JP2015023263A - 電気素子パッケージの製造方法及び電気素子パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】素子基板が金属又はセラミックの場合でも、素子の特性劣化を招くことなく、素子基板と封着材料層の接着強度を高め得る方法を創案することにより、電気素子パッケージの信頼性を高めること。
【解決手段】本発明の電気素子パッケージの製造方法は、ガラス基板を用意すると共に、ガラス基板上に封着材料層を形成する工程と、金属又はセラミックからなる素子基板を用意すると共に、素子基板上に反応膜を形成する工程と、封着材料層と反応膜が接触するように、ガラス基板と素子基板を配置する工程と、ガラス基板側からレーザー光を封着材料層に向けて照射し、封着材料層と反応膜を反応させて、ガラス基板と素子基板を封着する工程と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気素子パッケージの製造方法及び電気素子パッケージに関し、具体的にはレーザー光による封着処理（以下、レーザー封着）を行うことにより、有機ＥＬ素子、圧電振動素子等の周囲環境に過敏な電気素子を気密封着するための電気素子パッケージの製造方法及び電気素子パッケージに関する。

周知のように、有機ＥＬ照明は、種々の研究、開発がなされており、一部では、既に実用化されるに至っている。

この有機ＥＬ照明に使用される有機ＥＬ素子（有機ＥＬ層）は、周囲環境の酸素や水分に暴露されることで、容易に劣化する敏感な素子である。そこで、有機ＥＬ照明内に有機ＥＬ素子を気密状態で組み込み、有機ＥＬ照明の特性維持及び長寿命化を図ることが検討されている。

有機ＥＬ素子を気密封着した有機ＥＬ照明の構造として、有機ＥＬ素子が配置された素子基板の上に、間隔を置いてガラス基板を対向配置させて、この状態で、素子基板に配置された有機ＥＬ素子の周囲を囲むようにガラス基板と素子基板との間の隙間を封着材料層で気密封着する構造が一般的である。なお、素子基板として、ガラスが一般的に使用されるが、セラミック又は金属が使用される場合もある。

また、圧電振動子素子も、周囲環境の酸素や水分に暴露されることで、容易に劣化する敏感な素子である。そこで、圧電振動子パッケージ内に圧電振動子素子を気密状態で組み込み、圧電振動子パッケージの特性維持及び長寿命化を図ることが検討されている。

圧電振動子素子を気密封着した圧電振動子パッケージの構造として、圧電振動子素子が配置された素子基板の上に、間隔を置いてガラス基板を対向配置させて、この状態で、素子基板に配置された圧電振動子素子の周囲を囲むようにガラス基板と素子基板との間の隙間を封着材料層で気密封着する構造が検討されている。なお、素子基板として、セラミック、例えばアルミナが一般的に使用される。

有機ＥＬ素子、圧電振動素子は、耐熱性が低いことが知られている。よって、封着材料層の軟化流動温度域で焼成して、ガラス基板と素子基板を封着すると、素子の特性が熱劣化する虞がある。

そこで、近年、封着方法として、レーザー封着が検討されている。レーザー封着によれば、封着すべき部分のみを局所加熱し得るため、素子等の熱劣化を防止した上で、ガラス基板と素子基板を封着することができる。

特開２００８−１８６６９７号公報

ガラス基板上に封着材料層を形成する方法として、封着材料ペーストをガラス基板上に塗布して、封着材料膜を形成した後、封着材料膜を乾燥し、溶剤を揮発させて、更に封着材料の軟化点より高い温度で焼成して、封着材料ペースト中の樹脂成分の焼却（脱バインダー処理）及び封着材料の焼結（固着）を行う方法が一般的である。この焼成工程により、ガラス基板と封着材料層の接着強度は十分に高くなる。しかし、上記の通り、この方法では、素子の特性が熱劣化する虞がある。

その一方で、レーザー封着を行う場合、封着時に素子の熱劣化を抑制し得るが、素子基板と封着材料層の接着強度を高めることが困難になる。そして、素子基板が金属又はセラミックである場合、素子基板と封着材料層の接着強度を高めることは更に困難である。

レーザー封着は、封着材料層を局所加熱して封着材料層を軟化流動させる方法であるため、封着に要する時間が短くなり、それに付随して、素子基板と封着材料層が反応する時間も短時間になる。結果として、素子基板と封着材料層の界面で、反応層が十分に生成せず、素子基板と封着材料層の接着強度が低下する。

また、封着材料は、通常、低融点ガラスを含む。この低融点ガラスが、レーザー封着時に素子基板の表層を侵食して、反応層が生成することになる。素子基板がガラスである場合は、レーザー封着により反応層がある程度生成して、接着強度を確保することができる。しかし、素子基板が金属又はセラミックである場合、低融点ガラスが、レーザー封着時に素子基板の表層を侵食し難く、反応層が十分に生成しない。結果として、接着強度が低下して、電気素子パッケージの気密性を確保し難くなる。

本発明は、以上の実情に鑑み成されたものであり、その技術的課題は、素子基板が金属又はセラミックの場合でも、素子の熱劣化を招くことなく、素子基板と封着材料層の接着強度を高め得る方法を創案することにより、電気素子パッケージの信頼性を高めることである。

本発明者等は、鋭意検討の結果、素子基板上に、予め反応膜を形成した上で、レーザー封着時に、この反応膜と封着材料層を反応させると、素子基板と封着材料層の封着強度が向上することを見出し、本発明として提案するものである。

すなわち、本発明の電気素子パッケージの製造方法は、ガラス基板を用意すると共に、ガラス基板上に封着材料層を形成する工程と、金属又はセラミックからなる素子基板を用意すると共に、素子基板上に反応膜を形成する工程と、封着材料層と反応膜が接触するように、ガラス基板と素子基板を配置する工程と、ガラス基板側からレーザー光を封着材料層に向けて照射し、封着材料層と反応膜を反応させて、ガラス基板と素子基板を封着する工程と、を備えることを特徴とする。ここで、ガラス基板を用意すると共に、ガラス基板上に封着材料層を形成する工程と、金属又はセラミックからなる素子基板を用意すると共に、素子基板上に反応膜を形成する工程について、両者の工程順序は問わない。すなわち、ガラス基板を用意すると共に、ガラス基板上に封着材料層を形成する工程を先に行ってもよいし、金属又はセラミックからなる素子基板を用意すると共に、素子基板上に反応膜を形成する工程を先に行ってもよい。

本発明の電気素子パッケージの製造方法は、反応膜が酸化物膜又は窒化物膜であることが好ましい。これらの膜は、封着材料層との反応性が良好であり、レーザー封着後に素子基板と封着材料層の接着強度を高めることができる。

本発明の電気素子パッケージの製造方法は、反応膜がＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ガラスの何れかであることが好ましい。これらの膜は、封着材料層との反応性が良好であり、レーザー封着後に素子基板と封着材料層の接着強度を高めることができる。

本発明の電気素子パッケージの製造方法は、反応膜の厚みが１０μｍ未満であることが好ましい。

本発明の電気素子パッケージの製造方法は、封着材料層が封着材料の焼結体であることが好ましい。これにより、封着材料層の機械的強度が向上すると共に、封着材料層の厚みが薄い場合でも、封着材料層を適正に形成することができる。

本発明の電気素子パッケージの製造方法は、電気素子パッケージが、圧電振動子パッケージ又は有機ＥＬ照明の何れかであることが好ましい。

本発明の電気素子パッケージは、素子基板と、素子基板の電気素子側の表面に間隔を置いて対向するガラス基板と、素子基板とガラス基板の間の隙間を封着する封着材料層とを有する電気素子パッケージにおいて、素子基板と封着材料層の間に反応膜が配置されていることを特徴とする。

本発明の電気素子パッケージは、素子基板とガラス基板が、レーザー光による封着処理により封着されてなることが好ましい。

本発明の電気素子パッケージは、反応膜が酸化物膜又は窒化物膜であることが好ましい。

本発明の電気素子パッケージは、反応膜がＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ガラスの何れかであることが好ましい。

本発明の電気素子パッケージは、反応膜の厚みが１０μｍ未満であることが好ましい。

本発明の電気素子パッケージは、反応膜の耐熱温度が、（封着材料の軟化点＋５０）℃より高いことが好ましい。ここで、「耐熱温度」とは、軟化変形しない最高温度を指す。「軟化点」とは、大気雰囲気下において、マクロ型示差熱分析（ＤＴＡ）装置で測定した値を指し、ＤＴＡは室温から測定を開始し、昇温速度は１０℃／分とする。なお、マクロ型ＤＴＡ装置で測定した軟化点は、図１に示す第四屈曲点の温度（Ｔｓ）を指す。

本発明の電気素子パッケージは、封着材料層の平均厚みが２０μｍ未満であることが好ましい。封着材料層の平均厚みが小さい程、レーザー封着後に封着部分やガラス基板に残留する応力が低減される。結果として、ガラス基板と封着材料層の熱膨張係数差や素子基板と封着材料層の熱膨張係数差が大きくても、レーザー封着の精度を高めることができる。ここで、「封着材料層の平均厚み」は、例えば非接触型レーザー膜厚計で測定することができる。

本発明の電気素子パッケージは、封着材料層が封着材料の焼結体であることが好ましい。

本発明の電気素子パッケージは、封着材料が、５５〜９５体積％のビスマス系ガラスと５〜４５体積％の耐火性フィラーを含有することが好ましい。ビスマス系ガラスは、一般的に、被封着物との反応性が良好である。これにより、封着強度を高めることができる。更に、ビスマス系ガラスは、低融点であるが、熱的安定性（耐失透性）が高い。これにより、レーザー封着時に良好に軟化流動し、レーザー封着の精度を高めることができる。なお、「ビスマス系ガラス」とは、Ｂｉ_２Ｏ_３を主成分とするガラスを指し、具体的にはガラス組成中にＢｉ_２Ｏ_３を５０質量％以上含むガラスを指す。

本発明の電気素子パッケージは、圧電振動子パッケージ又は有機ＥＬ照明の何れかであることが好ましい。

本発明の電気素子パッケージの構成例を説明するための縦断面図である。 マクロ型ＤＴＡ装置で測定した時の封着材料の軟化点を示す模式図である。

本発明の電気素子パッケージの製造方法では、ガラス基板を用意すると共に、ガラス基板上に封着材料層を形成する工程を有する。ガラス基板上に封着材料層を形成する方法として、封着材料ペーストをガラス基板上に塗布して、封着材料膜を形成した後、封着材料膜を乾燥し、溶剤を揮発させて、更に封着材料の軟化点より高い温度で焼成して、封着材料ペースト中の樹脂成分の焼却（脱バインダー処理）及び封着材料の焼結（固着）を行う方法が好ましい。このようにすれば、封着材料層を容易に形成し得ると共に、ガラス基板と封着材料層の接着強度を高めることができる。

封着材料ペーストは、ガラス基板の外周端縁領域に沿って、額縁状に塗布されることが好ましい。このようにすれば、デバイスとして機能する有効面積を広げることができる。

封着材料ペーストは、封着材料とビークルを含むものが一般的である。封着材料として、種々の材料が使用可能であるが、ガラスと耐火性フィラーを含む複合粉末が好ましい。これにより、低融点特性と機械的強度が両立し、更に封着材料の熱膨張係数がガラス基板の熱膨張係数に整合し易くなる。

封着材料は、５５〜９５体積％のガラス（特にビスマス系ガラス）と５〜４５体積％の耐火性フィラーを含有することが好ましく、６０〜９０体積％のガラスと１０〜４０体積％の耐火性フィラーを含有することが更に好ましく、６０〜８５体積％のガラスと１５〜４０体積％の耐火性フィラーを含有することが特に好ましい。ガラスに耐火性フィラーを所定量添加すれば、封着材料の熱膨張係数が、ガラス基板の熱膨張係数に整合し易くなる。その結果、レーザー封着後に封着部分やガラス基板に不当な応力が残留する事態を防止し易くなる。一方、耐火性フィラーの含有量が多過ぎると、ガラスの含有量が相対的に少なくなるため、封着材料層の表面平滑性が低下して、レーザー封着の精度が低下し易くなる。

ガラスとして、種々のガラスが使用可能であり、その中でもリン酸錫系ガラス、バナジウム系ガラス、ビスマス系ガラスが、耐水性と熱的安定性の観点から好適であり、特にビスマス系ガラスが好適である。ここで、「リン酸錫系ガラス」とは、ＳｎＯとＰ_２Ｏ_５を主成分とするガラスを指し、具体的にはガラス組成中にＳｎＯとＰ_２Ｏ_５を合量で４０質量％以上含むガラスを指す。「バナジウム系ガラス」とは、Ｖ_２Ｏ_５を主成分とするガラスを指し、具体的にはガラス組成中にＶ_２Ｏ_５を合量で２５質量％以上含むガラスを指す。

ビスマス系ガラスは、ガラス組成として、遷移金属酸化物を０．５質量％以上（好ましくは２〜１８質量％、より好ましくは３〜１５質量％、更に好ましくは４〜１２質量％、特に好ましくは５〜１０質量％）含むことが望ましい。このようにすれば、熱的安定性の低下を抑制しつつ、光吸収特性を高めることができる。

ビスマス系ガラスは、ガラス組成として、質量％で、Ｂｉ_２Ｏ_３ ６７〜９０％、Ｂ_２Ｏ_３ ２〜１２％、ＺｎＯ １〜２０％、ＣｕＯ＋Ｆｅ_２Ｏ_３ ０．５〜１８％を含有することが好ましい。上記のように各成分の含有量を限定した理由を以下に説明する。

Ｂｉ_２Ｏ_３は、反応層を形成する主要成分であると共に、軟化点を下げるための主要成分であり、その含有量は６７〜８７％、好ましくは７０〜８５％、より好ましくは７２〜８３％である。Ｂｉ_２Ｏ_３の含有量が６７％より少ないと、反応層が生成し難くなることに加えて、軟化点が高くなり過ぎて、レーザー光を照射しても、ガラスが軟化し難くなる。一方、Ｂｉ_２Ｏ_３の含有量が９０％より多いと、ガラスが熱的に不安定になり、溶融時、焼結（固着）時、又はレーザー封着時にガラスが失透し易くなる。

Ｂ_２Ｏ_３は、ビスマス系ガラスのガラスネットワークを形成する成分であり、その含有量は２〜１２％、好ましくは３〜１０％、より好ましくは４〜１０％、更に好ましくは５〜９％である。Ｂ_２Ｏ_３の含有量が２％より少ないと、ガラスが熱的に不安定になり、溶融時、焼結（固着）時、又はレーザー封着時にガラスが失透し易くなる。一方、Ｂ_２Ｏ_３の含有量が１２％より多いと、軟化点が高くなり過ぎて、レーザー光を照射しても、ガラスが軟化し難くなる。

ＺｎＯは、溶融時、焼結（固着）時、又はレーザー封着時の失透を抑制すると共に、熱膨張係数を低下させる成分であり、その含有量は１〜２０％、好ましくは２〜１５％、より好ましくは３〜１１％、更に好ましくは３〜９％である。ＺｎＯの含有量が１％より少ないと、上記効果を得難くなる。一方、ＺｎＯの含有量が２０％より多いと、ガラス組成内の成分バランスが損なわれて、逆にガラスが失透し易くなる。

ＣｕＯ及びＦｅ_２Ｏ_３は、光吸収特性を有する成分であり、所定の発光中心波長を有するレーザー光を照射すると、レーザー光を吸収して、ガラスを軟化させ易くする成分である。また、ＣｕＯ及びＦｅ_２Ｏ_３は、溶融時、焼結（固着）時、又はレーザー封着時の失透を抑制する成分である。ＣｕＯ＋Ｆｅ_２Ｏ_３の含有量は０．５〜１８％、好ましくは３〜１５％、より好ましくは３．５〜１５％、更に好ましくは４〜１２％、特に好ましくは５〜１０％である。ＣｕＯ＋Ｆｅ_２Ｏ_３の含有量が０．５％より少ないと、光吸収特性が乏しくなり、レーザー光を照射しても、ガラスが軟化し難くなる。一方、ＣｕＯ＋Ｆｅ_２Ｏ_３の含有量が１８％より多いと、ガラス組成内の成分バランスが損なわれて、逆にガラスが失透し易くなる。なお、「ＣｕＯ＋Ｆｅ_２Ｏ_３」は、ＣｕＯとＦｅ_２Ｏ_３の合量である。

ＣｕＯは、光吸収特性を有する成分であり、所定の発光中心波長を有するレーザー光を照射すると、レーザー光を吸収して、ガラスを軟化させ易くする成分であると共に、溶融時、焼結（固着）時、又はレーザー封着時の失透を抑制する成分である。ＣｕＯの含有量は、好ましくは０〜１５％、１〜１５％、２〜１２％、３〜１０％、特に４．５〜１０％である。ＣｕＯの含有量が１５％より多いと、ガラス組成内の成分バランスが損なわれて、逆にガラスが失透し易くなる。なお、ＣｕＯの含有量を１％以上に規制すれば、光吸収特性が向上して、レーザー封着時にガラスが軟化し易くなる。

Ｆｅ_２Ｏ_３も、光吸収特性を有する成分であり、所定の発光中心波長を有するレーザー光を照射すると、レーザー光を吸収して、ガラスを軟化させ易くする成分であると共に、溶融時、焼結（固着）時、又はレーザー封着時の失透を抑制する成分である。Ｆｅ_２Ｏ_３の含有量は、好ましくは０〜７％、０．０５〜７％、０．１〜４％、特に０．２〜３％である。Ｆｅ_２Ｏ_３の含有量が７％より多いと、ガラス組成内の成分バランスが損なわれて、逆にガラスが失透し易くなる。なお、Ｆｅ_２Ｏ_３の含有量を０．０５％以上に規制すれば、光吸収特性が向上して、レーザー封着時にガラスが軟化し易くなる。

酸化鉄中のＦｅイオンは、Ｆｅ^２＋又はＦｅ^３＋の状態で存在する。本発明において、酸化鉄中のＦｅイオンは、Ｆｅ^２＋又はＦｅ^３＋の何れかに限定されるものではなく、何れであっても構わない。よって、本発明では、Ｆｅ^２＋の場合でも、Ｆｅ_２Ｏ_３に換算した上で取り扱うこととする。特に、照射光として赤外レーザーを使用する場合、Ｆｅ^２＋が赤外域に吸収ピークを有するため、Ｆｅ^２＋の割合は大きい方が好ましく、例えば、酸化鉄中のＦｅ^２＋／Ｆｅ^３＋の割合を０．０３以上（望ましくは０．０８以上）に規制することが好ましい。

上記成分以外にも、例えば、以下の成分を添加してもよい。

ＳｉＯ_２は、耐水性を高める成分である。ＳｉＯ_２の含有量は、好ましくは０〜１０％、０〜３％、特に０〜１％未満である。ＳｉＯ_２の含有量が１０％より多いと、軟化点が高くなり過ぎて、レーザー光を照射しても、ガラスが軟化し難くなる。

Ａｌ_２Ｏ_３は、耐水性を高める成分である。Ａｌ_２Ｏ_３の含有量は、好ましくは０〜５％、０〜２％、特に０〜０．５％未満である。Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が５％より多いと、軟化点が高くなり過ぎて、レーザー光を照射しても、ガラスが軟化し難くなる。

ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ及びＢａＯは、溶融時、焼結（固着）時、又はレーザー封着時の失透を抑制する成分であり、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯの含有量（ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ及びＢａＯの合量）は、好ましくは０〜１５％、特に０〜１０％である。ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯの含有量が１５％より多いと、軟化点が高くなり過ぎて、レーザー光を照射しても、ガラスが軟化し難くなる。

ＭｇＯ、ＣａＯ及びＳｒＯは、溶融時、焼結（固着）時、又はレーザー封着時の失透を抑制する成分である。各成分の含有量は、好ましくは０〜５％、特に０〜２％である。各成分の含有量が５％より多いと、軟化点が高くなり過ぎて、レーザー光を照射しても、ガラスが軟化し難くなる。

ＢａＯは、溶融時、焼結（固着）時、又はレーザー封着時の失透を抑制する成分である。ＢａＯの含有量は、好ましくは０〜１０％、特に０〜８％である。ＢａＯの含有量が１０％より多いと、軟化点が高くなり過ぎて、レーザー光を照射しても、ガラスが軟化し難くなる。

ＣｅＯ_２及びＳｂ_２Ｏ_３は、溶融時、焼結（固着）時、又はレーザー封着時の失透を抑制する成分である。各成分の含有量は、好ましくは０〜５％、０〜２％、特に０〜１％である。各成分の含有量が５％より多いと、ガラス組成内の成分バランスが損なわれて、逆にガラスが失透し易くなる。なお、熱的安定性を高める観点から、Ｓｂ_２Ｏ_３の微量添加が好ましく、具体的にはＳｂ_２Ｏ_３を０．０５％以上添加することが好ましい。

ＷＯ_３は、溶融時、焼結（固着）時、又はレーザー封着時の失透を抑制する成分である。ＷＯ_３の含有量は、好ましくは０〜１０％、特に０〜２％である。ＷＯ_３の含有量が１０％より多いと、ガラス組成内の成分バランスが損なわれて、逆にガラスが失透し易くなる。

Ｉｎ_２Ｏ_３及びＧａ_２Ｏ_３は、溶融時、焼結（固着）時、又はレーザー封着時の失透を抑制する成分である。Ｉｎ_２Ｏ_３＋Ｇａ_２Ｏ_３の含有量（Ｉｎ_２Ｏ_３とＧａ_２Ｏ_３の合量）は、好ましくは０〜５％、特に０〜３％である。Ｉｎ_２Ｏ_３＋Ｇａ_２Ｏ_３の含有量が５％より多いと、バッチコストが高騰する。なお、Ｉｎ_２Ｏ_３の含有量は０〜１％がより好ましく、Ｇａ_２Ｏ_３の含有量は０〜０．５％がより好ましい。

Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ及びＣｓの酸化物は、軟化点を低下させる成分であるが、溶融時に失透を助長する作用を有するため、合量で１％未満に規制することが好ましい。

Ｐ_２Ｏ_５は、溶融時の失透を抑制する成分である。しかし、Ｐ_２Ｏ_５の含有量が１％より多いと、溶融時にガラスが分相し易くなる。

Ｌａ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３及びＧｄ_２Ｏ_３は、溶融時の分相を抑制する成分であるが、これらの合量が３％より多いと、軟化点が高くなり過ぎて、レーザー光を照射しても、ガラスが軟化し難くなる。

ＮｉＯ、Ｖ_２Ｏ_５、ＣｏＯ、ＭｏＯ_３、ＴｉＯ_２及びＭｎＯ_２は、光吸収特性を有する成分であり、所定の発光中心波長を有するレーザー光を照射すると、レーザー光を吸収して、ガラスを軟化させ易くする成分である。各成分の含有量は、好ましくは０〜７％、特に０〜３％である。各成分の含有量が７％より多いと、レーザー封着時にガラスが失透し易くなる。

ＰｂＯは、軟化点を低下させる成分であるが、環境的影響が懸念される成分である。よって、ＰｂＯの含有量は、好ましくは０．１％未満である。

上記以外の成分であっても、ガラス特性を損なわない範囲で、例えば５％まで添加してもよい。

耐火性フィラーとして、コーディエライト、ジルコン、酸化錫、酸化ニオブ、リン酸ジルコニウム系セラミック、ウイレマイトから選ばれる一種又は二種以上を用いることが好ましい。これらの耐火性フィラーは、熱膨張係数が低いことに加えて、機械的強度が高く、しかもビスマス系ガラスとの適合性が良好である。上記の耐火性フィラーの内、コーディエライトが最も好ましい。コーディエライトは、粒径が小さくても、レーザー封着時にビスマス系ガラスを失透させ難い性質を有している。なお、上記の耐火性フィラー以外にも、β−ユークリプタイト、石英ガラス等を添加してもよい。

耐火性フィラーの平均粒径Ｄ_５０は、好ましくは２μｍ未満、特に１．８μｍ未満である。耐火性フィラーの平均粒径Ｄ_５０が２μｍ未満であると、封着材料層の表面平滑性が向上すると共に、封着材料層の平均厚みを１０μｍ未満に規制し易くなり、結果として、レーザー封着の精度を高めることができる。

耐火性フィラーの最大粒径Ｄ_９９は、好ましくは５μｍ未満、４μｍ以下、特に３μｍ以下である。耐火性フィラーの最大粒径Ｄ_９９を５μｍ未満であると、封着材料層の表面平滑性が向上すると共に、封着材料層の平均厚みを１０μｍ未満に規制し易くなり、結果として、レーザー封着の精度を高めることができる。

封着材料の熱膨張係数は、好ましくは６０×１０^−７〜９５×１０^−７／℃、６６×１０^−７〜９０×１０^−７／℃、特に７０×１０^−７〜８８×１０^−７／℃である。このようにすれば、封着材料層の熱膨張係数を素子基板の熱膨張係数に整合させ易くなると共に、耐火性フィラーの含有量を低減できるため、レーザー封着時に封着材料層が軟化流動し易くなる。

封着材料の軟化点は、好ましくは４６０℃以下、４５０℃以下、特に４３０℃以下である。軟化点が４６０℃より高いと、レーザー封着時に封着材料が軟化流動し難くなる。軟化点の下限は特に設定されないが、ガラスの熱的安定性を考慮すれば、軟化点は３５０℃以上が好ましい。

封着材料は、光吸収特性を高めるために、更にレーザー吸収材を含んでもよいが、レーザー吸収材は、ビスマス系ガラスの失透を助長する作用を有する。よって、レーザー吸収材の含有量は、好ましくは０〜１０体積％、０〜５体積％、特に０〜３体積％である。レーザー吸収材の含有量が１０体積％より多いと、レーザー封着時にガラスが失透し易くなる。レーザー吸収材として、Ｃｕ系酸化物、Ｆｅ系酸化物、Ｃｒ系酸化物、Ｍｎ系酸化物及びこれらのスピネル型複合酸化物等が使用可能であり、特に、ビスマス系ガラスとの適合性の観点から、Ｍｎ系酸化物（例えば、東罐マテリアル株式会社製４２−３４３Ｂ）が好ましい。なお、レーザー吸収材を添加する場合、その含有量は０．１体積％以上、０．５体積％以上、１体積％以上、１．５体積％以上、特に２体積％以上が好ましい。

ビークルは、通常、樹脂と溶剤を含む。ビークルに用いる樹脂としては、アクリル酸エステル（アクリル樹脂）、エチルセルロース、ポリエチレングリコール誘導体、ニトロセルロース、ポリメチルスチレン、ポリエチレンカーボネート、ポリプロピレンカーボネート、メタクリル酸エステル等が使用可能である。

ビークルに用いる溶剤としては、Ｎ、Ｎ’−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、α−ターピネオール、高級アルコール、γ−ブチルラクトン（γ−ＢＬ）、テトラリン、ブチルカルビトールアセテート、酢酸エチル、酢酸イソアミル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ベンジルアルコール、トルエン、３−メトキシ−３−メチルブタノール、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノブチルエーテル、トリプロピレングリコールモノメチルエーテル、トリプロピレングリコールモノブチルエーテル、プロピレンカーボネート、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、Ｎ−メチル−２−ピロリドン等が使用可能である。特に、α−ターピネオールは、高粘性であり、樹脂等の溶解性も良好であるため、好ましい。

ガラス基板上に封着材料層を形成した後の封着材料層の平均厚みを２０μｍ未満、１５μｍ未満、１２μｍ未満、１０μｍ未満、特に８μｍ未満に規制することが好ましい。同様にして、レーザー封着後の封着材料層の平均厚みも２０μｍ未満、１５μｍ未満、１２μｍ未満、１０μｍ未満、特に８μｍ未満に規制することが好ましい。封着材料層の平均厚みが小さい程、レーザー封着後に封着部分やガラス基板に残留する応力が低減される。結果として、ガラス基板の熱膨張係数が高くても、レーザー封着の精度を高めることができる。

ガラス基板上に封着材料層を形成した後の封着材料層の表面粗さＲａを０．５μｍ未満、０．３μｍ以下、０．２μｍ以下、特に０．０１〜０．１５μｍに規制することが好ましい。このようにすれば、ガラス基板と素子基板の密着性が向上し、レーザー封着の精度が向上する。「表面粗さＲａ」は、例えば非接触型レーザー膜厚計、表面粗さ計で測定することができる。

ガラス基板上に封着材料層を形成した後の封着材料層の表面粗さＲＭＳを１．０μｍ未満、０．７μｍ以下、０．５μｍ以下、特に０．０５〜０．３μｍに規制することが好ましい。このようにすれば、ガラス基板と素子基板の密着性が向上し、レーザー封着の精度が向上する。ここで、「表面粗さＲＭＳ」は、例えば非接触型レーザー膜厚計、表面粗さ計で測定することができる。

本発明の電気素子パッケージでは、金属又はセラミックからなる素子基板を用意すると共に、素子基板上に反応膜を形成する工程を有する。

素子基板は、金属又はセラミックからなる。金属として、コバール、アルミニウム等を例示することができる。セラミックとして、コスト、焼結性の観点から、ジルコニア、アルミナ、ムライト等が好ましい。

反応膜は、素子基板上に素子を実装する前に形成されることが好ましい。これにより、反応膜の形成に際し、素子の熱劣化を防止することができる。

反応膜は、素子基板上の全面に亘り形成してもよいが、製造効率の観点から部分的に形成することが好ましく、封着材料層に対応する部分に形成することが好ましい。よって、封着材料層をガラス基板の外周端縁領域に額縁状に形成する場合、反応膜も素子基板の外周端縁領域に額縁状に形成することが好ましい。

反応膜として、種々の材料が使用可能であるが、酸化物膜又は窒化物膜が好ましく、特に酸化物膜が好ましい。これらの膜は、封着材料層との反応性が良好であり、レーザー封着後に素子基板と封着材料層の接着強度を高めることができる。

酸化物膜として、ＳｉＯ_２、ガラスが好適であり、窒化物膜として、ＳｉＮが好適である。これらの膜は、成膜が容易であると共に、封着材料層との反応性が良好であり、レーザー封着後に素子基板と封着材料層の接着強度を高めることができる。

反応膜の形成方法として、種々の方法が使用可能であり、成膜効率、薄膜化の観点から、ＣＶＤ法、スパッタ法、真空蒸着法等が好適である。反応膜がガラスである場合、ガラス粉末とビークルを含むガラスペーストを素子基板（素子形成前の素子基板）に塗布した後、ガラス粉末の軟化点以上の温度で焼成することにより作製することも好ましい。この場合、ビークルとして上記のものが好適である。

反応膜の厚みは、好ましくは１０μｍ未満、５μｍ未満、３μｍ未満、特に１μｍ以下が好ましい。特に、反応膜がガラスの場合、反応膜の厚みは、好ましくは１０μｍ未満、７μｍ未満、特に４μｍ未満が好ましい。反応膜の厚みが大き過ぎると、反応膜の作製に時間を要し、電気素子パッケージの製造効率が低下し易くなる。

反応膜の耐熱温度は、（封着材料の軟化点＋５０）℃より高く、特に（封着材料の軟化点＋７０）℃より高いことが好ましい。このようにすれば、レーザー封着時に反応膜が電極等を侵食する事態を防止することができる。

本発明の電気素子パッケージの製造方法では、ガラス基板側からレーザー光を封着材料層に向けて照射し、封着材料層と反応膜を反応させて、ガラス基板と素子基板を封着する工程を有する。

レーザーとして、種々のレーザーを使用することができる。特に、半導体レーザー、ＹＡＧレーザー、ＣＯ_２レーザー、エキシマレーザー、赤外レーザー等は、取扱いが容易な点で好ましい。

本発明の電気素子パッケージは、素子基板と、素子基板の電気素子側の表面に間隔を置いて対向するガラス基板と、素子基板とガラス基板の間の隙間を封着する封着材料層とを有する電気素子パッケージにおいて、素子基板と封着材料層の間に反応膜が配置されていることを特徴とする。本発明の電気素子パッケージの技術的特徴（好適な構成、効果等）は、本発明の電気素子パッケージの製造方法の説明欄に記載済みであり、ここでは、その重複部分について説明を省略する。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態を説明する。

図１は、本発明の電気素子パッケージの構成例を説明するための縦断面図である。電気素子パッケージ１は、中央領域に素子２が形成されており、且つ外周端縁領域に反応膜３が形成された素子基板４と、この素子基板４の素子２側の表面に間隔を置いて対向するガラス基板５と、素子２の周囲を額縁状に囲みながら、素子基板４及びガラス基板５の間の隙間を気密封着する封着材料層６とを基本的な構成として備えている。

素子基板４は、例えば０．０５〜２ｍｍのアルミナ、金属で構成されている。そして、素子基板には、外部へと誘導される電極膜（図示されていない）が形成される。

ガラス基板５は、例えば０．０５〜２ｍｍのガラスで構成されている。なお、ガラス基板４には、素子２との接触を避けるため、或いは吸湿材を設置するために、一定厚みの掘りこみが形成される場合がある

そして、図１に示すように、レーザーＬから出射されるレーザー光をガラス基板４側から封着材料層５に照射し、封着材料層５を反応膜３と反応させて、ガラス基板４と素子基板５を封着することにより、電気素子パッケージ１の気密封着構造が形成される。なお、レーザーＬとしては、例えば近赤外半導体レーザー（波長８００〜１１００ｎｍ）が使用される。

以下、実施例に基づいて、本発明を詳細に説明する。なお、以下の実施例は、単なる例示である。本発明は、以下の実施例に何ら限定されない。

表１は、封着材料の材料構成を示している。ビスマス系ガラスは、ガラス組成として、モル％で、Ｂｉ_２Ｏ_３ ７６．５％、Ｂ_２Ｏ_３ ８．０％、ＺｎＯ ６．０％、ＣｕＯ ５．０％、Ｆｅ_２Ｏ_３ ０．５％、ＢａＯ ４．０％を含有し、且つ表１に記載の粒度を有している。

上記のビスマス系ガラス粉末と耐火性フィラーとを表１に示す割合で混合して、封着材料を作製した。耐火物フィラーとして、表１に示す粒度を有するコーディエライトを用いた。この封着材料につき、ガラス転移点、軟化点、熱膨張係数を測定した。その結果を表１に示す。

ガラス転移点は、押棒式ＴＭＡ装置で測定した値である。

軟化点は、マクロ型ＤＴＡ装置で測定した値である。測定は、大気雰囲気下において、昇温速度１０℃／分で行い、室温から６００℃まで測定を行った。

熱膨張係数は、押棒式ＴＭＡ装置で測定した値である。測定温度範囲は３０〜３００℃である。

次のようにして、ガラス基板上に封着材料層を形成した。まず粘度が約７０Ｐａ・ｓ（２５℃、Ｓｈｅａｒ ｒａｔｅ：４）になるように、表１に記載の封着材料とビークルを混練した後、更に三本ロールミルで均一になるまで混錬し、ペースト化した。ビークルとして、エチルセルロースを含むα−ターピネオールを用いた。次に、縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚み１．０ｍｍの無アルカリガラス基板（日本電気硝子株式会社製ＯＡ−１０Ｇ）又はアルカリホウケイ酸ガラス（日本電気硝子株式会社製ＢＤＡ）の外周端縁領域に沿って、上記の封着材料ペーストを厚み：約５μｍ、幅：約０．６ｍｍになるように、スクリーン印刷機で額縁状に印刷した上で、大気雰囲気下にて、１２５℃で１０分間乾燥した後、大気雰囲気下にて、５００℃で１０分間焼成して、封着材料ペースト中の樹脂成分の焼却（脱バインダー処理）及び封着材料の焼結（固着）を行い、ガラス基板上に封着材料層を形成した。

封着材料層の平均厚みは、非接触型レーザー膜厚計で測定した値である。

縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚み１．０ｍｍの素子基板（アルミナ又はコバール）上に、外周端縁領域に額縁状になるように、表２に記載の反応膜を形成した後、素子基板の中央領域に素子を形成した。なお、試料Ｎｏ．１に係る反応膜は、アルカリホウケイ酸ガラス（軟化点５６０℃）であり、本願明細書の段落［００９８］に記載の方法と同様にして、ガラス粉末ペーストの焼成、焼結により形成されている。このガラス粉末は、ガラス組成として、モル％で、Ｂ_２Ｏ_３ ４５．０％、ＺｎＯ ３０．０％、ＳｉＯ_２ １２．０％、Ａｌ_２Ｏ_３ ０．７％、Ｌｉ_２Ｏ ４．７％、Ｎａ_２Ｏ ７．６％を含有している。

続いて、封着材料層と反応膜が接触するように、ガラス基板上に素子基板を大気雰囲気下で配置した後、ガラス基板側から封着材料層に沿って、表２に記載の出力、走査速度にて、波長８０８ｎｍのレーザー光を照射することにより、封着材料層を軟化流動させて、ガラス基板と素子基板を封着し、表２に示す試料Ｎｏ．１〜５の電気素子パッケージを得た。

各試料に対して、高温高湿高圧試験：ＨＡＳＴ試験（Ｈｉｇｈｌｙ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ Ｈｕｍｉｄｉｔｙ Ｓｔｒｅｓｓ ｔｅｓｔ）を行った後、ガラス基板と素子基板について剥離の有無を観察し、剥離がなかったものを「○」、剥離が認められたものを「×」として、耐剥離性を評価した。なお、ＨＡＳＴ試験の条件は、１２１℃、湿度１００％、２ａｔｍの、２４時間である。

表２から明らかなように、試料Ｎｏ．１〜４は、素子基板に反応膜を有するため、耐剥離性が良好であった。このことは、封着材料層と反応膜の界面で反応層が十分に形成されたことを意味している。一方、試料Ｎｏ．５は、素子基板に反応膜を有しないため、耐剥離性が不良であった。

本発明の電気素子パッケージは、例えば、有機ＥＬ照明、水晶振動子パッケージ等の圧電振動パッケージとして好適である。

１ 電機素子パッケージ
２ 素子
３ 素子基板
４ 反応膜
５ ガラス基板
６ 封着材料層
Ｌ レーザー

Claims (16)

1. ガラス基板を用意すると共に、ガラス基板上に封着材料層を形成する工程と、
   金属又はセラミックからなる素子基板を用意すると共に、素子基板上に反応膜を形成する工程と、
   封着材料層と反応膜が接触するように、ガラス基板と素子基板を配置する工程と、
   ガラス基板側からレーザー光を封着材料層に向けて照射し、封着材料層と反応膜を反応させて、ガラス基板と素子基板を封着する工程と、を備えることを特徴とする電気素子パッケージの製造方法。
2. 反応膜が酸化物膜又は窒化物膜であることを特徴とする請求項１に記載の電気素子パッケージの製造方法。
3. 反応膜がＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ガラスの何れかであることを特徴とする請求項１に記載の電気素子パッケージの製造方法。
4. 反応膜の厚みが１０μｍ未満であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の電気素子パッケージの製造方法。
5. 封着材料層が封着材料の焼結体であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の電気素子パッケージの製造方法。
6. 電気素子パッケージが、圧電振動子パッケージ又は有機ＥＬ照明の何れかであることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の電気素子パッケージの製造方法。
7. 素子基板と、素子基板の電気素子側の表面に間隔を置いて対向するガラス基板と、素子基板とガラス基板の間の隙間を封着する封着材料層とを有する電気素子パッケージにおいて、
   素子基板と封着材料層の間に反応膜が配置されていることを特徴とする電気素子パッケージ。
8. 素子基板とガラス基板が、レーザー光による封着処理により封着されてなることを特徴とする請求項７に記載の電気素子パッケージ。
9. 反応膜が酸化物膜又は窒化物膜であることを特徴とする請求項７又は８に記載の電気素子パッケージ。
10. 反応膜がＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ガラスの何れかであることを特徴とする請求項７又は８に記載の電気素子パッケージ。
11. 反応膜の厚みが１０μｍ未満であることを特徴とする請求項７〜１０の何れかに記載の電気素子パッケージ。
12. 反応膜の耐熱温度が、（封着材料の軟化点＋５０）℃より高いことを特徴とする請求項７〜１１の何れかに記載の電気素子パッケージ。
13. 封着材料層の平均厚みが２０μｍ未満であることを特徴とする請求項７〜１２の何れかに記載の電気素子パッケージ。
14. 封着材料層が封着材料の焼結体であることを特徴とする請求項７〜１３の何れかに記載の電気素子パッケージ。
15. 封着材料が、５５〜９５体積％のビスマス系ガラスと５〜４５体積％の耐火性フィラーを含有することを特徴とする請求項１４に記載の電気素子パッケージ。
16. 電気素子パッケージが、圧電振動子パッケージ又は有機ＥＬ照明の何れかであることを特徴とする請求項７〜１５の何れかに記載の電気素子パッケージ。