TWI713990B - 透光性材料構成之密封用蓋 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於光學元件的封裝之密封用蓋，且係適用可透過可見光等的玻璃等之透光性材料者。本發明包含由透光性材料所構成的蓋本體，於蓋本體具備對應於蓋本體的外周形狀之框狀的接合區域。接著，於蓋本體的接合區域上，被融接著複數片共晶合金所構成的焊材。作為焊材的配置狀態，可舉出把球狀的焊材連續地排列配置為沿著接合區域之框狀。

Description

透光性材料構成之密封用蓋
本發明係收容發光二極體元件等光學元件的封裝的蓋材，是關於由透過光的材料所構成的密封用蓋。詳言之，係關於由具備接合於封裝而供氣密密封之用的焊料的蓋本體所構成之密封用蓋，且於密封作業時難以發生破裂等損傷者。
LED(發光二極體)等發光元件或受光元件之光學元件，廣泛利用於照明、感測器、光通訊、殺菌等領域。把相關的光學元件利用於前述各種裝置時，為了保護光學元件不受大氣影響而採用被氣密密封的封裝。此封裝，係以在收容光學元件的容器狀封裝本體，接合成為蓋體之蓋而確保氣密性的方式製作的。
於光學元件的封裝化，為了利用其原本的機能，前題為使用可以透過光(可見光、紅外光、紫外光等)之蓋。作為這樣的有透光性的光學元件之封裝，例如在專利文獻1，有把具有玻璃窗的金屬帽蓋(蓋)接合於封裝本體之封裝。在此先前技術，蓋的一部分為了透過光而採玻璃窗，使與封裝本體之接合部分為金屬框。接著，蓋與封裝本體之接合部位為金屬，把該部位以縫焊(seam welding)接合確保氣密。
此外，在專利文獻2，記載著以透光性玻璃平板為蓋，將此以接著劑接合於被收容半導體晶片(發光元件)的封裝本體而製造的發光元件封裝。在此先前技術，以透光性玻璃構成蓋全體，考慮到蓋與封裝本體為異種材料而在這些的接合適用接著劑。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2006-145610號公報 [專利文獻2]日本特開2007-242642號公報
[發明所欲解決之課題]
關於前述光學元件的封裝，使用專利文獻1之附玻璃窗之蓋的封裝，有著金屬框這種光不透過的部分，所以有元件的光利用效率不佳之面向。此外，專利文獻1之蓋，使用玻璃窗與金屬框這樣的個別的異種材料所構成的構件，所以零件數目變多，構造也複雜化。因此，製造效率或成本面上變得不利，也變得難以對應於封裝的小型化。
考慮到專利文獻1的封裝之前述問題點的話，如專利文獻2那樣的蓋全體以玻璃等透光性材料構成，從光學元件的有效率的利用之觀點來看是適宜的。但是，於專利文獻2的封裝，蓋之接合/密封要使用接著劑。接著劑那樣的樹脂材料/有機材料會經年劣化，特別是有紫外線導致劣化的疑慮，有損於封裝的長期可信賴性之虞。
本發明係根據前述那樣的背景而完成之發明，提供供密封收容光學元件的封裝之用的成為蓋體之蓋，且係到目前為止未被實用化者。具體而言，與把玻璃窗與金屬框複合化的構件不同，可以確保光學元件的利用效率者。此外，提供與封裝本體接合時可以有效地氣密密封，形成不劣化而可以長期間安定的接合部之密封用蓋。 [供解決課題之手段]
重視光學元件的發光/受光的光利用效率時，對於蓋而言不要設金屬框那樣沒有透光性的部位。然後，可說是以透光性材料構成蓋全體為佳。另一方面，以玻璃那樣的透光性材料構成蓋全體的場合，有必要考慮到與多半用陶瓷構成的封裝本體之接合性。在此所要求的接合性，當然包括可以使蓋與封裝本體堅固地接合。於本發明之蓋，除此之外，還要求對於構成蓋的透光性材料不造成過大影響而可接合。因為，玻璃等透光性材料多為缺乏韌性的脆性材料，有因熱應力等而破損之虞。
本案發明人等，進行銳意檢討，以玻璃等透光性材料構成蓋本體，同時作為供與封裝本體密封接合的接合材料適用由共晶合金構成的焊料，適切地配置此焊料而融接。如此進行而構成的密封用蓋，可以解決前述課題從而想到本發明。
亦即，本發明係一種密封用蓋，係被接合於收容光學元件的封裝本體，供製造被氣密密封的封裝之用，特徵為具備：由可使可見光、紫外光、紅外光之至少任一透過的透光性材料所構成的蓋本體，前述蓋本體，於與前述封裝本體接合之面，包含對應於蓋本體的外周形狀之框狀的接合區域，於前述蓋本體之前述接合區域上被融接著複數片共晶合金所構成的焊料。
於本發明，使蓋本體為透光性材料而以單一的素材構成，是為了把封裝內的光學元件的光之利用效率提高到最大限度的緣故。另一方面，作為供接合於封裝的接合材料，適用共晶合金之焊料，是因為共晶合金藉著把其合金組成設定在共晶組成附近可以使融點降得比較低的緣故。
此外，由共晶合金構成的焊料，藉著適切地設定固定(融接)於蓋本體時的方法/條件，可以控制融接後的材料組織或形狀。此材料組織與形狀的控制，對本發明而言是重要的要素，將於稍後詳述。
以下，詳細說明相關於本發明的密封用蓋。如前所述，本發明之蓋，以透光性材料構成的蓋本體，以及在密封時成為接合材料的焊料所構成。
A.蓋本體 A-1.蓋本體的構成材料/形狀等 如前所述，本發明藉由使蓋全面為透光性材料，可以最大限度利用光學元件的發光/受光機能。此透光性材料，是至少可以透過可見光、紫外光、紅外光之至少任一的材料。針對可透過的光的波長沒有特別限定。此外，光的透過程度(透過率)也沒有特別限定。此透光性材料的具體範圍，以玻璃、水晶、藍寶石、聚矽氧、鍺之任一為佳。此外，關於玻璃，一般是指被稱為玻璃之具有透光性的材料，可以舉出石英玻璃(包含合成玻璃)、硼矽酸玻璃等。
蓋本體的形狀、尺寸沒有特別限定。蓋的形狀或尺寸，隨適用光學元件的封裝的用途/規格而決定。蓋的形狀，作為平面形狀可以舉出矩形(正方形、長方形)或圓形的板狀者。此外，蓋本體的剖面形狀也未特別限定。雙面為平坦的板狀亦可，雙面或單面賦予凹凸亦可。被賦予凹凸的圓頂型或透鏡型的蓋本體，被利用在提高內部容積的目的或以聚光或光的發散為目的。
A-2.接合區域 蓋本體，在與封裝本體之接合面，包含對應於蓋本體的外周形狀之框狀的接合區域。所謂接合區域，是在氣密密封時，其一部分或全部透過焊料接觸接合於封裝本體的部位。接合區域，是對應於蓋本體的外周形狀的框狀區域。如圖1(a)(b)那樣蓋本體的外周形狀為矩形的場合為矩形之框，如圖1(c)那樣外周形狀為圓形的場合為圓形的框(環)。但是接合區域的形狀沒有必要與蓋本體的外周形狀完全一致。如圖1(b)那樣，針對接合區域的四角取導角的形狀亦可。進而，所謂對應於外周形狀的框狀區域，是外框或內框之至少任一為沿著蓋本體的外周形狀即可。如圖1(d)那樣，可以是外框為沿著蓋本體的外周形狀的矩形，另一方面使內框為圓形之接合區域。接合區域的寬幅沒有特別限定。接合區域的寬幅是考慮接合的封裝本體的尺寸，例如容器狀封裝本體的開口部端面的寬幅等而任意設定的。一般而言，設定為對蓋本體的長邊、直徑的尺寸之1/20以上1/8以下的寬幅。接合區域的寬幅，只要在前述範圍內即可，沒有必要為一樣寬。
B.共晶合金構成的焊料 B-1.焊料的構成元素及組成 所謂共晶合金為2種以上元素構成的合金，是可呈現共晶反應的合金。所謂共晶反應，是由熔融狀態(液相)同時晶析出來自合金的構成元素的固體成分(固相)的反應。如前所述，共晶合金，於共晶組成(共晶點)呈現比較低的融點，所以在使焊料融接於蓋本體的階段以及使蓋接合於封裝本體的階段雙方都可較為減低對蓋本體造成的熱影響/熱應力。
作為在本發明適用為共晶合金所構成的焊料，可舉出金系共晶焊料。較佳的金系共晶焊料，係由含金50%以上的共晶合金所構成的焊料。作為這樣的金系共晶焊料之例，可以舉出Au-Sn焊料、Au-Ge焊料、Au-Ga-In焊料、Au-Sb焊料、Au-Si焊料、Au-Ga焊料、Au-In焊料。這些焊料除了融點比較低以外，接合強度或化學安定性優異，可以長期間保持封裝的氣密性。接著，這些焊料與接著劑不同，不會因紫外線劣化，耐久性優異。這些之中特佳的焊料為Au-Sn焊料。
此外，成為焊料的共晶合金的較佳組成，以各構成元素之所有的濃度相對於成為共晶組成的組成(質量百分比)在±2%的範圍內者為佳。這是為了抑制焊料的融點，與使呈現細微的共晶組織抑制粗大的固相析出的緣故。具體而言，關於前述之特佳的焊料之Au-Sn焊料、Au-Ge焊料、Au-Ga-In焊料，在Au-Sn焊料，以錫濃度為19質量百分比(質量%)以上23質量%以下(其餘為金)，在Au-Ge焊料以鍺濃度為10質量%以上14質量%以下(其餘為金)，在Au-Ga-In焊料以鎵濃度為8質量%以上12質量%以下，銦濃度6質量%以上10質量%以下(其餘為金)者為佳。
B-2.焊料的固定的態樣 在本發明，於蓋本體的接合區域的範圍內由共晶合金所構成的焊材藉由融接而被固定。被融接於接合區域上的焊料，於封裝之密封時再度熔融，藉由與封裝本體的開口端緣部之接觸而在接合區域內擴展濕潤。接著，接合封裝本體的開口端緣面與蓋本體，氣密密封封裝內部。所謂融接，是使熔融的焊料接觸於蓋本體後凝固，使焊料與蓋本體在面接觸的狀態下接合固定的態樣。使焊料融接於蓋本體時，把固體焊料載置於蓋本體，加熱使熔融亦可，亦可把熔融狀態的焊料供給至蓋本體。針對焊料的融接之較佳的步驟將於稍後詳述。
在本發明，把共晶合金所構成的焊料，在接合區域上融接複數片。這是為了分散焊料與蓋本體之界面之殘留應力，防止焊料融接時以及封裝密封時之蓋本體的破裂。於焊料與玻璃等透光材料之間熱膨脹/熱收縮的舉動有所差異，所以融接焊料時會在接合界面發生殘留應力。殘留應力隨著焊料的接合面積增大而增大。殘留應力過大的話，在焊料融接階段會有蓋本體產生破裂等破損之虞。例如，針對融接的焊料，適用與蓋本體的接合區域約略相等的框形狀之1片焊料的話，確認了因為接合面積大而在焊料凝固時容易於蓋本體產生破裂(參照後述之實施型態)。
在此，本發明藉著使融接的焊料為複數片，分散及減低殘留應力。殘留應力的減低，與根據前述之共晶合金所構成的焊料的適用導致的熱應力減低協同抑制在融接時之蓋本體的破損。
於本發明，作為配置複數片焊料的態樣，於接合區域上連續融接小塊狀的焊料，在外觀上(概觀上)為框形狀是較佳的。作為更具體的態樣，如圖2所示，有把球狀、點狀的焊料沿著接合區域的形狀排列配置之配置。在此例，於圖2上段，記載著一列焊料被排列配置為框狀，但如圖2下段之圖那樣以複數列把焊料排列配置為框狀亦可。此外，所謂連續配置，並不限定在使焊料相互接觸而融接的場合。連續配置，包含使焊料隔離而融接為框狀的場合，如稍後所述以這種形式為較佳。於本發明，如此融接複數片焊料時，焊料的個數以及各個焊料的尺寸(體積)沒有特別限定。只要隨著密封時的濕潤擴開而可以跨全周地覆蓋蓋本體的接合區域之量的焊料被分散而融接即可。關於焊料，比起其尺寸或個數，其剖面組織或形狀對於蓋本體的破損或密封時的品質更會造成影響。
B-3.焊料的材料組織 如前所述，在本發明適用共晶合金之焊料，是因為共晶合金可以使呈現細微的共晶組織的緣故。藉著使焊料的材料組織為細微共晶組織排除粗大的固相，可得安定的密封。
針對此點詳細說明。粗大的固相，在密封時使焊料再熔融而凝固時，會成為由透光性材料構成的蓋本體的破損的重要原因。粗大固相的融點高的場合，密封時之焊接時有熔融殘留的可能性。在該場合，於密封後被形成的接合部的厚度變得不均勻，有對氣密性造成影響的可能性。此外，由於粗大固相的存在，有使焊料的融點局部上升，於該部位產生過度熱應力之虞，或者發生接合界面之應力分布不均勻性之虞。對於韌性低的玻璃等透光性材料，熱應力的影響很大，所以密封時有發生龜裂或破裂之虞。因此，在本發明，作為被融接於蓋本體的焊料的材料組織，以細微組織為佳。
具體而言，被融接於接合區域的複數焊料之中，至少1焊料的任意剖面的材料組織，以屬共晶組織與任意含有的相當於圓直徑5μm以下的單一相所構成的材料組織為佳。於本發明，所謂共晶組織，與一般的共晶組織同義，是細微的複數固相週期性/複合地混入組合的材料組織之一型態。於本發明的焊料的材料組織，必須呈現週期性且具有細微構造的共晶組織，但也包含呈現與相關的共晶組織為另行生成/成長的單一相之可能性。所謂單一相，是與構成共晶組織的固相對比時，粗大化及/或異形化之固相。單一相與構成共晶組織的固相在外觀上有所區別。單一相，不限於組成上與構成共晶組織的固相不同，亦有相同或近似者。
在本案發明人等的檢討，焊料中存在著相當於圓直徑超過5μm的粗大的單一相的場合，密封時發生熔融殘留，有導致蓋本體的損傷或氣密性降低之虞。此外，單一相的存在為任意的。本發明之特佳的焊料的材料組織，為實質上不含單一相的僅共晶組織構成的材料組織。又，被觀察到複數單一相的場合，這些的相當於圓直徑的平均需要為5μm。此外，被融接於蓋本體的全部焊料，以單一相之相當於圓直徑5μm為佳。
作為被融接於本發明的蓋本體的焊料的材料組織之具體例，以共晶組成附近的Au-Sn焊料為例進行說明。於共晶組成附近的Au-Sn焊料，析出δ相(Au-37.6質量%Sn)與ζ´相(Au-10.8質量%Sn)2種固相。共晶組織，以細微的δ相與細微的ζ´相構成，呈現這些週期性地混入組合的材料組織。另一方面，此組成之Au-Sn焊料產生的單一相，為δ相或ζ´相，組成與構成共晶組織的各固相相同。δ相與ζ´相亦有做為單一相而分別析出。此單一相，於形狀及尺寸都與構成共晶組織的δ相及ζ´相不同。單一相呈現與塊狀、島狀等共晶組織不同的外觀，其尺寸也變得粗大。雖著焊料的融接條件，單一相亦有粗大化而相當於圓直徑超過5μm的場合。如以上所述，於共晶組成附近的Au-Sn焊料，析出的固相為δ相與ζ´相，所以δ相及ζ´相所構成的共晶組織，與包含任意相當於圓直徑5μm以下的δ相或ζ´相的材料組織為佳。
於蓋本體上的接合區域被融接複數焊料的本發明，以隨機選擇的焊料的任意剖面上呈現前述材料組織為佳。較佳為所有的焊料的任意之複數剖面呈現前述材料組織為佳。
B-4.焊料的形狀(形狀指數) 如前所述，被融接於蓋本體的接合區域的焊料的尺寸/形狀沒有特別限定。但是根據本案發明人等的檢討，在將焊料融接於蓋本體的階段及供密封而將焊料再熔融/凝固的階段，作為在蓋本體以更高水準抑制龜裂或破裂等損傷之條件，確認了焊料有適宜的形狀。
具體而言，被融接於蓋本體的焊料，以下列式所定義的形狀指數(Is )在0.9以上2.5以下的範圍為佳。
Figure 02_image001
。
前述形狀指數(Is )係於焊料的體積(V)以及蓋本體與焊料之接合面積(A)的關係，暗示著要求使某程度的體積之焊料以適切的接合面積(接觸面積)融接。總之，與焊料的體積之關係若是接合面積為過多的場合，熔融狀態的焊料凝固時的熱應力會變得比較大。對於韌性低的透光性材料，受到熱應力的影響很大，而且與焊料或構成封裝本體的金屬或陶瓷之膨脹/收縮係數也有差異，所以在此場合變得容易產生破裂等損傷。
如此，根據形狀指數(Is )之焊料的參數化，是為了防止焊料融接時以及蓋本體與封裝本體之接合時之蓋的破裂之用。接著，根據本案發明人等，Is 超過2.5的場合，會在蓋產生龜裂等損傷。另一方面，Is 未滿0.9時，這樣的場合呈現焊料的接合面積太少。在此場合，雖然蓋本體難以產生損傷，但對於蓋本體之焊料的密接力變得貧乏。因此，除了作業時有焊料脫落之虞以外，也有可能在與封裝本體接合時產生焊料的位置偏離、接合不良。本發明，由於以上的理由，形狀指數(Is )的適切範圍設定為0.9以上2.5以下。此形狀指數(Is )，以蓋本體上之焊料知至少1個焊料為前述範圍為佳，蓋上的焊料的形狀指數(Is )的平均值為前述範圍為更佳，所有的焊料都在前述範圍又更佳。
焊料的形狀以垂直方向之投影形狀為約略圓形者為佳。焊料的較佳形狀之具體態樣，除了球形狀、半球形狀以外，可以舉出2個以上的球重疊的形狀等。圖3係說明焊料的形狀/尺寸與形狀指數(Is )之關係之一例之圖。此例示，顯示同一體積之複數焊料的中心部部分之剖面圖，說明與蓋本體之接合面積的變化與形狀指數(Is )之關聯。進而，圖4為融接後的焊料形狀之一例。如圖3及圖4所例示的，焊料的形狀除了球形狀、半球形狀以外，還可以適用2個球重疊的形狀。
針對在本發明被融接於蓋本體的焊料，關於以上說明的材料組織的適宜條件(共晶組織與細微的單一相)，以及關於形狀/尺寸的適宜條件(形狀指數(Is ))，可以具備任一方，亦可具備雙方。藉著調整融接方法/條件，可以使具備材料組織與形狀指數雙方的條件。
C.相關於本發明之密封用蓋之其他構成 相關於本發明的密封用蓋，以由玻璃等透光性材料所構成的蓋本體，以及被融接於蓋本體的共晶合金構成的焊料所構成是為必須的構成，但作為附加的構成，可以舉出被形成於蓋本體的一方或雙方表面的金屬化膜、機能膜等。
C-1.金屬化膜 在本發明，蓋本體之被融接焊料的面的表面之至少一部分，具有由金屬構成之至少1層金屬化膜，於此金屬化膜之上被融接焊材者為佳。金屬化膜，主要是意圖提高焊料對蓋本體的密接性而適用。焊料為金屬(共晶合金)，是與玻璃等透光性材料為不同種的材料，所以有隨著組成不同而缺乏與蓋本體之密接性，無法固定的場合。在此，藉著適用金屬所構成的金屬化膜，可以確保焊料的密接性而防止由蓋本體脫落等。金屬化膜，可以採取單層構造或多層構造。金屬化膜之具體構成，因應於其機能而設想數種金屬層。
C-1-1.形成於焊料融接面的第1金屬層 金屬化膜的機能，可以舉出焊料對蓋本體的密接性改善。作為該目的的金屬化膜，於被融接焊材的面，形成由金或鉑之至少任一構成的第1金屬層為佳。因為金或鉑對於前述的各種具體例之焊料之密接性為良好的緣故。此第1金屬膜也可以為單層或多層，僅以金或鉑之任一構成亦可，層積雙方(Au/Pt、Pt/Au)亦可。此第1金屬膜，太薄的話下底會露出而有密接性低下的情形。另一方面，太厚的話接合時與焊料反應，會引起接合不良或接合強度降低。在此，第1金屬膜的厚度，最好是0.01μm以上1μm以下。
C-1-2.形成於蓋本體表面的第2金屬層 被形成於以前述之金、鉑構成的焊料融接面的第1金屬膜，有對構成蓋本體的透光性材料缺乏密接性的場合。在此，作為使焊料融接的第1金屬膜與蓋本體之密接性提高的金屬化膜，以形成由Mg、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、In、Sn、Sb、Ta、W、Re、Os、Ir之至少任一所構成的第2金屬膜為佳。這些金屬，對透光性材料以及金、鉑雙方的密接性良好，所以可把焊料適宜地固定於蓋本體。特別是Cr、Ti是活性高的金屬，所以可形成與蓋本體表面之密接性高的金屬化膜。此外，Ni的保護性能優異，可以形成抑制下底的氧化/變質之金屬化膜。從而，較佳為形成具有Cr、Ti、Ni之至少任一構成的第2金屬層的金屬化膜為佳。
作為第2金屬層之具體且適宜的構成，把活性高的Cr或Ti之任一構成的金屬層形成為密接層，於其上形成Ni構成的金屬層作為保護層(Cr/Ni、Ti/Ni)。Cr或Ti密接性高，但為高活性所以有外氣導致氧化或變質的疑慮。藉著在密接層上形成Ni構成的保護層，可以防止成為下底層的密接層的氧化等。第2金屬層，以如此的密接層與保護層構成的金屬層為特佳。在此構成的第2金屬層，密接層的膜厚以0.04μm以上0.1μm以下為佳，保護層的膜厚以0.1μm以上2μm以下為佳。
關於以上說明的金屬化膜，以被形成成為焊料融接面的第1金屬層(Au、Pt)，與蓋本體表面側的第2金屬層(Cr、Ti、Ni)雙方者為佳。但是，作為第2金屬層之保護層的構成金屬，鉑也有效。在此，形成Cr或Ti構成的密接層，形成鉑構成的保護層之金屬化膜(Cr/Pt、Ti/Pt)也可以適用。在此場合，保護層之鉑，也可以作為第1金屬層發揮作用，所以於此鉑構成的保護層的表面使焊料融接亦可。此外，進而形成金之金屬亦可。
以上說明的成為金屬化膜的第1、第2金屬膜，可以單獨或者組合濺鍍法、鍍層法、蒸鍍法等公知之薄膜形成技術來形成。此外，金屬化膜，對蓋本體形成於廣範圍亦可，為了增加光的透過量而限定於必要部位亦可。例如，使金屬化膜為對應於蓋本體的外型之框狀，將此作為蓋本體的接合區域亦可。
C-1-3.金屬化膜之擴散區域 於相關本發明的密封用蓋採用金屬化膜時，焊料在接觸於金屬化膜的狀態被融接於蓋本體。此時，於焊料與金屬化膜之界面，構成金屬化膜的金屬元素有擴散到焊料中的可能性。於本發明，使往此焊料中擴散的金屬元素量為最低限度者佳。具體而言，因擴散而會形成於焊料內的擴散區域的寬幅以2μm以下為佳。焊料內部發生金屬元素的過度擴散的場合，有在界面附近發生焊料的組成變動或化合物生成的可能性。焊料的組成變動或化合物生成，有成為融點變化或接合強度的降低，或成為洩漏的原因的可能性。亦即，不過度擴散的狀態為佳。所謂擴散區域的寬幅，可以針對融接界面附近之焊料內部，藉由適宜的分析手段測定屬於金屬化膜的構成金屬且非焊料的構成金屬之金屬(Pt、Ni等成為對象較多)的有無。擴散區域的寬幅，以1μm以下更佳。擴散區域的寬幅的下限是越低越好，但較佳為0.001μm。
C-2.供調整透過率等之機能膜 前述金屬化膜以外，於本發明的蓋本體針對表面或背面之一方或雙方，為了使特定波長的透過率或反射率提高，可以形成機能膜。作為此機能膜的具體材質，可以舉出MgF2 。例如想要使波長250nm~400nm的紫外線的透過率上升的場合，膜厚希望為60~100nm。
D.相關於本發明之密封用蓋之製造方法 其次說明關於本發明之密封用蓋之製造方法。本發明之蓋，能夠以融接1片或複數片共晶合金構成的焊料於透光性材料之蓋本體而製造。
接著，於本發明，為了活用共晶合金的優點，達成具有適宜接合性的密封用蓋，刻意使融接後的焊料的材料組織或形狀/尺寸為適宜。以下，以使焊料的材料組織或形狀/尺寸為適宜，同時於蓋本體融接焊料的方法為中心進行說明。
作為融接焊料的蓋本體，準備預先把透光性材料成形為所要的形狀、尺寸。此外，蓋為微小的構件，所以亦可把可以形成複數蓋的大尺寸板材作為對象。在此場合，焊料融接後，可以個別地切出蓋作為製品。此外，形成金屬化膜的場合，預先在焊料融接前形成成為金屬化膜之金屬膜。
焊料的融接，可在蓋本體上使固體狀的焊料熔融/凝固。但是以考慮到焊料的形狀(形狀指數(Is ))，而融接形狀良好的焊料為佳。針對固體狀焊料，作為使形狀指數為適宜之融接方法，有把預先製造的特定尺寸的小塊狀、粒狀的焊料，在蓋本體上載置複數而加熱的方法。載置粒狀焊料時，可以藉由治具等定位固定各個焊料，藉著在此狀態加熱焊料，可以融接球狀、半球上的焊料。此時的焊料尺寸，以直徑0.05mm以上0.25mm以下為佳。
但是更佳的焊料融接方法，有使熔融狀態的焊料附著於蓋本體，使其凝固的方法。在本發明，作為焊料的材料組織，以細微的共晶組織為主體而沒有粗大的單一相之材料組織為佳。為了形成細微的共晶組織，除了焊料組成的調整以外，以使焊料由熔融狀態急速冷卻為佳。為了此焊料的急速冷卻，以使熔融的焊料附著於蓋本體，利用根據氛圍以及蓋本體的冷卻為佳。
使熔融狀態的焊料附著於蓋本體，在調整焊料的尺寸/形狀上為適宜。在熔融狀態的話，可藉著調整其液量適宜地調整使融接的焊料的體積。此外，藉由使熔融的焊料附著時的動能，可以改變衝突於蓋本體時的形狀或接合面積。藉此，可以調整焊料的形狀指數(Is )。
作為把熔融狀態的焊料供給至蓋本體而融接的方法，有使預先熔融的焊料為液滴狀藉由彈推手段使附著於蓋本體的方法。在此方法，液滴狀的熔融焊料，附著於蓋本體的同時被急速冷卻，瞬間結束融接。而根據此方法，藉著控制供給至蓋本體的液滴狀的熔融焊料的體積或速度，可以調整融接時的焊料的形狀指數或接合面積。
此外，於此方法，使蓋本體即使維持常溫也可融接焊料。因為液滴化的焊料的體積相對於蓋本體的體積為極小，所以焊料與蓋本體接觸時瞬間被冷卻凝固的緣故。融接時冷卻蓋本體亦可，過度低溫而使焊料融接的話，因與焊料之溫度差導致的熱衝擊而有損傷蓋本體之虞。又，融接液滴化的焊料時之蓋本體的溫度以比焊料融點低100℃以下之溫度為佳。因為可以得到被融接的焊料的材料組織(共晶組織)之細微化所必要的冷卻速度。
製造本發明之蓋時，使焊料融接於蓋本體的方法不限於前述方法。例如，藉著在可吐出氣體的毛細管先端安裝焊料球，使焊料以雷射融化而以氣體吹附於蓋本體，可以融接焊料。此外，使棒狀/線狀的焊料由先端以雷射融化，同時以氣體吹附於蓋本體，也可以融接焊料。這些方法，也可以把熔融狀態的焊料融接於蓋本體，所以可融接良好的形狀/尺寸之焊料。此外，這些方法，使蓋本體在常溫也可融接焊料。
如以上所述藉著使熔融狀態的焊料附著於蓋本體，焊料急速冷卻凝固而達成融接。在此手法，通常使複數焊料融接於蓋本體的接合區域，所以使熔融的焊料之吐出/供給為連續而進行融接。藉此，可達成相關於本發明之密封用蓋。 [發明之效果]
如以上所說明的，相關於本發明的密封用蓋，作為利用光學元件的封裝之蓋是有用的。本發明，藉由以玻璃等透光性材料構成蓋全面，使封裝內的光學元件的光利用效率為良好。接著作為供氣密密封之用的接合材料適用共晶合金的焊料。此焊料對強固的氣密密封為有效，耐久性優異也不會因紫外線等而裂化。接著藉著適切地控制焊料的材料組織及/或形狀/尺寸，不會對蓋本體造成損傷地被熔融，密封作業時也有用地發揮機能。
以下，說明本發明之實施型態。在本實施型態，以透光性材料之石英玻璃製作蓋本體，對此蓋本體使共晶合金的焊料之Au-Sn焊料以各種方法融接製造了密封用蓋。接著，針對製造的蓋進行與封裝本體之接合試驗，評估有無蓋本體的損傷，進而進行密封試驗確認氣密性。
在本實施型態使用的蓋本體，為石英玻璃或硼矽酸玻璃構成的平板(3.4mm×3.4mm厚度0.3mm)。在本實施形態，於此玻璃至的蓋本體表面的框狀區域(外尺寸：3.2mm×3.2mm、內尺寸：2.5mm×2.5mm)形成了金屬化膜。 金屬化膜，由蓋本體表面起依照Cr(60nm)/Ni(200nm) /Au(100nm)的順序形成了各金屬的薄膜。此外，在一部分實施例，也適用了以Ti(60nm)/Pt(200nm)/Au(100nm)的順序形成的金屬化膜。
於如前所述進行而準備的玻璃至蓋本體融接了焊料。焊料適用了Au-22質量%Sn焊料。在本實施型態，在下列製程a~c之3種不同態樣把焊料融接於蓋本體，製造了蓋。
・製程a：在此製程，使用收容預先使熔融的焊料之焊料吐出裝置融接焊料而製造了蓋。圖5顯示此焊料吐出裝置101的詳細構造。吐出裝置101，具備：收容焊料201而以維持熔融狀態的方式被控制溫度的槽110，與槽110連通的腔室111，供吐出腔室111內的焊料201之用的隔膜(diaphragm)112及開口113，以及驅動隔膜112的壓電元件致動器114。
在根據此吐出裝置101之焊料的融接，藉著以PC(個人電腦)控制/驅動壓電元件致動器114，使腔室111內的焊料201一定量地由噴嘴吐出。藉由控制開口113的大小與壓電元件致動器114的驅動量與變化速度，可以調整吐出的焊料202的體積與飛行速度。接著於在XYZ方向上可動的台座設置蓋本體，可藉著驅動台座而連續於蓋本體上框狀地融接焊料。
在本實施型態，如圖6所示，沿著框形狀的金屬化膜的中心位置連續地列狀融接焊料做成框狀。在本實施型態於此製程a，把吐出的熔融金屬液滴的大小設定為換算球徑φ0.1mm或者φ0.125mm，同使把焊料的飛行速度設定為1.6m/秒以上。此外，以接合於封裝本體時的焊料層的厚度成為10~25μm的方式，計算融接的焊料的個數，以約略均等間隔配置於蓋本體。又，設置蓋本體之台座的溫度為常溫。圖7為在此製程a融接焊料而製造的蓋的外觀之例。
・製程b：在此製程，把預先製造的小塊狀(球狀)固體之焊料融接於蓋本體。在本實施型態，準備直徑φ0.1mm的球狀焊料，將此焊料以約略等間隔地載置於蓋本體之框狀金屬化膜。此時，把被穿孔直徑φ0.15mm之孔為框狀的碳製治具重疊於蓋本體，於治具之孔依序插入球狀焊料。接著，由蓋本體以治具不偏移的方式在重疊的狀態，在非氧化氛圍的電爐中以320℃加熱1分鐘以上融接焊料。在此製程b，與製程a同樣製作被配置焊料的蓋。圖8為以製程b融接焊料而製造的蓋的外觀之例。
・製程c：在此製程，把預先加工為框狀的1片焊料融接於蓋本體製造了蓋。此製程，為相對前述製程a,b之比較例。首先，把Au-22質量%Sn焊料，沖壓加工為矩形的框形狀(外尺寸：3.15mm×3.15mm 內尺寸：2.5mm×2.5mm、厚度：15μm、25μm)。接著，把此被預定形的焊料載置於蓋本體，在非氧化氛圍中以305℃迴焊融接。
根據以上製程a~c的方法，於玻璃製蓋本體融接各種形狀/尺寸的焊料製造了密封用蓋。密封用蓋分別製造了10個。針對此融接步驟後的密封用蓋，以目視及光學顯微鏡確認蓋本體有無破裂/龜裂等損傷，測定10個之中的良品個數，評估其比率(良品率)。
此外，觀察了焊料的任意剖面的材料組織。組織觀察，係關於在製程a,b製造的蓋，隨機選定焊料，在選定的焊料附近切斷蓋本體埋入樹脂，適當進行研磨使焊料的剖面露出而進行了觀察。此外，關於以製程c製造的蓋，在任意處所切斷蓋，埋入樹脂，適當進行研磨觀察了焊料剖面的材料組織。
於材料組織觀察，首先，觀察焊料全體的剖面確認有無共晶組織及單一相之後，擴大觀察重要部位測定單一相的尺寸。在本實施型態，於以製程a~c融接的焊料全部觀察共晶組織。接著，在製程b,c，被觀察到比起構成共晶組織的固相變得明確粗大之固相。單一相的相當圓直徑係根據以SEM(加速電壓15kV)取得的1500倍到2500倍的影像來算出。被觀察到複數單一相時，算出它們的平均值。此外，關於未明瞭地觀察到可特定為單一相的場合，亦即實質上只觀察到共晶組織的焊料，取得任意部位的括但影像隨機抽出5個固相，求出這些之相當圓直徑，確認全都在5μm以下，判定單一相的相當圓直徑在5μm以下。又，所謂相當圓直徑，是與被觀察的單一相的面積相等面積的圓的直徑。
也進行了焊料中之金屬化膜成分的擴散區域的寬幅測定。此測定是把使用在剖面觀察的試樣藉由EPMA(電子微探分析儀)觀察焊料與金屬化膜之界面同時進行了元素分析。EPMA的分析條件為加速電壓20kV，測定倍率5000倍。在此元素分析，由金屬化膜內部朝向焊料內部進行了線分析。接著，以金屬化膜內之金屬成分(Ni、Pt)的計數為100%，追蹤朝向焊料側減少的該成分的計數，把該成分的計數成為10%以下之點作為擴散區域的端部。接著把界面到擴散區域端部為止的距離作為寬幅。
進而針對製造的各蓋，測定了融接的焊料的形狀指數(Is )。形狀指數測定時，針對以製程a,b製造的蓋之焊料，由製造後的蓋剝離焊料，把根據採取的焊料的質量及焊料的密度與個數之體積的平均值作為1片焊料的體積(V)。此外，焊料之接合面積(A)，係顯微鏡觀察剝離焊料後的蓋本體，測定接合面的面積，求出平均值。另一方面，關於以製程c製造之蓋，由融接前的焊料尺寸求出體積(V)。此外，測定融接後的焊料的輪廓算出接合面積(A)。
針對在本實施型態製造的各種密封用蓋，在表1顯示根據該製造製程的焊料的材料組織及形狀/尺寸的觀察/測定結果，與有無蓋本體的損傷。
Figure 02_image003
由表1，針對藉由製程a的吐出裝置連續地融接球狀焊料的蓋，蓋本體的損傷數極少(No.A1~A9)。特別是在No.A2~A8之蓋，融接後的焊料的形狀指數為0.9~2.1，製造的所有蓋都為良品(融接時良品率10/10)。另一方面，No.A1、A9之蓋，融接後的焊料的形狀指數為0.7、2.6，於融接後的蓋本體的一部分看到損傷。
圖9係顯示藉由製程a融接熔融焊料後的焊料(No.A4)的剖面組織之例。被融接於此實施型態的蓋本體的焊料，幾乎全部以細微的共晶組織構成。藉由此製程a融接的焊料，被預測包含粗大單一相的可能性非常低。針對藉由此製程a融接的焊料，根據前述測定基準特定單一相時，其相當圓直徑總是在5μm以下。
關於根據製程b融接焊料之蓋，焊料的形狀類似於製程a的焊料，但在材料組織見到不同。圖10為以製程b融接的焊料(No.B2)之材料組織。除了共晶組織以外，確認了生成不屬於共晶組織的單一相。在本實施型態，適用Au-Sn焊料，所以此單一相被推定為δ相或ζ´相。接著，由表1之單一相的粒徑測定結果，可知於以製程b製造的蓋之焊料，除了共晶組織以外有生成單一相的傾向。推測在製程b的焊料的融接方法，有必要以把焊料插入治具的狀態加熱蓋全體，冷卻時間變長，所以產生單一相的生成/成長。
話雖如此，製程b，是可控制焊料的形狀的方法。在No.B1、B2、B3之蓋，可以使焊料的形狀指數為1.5~2.5。接著，不對蓋本體造成損傷，於封裝的密封應該可以利用。此製程b，可以使球狀的體積小的焊料融接複數個，所以可以減低融接時的蓋本體的損傷。
相對於這些製程a, b之實施例，可知被預形為製程c的框形狀之焊料(No.C1、C2)，在融接時有在玻璃製蓋本體容易產生破裂的傾向。這些焊料，形狀指數(Is )大到4.6~5.8。形狀指數(Is )變大，是因為框形狀的預形焊料其接合面積過大為主要原因。於焊料與玻璃之間關於熱膨脹/熱收縮的舉動有所差異，所以接合面積變大的話，焊料凝固時的殘留應力也變大。應該是如這些框形狀焊料那樣接合面積大的焊料，因此殘留應力而比較容易產生破裂。
此外，關於這些框狀預形焊料的材料組織，應該難以呈現僅由共晶組織構成的適宜的材料組織。圖11係顯示融接No.C2的預形焊料(焊料厚度25μm)後的焊料的剖面組織。於此焊料，共晶組織所佔的區域少，被觀察到多數個相當圓直徑超過粒徑5μm的呈現粗大的單一相之材料組織。在此製程，焊料融接時，藉由迴焊使蓋本體也與焊料一起被加熱。因此，應該是焊料在融點以上的溫度之時間變長而冷卻速度變慢，容易析出單一相的緣故。此框形狀的預形焊料，在融接階段使蓋本體破損，所以無法供以後之密封試驗，但即使破裂輕微而可以進行密封試驗，粗大的單一相應該也有對氣密性造成影響的可能性。
其次，焊料融接後於蓋本體未發生顯著的損傷之製程a,b製造的蓋本體，進行了使用封裝本體之密封試驗。在此密封試驗，準備陶瓷製封裝本體(開口部的尺寸(內尺寸)：2.4mm×2.4mm，開口端緣面的厚度0.8mm)，對此融接了各種密封用蓋。封裝的製造方法，係使蓋重疊對準於封裝本體後，在0.4MPa的荷重條件下把封裝加熱至305℃使焊料再熔融。此時，設定溫度的保持時間為30秒，時間經過後迅速停止加熱，進行冷卻。封裝密封後，以實體顯微鏡(20倍)判定於玻璃製蓋是否發生龜裂。於此評估，以前述進行的焊料的融接階段之蓋本體的數目(10個)為母數。亦即，於焊料融接時於蓋本體產生損傷者，不進行密封試驗而判為不良品。接著，於焊料融接時為良品者，進行密封試驗評估良品率。
進而，針對於密封後之蓋未見龜裂之封裝進行氣密性的評估，評估了蓋的製造階段(焊料融接的階段)起直到封裝製造階段(密封階段)為止之間的良品發生率。氣密性的評估，是把封裝浸漬在保溫於120℃的絕緣液(Fluorinert)，以目視確認有無來自封裝內的氣泡，評估了氣密性。此氣密性評估，也以焊料的融接階段之蓋本體的數目為母數。以上之密封試驗的結果顯示於表2。
Figure 02_image005
由密封時的良品率的結果，確認了製程a比製程b更為優異。此結果，應該是因為在製程b之焊料中產生的超過5μm的粗大單一相所致。推測是在製程b的焊料，生成粗大單一相使焊料內部產生部分的組成變動，因此導致融點產生偏差，於密封時形成為未完全熔融/流動的區域為原因。
此外，於氣密性的良品率，可知製程a比製程b更明顯優異。此結果也應該是製程b之粗大單一相的生成所致。應該是因粗大單一相產生的高融點區域，成為洩漏通道產生的原因之故。亦即，可說是為了於蓋的製造階段(焊料的融接)與封裝製造階段(密封之用的焊料之再熔融/凝固)雙方最大限度地製造有效的蓋，以焊料的組成/形狀的最適化，同時使材料組織為適宜者為較佳。 [產業上利用可能性]
如以上所說明的，相關於本發明之密封用蓋，藉由以玻璃等透光性材料構成，以及作為供密封的接合材料適用由共晶合金構成的焊料，發揮各自的優點。在本發明，針對具有光學元件的封裝，賦予有效的光利用效率，也提供高耐久性。本發明適切地做為利用LED等發光元件或受光元件之光學元件的各種裝置之密封材料。
101‧‧‧焊料吐出裝置 110‧‧‧槽 111‧‧‧腔室 112‧‧‧隔膜 113‧‧‧開口 114‧‧‧壓電元件致動器 201‧‧‧焊料 202‧‧‧焊料
圖1係顯示相關於本發明的蓋本體所含的接合區域之例。 圖2係顯示被融接於相關於本發明的蓋本體之複數片焊料的排列。 圖3係例示被熔接於蓋本體的焊料的形狀/尺寸與形狀指數(Is )之關係。 圖4係例示被融接於蓋本體之焊料的形狀(半球形狀、2段形狀)。 圖5係說明供使焊料融接之用的焊料吐出裝置(製程a)的構成之圖。 圖6係說明根據焊料吐出裝置(製程a)之焊料的融接位置之圖。 圖7係顯示藉由焊料吐出裝置(製程a)融接的焊料的外觀之圖。 圖8係顯示藉由製程b融接球狀焊料後的焊料的外觀之圖。 圖9係顯示藉由製程a融接的焊料(No.A4)的材料組織之圖。 圖10係顯示藉由製程b融接的焊料的材料組織之圖。 圖11係顯示藉由製程c融接的預形焊料(No.C2)的材料組織之圖。

Claims (15)

  1. 一種密封用蓋，係被接合於收容光學元件的金屬或陶瓷所構成的封裝本體，供製造被氣密密封的封裝之用，其特徵為具備由可使可見光、紫外光、紅外光之至少任一透過的透光性材料所構成的蓋本體，前述蓋本體，於與前述封裝本體接合之面，包含對應於蓋本體的外周形狀之框狀的接合區域，於前述蓋本體之前述接合區域上被融接著複數片共晶合金所構成的焊料。
  2. 如申請專利範圍第1項之密封用蓋，其中複數片焊料，在接合區域上連續被融接形成框形狀。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之密封用蓋，其中複數片焊料之中，至少一焊料的任意剖面的材料組織，為共晶組織與任意含有的相當於圓直徑5μm以下的單一相所構成的材料組織。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之密封用蓋，其中複數片焊料之中，至少一焊料的投影形狀為約略圓形。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之密封用蓋，其中複數片焊 料之中，針對至少一焊料，以下式定義的形狀指數(Is)為0.9以上2.5以下【式1】形狀指數(Is)=A1/2/V1/3 A：蓋本體與焊料之接合面積(mm2)V：焊料之體積(mm3)。
  6. 如申請專利範圍第1或2項之密封用蓋，其中構成蓋本體的透光性材料係由玻璃、水晶、藍寶石、矽、鍺之任一所構成。
  7. 如申請專利範圍第1或2項之密封用蓋，其中由共晶合金構成的焊料，為金系共晶焊料。
  8. 如申請專利範圍第1或2項之密封用蓋，其中由共晶合金構成的焊料，為Au-Sn焊料。
  9. 如申請專利範圍第1或2項之密封用蓋，其中於蓋本體表面之至少一部分，具有由金屬構成之至少1層金屬化膜，於前述金屬化膜之上被融接焊材。
  10. 如申請專利範圍第9項之密封用蓋，其中金屬化膜，於被融接焊材的面具有由金或鉑之至少任一所構成的第1金屬層。
  11. 如申請專利範圍第9項之密封用蓋，其中金屬化膜，於蓋本體的表面上具有由Mg、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、In、Sn、Sb、Ta、W、Re、Os、Ir之至少任一所構成的第2金屬層。
  12. 如申請專利範圍第9項之密封用蓋，其中藉著構成金屬化膜的金屬元素往焊材內部擴散所形成的擴散區域的寬幅為2μm以下。
  13. 如申請專利範圍第1或2項之密封用蓋，其中蓋本體，於單面或兩面具有使透過率或反射率上升的機能膜。
  14. 一種氣密密封方法，其特徵係包含在封裝本體接合密封用蓋的步驟，作為前述密封用蓋接合申請專利範圍第1~13項之任一項之密封用蓋。
  15. 一種封裝物，其特徵係被接合申請專利範圍第1~13項之任一項之密封用蓋。
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