구리(Cu), 은(Ag), 텅스텐(W)에서 선택된 1종류 이상의 금속을 포함하는 층으로 할 수 있다. 제1 회로 기판용 하지 금속층(412A)은, 구리(Cu), 은(Ag), 텅스텐(W)로 선택된 1종류 이상의 금속을 포함하는 층으로 할 수도 있다. 또한, 이 경우에도 제1 회로 기판용 하지 금속층(412A)이 불가피 불순물을 포함하는 것을 배제하는 것이 아니다.
제2 회로 기판용 하지 금속층(412B)은, 후술하는 제3 회로 기판용 하지 금속층(412C)과, 제1 회로 기판용 하지 금속층(412A)이 합금화하는 것을 방지하는 층으로 할 수 있고, 예를 들어 니켈(Ni)을 포함하는 층으로 할 수 있다. 제2 회로 기판용 하지 금속층(412B)은, 니켈(Ni)을 포함하는 층으로 할 수도 있다. 또한, 이 경우에도 제2 회로 기판용 하지 금속층(412B)이 불가피 불순물을 포함하는 것을 배제하는 것이 아니다.
제3 회로 기판용 하지 금속층(412C)은, 제2 회로 기판용 하지 금속층(412B)이 산화하는 것을 방지하기 위한 층으로 할 수 있고, 예를 들어 금(Au)을 포함하는 층으로 할 수 있다. 제3 회로 기판용 하지 금속층(412C)은, 금(Au)을 포함하는 층으로 할 수도 있다. 또한, 이 경우에도 제3 회로 기판용 하지 금속층(412C)이 불가피 불순물을 포함하는 것을 배제하는 것이 아니다.
회로 기판용 하지 금속층(412)을 구성하는 각 층의 두께는 특별히 한정되는 것이 아니고 임의로 선택할 수 있다.
제1 회로 기판용 하지 금속층(412A)의 두께는, 예를 들어 1㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 제1 회로 기판용 하지 금속층(412A)의 두께의 상한에 대해서도 특별히 한정되는 것은 아니지만, 비용을 충분히 저감하는 관점에서 20㎛ 이하가 바람직하다.
제2 회로 기판용 하지 금속층(412B)의 두께에 대해서는, 제1 회로 기판용 하지 금속층(412A)과, 제3 회로 기판용 하지 금속층(412C)의 합금화를 특히 억제하는 관점에서 1㎛ 이상이 바람직하다. 제2 회로 기판용 하지 금속층(412B)의 두께의 상한에 대해서도 특별히 한정되는 것은 아니지만, 비용을 충분히 저감하는 관점에서 20㎛ 이하가 바람직하다.
제3 회로 기판용 하지 금속층(412C)의 두께는, 다른 회로 기판용 하지 금속층의 산화를 특히 방지하는 관점에서 0.03㎛ 이상이 바람직하다. 제3 회로 기판용 하지 금속층(412C)의 두께의 상한에 대해서도 특별히 한정되는 것은 아니지만, 비용을 충분히 저감하는 관점에서 2.0㎛ 이하가 바람직하고, 0.5㎛ 이하가 보다 바람직하다.
회로 기판용 하지 금속층(412)의 형상에 대해서도 특별히 한정되지 않지만, 광학 패키지(40)로 한 경우에, 창재(10)의 접합층(12)과 함께 후술하는 접합부(43)를 구성하기 위해서, 창재(10)의 접합층(12)에 대응한 형상을 갖는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 창재(10)의 접합층(12)과, 회로 기판용 하지 금속층(412)은, 광학 패키지로 할 때의 양 부재의 적층 방향(도 4에 있어서의 상하 방향)과 수직인 면에 있어서의 단면 형상이 동일한 형상이 바람직하다.
회로 기판용 하지 금속층(412)의 성막 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 성막하는 회로 기판용 하지 금속층(412)의 종류 등에 따라서 임의로 선택할 수 있다. 예를 들어 건식법이나, 습식법에 의해 성막할 수 있고, 건식법의 경우이면, 증착법, 스퍼터링법, 이온 플레이팅법 등에서 선택된 1종류 이상의 방법에 의해 성막할 수 있다. 습식법의 경우이면, 전해 도금법이나, 무전해 도금법, 인쇄법 등에서 선택된 1종류 이상의 방법에 의해 성막할 수 있다.
또한, 이미 설명한 바와 같이 회로 기판용 하지 금속층은 복수의 층으로 구성할 수도 있고, 층마다 임의의 방법에 의해 성막할 수 있다.
회로 기판(41)에 배치하는 광학 소자(42)에 대해서는 특별히 한정되는 것이 아니고, 예를 들어 발광 다이오드 등의 발광 소자나, 수광 소자 등을 사용할 수 있다.
또한, 광학 소자(42)가 발광 소자인 경우, 해당 발광 소자가 발하는 광의 파장 영역은 특별히 한정되지 않는다. 이 때문에, 예를 들어 자외광으로부터 적외광의 범위 내에서 선택된 임의의 파장 영역의 광, 즉 예를 들어 파장이 200㎚ 이상 1㎜ 이하의 범위 내에서 선택된 임의의 파장 영역의 광을 발하는 발광 소자를 사용할 수 있다.
단, 본 실시 형태의 광학 패키지에 의하면, 발광 소자로부터의 광을 투과시키는 부재인 창재의 기체는, 투명 수지의 기체가 아니고, 무기 재료의 기체(11)이다. 이 때문에, 창재의 상기 기체에 투명 수지의 기체를 사용한 경우와 비교하여, 기밀 밀봉성을 높일 수 있고, 나아가 해당 발광 소자로부터의 광에 의한 창재의 열화를 억제할 수 있다. 이 때문에, 광학 소자가 발광 소자인 경우, 기밀성이 특히 요구되는 발광 소자나, 수지의 열화가 진행되기 쉬운 광을 발하는 발광 소자를 사용한 경우에, 특히 본 실시 형태의 광학 패키지는 높은 효과를 발휘할 수 있어 바람직하다. 기밀성이 특히 요구되는 발광 소자로서는, 예를 들어 파장이 200㎚ 이상 280㎚ 이하인 파장 영역의 광인 UV-C를 발하는 발광 소자를 들 수 있다. 또한, 수지의 열화가 진행되기 쉬운 광을 발하는 발광 소자로서는, 레이저 등의 출력이 높은 광을 발하는 발광 소자를 들 수 있다. 따라서, 광학 소자(42)가 발광 소자인 경우, 해당 발광 소자로서, UV-C를 발하는 발광 소자나, 레이저 등을, 특히 높은 효과를 발휘하는 관점에서 바람직하게 사용할 수 있다.
그리고, 창재(10)의 무기 재료의 기체(11)와, 회로 기판(41)의 절연성 기재(411)는 접합부(43)에 의해 접합할 수 있다. 접합부(43)는, 도 4에 도시한 바와 같이, 창재(10)의 접합층(12)과, 회로 기판(41)의 회로 기판용 하지 금속층(412)을 가질 수 있다. 또한, 접합부(43)는, 접합층(12)과, 회로 기판용 하지 금속층(412)으로 구성할 수도 있다.
접합부(43)의 구성은 특별히 한정되지 않지만, 비용의 관점에서, 접합부 중의 금의 체적 비율이 5% 이하가 바람직하고, 4% 이하가 보다 바람직하다.
접합부(43)는 금을 포함하지 않을 수도 있는 점에서, 접합부 중의 금의 체적 비율은 0 이상으로 할 수 있다.
접합부(43)에 포함되는 이미 설명한 땜납층이나, 하지 금속층 등의 각 층은 대략 균일한 두께로 형성할 수 있다. 이 때문에, 예를 들어 접합부(43) 중에 금을 함유하는 층이, 금을 포함하는 금층으로서 존재하는 경우에는, 금의 체적 비율은, 금층의 두께가 접합부(43)의 두께에 차지하는 비율로 할 수도 있다. 또한, 금을 함유하는 층이, 금 이외의 성분도 함유하는 경우에는, 금을 함유하는 층의 두께가 접합부(43)의 두께에 차지하는 비율에, 금을 함유하는 층 중의 금의 체적 함유 비율을 곱셈한 값으로 할 수도 있다.
또한, 상술한 바와 같이 각 층의 두께를 사용해서 접합부 중의 금의 체적 비율을 산출하는 경우, 땜납층의 두께로서는, 단순 평균의 평균값을 사용할 수 있다.
이상으로 설명한 본 실시 형태의 광학 패키지에 의하면, 이미 설명한 창재를 사용하고 있기 때문에, 비용을 억제한 광학 패키지로 할 수 있다.
본 실시 형태의 광학 패키지의 제조 방법은 특별히 한정되는 것이 아니고, 임의의 방법에 의해 제조할 수 있다.
본 실시 형태의 광학 패키지의 제조 방법은, 예를 들어 이하의 공정을 가질 수 있다.
광학 소자를 구비한 회로 기판을 준비하는 회로 기판 준비 공정.
회로 기판 상에 창재를 배치하여, 창재와 회로 기판을 접합하는 접합 공정.
회로 기판 준비 공정에서는, 통상의 방법에 의해 제조된 회로 기판 상에 광학 소자를 배치하고, 광학 소자를 구비한 회로 기판을 준비할 수 있다. 또한, 접합 공정 종료 후에 개편화하는 경우에는, 회로 기판 준비 공정에서는, 복수의 회로 기판이 일체화한, 절단전의 회로 기판을 준비할 수 있다.
그리고, 접합 공정에서는 회로 기판 상에 창재를 배치하여, 창재와 회로 기판을 접합할 수 있다. 접합의 구체적인 방법은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 먼저, 도 4에 도시한 광학 패키지(40)에 있어서, 접합층(12)이 노출된 하면(12a)과, 회로 기판용 하지 금속층(412)이 노출된 상면(412a)이 직접 접촉하도록 포갤 수 있다. 그리고, 예를 들어 창재(10)의, 무기 재료의 기체(11)의 다른 쪽 면(11b) 상으로부터, 회로 기판(41)측을 향해서, 즉 도면 중 블록 화살표 B를 따라 압박하면서 가열함으로써, 땜납층(122)의 적어도 일부를 용융시키고, 그 후 냉각함으로써, 창재(10)와 회로 기판(41)을 접합할 수 있다.
접합 공정에 있어서, 접합층(12)의 하면(12a)의 표면에 존재하는 산화막은, 가열에 의해 용융한 땜납층(122)의 내부에 녹아들어, 회로 기판용 하지 금속층(412)의 상면(412a)에 대하여, 용융한 땜납층(122)이 접할 수 있을 정도로 얇은 것이 바람직하다. 구체적인 산화막의 두께는 한정되지 않지만, 산화막의 두께는 10㎚ 이하가 바람직하고, 5㎚ 이하가 보다 바람직하다.
또한, 무기 재료의 기체(11)를 압박하는 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 무기 재료의 기체(11)와 접하는 압박 부재와, 압박 부재에 압력을 가하는 스프링 등의 탄성체를 갖는 압박 수단을 사용하는 방법이나, 추를 사용하는 방법 등을 들 수 있다.
접합 공정 후에 얻어지는 광학 패키지에 있어서, 창재(10)와 회로 기판(41)에서 밀봉된 영역 내에 대해서, 소정의 분위기로 하는 경우에는, 열처리를 행할 때의 분위기를 해당 소정의 분위기로 해 두는 것이 바람직하다. 예를 들어 대기 분위기나, 진공 분위기, 불활성 분위기 등에서 선택된 분위기로 할 수 있다. 불활성 분위기로서는, 질소, 헬륨, 아르곤 등에서 선택된 1종류 이상의 가스를 함유하는 분위기로 할 수 있다.
접합 공정에 있어서, 열처리를 행할 때의 조건은 특별히 한정되는 것이 아니고, 예를 들어 땜납층의 땜납의 용융 온도 이상으로 가열하는 것이 바람직하다. 단, 급격하게 가열을 행하면 무기 재료의 기체에 열응력이 걸려, 깨짐 등을 발생하는 경우가 있기 때문에, 예를 들어 먼저 50℃ 이상, 땜납층의 땜납의 융점 미만인 제1 열 처리 온도까지 승온 후, 제1 열 처리 온도에서 일정 시간 유지하는 것이 바람직하다. 제1 열 처리 온도에서의 유지 시간은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 30초 이상이 바람직하고, 60초 이상이 보다 바람직하다. 단, 생산성의 관점에서, 제1 열 처리 온도에서의 유지 시간은 600초 이하가 바람직하다.
제1 열 처리 온도에서 일정 시간 유지 후, 더 승온을 행하여, 땜납층의 땜납의 융점 이상의 온도인 제2 열 처리 온도까지 승온하는 것이 바람직하다. 또한, 제2 열 처리 온도는 창재(10)와 회로 기판(41)을 충분히 접합하기 위해, 땜납의 융점+20℃ 이상이 바람직하고, 또한 제2 열 처리 온도가 과도하게 고온인 경우, 회로 기판 상에 배치한 광학 소자가 열에 의해 파손되는 경우가 있는 점에서, 제2 열 처리 온도는 예를 들어 300℃ 이하가 바람직하다. 제2 열 처리 온도에서 유지하는 시간은 특별히 한정되지 않지만, 창재(10)와 회로 기판(41)을 충분히 접합하기 위해, 20초 이상이 바람직하다. 단, 광학 소자에 대한 열에 의한 악영향을 보다 확실하게 억제하기 위해, 제2 열 처리 온도에서 유지하는 시간은 1분 이하가 바람직하다.
제2 열 처리 온도에서의 열처리 후는 실온, 예를 들어 23℃까지 냉각하고, 접합 공정을 종료할 수 있다.
본 실시 형태의 광학 패키지의 제조 방법은 필요에 따라서 임의의 공정을 가질 수 있다. 예를 들어, 복수의 회로 기판이 일체로 된 개편화하지 않고 있는 회로 기판을 접합 공정에 제공한 경우에는, 절단 공정을 가질 수도 있다. 절단 공정에서 사용하는 절단 방법은 특별히 한정되지 않고, 임의의 방법에 의해 절단할 수 있다. 창재에 관한 설명에서 기술의 레이저광을 사용한 절단 방법에 의해, 회로 기판과, 창재를 동시에 절단하고, 개편화할 수도 있다. 또한, 복수의 절단 방법을 조합할 수도 있다.
실시예
이하에 구체적인 실시예를 들어 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
먼저, 이하의 실시예에 있어서 제조한 창재, 광학 패키지의 평가 방법에 대해서 설명한다.
(기밀성 시험)
이하의 실시예에서 제작한 창재를 사용한 광학 패키지에 대해서, 제작 직후 혹은 리플로우 처리나, 히트 사이클 시험을 소정의 조건에서 행한 후 기밀성 시험을 행하여, 기밀 밀봉 특성의 평가를 행하였다.
기밀성 시험은 JIS Z 2331:2006에 준해서 실시하고 있고, 구체적으로는 이하의 수순에서 행하였다.
먼저, 평가의 대상으로 되는 광학 패키지를, 가압 용기 내에 넣고, 가압 용기 내에서 헬륨(He)이 5.1 기압으로 되도록 가압한 조건 하에서 2시간 유지했다(가압 공정).
가압 공정 종료 후, 가압 용기 내로부터, 평가의 대상으로 되는 광학 패키지를 취출하고, 취출 후 1시간 이내에 진공 용기 내에서 헬륨(He)의 누설량을 측정했다(헬륨 누설량 측정 공정).
헬륨 누설량 측정 공정에 있어서 측정된 헬륨의 누설 레이트(He 누설 레이트)가 4.9×10-9Pa·㎥/s 이하인 경우에 합격이라 판정했다(판정 공정). 또한, 판정 공정에서는, He 누설 레이트가 4.9×10-9Pa·㎥/s보다 큰 경우에는 불합격이라 판정한다.
[실시예 1]
(창재)
도 1의 (A), 도 1의 (B)에 나타낸 창재를 제작했다.
구체적으로는, 무기 재료의 기체의 절단 전 자재로서, φ100㎜, 두께가 0.5㎜인 석영제의 원판 형상의 판을 준비했다(기체 준비 공정).
그리고, 이하의 수순에 의해 무기 재료의 기체의 절단 전 자재의 한쪽 면 상에 접합층을 형성했다(접합층 형성 공정).
먼저, 이온빔 증착에 의해, 무기 재료의 기체의 절단 전 자재의 한쪽 면 상의 전체면에, 무기 재료의 기체의 절단 전 자재측으로부터 순서대로, 제1 하지 금속층 및 제2 하지 금속층을 성막했다(하지 금속층 형성 스텝).
제1 하지 금속층으로서는, 두께가 0.03㎛의 크롬(Cr)층을, 제2 하지 금속층으로서는 두께가 0.2㎛인 구리(Cu)층을 성막했다.
이어서, 제2 하지 금속층의 제1 하지 금속층과 대향하는 면과는 반대측의 면, 즉 노출한 면 상의 전체면에 레지스트를 도포한 후, 자외선을 사용해서 레지스트를 노광하고, 추가로 현상함으로써, 패턴화된 레지스트를 배치했다(레지스트 배치 스텝). 패턴화된 레지스트는, 무기 재료의 기체의 절단 전 자재의 한쪽 면과 평행한 면에서의 단면에 있어서, 사각 형상을 갖고 있고, 중앙에 사각 형상의 개구부를 갖는 형상으로 하였다.
그리고, 제1 하지 금속층 및 제2 하지 금속층 중, 레지스트에 의해 덮여 있지 않은 부분을 에칭액에 의해 에칭하고, 패턴화를 행한 후, 레지스트를 제거했다(레지스트 제거 스텝).
이어서, 패턴화된 제1 하지 금속층 및 제2 하지 금속층 상에 무전해 Ni 도금에 의해 제3 하지 금속층으로서 두께가 0.8㎛인 니켈(Ni)층을 성막했다. 이에 의해, 제1 하지 금속층, 제2 하지 금속층 및 제3 하지 금속층을 포함하는, 패턴화된 하지 금속층을 형성했다.
이어서, 하지 금속층 상에 땜납층을 형성했다. 땜납층에 사용하는 땜납은 이하의 수순에 의해 미리 제조해 두었다.
땜납에 포함되는 성분에 대해서, Sn이 97.499질량%, Ge가 1.5질량%, Ni가 1.0질량%, Ir이 0.001질량%로 되도록 칭량, 혼합하고, 용융을 해서 일단 원료 합금을 제작한다. 그리고, 이 원료 합금을 용융 후, 주형에 흘려넣어, 땜납을 제작했다.
그리고, 땜납 용융조 내에서 땜납층의 원료가 되는 땜납을 용융시켜 두고, 상술한 하지 금속층을 배치한 무기 재료의 기체의 땜납층을 형성하는 부분을, 땜납 용융조 내에 용융시킨 땜납에 딥한 후, 냉각함으로써 땜납층을 형성했다(땜납층 형성 스텝).
또한, 땜납층을 형성할 때 사용한 상기 땜납은 융점이 230℃, 밀도가 7.3g/㎤, 열 팽창률이 22.9ppm이었다. 또한, 구리 침식성은 7.47%였다.
융점은 DSC(시마즈 세이사쿠쇼제 형식: DSC-60)를 사용하여, 10℃/min으로 승온함으로써 측정을 행하였다. 밀도는 아르키메데스법에 의해 측정을 행하였다.
열 팽창률은, 종형 열 팽창계(신쿠 리코제 형식: DL-7000형)를 사용해서 측정을 행하였다. 측정에 있어서는, 아르곤 분위기 하에서, 23℃에서 200℃까지의 온도 범위에서, 5℃/min으로 승온함으로써 측정을 행하였다.
구리 침식성은, 이하의 수순에 의해 평가했다.
직경 0.5㎜인 구리 와이어를 3㎜ 정도의 길이로 2개 절단하고, 2개의 구리 와이어를 RMA(Rosin Midly activated, 약활성 로진계) 타입의 플럭스에 침지해서 표면의 산화막을 제거한다.
산화막을 제거한 1개째의 구리 와이어를 에탄올로 세정하여, 1개째의 구리 와이어의 단면적 S1을 측정한다. 또한, 구리 와이어의 단면적이란, 구리 와이어의 길이 방향과 수직인 면에서의 단면적을 의미한다.
다음에 산화막을 제거한 2개째의 구리 와이어를, 상기 땜납이 들어가 수온이 400℃가 되도록 가열된 땜납조에 60초간 침지한다. 이때, 구리 와이어의 산화막의 재발생을 방지하기 위해서, 플럭스에 의해 산화막을 제거하고 나서 60초 이내에 땜납조에 침지한다. 땜납조로의 침지 후, 구리 와이어를 끌어 올려서, 땜납조에 침지한 측의 단부로부터, 구리 와이어를 연마하고, 구리 단면이 확인되는 위치에서, 구리 와이어의 단면적 S2를 측정한다.
땜납조로의 침지 전의 구리 와이어의 단면적 S1에 대한, 땜납조로의 침지 후의 구리 와이어의 단면적 S2를 비교하여, 단면적 감소의 비율을 산출한다. 구체적으로는 이하의 식에 의해 산출했다.
(구리 침식성)=(S1-S2)/S1×100
구리 침식성 평가를 행할 때, 구리 와이어의 단면적 측정에는, 디지털 현미경(키엔스 가부시키가이샤제 형식: VHX-900), 및 해당 디지털 현미경에 첨부된 화상 처리 소프트웨어를 사용했다.
또한, 얻어진 상기 땜납에 대해서, 영률을 인장 시험 결과로부터 산출한바, 20㎬인 것이 확인되었다. 인장 시험에 대해서는, 인장 시험기(시마즈 세이사쿠쇼제 오토그래프 AGX-100kN)를 사용하여, JIS14A호의 시험편을 인장 속도 3㎜/min으로 시험을 실시했다.
땜납층의 두께의 평균값, 및 가중 평균값의 산출 방법에 대해서 도 3을 사용하면서 설명한다. 도 3은 측정점을 설명하기 위해서 도시한 도면이며, 도 1의 (B)에 대응하는 도면이 된다. 본 실시예에서는, 이미 설명한 바와 같이 무기 재료의 기체의 절단 전 자재의 한쪽 면 상에 복수의 창재에 대응하도록 땜납층을 포함하는 접합층을 형성하고 있다. 이 때문에, 땜납층의 두께는, 절단하고, 개편화함으로써 1개의 창재에 포함되는 땜납층을 임의로 선택해서 평가했다. 따라서, 도 3에서는, 측정에 사용한 개편화한 후의 1개의 창재에 포함되는 땜납층(122) 및 무기 재료의 기체(11)를 나타내고 있다.
개편화한 경우, 무기 재료의 기체(11)와, 땜납층(122)과의 적층 방향과 수직인 단면에 있어서, 땜납층(122)은 무기 재료의 기체(11)의 외주를 따라 띠상의 형상을 갖고 있다.
그리고, 땜납층은, 상술한 바와 같이 딥법으로 형성하고 있고, 도 3에 있어서의 직선 B5를 따라 땜납 용융조 내에 도입해서 형성했다. 이 때문에, 땜납층의 두께는 직선 B5를 중심으로 해서 좌우 대칭으로 되어 있다.
이 때문에, 땜납층의 두께를, 레이저 현미경(가부시키가이샤 키엔스제 형식: VK-8510)을 사용해서 도 3의 측정점 Z1, Z2, Z3, Z4, Z8의 5군데에서 측정하고, 측정점 Z5 내지 Z7에서의 두께 TZx에 대해서는, TZ1=TZ7, TZ2=TZ6, TZ3=TZ5로 하였다. 그리고, 측정점 Z1 내지 Z8의 8점분의 두께의 평균값을 산출한바, 단순 평균으로 29.31㎛로 되었다.
또한, 측정점 Z1, Z2, Z3, Z4, Z8에서의 두께 TZ1 내지 TZ4, TZ8에서의 측정값을 사용하여, 이미 설명한 식 (1)에 의해 땜납층(122)의 가중 평균값을 산출한바, 가중 평균에서 20.14㎛인 것이 확인되었다.
또한, 상술한 바와 같이, 직선 B5를 중심으로 해서 땜납층의 두께가 좌우 대칭으로 되어 있는 점에서, 가중 평균을 산출할 때도, TZ1=TZ7, TZ2=TZ6, TZ3=TZ5로서 계산을 행하고 있다. 식 (1)에 대해서는 이미 설명했기 때문에, 여기에서는 설명을 생략한다.
또한, 개구부의 한변의 길이 L1에 대해서는 개구부의 양 단부 및 중앙에서 측정한, 즉 직선 B2, B3, B5를 따라 측정한 개구부의 한변의 길이의 평균을 사용했다. 개구부의 한변의 길이 L2에 대해서도 마찬가지로 개구부의 양 단부 및 중앙에서 측정한, 즉 직선 A2, A3, A5를 따라 측정한 개구부의 한변의 길이의 평균값을 사용했다.
땜납층의 각 선폭 W1 내지 W4에 대해서도 복수점에서 측정한 선폭의 평균값을 사용했다. 선폭 W1, W2의 경우, 변(304, 302)의 길이 방향의 중심을 통과하는 직선 B5를 따라 측정한 값과, 개구부의 양 단부를 통과하는 직선 B2, B3을 따라 측정한 값과의 세점에서의 측정값의 평균값을 각각 사용했다. 선폭 W3, W4의 경우, 변(301, 303)의 길이 방향 중심을 통과하는 직선 A5를 따라 측정한 값과, 개구부의 양 단부를 통과하는 직선 A2, A3을 따라 측정한 값과의 세점에서의 측정값의 평균값을 각각 사용했다.
이상의 수순에 의해 산출한바, 땜납층 두께의 단순 평균값과의 편차의 최댓값, 즉 최대 편차는 10㎛, 가중 평균값과의 편차의 최댓값, 즉 최대 편차는 19㎛인 것이 확인되었다.
땜납층(122)을 형성 후, 도 5에 도시한 바와 같이, 무기 재료의 기체의 절단 전 자재(51)의 한쪽 면 상에, 복수개의 창재에 대응하도록, 패턴화된 접합층(52)이 형성된 기판(50)을 얻었다. 그리고 무기 재료의 기체의 절단 전 자재(51)의 두께 방향의 임의의 위치에 레이저광의 초점을 맞추고, 패턴화된 접합층(52)의 외형을 따라 레이저광의 조사 위치를 주사한 후, 레이저광의 초점 위치가 통과한 장소가 지지점으로 되도록 힘을 가함으로써 무기 재료의 기체의 절단 전 자재(51)를 절단했다. 또한, 레이저광은 절단 예정선을 따라 1회 주사했다. 이 때문에, 도 2에 도시한 바와 같이, 개편화한 무기 재료의 기체(11)의 측면은, 한쪽 면(11a) 및 다른 쪽 면(11b)의 외주를 따른 선상 모양(111)을 갖고 있었다.
이상의 공정에 의해, 도 1의 (B)에 도시하는 바와 같이, 창재(10)의 접합층(12)을 형성한 측에서 본 경우의 도면, 즉 저면도에 있어서 땜납층(122)이 무기 재료의 기체(11)의 외주를 따라서 배치되고, 중앙부에 사각 형상의 개구부를 갖고, 해당 개구부로부터 무기 재료의 기체(11)가 보이는 형상으로 하였다. 또한, 도 1의 (B)에서는 최표면에 위치하는 땜납층(122)을 나타내고 있지만, 무기 재료의 기체(11)의 한쪽 면(11a)와 평행한 면에서의 접합층(12)의 단면 형상은, 도 1의 (B)에 나타낸 땜납층(122)과 동일한 형상이 되고 있다.
그리고, 하지 금속층(121) 및 땜납층(122)으로 구성되는 접합층(12)은, 상술한 바와 같이 무기 재료의 기체(11)의 외주를 따라 형성되고, 그 외형이 한변이 5㎜인 사각형이고, 선폭 전체 둘레 동치이며, 선폭 W1 내지 W4(도 3을 참조)는 모두 0.65㎜로 되어 있다.
이상의 공정에 의해 창재를 제조했다.
또한, 창재(10)는, 금을 함유하는 층을 포함하지 않는 점에서, 접합층 중의 금의 체적 비율은 0으로 되어 있다. 이 때문에, 종래의 AuSn 합금을 사용한 창재와 비교해서 접합 재료 비용을 25% 정도로까지 대폭으로 저감할 수 있는 것이 확인되었다.
또한, 창재(10)의 땜납층(122)의 표면 산화막 두께를 XPS 측정기(Quantera SXM(알백 파이사제))를 사용하여, 측정한바, 그 산화막의 두께는 5㎚인 것이 확인되었다.
(광학 패키지)
상기 창재와, 광학 소자(42)를 구비한 회로 기판(41)을 사용해서 도 4에 도시한 광학 패키지(40)를 제조했다.
회로 기판(41)으로서는, 절연성 기재(411)가 외형이 한변이 5.8㎜인 사각형이고, 높이가 1.28㎜인 직육면체 형상인 알루미나(산화 알루미늄)제이며, 도시하지 않은 배선을 갖고 있는 것을 사용했다. 또한, 회로 기판(41)의 절연성 기재(411)는, 그 상면(411a)의 중앙부에 개구부가 형성되어 있고, 해당 개구부를 포함하는 비관통 구멍인 오목부(411A)를 갖고 있다. 오목부(411A)는, 그 저부에 광학 소자(42)를 배치할 수 있도록 구성되어 있다. 또한, 절연성 기재(411)의 상면(411a)은, 광학 패키지(40)로 하는 경우에 창재(10)와 대향하는 면이 된다. 또한, 개구부는 사각형이고, 오목부(411A)는 벽부(411B)로 둘러싸인 사각기둥상의 공동(각통)으로 되어 있다.
그리고, 회로 기판(41)은, 절연성 기재(411)의 상면(411a)에, 상기 개구부를 둘러싸도록, 또한 절연성 기재(411)의 상면(411a)의 외주를 따르도록 회로 기판용 하지 금속층(412)을 갖고 있다.
회로 기판용 하지 금속층(412)으로서는, 절연성 기재(411)측으로부터, 제1 회로 기판용 하지 금속층(412A), 제2 회로 기판용 하지 금속층(412B), 제3 회로 기판용 하지 금속층(412C)의 순서대로 적층한 층 구조로 하였다.
제1 회로 기판용 하지 금속층(412A)으로서는 두께가 10㎛인 은(Ag)층을, 제2 회로 기판용 하지 금속층(412B)으로서는 두께가 5㎛인 니켈(Ni)층을, 제3 회로 기판용 하지 금속층(412C)으로서는 두께가 0.4㎛인 금(Au)층을 형성했다.
회로 기판용 하지 금속층(412)은, 창재(10)의 접합층(12)에 대응한 형상으로 하였다. 구체적으로는, 창재(10)의 접합층(12)과, 회로 기판용 하지 금속층(412)과의 적층 방향(도 4에 있어서의 상하 방향)과 수직인 면에 있어서의 단면 형상이, 접합층(12)과, 회로 기판용 하지 금속층(412)과 동일한 형상으로 되도록 구성했다. 이 때문에, 회로 기판용 하지 금속층(412)은, 외형이 한변이 5㎜인 사각형이고, 선폭은 0.65㎜로 하였다.
상기 오목부(411A)의 저부에는, 광학 소자(OptoSupply사제 형식: OSBL1608C1A)를 배치하여, 도시하지 않은 배선과 접속해 두었다.
그리고, 이하의 수순에 의해, 창재(10)와 광학 소자(42)를 구비한 회로 기판(41)을 접합하고, 광학 패키지(40)를 제조했다(접합 공정).
먼저, 상기 광학 소자(42)를 구비한 회로 기판(41)의 회로 기판용 하지 금속층(412)의 상면(412a)과, 창재(10)의 접합층(12)의 땜납층(122)측의 하면(12a)이 마주보고, 또한 접촉하도록 배치했다.
그리고, 창재(10)의 무기 재료의 기체(11)의 다른 쪽 면(11b) 상으로부터, 무기 재료의 기체(11)에 접하는 압박 부재와, 압박 부재에 압력을 가하는 스프링을 구비한 압박 수단에 의해, 블록 화살표 B를 따라 압력을 가한 상태에서 열처리로 내에 배치했다.
이어서, 열처리로 내의 분위기를 진공 분위기로 하고, 23℃로부터 제1 열 처리 온도인 80℃까지 승온 후, 300초간 유지했다. 이어서, 제2 열 처리 온도인 280℃까지 승온하고, 30초간 유지한 후, 히터를 끄고, 23℃까지 냉각했다.
이상의 수순에 의해, 광학 패키지를 제조했다.
얻어진 광학 패키지의 접합부(43)는, 금을 함유하는 층으로서, 제3 회로 기판용 하지 금속층(412C)을 가질 뿐이고, 접합부(43)의 두께와, 제3 회로 기판용 하지 금속층(412C)의 두께로부터 산출한 접합부(43)에 차지하는 금의 체적 비율은 0.87%였다.
또한, 이하의 리플로우 시험, 및 히트 사이클 시험을 실시하기 위해서, 동일 조건에서 7개의 광학 패키지를 제조했다.
(평가)
(1) 열처리가 없는 기밀성 시험
1개의 광학 패키지에 대해서는, 제조 후, 이미 설명한 기밀성 시험을 실시한바, 합격이라 판정되었다.
(2) 리플로우 시험 후의 기밀성 시험
또한, 3개의 광학 패키지에 대해서는 각각 이하의 리플로우 시험 1 내지 3을 실시했다.
리플로우 시험 1로서, 1개의 광학 패키지를 리플로우로 내에 배치하고, 도 6에 나타내는 온도 프로파일에서 1회 가열했다.
리플로우 시험 2로서, 1개의 광학 패키지를 리플로우로 내에 배치하고, 도 6에 나타내는 온도 프로파일에서 3회 반복하여 가열했다.
리플로우 시험 3으로서, 1개의 광학 패키지를 리플로우로 내에 배치하고, 도 6에 나타내는 온도 프로파일에서 5회 반복하여 가열했다.
이상의 리플로우 시험 1 내지 3 후의 광학 패키지에 대해서, 각각 기밀성 시험을 실시한바, 어느 것의 광학 패키지에 대해서도 합격으로 되었다.
(3) 히트 사이클 시험 후의 기밀성 시험
3개의 광학 패키지에 대해서는, 각각 이하의 히트 사이클 시험 1 내지 3을 실시했다.
히트 사이클 시험 1로서, 1개의 광학 패키지에 대해서, -40℃에서 30분간 유지한 후, 85℃에서 30분간 유지하는 히트 사이클을 100 사이클 행하였다.
히트 사이클 시험 2로서, 1개의 광학 패키지에 대해서, -40℃에서 30분간 유지한 후, 85℃에서 30분간 유지하는 히트 사이클을 500 사이클 행하였다.
히트 사이클 시험 3으로서, 1개의 광학 패키지에 대해서, -40℃에서 30분간 유지한 후, 100℃에서 30분간 유지하는 히트 사이클을 200 사이클 행하였다.
이상의 히트 사이클 시험 1 내지 3 후의 광학 패키지에 대해서, 각각 기밀성 시험을 실시한바, 어느 것의 광학 패키지에 대해서도 합격으로 되었다.
본 실시 형태의 광학 패키지에 의하면, 접합부에 차지하는 금의 비율을 억제하고 있기 때문에, 비용을 저감시킨 광학 패키지로 할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 제조 직후뿐만 아니라, 리플로우 시험이나, 히트 사이클 시험을 실시한 경우에도, 높은 기밀성을 유지할 수 있는 것이 확인되었다. 이것은, 창재의 땜납층에 사용한 땜납의 영률이 20㎬로 낮은 점에서, 무기 재료의 기체(11)의 크랙의 발생이나 무기 재료의 기체(11)와 회로 기판(41)의 박리 등을 발생시키지 않았기 때문이라 생각된다.
[실시예 2]
(창재)
이하의 수순에 따라서, 도 1의 (A), 도 1의 (B)에 나타낸 창재를 제작하고, 평가를 행하였다.
본 실시예에 있어서도, 실시예 1의 경우와 마찬가지로, 무기 재료의 기체의 절단 전 자재로서, 석영제의 원판 형상의 판을 준비했다(기체 준비 공정).
이어서 이하의 수순에 의해 무기 재료의 기체의 절단 전 자재의 한쪽 면 상에 접합층을 형성했다(접합층 형성 스텝).
무기 재료의 기체의 절단 전 자재의 한쪽 면 상에, 이온빔 증착, 또는 무전해 도금에 의해, 격자상 패턴의 하지 금속층을 형성했다(하지 금속층 형성 스텝).
구체적으로는, 먼저 무기 재료의 기체(11)측으로부터 순서대로 제1 하지 금속층(121A)으로서 두께가 0.2㎛인 크롬(Cr)층을, 제2 하지 금속층(121B)으로서 두께가 0.2㎛인 구리(Cu)층을 이온빔 증착에 의해 형성했다.
이어서, 제2 하지 금속층의 제1 하지 금속층과 대향하는 면과는 반대측 면, 즉 노출된 면 상의 전체면에 레지스트를 도포한 후, 자외선을 사용해서 레지스트를 노광하고, 추가로 현상함으로써, 패턴화된 레지스트를 배치했다(레지스트 배치 스텝). 패턴화된 레지스트는, 무기 재료의 기체의 절단 전 자재의 한쪽 면과 평행한 면에서의 단면에 있어서, 사각 형상을 갖고 있으며, 중앙에 사각 형상의 개구부를 갖는 형상으로 하였다.
그리고, 제1 하지 금속층 및 제2 하지 금속층 중, 레지스트에 의해 덮여 있지 않은 부분을 에칭액에 의해 에칭하고, 패턴화를 행한 후, 레지스트를 제거했다(레지스트 제거 스텝).
이어서, 패턴화된 제1 하지 금속층 및 제2 하지 금속층 상에, 무전해 니켈-붕소 합금 도금에 의해, 제3 하지 금속층으로서 두께가 0.8㎛인 니켈-붕소 합금(Ni-B)층을 형성했다.
다음에 실시예 1과 마찬가지로 하여, 하지 금속층(121) 상에 땜납층(122)을 형성했다. 또한, 땜납층(122)에는 실시예 1과 동일한 땜납을 사용하고 있다.
그리고, 실시예 1의 경우와 마찬가지로 하여, 무기 재료의 기체의 절단 전 자재(51)(도 5를 참조)를 절단하여, 개편화를 행하였다. 이에 의해, 무기 재료의 기체가 한변이 5㎜인 사각형의 창재를 얻었다.
얻어진 창재는 금을 함유하는 층을 포함하지 않는 점에서, 접합층 중의 금의 체적 비율은 0으로 되어 있다. 개편화 후의 무기 재료의 기체의 측면은 도 2와 같이, 선상 모양(111)이 무기 재료의 기체(11)의 한쪽 면(11a) 및 다른 쪽 면(11b)에 평행한 선상 모양으로 되어 있었다.
창재(10)의 땜납층(122)의 선폭과 한변의 길이를, 광학 현미경(올림푸스제 BX51TRF)을 사용해서 측정한바, 선폭 W1 내지 W4는 0.3㎜, 개구부의 한변의 길이 L1, L2는 3.0㎜였다.
선폭 W1 내지 W4 및 개구부의 한변의 길이 L1, L2는 실시예 1의 경우와 마찬가지로 하여 측정, 산출했기 때문에, 여기에서는 설명을 생략한다.
땜납층의 두께를 레이저 현미경(가부시키가이샤 키엔스제 형식: VK-8510)을 사용하여, 동일한 무기 재료의 기체의 절단 전 자재로 잘라낸, 샘플 1 내지 샘플 3의 3개의 창재에 대해서, 도 3에 도시하는 측정점 Z1 내지 Z8의 8점의 측정을 행하였다. 그리고, 얻어진 측정값을 사용하여, 각 샘플에 대해서 땜납층의 두께의 평균값(단순 평균값) 및 이미 설명한 식 (1)을 사용해서 가중 평균값을 구했다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
Figure pct00001
(광학 패키지)
상기 창재를 사용해서 도 4에 도시한 광학 패키지를 제작했다.
회로 기판(41)으로서는, 절연성 기재(411)가 외형이 한변이 5.8㎜인 사각형이고, 높이가 1.28㎜인 직육면체 형상인 알루미나(산화 알루미늄)제이며, 도시하지 않은 배선을 갖고 있는 것을 사용했다. 또한, 회로 기판(41)의 절연성 기재(411)는, 그 상면(411a)의 중앙부에 개구부가 형성되어 있고, 해당 개구부를 포함하는 비관통 구멍인 오목부(411A)를 갖고 있다. 오목부(411A)는, 그 저부에 광학 소자(42)를 배치할 수 있도록 구성되어 있다. 또한, 절연성 기재(411)의 상면(411a)은, 광학 패키지(40)로 하는 경우에 창재(10)와 대향하는 면이 된다. 또한, 개구부는 사각형이고, 오목부(411A)는 벽부(411B)로 둘러싸인 사각기둥상의 공동(각통)으로 되어 있다.
그리고, 회로 기판(41)은, 절연성 기재(411)의 상면(411a)에, 상기 개구부를 둘러싸도록, 또한 절연성 기재(411)의 상면(411a)의 외주를 따르도록 회로 기판용 하지 금속층(412)을 갖고 있다.
회로 기판용 하지 금속층(412)으로서는, 절연성 기재(411)측으로부터, 제1 회로 기판용 하지 금속층(412A), 제2 회로 기판용 하지 금속층(412B), 제3 회로 기판용 하지 금속층(412C)의 순서대로 적층한 층 구조로 하였다.
제1 회로 기판용 하지 금속층(412A)으로서는 두께가 10㎛의 텅스텐(W)층을, 제2 회로 기판용 하지 금속층(412B)으로서는 두께가 3㎛인 니켈(Ni)층을, 제3 회로 기판용 하지 금속층(412C)으로서는 두께가 2㎛인 금(Au)층을 형성했다.
회로 기판용 하지 금속층(412)은, 창재(10)의 접합층(12)에 대응한 형상으로 하였다. 구체적으로는, 창재(10)의 접합층(12)과, 회로 기판용 하지 금속층(412)의 적층 방향(도 4에 있어서의 상하 방향)과 수직인 면에 있어서의 단면 형상이, 접합층(12)과, 회로 기판용 하지 금속층(412)에서 동일한 형상이 되도록 구성했다. 이 때문에, 회로 기판용 하지 금속층(412)은, 외형이 한변이 3.6㎜인 사각형이고, 선폭은 0.3㎜로 하였다.
상기 오목부(411A)의 저부에는, 광학 소자(OptoSupply사제 형식: OSBL1608C1A)를 배치하여, 도시하지 않은 배선과 접속해 두었다.
그리고, 이하의 수순에 의해, 창재(10)와 광학 소자(42)를 구비한 회로 기판(41)을 접합하고, 광학 패키지(40)를 제조했다(접합 공정).
먼저, 상기 광학 소자(42)를 구비한 회로 기판(41)의 회로 기판용 하지 금속층(412)의 상면(412a)과, 창재(10)의 접합층(12)의 땜납층(122)측의 하면(12a)이 마주보고, 또한 접촉하도록 배치했다.
그리고, 창재(10)의 무기 재료의 기체(11)의 다른 쪽 면(11b) 상으로부터, 무기 재료의 기체(11)에 접하는 압박 부재와, 압박 부재에 압력을 가하는 스프링을 구비한 압박 수단에 의해, 블록 화살표 B를 따라 압력(200g)을 가한 상태에서 열처리로 내(N2 분위기 하)에 배치했다. 그리고, 도 7에 나타낸 온도 프로파일에서, 창재(10)와 이 회로 기판(41)을 용융 접합하여 광학 패키지로 하였다.
구체적으로는, 23℃로부터 제1 열 처리 온도인 80℃까지 승온 후, 300초간 유지했다. 이어서, 제2 열 처리 온도인 280℃까지 승온하고, 60초간 유지한 후, 히터를 끄고, 23℃까지 냉각했다.
얻어진 광학 패키지의 접합부(43)는, 금을 함유하는 층으로서, 제3 회로 기판용 하지 금속층(412C)을 가질 뿐이고, 접합부(43)의 두께와, 제3 회로 기판용 하지 금속층(412C)의 두께로부터 산출한 접합부(43)에 차지하는 금의 체적 비율은 3.0% 내지 3.4%였다.
(평가)
얻어진 광학 패키지에 대해서, 기밀성 시험을 실시한바, 합격이었다.
[실시예 3]
창재(10)와 회로 기판(41)을 접합할 때 열처리로 내의 분위기를 N2 분위기 대신에, 대기 분위기(공기 분위기)로 한 점 이외에는 실시예 2와 마찬가지로 하여 광학 패키지를 제작했다.
얻어진 광학 패키지에 대해서, 기밀성 시험을 실시한바, 합격이었다.
[실시예 4]
창재를 제조할 때, 땜납층(122)을 형성 후, 개편화할 때, 레이저광의 주사 횟수를 2회로 한 점 이외에는 실시예 2와 마찬가지로 하여, 창재 및 광학 패키지를 제작했다.
구체적으로는, 레이저광의 1회째의 조사 시에는, 무기 재료의 기체의 절단 전 자재의 두께 방향에 있어서, 레이저광 입사면에서 먼 위치에 설정해서 절단 예정선을 따라 레이저광의 조사 위치를 이동시켰다. 그리고, 레이저광의 2회째의 조사 시에는, 1회째보다 레이저광의 입사면에 가까운 위치에 레이저광의 초점 위치를 변화시켜서, 마찬가지로 절단 예정선을 따라 레이저광의 조사 위치를 이동시켰다.
2회째의 레이저광의 조사 후에는, 레이저광의 초점 위치가 통과한 장소가 지지점이 되도록 힘을 가함으로써 무기 재료의 기체의 절단 전 자재를 절단했다.
이에 의해, 도 8에 도시하는 바와 같이, 개편화한 무기 재료의 기체(11)의 측면에는, 무기 재료의 결합 상태가 변화함으로써 생겼다고 생각되는 2개의 선상 모양(811, 812)이 생긴 것이 확인되었다. 또한, 2개의 선상 모양(811, 812)은, 한쪽 면(11a) 및 다른 쪽 면(11b)의 외주를 따른 형상을 갖고 있었다.
또한, 레이저의 출력을 변경한 경우에 있어서도, 그 절단면에는 마찬가지 형상의 모양이 얻어지는 것도 확인되었다.
이 경우에 있어서도, 무기 재료의 기체(11)에 절결, 깨짐, 칩핑 등의 불량을 발생시키지 않고, 개편화할 수 있었다.
이때 발생한 선상 모양(811, 812)의 표면 조도를 레이저 현미경(가부시키가이샤 키엔스제 형식: VK-8510)을 사용해서 측정한바, 표면 조도 Ra는 0.3㎛이고, 선상 모양(811)과 면(11a) 사이의 영역(82)의 표면 조도를 측정한바, 표면 조도 Ra는 1.1㎛였다. 이러한 표면 조도의 평가 결과로부터도, 선상 모양(811)과, 그 이외의 부분에서 무기 재료의 결합 상태에 변화가 생기고 있는 것이 확인되었다.
얻어진 창재를 사용한 점 이외에는 실시예 2와 마찬가지로 하여 광학 패키지를 제작했다.
얻어진 광학 패키지에 대해서 기밀성 시험을 실시한바, 합격이었다.
이상으로 창재, 광학 패키지를, 실시 형태 및 실시예 등에서 설명했지만, 본 발명은 상기 실시 형태 및 실시예 등에 한정되지 않는다. 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 요지의 범위 내에 있어서, 다양한 변형, 변경이 가능하다.
본 출원은, 2017년 6월 22일에 일본특허청에 출원된 특원2017-122542호에 기초하는 우선권을 주장하는 것이며, 특원2017-122542호의 전체 내용을 본 국제 출원에 원용한다.
10 : 창재
11 : 무기 재료의 기체
111, 811, 812 : 선상 모양
12, 52 : 접합층
121 : 하지 금속층
122 : 땜납층
40 : 광학 패키지
41 : 회로 기판
411 : 절연성 기재
42 : 광학 소자
43 : 접합부

Claims (9)

  1. 광학 소자를 구비한 광학 패키지용 창재이며,
    무기 재료의 기체와,
    상기 무기 재료의 기체의 한쪽 면 상에 배치된 접합층을 갖고,
    상기 접합층 중의 금의 체적 비율이 10% 이하인 창재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 접합층은, 하지 금속층과, 땜납층을 갖고,
    상기 땜납층 두께의 평균값이 5㎛ 이상 50㎛ 이하인 창재.
  3. 제2항에 있어서, 상기 땜납층의 두께의 편차가 ±20㎛ 이하인 창재.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 땜납층을 구성하는 땜납의 영률이 50㎬ 이하인 창재.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 땜납층을 구성하는 땜납이 주석, 게르마늄, 및 니켈을 함유하고,
    상기 게르마늄의 함유량이 10질량% 이하이고,
    상기 게르마늄의 함유량과, 상기 니켈의 함유량이, 이하의 식 (1)을 충족하는 창재.
    [Ni]≤2.8×[Ge]0.3 … (1)
    (단, [Ni]는 질량% 환산으로의 니켈의 함유량, [Ge]는 질량% 환산으로의 게르마늄의 함유량을 나타낸다.)
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 무기 재료의 기체의 측면은, 상기 한쪽 면의 외주를 따른 선상 모양을 갖는 창재.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 창재와, 광학 소자를 구비한 회로 기판을 갖는 광학 패키지.
  8. 제7항에 있어서, 상기 회로 기판은 세라믹스제의 절연성 기재를 갖는 광학 패키지.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 창재의 무기 재료의 기체와, 상기 회로 기판의 절연성 기재는 접합부에 의해 접합되어 있고,
    상기 접합부 중의 금의 체적 비율이 5% 이하인 광학 패키지.
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