KR102406788B1 - 기밀 패키지의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 기술적 과제는 내부에 수용되는 부재의 열화를 초래하지 않고 소자 기체와 실링 재료층의 고착 강도를 높일 수 있는 방법을 창안함으로써, 기밀 패키지의 장기 신뢰성을 높이는 것이다. 본 발명의 기밀 패키지의 제조 방법은 세라믹 기체를 준비함과 아울러 세라믹 기체 상에 실링 재료층을 형성하는 공정과, 유리 기판을 준비함과 아울러 유리 기판이 세라믹 기체 상의 실링 재료층에 접촉하도록 세라믹 기체와 유리 기판을 배치하는 공정과, 레이저 광을 유리 기판측으로부터 실링 재료층을 향하여 조사해서, 실링 재료층을 통하여 세라믹 기체와 유리 기판을 실링하여 기밀 패키지를 얻는 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 레이저 광을 사용한 실링 처리(이하, 레이저 실링)에 의한 기밀 패키지의 제조 방법에 관한 것이다.
기밀 패키지의 특성 유지 및 장기 수명화를 도모하는 것이 예의검토되고 있다. 예를 들면, 압전 진동자 소자는 주위 환경의 산소나 수분에 노출됨으로써 용이하게 열화하는 민감한 소자이다. 그래서, 압전 진동자 패키지 내에 압전 진동자 소자를 기밀 상태로 편입되어, 압전 진동자 패키지의 특성 유지 및 장기 수명화를 도모하는 것이 검토되고 있다.
압전 진동자 패키지의 기밀 구조로서, 압전 진동자 소자가 배치된 소자 기체 상에 간격을 두고 유리 기판을 대향 배치시킨 상태에서, 압전 진동자 소자의 주위를 둘러싸도록 유리 기판과 소자 기체 사이의 간격을 실링 재료층으로 실링하는 기밀 구조가 검토되고 있다. 또한, 소자 기체로서 세라믹, 예를 들면 알루미나가 일반적으로 사용된다.
그러나, 압전 진동자 소자는 내열성이 낮은 것으로 알려져 있다. 따라서, 실링 재료층의 연화 유동 온도 영역에서 소성하여 소자 기체와 유리 기판을 실링하면, 압전 진동자 소자의 특성이 열 열화할 우려가 있다.
최근, 기밀 패키지의 실링 방법으로서 레이저 실링이 검토되고 있다. 레이저 실링으로는 실링을 해야 할 부분만을 국소 가열할 수 있기 때문에, 내열성이 낮은 소자 등의 열 열화를 방지한 후에 소자 기체와 유리 기판을 실링할 수 있다.
한편, 레이저 실링으로는 소자 기체와 실링 재료층의 고정 강도를 높이는 것이 곤란하다. 그리고, 소자 기체가 세라믹인 경우, 소자 기체와 실링 재료층의 고정 강도를 높이는 것이 더욱 곤란하다.
상술하면, 레이저 실링은 실링 재료층을 국소 가열하여 실링 재료층을 연화 유동시키는 방법이기 때문에, 실링에 요구되는 시간이 짧고, 거기에 부수되어 소자 기체와 실링 재료층이 반응하는 시간도 짧아진다. 결과적으로, 소자 기체와 실링 재료층의 계면에서, 반응층이 충분히 생성되지 않아 소자 기체와 실링 재료층의 고정 강도가 저하해버린다.
본 발명은 이상의 실정을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 기술적 과제는 내부에 수용되는 부재의 열 열화를 초래하지 않고 소자 기체와 실링 재료층의 고정 강도를 높일 수 있는 방법을 창안함으로써, 기밀 패키지의 장기 신뢰성을 높이는 것이다.
본 발명자는 예의검토한 결과, 세라믹 기체 상에 미리 실링 재료층을 형성하여 세라믹 기체와 실링 재료층의 고정 강도를 높인 후, 실링 재료층을 통하여 유리 기판을 대향 배치하고 유리 기판과 실링 재료층을 레이저 실링하면, 기밀 패키지의 실링 강도가 향상되는 것을 발견하고, 본 발명으로서 제안하는 것이다. 즉, 본 발명의 기밀 패키지의 제조 방법은 세라믹 기체를 준비함과 아울러 세라믹 기체 상에 실링 재료층을 형성하는 공정과, 유리 기판을 준비함과 아울러 유리 기판이 세라믹 기체 상의 실링 재료층에 접촉하도록 세라믹 기체와 유리 기판을 배치하는 공정과, 레이저 광을 유리 기판측으로부터 실링 재료층을 향하여 조사해서, 실링 재료층을 통하여 세라믹 기체와 유리 기판을 실링하여 기밀 패키지를 얻는 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.
실링 재료는 통상, 저융점 유리를 포함한다. 이 저융점 유리가 레이저 실링시에 소자 기체의 표층을 침식하여 반응층이 생성되게 된다. 소자 기체가 유리인 경우에는 레이저 실링에 의해 반응층이 어느 정도 생성되어 고정 강도를 확보할 수 있다. 그러나, 소자 기체가 세라믹인 경우, 저융점 유리가 레이저 실링시에 소자 기체의 표층을 침식하기 어려워 반응층이 충분히 생성되지 않는다. 즉, 소자 기체가 유리인 경우에는 레이저 실링에 의해 반응층을 형성할 수 있지만, 세라믹인 경우에는 레이저 실링에 의해 반응층을 형성하는 것이 곤란하다. 그래서, 본 발명에서는 전기로 소성 등에 의해 미리 세라믹 기체에 실링 재료층을 형성한 후, 레이저 실링에 의해 세라믹 기체와 유리 기판을 실링하고 있다. 이에 따라, 세라믹 기체와 실링 재료층의 고정 강도를 높임과 아울러, 유리 기판과 실링 재료층의 고정 강도도 확보할 수 있다. 또한, 전기로 소성 등에 의해 미리 세라믹 기체에 실링 재료층을 형성하면, 세라믹 기체의 표층에 반응층을 충분히 형성할 수 있다.
제 2로, 본 발명의 기밀 패키지의 제조 방법은 기부와 기부 상에 설치된 프레임부를 갖는 세라믹 기체를 사용하여 프레임부의 꼭대기부에 실링 재료층을 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 압전 진동자 소자 등의 부재를 기밀 패키지 내에 수용하기 쉬워진다.
제 3으로, 본 발명의 기밀 패키지의 제조 방법은 프레임부의 꼭대기부를 연마 처리한 후에, 실링 재료층을 형성하는 것이 바람직하다.
제 4로, 본 발명의 기밀 패키지의 제조 방법은 프레임부의 꼭대기부의 표면 조도(Ra)가 0.5㎛ 미만이 되도록 프레임부의 꼭대기부를 연마 처리하는 것이 바람직하다.
제 5로, 본 발명의 기밀 패키지의 제조 방법은 실링 재료 페이스트를 도포, 소성하여 세라믹 기체 상에 실링 재료의 소결체로 이루어지는 실링 재료층을 형성하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 실링 재료층의 기계적 강도를 높이면서, 얇은 실링 재료층을 형성하기 쉬워진다.
제 6으로, 본 발명의 기밀 패키지의 제조 방법은 55∼95체적%의 비스무트계 유리와 5∼45체적%의 내화성 필러를 함유하는 실링 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 비스무트계 유리는 다른 계의 유리와 비교하여 세라믹과의 반응성이 양호하다. 이에 따라, 세라믹 기체와 실링 재료층의 고정 강도를 높일 수 있다. 또한, 비스무트계 유리는 저융점이지만, 열적 안정성(내실투성)이 높다. 이에 따라, 레이저 실링시에 양호하게 연화 유동하여 레이저 실링의 정밀도를 높일 수 있다. 또한, 「비스무트계 유리」란 Bi2O3을 주성분으로 하는 유리를 가리키고, 구체적으로는 유리 조성 중에 Bi2O3을 50질량% 이상 포함하는 유리를 가리킨다.
제 7로, 본 발명의 기밀 패키지의 제조 방법은 실링 재료층의 평균 두께를 10㎛ 미만으로 하는 것이 바람직하다.
제 8로, 본 발명의 기밀 패키지의 제조 방법은 세라믹 기체와 실링 재료층의 열팽창계수의 차를 45×10-7/℃ 미만으로 하고, 또한 실링 재료층과 유리 기판의 열팽창계수의 차를 45×10-7/℃ 미만으로 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 실링 부분에 잔류하는 응력이 작아지기 때문에 실링 부분의 응력 파괴를 방지하기 쉬워진다.
제 9로, 본 발명의 기밀 패키지의 제조 방법은 그린 시트의 적층체를 소결하여 세라믹 기체를 제작하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 프레임부를 갖는 세라믹 기체를 제작하기 쉬워진다.
제 10으로, 본 발명의 기밀 패키지는 상기 기밀 패키지의 제조 방법에 의해 제작되어 이루어지는 것이 바람직하다.
도 1은 매크로형 DTA 장치로 측정했을 때의 실링 재료의 연화점을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 기밀 패키지의 일 실시형태를 설명하기 위한 단면 개념도이다.
도 3은 본 발명의 기밀 패키지의 일 실시형태를 설명하기 위한 단면 개념도이다.
도 2는 본 발명의 기밀 패키지의 일 실시형태를 설명하기 위한 단면 개념도이다.
도 3은 본 발명의 기밀 패키지의 일 실시형태를 설명하기 위한 단면 개념도이다.
본 발명의 기밀 패키지의 제조 방법에서는 세라믹 기체를 준비함과 아울러, 세라믹 기체 상에 실링 재료층을 형성하는 공정을 갖는다. 세라믹 기체 상에 실링 재료층을 형성하는 방법으로서, 실링 재료 페이스트를 세라믹 기체 상에 도포하여 실링 재료막을 형성한 후, 실링 재료막을 건조하여 용제를 휘발시키고, 실링 재료의 연화점보다 높은 온도에서 더 소성하여 실링 재료 페이스트 중의 수지 성분의 소각(탈바인더 처리) 및 실링 재료의 소결(고착)을 행하는 방법이 바람직하다. 이와 같이 하면, 실링 재료층을 용이하게 형성할 수 있음과 아울러, 세라믹 기체와 실링 재료층의 고정 강도를 높일 수 있다.
세라믹 기체로서, 재료 비용과 소결 강도의 관점에서 알루미나, 질화알루미늄, 지르코니아, 뮬라이트 등이 바람직하다. 또한, 세라믹 기체로서 그린 시트의 적층체를 소결하여 이루어지는 유리 세라믹(이하, LTCC라고 함)도 바람직하다. 알루미나는 재료 비용의 점에서 유리하다. 질화알루미늄은 방열성의 관점에서 유리하다. LTCC는 프레임부를 갖는 세라믹 기체를 제작하기 쉬운 이점을 갖는다.
세라믹 기체의 두께는 0.1∼1.0mm가 바람직하다. 이에 따라, 기밀 패키지의 박형화를 도모할 수 있다.
또한, 세라믹 기체로서 기부와 기부 상에 설치된 프레임부를 갖는 세라믹 기체를 사용하여 프레임부의 꼭대기부에 실링 재료층을 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 압전 진동자 소자 등의 부재를 기밀 패키지 내에 수용하기 쉬워진다.
이 경우, 프레임부의 꼭대기부를 연마 처리하는 것이 바람직하고, 그 경우 세라믹 기체의 꼭대기부의 표면 조도(Ra)는 바람직하게는 0.5㎛ 미만, 0.2㎛ 이하, 특히 0.01∼0.15㎛이고, 세라믹 기체의 꼭대기부의 표면 조도(RMS)는 바람직하게는 1.0㎛ 미만, 0.5㎛ 이하, 특히 0.05∼0.3㎛이다. 이와 같이 하면, 실링 재료층의 표면 평활성이 향상되고, 레이저 실링의 정밀도를 향상시킬 수 있다. 결과적으로, 기밀 패키지의 실링 강도를 높이는 것이 가능하게 된다. 또한, 「표면 조도(Ra)」 및 「표면 조도(RMS)」는, 예를 들면 촉침식 또는 비접촉식 레이저 막 두께 측정기나 표면 조도계에 의해 측정할 수 있다.
실링 재료 페이스트는 세라믹 기체의 외주 끝 가장자리 영역에 따라 액자 형상으로 도포되는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 디바이스로서 기능하는 유효 면적을 넓힐 수 있다. 또한, 압전 진동자 소자 등의 부재를 기밀 패키지 내에 수용하기 쉬워진다.
세라믹 기체가 프레임부를 갖는 경우, 세라믹 기체의 외주 끝 가장자리 영역에 따라 프레임부를 액자 형상으로 설치함과 아울러, 그 프레임부의 꼭대기부에 실링 재료 페이스트를 도포하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 디바이스로서 기능하는 유효 면적을 넓힐 수 있다. 또한, 압전 진동자 소자 등의 부재를 프레임부의 내부에 수용하기 쉬워진다.
실링 재료 페이스트는 통상, 3개의 롤러 등에 의해 실링 재료와 비히클을 혼련함으로써 제작된다. 비히클은 통상, 수지와 용제를 포함한다. 비히클에 사용되는 수지로서 아크릴산 에스테르(아크릴 수지), 에틸셀룰로오스, 폴리에틸렌글리콜 유도체, 니트로셀룰로오스, 폴리메틸스틸렌, 폴리에틸렌 카보네이트, 폴리프로필렌 카보네이트, 메타크릴산 에스테르 등이 사용 가능하다. 비히클에 사용되는 용제로서 N,N'-디메틸포름아미드(DMF), α-테르피네올, 고급 알콜, γ-부틸락톤(γ-BL), 테트랄린, 부틸카르비톨 아세테이트, 아세트산 에틸, 아세트산 이소아밀, 디에틸렌글리콜 모노에틸에테르, 디에틸렌글리콜 모노에틸에테르 아세테이트, 벤질알콜, 톨루엔, 3-메톡시-3-메틸 부탄올, 트리에틸렌글리콜 모노메틸에테르, 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 디프로필렌글리콜 모노메틸에테르, 디프로필렌글리콜 모노부틸에테르, 트리프로필렌글리콜 모노메틸에테르, 트리프로필렌글리콜 모노부틸에테르, 프로필렌 카보네이트, 디메틸술폭시드(DMSO), N-메틸-2-피롤리돈 등이 사용 가능하다.
실링 재료로서 다양한 재료가 사용 가능하고, 예를 들면 유리 분말과 내화성 필러 분말의 복합 분말이 사용 가능하다. 유리 분말로서는 다양한 재료가 사용 가능하고, 예를 들면 비스무트계 유리, 인산주석계 유리, 바나듐계 유리 등이 사용 가능하고, 열적 안정성과 반응층의 깊이의 관점에서 비스무트계 유리가 바람직하다. 또한, 「인산주석계 유리」란 SnO와 P2O5를 주성분으로 하는 유리를 가리키고, 구체적으로는 유리 조성 중에 SnO와 P2O5를 합량으로 40질량% 이상 포함하는 유리를 가리킨다. 「바나듐계 유리」란 V2O5를 주성분으로 하는 유리를 가리키고, 구체적으로는 유리 조성 중에 V2O5를 합량으로 25질량% 이상 포함하는 유리를 가리킨다.
특히, 실링 재료로서 55∼95체적%의 비스무트계 유리와 5∼45체적%의 내화성 필러를 함유하는 실링 재료를 사용하는 것이 바람직하고, 60∼85체적%의 비스무트계 유리와 15∼40체적%의 내화성 필러를 함유하는 실링 재료를 사용하는 것이 더욱 바람직하고, 60∼80체적%의 비스무트계 유리와 20∼40체적%의 내화성 필러를 함유하는 실링 재료를 사용하는 것이 특히 바람직하다. 비스무트계 유리에 내화성 필러를 첨가하면, 실링 재료의 열팽창계수가 세라믹 기체와 유리 기판의 열팽창계수로 정합하기 쉬워진다. 그 결과, 레이저 실링 후에 실링 부분에 부당한 응력이 잔류하는 사태를 방지하기 쉬워진다. 한편, 내화성 필러 분말의 함유량이 너무 많으면 비스무트계 유리의 함유량이 상대적으로 적어지기 때문에, 실링 재료층의 표면 평활성이 저하하여 레이저 실링의 정밀도가 저하하기 쉬워진다.
비스무트계 유리는 유리 조성으로서 전이 금속 산화물을 0.5질량% 이상(바람직하게는 2∼18질량%, 보다 바람직하게는 3∼15질량%, 더욱 바람직하게는 4∼12질량%, 특히 바람직하게는 5∼10질량%) 포함하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 열적 안정성의 저하를 억제하면서 광흡수 특성을 높일 수 있다.
비스무트계 유리는 유리 조성으로서 질량%로 Bi2O3 67∼90%, B2O3 2∼12%, ZnO 1∼20%, CuO+Fe2O3 0.5∼18%를 함유하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 각 성분의 함유량을 한정한 이유를 이하에 설명한다. 또한, 각 성분의 함유 범위의 설명에 있어서, % 표시는 질량%를 가리킨다. 또한, 「CuO+Fe2O3」은 CuO와 Fe2O3의 합량이다.
Bi2O3은 반응층을 형성하기 위한 주요 성분임과 아울러 연화점을 낮추기 위한 주요 성분이고, 그 함유량은 바람직하게는 67∼87%, 보다 바람직하게는 70∼85%, 특히 바람직하게는 72∼83%이다. Bi2O3의 함유량이 67%보다 적으면, 반응층이 생성되기 어려워지는 것에 추가해서, 연화점이 너무 높아져 레이저 광을 조사해도 유리가 연화되기 어려워진다. 한편, Bi2O3의 함유량이 90%보다 많으면, 유리가 열에 대하여 불안정해져 용융시, 소결(고착)시, 또는 레이저 실링시에 유리가 실투하기 쉬워진다.
B2O3은 비스무트계 유리의 유리 네트워크를 형성하는 성분이고, 그 함유량은 바람직하게는 2∼12%, 보다 바람직하게는 3∼10%, 더욱 바람직하게는 4∼10%, 특히 바람직하게는 5∼9%이다. B2O3의 함유량이 2%보다 적으면, 유리가 열에 대하여 불안정해져 용융시, 소결(고착)시, 또는 레이저 실링시에 유리가 실투하기 쉬워진다. 한편, B2O3의 함유량이 12%보다 많으면, 연화점이 너무 높아져 레이저 광을 조사해도 유리가 연화되기 어려워진다.
ZnO는 용융시, 소결(고착)시, 또는 레이저 실링시의 실투를 억제함과 아울러 열팽창계수를 저하시키는 성분이고, 그 함유량은 바람직하게는 1∼20%, 보다 바람직하게는 2∼15%, 더욱 바람직하게는 3∼11%, 특히 바람직하게는 3∼9%이다. ZnO의 함유량이 1%보다 적으면, 상기 효과를 얻기 어려워진다. 한편, ZnO의 함유량이 20%보다 많으면, 유리 조성 내의 성분 밸런스가 손상되어 반대로 유리가 실투하기 쉬워진다.
CuO+Fe2O3은 광흡수 특성을 갖는 성분이고, 소정의 발광 중심 파장을 갖는 레이저 광을 조사하면, 레이저 광을 흡수하여 유리를 연화시키기 쉽게 하는 성분이다. 또한, CuO+Fe2O3은 용융시, 소결(고착)시, 또는 레이저 실링시의 실투를 억제하는 성분이다. CuO+Fe2O3의 함유량은 바람직하게는 0.5∼18%, 보다 바람직하게는 3∼15%, 더욱 바람직하게는 3.5∼15%, 더욱 바람직하게는 4∼12%, 특히 바람직하게는 5∼10%이다. CuO+Fe2O3의 함유량이 0.5%보다 적으면, 광흡수 특성이 부족해져서 레이저 광을 조사해도 유리가 연화되기 어려워진다. 한편, CuO+Fe2O3의 함유량이 18%보다 많으면, 유리 조성 내의 성분 밸런스가 손상되어 반대로 유리가 실투하기 쉬워진다. 또한, CuO의 함유량은 바람직하게는 0∼15%, 1∼15%, 2∼12%, 3∼10%, 특히 4.5∼10%이다. Fe2O3의 함유량은 바람직하게는 0∼7%, 0.05∼7%, 0.1∼4%, 특히 0.2∼3%이다.
산화철 중의 Fe 이온은 Fe2 + 또는 Fe3 +의 상태로 존재한다. 본 발명에 있어서, 산화철 중의 Fe 이온은 Fe2 + 또는 Fe3 + 중 어느 하나로 한정되는 것은 아니고, 어느 것이어도 상관없다. 따라서, 본 발명에서는 Fe2 +의 경우에도, Fe2O3으로 환산한 후에서 취급하는 것으로 한다. 특히, 조사 광으로서 적외 레이저를 사용하는 경우, Fe2+가 적외역에 흡수 피크를 갖기 때문에 Fe2 +의 비율은 큰 것이 바람직하고, 예를 들면 산화철 중의 Fe2 +/Fe3 +의 비율을 0.03 이상(바람직하게는 0.08 이상)으로 규제하는 것이 바람직하다.
상기 성분 이외에도, 예를 들면 이하의 성분을 첨가해도 좋다.
SiO2는 내수성을 높이는 성분이다. SiO2의 함유량은 바람직하게는 0∼10%, 0∼3%, 특히 0∼1% 미만이다. SiO2의 함유량이 10%보다 많으면, 연화점이 너무 높아져 레이저 광을 조사해도 유리가 연화되기 어려워진다.
Al2O3은 내수성을 높이는 성분이다. Al2O3의 함유량은 바람직하게는 0∼5%, 0∼2%, 특히 0∼0.5% 미만이다. Al2O3의 함유량이 5%보다 많으면, 연화점이 너무 높아져 레이저 광을 조사해도 유리가 연화되기 어려워진다.
MgO+CaO+SrO+BaO(MgO, CaO, SrO 및 BaO의 합량)은 용융시, 소결(고착)시, 또는 레이저 실링시의 실투를 억제하는 성분이고, MgO+CaO+SrO+BaO의 함유량은 바람직하게는 0∼15%, 특히 0∼10%이다. MgO+CaO+SrO+BaO의 함유량이 15%보다 많으면, 연화점이 너무 높아져 레이저 광을 조사해도 유리가 연화되기 어려워진다. 또한, MgO, CaO 및 SrO의 함유량은 각각 0∼5%, 특히 0∼2%가 바람직하다. BaO의 함유량은 바람직하게는 0∼10%, 특히 0∼8%이다.
CeO2, WO3, In2O3, Ga2O3 및 Sb2O3은 용융시, 소결(고착)시, 또는 레이저 실링시의 실투를 억제하는 성분이다. 각 성분의 함유량은 바람직하게는 0∼10%, 0∼5%, 0∼2%, 특히 0∼1%이다. 각 성분의 함유량이 10%보다 많으면, 유리 조성 내의 성분 밸런스가 손상되어 반대로 유리가 실투하기 쉬워진다. 또한, 열적 안정성을 높이는 관점에서 Sb2O3의 미량 첨가가 바람직하고, 구체적으로는 Sb2O3을 0.05% 이상 첨가하는 것이 바람직하다.
Li, Na, K 및 Cs의 산화물은 연화점을 저하시키는 성분이지만, 용융시에 실투를 조장하는 작용을 갖기 때문에 합량으로 1% 미만으로 규제하는 것이 바람직하다.
P2O5는 용융시의 실투를 억제하는 성분이다. 그러나, P2O5의 함유량이 1%보다 많으면, 용융시에 유리가 분상되기 쉬워진다.
La2O3, Y2O3 및 Gd2O3은 용융시의 분상을 억제하는 성분이지만, 이들의 합량이 3%보다 많으면, 연화점이 너무 높아져 레이저 광을 조사해도 유리가 연화되기 어려워진다.
NiO, V2O5, CoO, MoO3, TiO2 및 MnO2는 광흡수 특성을 갖는 성분이고, 소정의 발광 중심 파장을 갖는 레이저 광을 조사하면 레이저 광을 흡수하여 유리를 연화시키기 쉽게 하는 성분이다. 각 성분의 함유량은 바람직하게는 0∼7%, 특히 0∼3%이다. 각 성분의 함유량이 7%보다 많으면, 레이저 실링시에 유리가 실투하기 쉬워진다.
PbO는 연화점을 저하시키는 성분이지만, 환경적 영향이 우려되는 성분이다. 따라서, PbO의 함유량은 바람직하게는 0.1% 미만이다.
상기 이외의 성분에도 유리 특성을 손상시키지 않는 범위에서, 예를 들면 5%까지 첨가해도 좋다.
내화성 필러로서 코디어라이트, 지르콘, 산화주석, 산화니오브, 인산 지르코늄계 세라믹, 윌레마이트로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 사용하는 것이 바람직하다. 이들의 내화성 필러는 열팽창계수가 낮은 것에 추가해서, 기계적 강도가 높고 게다가 비스무트계 유리와의 적합성이 양호하다. 상기 내화성 필러 중, 코디어라이트가 가장 바람직하다. 코디어라이트는 입경이 작아도, 레이저 실링시에 비스무트계 유리를 실투시키기 어려운 성질을 갖고 있다. 또한, 상기 내화성 필러 이외에도, β-유크립타이트, 석영 유리 등을 첨가해도 좋다.
내화성 필러 분말(특히, 코디어라이트) 중에 CuO, Fe2O3 등의 전이 금속 산화물을 0.1∼5질량%(바람직하게는 1∼3질량%) 도핑하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 내화성 필러 분말에 광흡수 특성이 부여되기 때문에 실링 재료의 광흡수 특성을 높일 수 있다.
내화성 필러의 평균 입경(D50)은 바람직하게는 2㎛ 미만, 특히 1.5㎛ 미만이다. 내화성 필러의 평균 입경(D50)이 2㎛ 미만이면, 실링 재료층의 표면 평활성이 향상됨과 아울러 실링 재료층의 평균 두께를 10㎛ 미만으로 규제하기 쉬워져, 결과적으로 레이저 실링의 정밀도를 높일 수 있다.
내화성 필러의 최대 입경(D99)은 바람직하게는 5㎛ 미만, 4㎛ 이하, 특히 3㎛ 이하이다. 내화성 필러의 최대 입경(D99)이 5㎛ 미만이면, 실링 재료층의 표면 평활성이 향상됨과 아울러 실링 재료층의 평균 두께를 10㎛ 미만으로 규제하기 쉬워져, 결과적으로 레이저 실링의 정밀도를 높일 수 있다. 여기에서, 「평균 입경(D50)」과 「최대 입경(D99)」은 레이저 회절법에 의해 체적 기준으로 측정한 값을 가리킨다.
실링 재료의 열팽창계수는 바람직하게는 60×10-7∼95×10-7/℃, 60×10-7∼85×10-7/℃, 특히 65×10-7∼80×10-7/℃이다. 이와 같이 하면, 실링 재료층의 열팽창계수가 유리 기판이나 세라믹 기체의 열팽창계수로 정합되어 실링 부분에 잔류하는 응력이 작아짐과 아울러 내화성 필러의 함유량을 저감시킬 수 있기 때문에, 레이저 실링시에 실링 재료층이 연화 유동하기 쉬워진다. 또한, 열팽창계수는 30∼300℃의 온도 범위에 있어서, 압봉식 TMA 장치로 측정한 값이다.
세라믹 기체와 실링 재료층의 열팽창계수의 차는 45×10-7/℃ 미만, 특히 30×10-7/℃ 이하가 바람직하고, 실링 재료층과 유리 기판의 열팽창계수는 45×10-7/℃ 미만, 특히 30×10-7/℃ 이하가 바람직하다. 열팽창계수의 차가 너무 크면, 실링 부분에 잔류하는 응력이 부당하게 커지게 되어 기밀 패키지의 장기 신뢰성이 저하할 우려가 있다.
실링 재료의 연화점은 바람직하게는 500℃ 이하, 480℃ 이하, 특히 450℃ 이하이다. 연화점이 500℃보다 높으면, 실링 재료의 소결(고착)시에 표면 평활성을 얻기 어려워지고, 레이저 실링시에 실링 재료가 연화 유동하기 더 어려워진다. 연화점의 하한은 특히 설정되지 않지만, 유리의 열적 안정성을 고려하면 연화점은 350℃ 이상이 바람직하다. 여기에서, 「연화점」은 매크로형 DTA 장치로 측정했을 때의 제 4 변곡점이고, 도 1 중의 Ts에 상당한다.
실링 재료는 광흡수 특성을 높이기 위해서 레이저 흡수재를 더 포함해도 좋지만, 레이저 흡수재는 비스무트계 유리의 실투를 조장하는 작용을 갖는다. 따라서, 레이저 흡수재의 함유량은 바람직하게는 0∼15체적%, 0∼12체적%, 특히 0∼10체적%이다. 레이저 흡수재의 함유량이 15체적%보다 많으면, 레이저 실링시에 유리가 실투하기 쉬워진다. 레이저 흡수재로서 Cu계 산화물, Fe계 산화물, Cr계 산화물, Mn계 산화물 및 이들 스피넬형 복합 산화물 등이 사용 가능하고, 특히 비스무트계 유리와의 적합성의 관점에서 Mn계 산화물이 바람직하다. 또한, 레이저 흡수재를 첨가하는 경우, 그 함유량은 0.1체적% 이상, 0.5체적% 이상, 1체적% 이상, 1.5체적% 이상, 특히 2체적% 이상이 바람직하다.
실링 재료층의 형성은 세라믹 기체 상에 부재를 실장한 후에 행해도 좋지만, 부재(특히, 열 열화하기 쉬운 소자)의 열 열화를 방지하는 관점에서 세라믹 기체 상에 부재를 실장하기 전에 행하는 것이 바람직하다.
세라믹 기체 상에 실링 재료층을 형성한 후의 실링 재료층의 평균 두께를 10㎛ 미만, 7㎛ 미만, 특히 5㎛ 미만으로 규제하는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 레이저 실링 후의 실링 재료층의 평균 두께도 10㎛ 미만, 7㎛ 미만, 특히 5㎛ 미만으로 규제하는 것이 바람직하다. 실링 재료층의 평균 두께가 작을수록, 실링 재료층과 세라믹 기체 및 유리 기판의 열팽창계수가 충분히 정합되지 않아도 레이저 실링 후에 실링 부분에 잔류하는 응력이 저감된다. 또한, 레이저 실링의 정밀도를 높일 수도 있다. 또한, 상술한 바와 같이 실링 재료층의 평균 두께를 규제하는 방법으로서는 실링 재료 페이스트를 얇게 도포하는 방법, 실링 재료층을 형성한 후에 실링 재료층의 표면을 연마 처리하는 방법을 들 수 있다.
세라믹 기체 상에 실링 재료층을 형성한 후의 실링 재료층의 표면 조도(Ra)를 0.5㎛ 미만, 0.2㎛ 이하, 특히 0.01∼0.15㎛로 규제하는 것이 바람직하다. 또한, 세라믹 기체 상에 실링 재료층을 형성한 후의 실링 재료층의 표면 조도(RMS)를 1.0㎛ 미만, 0.5㎛ 이하, 특히 0.05∼0.3㎛로 규제하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 유리 기판과 실링 재료층의 밀착성이 향상되고, 레이저 실링의 정밀도가 향상된다. 또한, 상술한 바와 같이 실링 재료층의 표면 조도(Ra, RMS)를 규제하는 방법으로서는 세라믹 기체의 프레임부의 꼭대기부를 연마 처리하는 방법, 내화성 필러 분말의 입도를 규제하는 방법, 실링 재료층의 표면을 연마 처리하는 방법을 들 수 있다.
본 발명의 기밀 패키지의 제조 방법은 유리 기판을 준비함과 아울러, 유리 기판이 세라믹 기체 상의 실링 재료층에 접촉하도록 세라믹 기체와 유리 기판을 배치하는 공정을 갖는다. 유리 기판으로서 다양한 유리가 사용 가능하다. 예를 들면, 무알칼리 유리, 붕규산 유리, 소다석회 유리가 사용 가능하다. 특히, 내후성의 관점에서 무알칼리 유리가 바람직하다.
유리 기판의 판 두께는 0.01∼2.0mm, 0.1∼1mm, 특히 0.5∼0.7mm가 바람직하다. 이에 따라, 기밀 패키지의 박형화를 도모할 수 있다.
유리 기판은 세라믹 기체보다 하방에 배치해도 좋지만, 레이저 실링의 효율의 관점에서 유리 기판을 세라믹 기체의 상방에 배치하는 것이 바람직하다.
본 발명의 기밀 패키지의 제조 방법은 유리 기판측으로부터 레이저 광을 실링 재료층을 향하여 조사해서, 실링 재료층을 통하여 세라믹 기체와 유리 기판을 실링하여 기밀 패키지를 얻는 공정을 갖는다.
레이저로서 다양한 레이저를 사용할 수 있다. 특히, 반도체 레이저, YAG 레이저, CO2 레이저, 엑시머 레이저, 적외 레이저 등은 취급이 용이한 점에서 바람직하다.
레이저 실링을 행하는 분위기는 특별히 한정되지 않고, 대기 분위기에서도 좋고, 질소 분위기 등의 불활성 분위기에서도 좋다.
레이저 실링을 행할 때에, (100℃ 이상, 또한 유리 기판의 왜점 이하)의 온도에서 유리 기판을 예비 가열하면, 열충격에 의한 유리 기판의 붕괴를 억제할 수 있다. 또한, 레이저 실링 직후에, 유리 기판측으로부터 어닐 레이저를 조사하면, 열충격에 의한 유리 기판의 붕괴를 억제할 수 있다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 기밀 패키지의 일 실시형태를 설명한다.
도 2는 본 발명의 기밀 패키지의 일 실시형태를 설명하기 위한 단면 개념도이다. 기밀 패키지(1)는 직사각형 형상의 세라믹 기체(10)의 중앙 영역에 부재(압전 진동자 소자)(11)가 형성되어 있고, 또한 부재(11)의 주위를 액자 형상으로 둘러싸도록 세라믹 기체(10)의 외주 끝 가장자리 영역에 실링 재료층(12)이 형성되어 있다. 여기에서, 실링 재료층(12)은 실링 재료 페이스트를 도포, 건조한 후 소결시킴으로써 형성한 것이다. 또한, 세라믹 기체(10)에는 부재(11)와 외부를 전기적으로 접속하는 전극막(도시되지 않음)이 형성되어 있다. 그리고, 유리 기판(13)은 실링 재료층(12)과 접촉하도록 세라믹 기체(10)의 상방에 배치되어 있다. 또한, 레이저 조사 장치(14)로부터 출사한 레이저 광(L)이 유리 기판(13)측으로부터 실링 재료층(12)에 따라 조사된다. 이에 따라, 실링 재료층(12)이 연화 유동하고 세라믹 기체(10)와 유리 기판(13)이 실링되어, 기밀 패키지(1)의 기밀 구조가 형성된다.
도 3은 본 발명의 기밀 패키지의 일 실시형태를 설명하기 위한 단면 개념도이다. 기밀 패키지(2)는 직사각형 형상의 세라믹 기체(20)의 외주 끝 가장자리 영역에 프레임부(21)를 갖고, 그 내부에 부재(양자점이 분산된 수지)(22)가 수용되어 있다. 그리고, 이 프레임부(21)의 꼭대기부(23)에는 실링 재료층(24)이 형성되어 있다. 여기에서, 세라믹 기체(20)는 그린 시트의 적층체를 소결시킴으로써 제작한 것이다. 또한, 프레임부(21)의 꼭대기부(23)는 미리 연마 처리되어 있고, 표면 조도(Ra)가 0.15㎛ 이하로 되어 있다. 또한, 실링 재료층(24)은 실링 재료 페이스트를 도포, 건조한 후 소결시킴으로써 형성한 것이다. 또한, 세라믹 기체(20)에는 부재(22)와 외부를 전기적으로 접속하는 전극막(도시되지 않음)이 형성되어 있다. 유리 기판(25)은 실링 재료층(24)과 접촉하도록 세라믹 기체(20)의 상방에 배치되어 있다. 또한, 레이저 조사 장치(26)로부터 출사한 레이저 광(L)이 유리 기판(25)측으로부터 실링 재료층(24)에 따라 조사된다. 이에 따라, 실링 재료층(24)이 연화 유동하고 세라믹 기체(20)와 유리 기판(24)이 실링되어, 기밀 패키지(2)의 기밀 구조가 형성된다.
실시예
이하, 실시예에 근거하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 실시예는 단순한 예시이다. 본 발명은 이하의 실시예에 조금도 한정되지 않는다.
우선, 실링 재료를 제작했다. 표 1은 실링 재료의 재료 구성을 나타내고 있다. 비스무트계 유리는 유리 조성으로서 몰%로 Bi2O3 76.5%, B2O3 8.0%, ZnO 6.0%, CuO 5.0%, Fe2O3 0.5%, BaO 4.0%를 함유하고, 또한 표 1에 기재된 입도를 갖고 있다.
상기 비스무트계 유리와 내화성 필러 분말을 표 1에 나타내는 비율로 혼합하여 실링 재료를 제작했다. 내화물 필러로서 표 2에 나타내는 입도를 갖는 코디어라이트를 사용했다. 이 실링 재료에 대하여, 유리전이점, 연화점, 열팽창계수를 측정했다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
유리전이점은 압봉식 TMA 장치로 측정한 값이다.
연화점은 매크로형 DTA 장치로 측정한 값이다. 측정은 대기 분위기 하에서, 승온 속도 10℃/분으로 행하고, 실온으로부터 600℃까지 측정을 행했다.
열팽창계수는 압봉식 TMA 장치로 측정한 값이다. 측정 온도 범위는 30∼300℃이다.
다음에, 상기 실링 재료를 이용하여, 세라믹 기체 상에 실링 재료층을 형성했다(시료 No. 1∼6). 우선, 점도가 약 100Pa·s(25℃, 전단 속도: 4)가 되도록 표 1에 기재된 실링 재료와 비히클 및 용제를 혼련한 후, 3개의 롤밀로 분말이 균일하게 분산될 때까지 혼련하여 페이스트화했다. 비히클에는 글리콜 에테르계 용제에 에틸셀룰로오스 수지를 용해시킨 것을 사용했다. 다음에, 세로 3mm×횡 3mm×두께 0.8mm의 세라믹 기체(알루미나 또는 LTCC)의 외주 끝 가장자리 영역에 따라, 상기 실링 재료 페이스트를 두께: 약 5㎛ 또는 약 8㎛, 폭: 약 0.3mm가 되도록 스크린 인쇄기로 액자 형상으로 인쇄했다. 또한, 대기 분위기 하에서 120℃에서 10분간 건조한 후, 대기 분위기 하에서 500℃에서 10분간 소성하여 실링 재료 페이스트 중의 수지 성분의 소각(탈바인더 처리) 및 실링 재료의 소결(고착)을 행하고, 세라믹 기체 상에 실링 재료층을 형성했다. 그 후에, 세라믹 기체의 중앙 영역에 소자를 형성했다. 비교예로서 동일한 소성 조건에 의해, 유리 기판 상에 실링 재료를 형성했다(시료 No. 7∼9).
실링 재료층의 평균 두께는 비접촉식 레이저 막 두께 측정기로 측정한 값이다.
최후에, 실링 재료층을 통하여 세라믹 기체와 유리 기판을 대기 분위기 하에서 접촉 배치한 후, 유리 기판측으로부터 실링 재료층에 따라 표 중에 기재된 출력, 주사 속도로 파장 808nm의 레이저 광을 조사함으로써, 실링 재료층을 연화 유동시켜 세라믹 기체와 유리 기판을 실링하고, 표 2, 3에 기재된 기밀 패키지를 얻었다.
각 시료에 대하여, 고온 고습 고압 시험: HAST 시험(Highly Accelerated Temperature and Humidity Stress test)을 행한 후 세라믹 기체와 유리 기판에 대해서 박리의 유무를 관찰하여, 박리가 없었던 것을 「○」, 박리가 확인된 것을 「×」라고 박리성을 평가했다. 또한, HAST 시험의 조건은 121℃, 습도 100%, 2atm, 24시간이다.
표 2, 3으로부터 명백한 바와 같이, 시료 No. 1∼6은 세라믹 기체측에 실링 재료층을 형성한 후 레이저 실링을 했기 때문에, 박리성의 평가가 양호했다. 이것은 실링 재료층과 세라믹 기체가 높은 고착 강도를 갖은 상태에서 레이저 실링된 것을 의미하고 있다. 한편, 시료 No. 7∼9는 유리 기판측에 실링 재료층을 형성한 후 레이저 실링을 했기 때문에, 박리성의 평가가 불량했다. 이것은 레이저 실링에 의한 실링 재료층의 연화 유동이 단시간이기 때문에, 실링 재료층과 세라믹 기체가 충분히 반응하지 않아 강한 고착 강도를 얻을 수 없다는 것을 의미하고 있다.
(산업상의 이용 가능성)
본 발명의 기밀 패키지는 압전 진동자 패키지에 적합하게 적용 가능하지만, 그 이외에도, 발광 다이오드를 수용하는 기밀 패키지, 내열성이 낮은 양자점을 분산시킨 수지 등을 수용하는 기밀 패키지 등에도 적합하게 적용 가능하다.
1, 2 기밀 패키지 10, 20 세라믹 기체
11, 22 부재 12, 24 실링 재료층
13, 25 유리 기판 14, 26 레이저 조사 장치
21 프레임부 23 프레임부의 꼭대기부
L 레이저 광
11, 22 부재 12, 24 실링 재료층
13, 25 유리 기판 14, 26 레이저 조사 장치
21 프레임부 23 프레임부의 꼭대기부
L 레이저 광
Claims (10)
- 세라믹 기체를 준비함과 아울러, 세라믹 기체 상에 실링 재료층을 형성하는 공정과,
유리 기판을 준비함과 아울러, 유리 기판이 세라믹 기체 상의 실링 재료층에 접촉하도록 세라믹 기체와 유리 기판을 배치하는 공정과,
레이저 광을 유리 기판측으로부터 실링 재료층을 향하여 조사해서, 실링 재료층을 통하여 세라믹 기체와 유리 기판을 실링하여 기밀 패키지를 얻는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 기밀 패키지의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
기부와 기부 상에 설치된 프레임부를 갖는 세라믹 기체를 사용하여 프레임부의 꼭대기부에 실링 재료층을 형성하는 것을 특징으로 하는 기밀 패키지의 제조 방법. - 제 2 항에 있어서,
프레임부의 꼭대기부를 연마 처리한 후에, 실링 재료층을 형성하는 것을 특징으로 하는 기밀 패키지의 제조 방법. - 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
프레임부의 꼭대기부의 표면 조도(Ra)가 0.5㎛ 미만이 되도록 프레임부의 꼭대기부를 연마 처리하는 것을 특징으로 하는 기밀 패키지의 제조 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
실링 재료 페이스트를 도포, 소성하여 세라믹 기체 상에 실링 재료의 소결체로 이루어지는 실링 재료층을 형성하는 것을 특징으로 하는 기밀 패키지의 제조 방법. - 제 5 항에 있어서,
55∼95체적%의 비스무트계 유리와 5∼45체적%의 내화성 필러를 함유하는 실링 재료를 사용하는 것을 특징으로 하는 기밀 패키지의 제조 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
실링 재료층의 평균 두께를 10㎛ 미만으로 하는 것을 특징으로 하는 기밀 패키지의 제조 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
세라믹 기체와 실링 재료층의 열팽창계수의 차를 45×10-7/℃ 미만으로 하고, 또한 실링 재료층과 유리 기판의 열팽창계수의 차를 45×10-7/℃ 미만으로 하는 것을 특징으로 하는 기밀 패키지의 제조 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
그린 시트의 적층체를 소결하여 세라믹 기체를 제작하는 것을 특징으로 하는 기밀 패키지의 제조 방법. - 삭제
Applications Claiming Priority (3)
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Publications (2)
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