WO2018173834A1 - カバーガラス及び気密パッケージ - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a cover glass and an airtight package, and more particularly, to a cover glass and an airtight package having a sealing material layer having a predetermined shape.
- the airtight package generally includes a package base, a light-transmitting cover glass, and internal elements housed therein.
- MEMS micro electro mechanical system
- the sealed portion is hardly deteriorated by moisture in the surrounding environment, and it becomes easy to ensure the airtight reliability of the airtight package.
- the glass powder has a higher softening temperature than the organic resin adhesive, there is a risk that the internal element is thermally deteriorated during sealing. In recent years, laser sealing has attracted attention in recent years.
- a laser having a near-infrared wavelength hereinafter referred to as a near-infrared laser
- the sealing material layer is softened and deformed, so that the cover glass and the package are packaged.
- the substrate is airtightly integrated.
- laser sealing only the portion to be sealed can be locally heated, and the package substrate and the cover glass can be hermetically integrated without causing thermal degradation of the internal elements.
- the near-infrared light absorbing ability of the sealing material layer is higher than the near-infrared light absorbing ability of the cover glass in order to increase the laser sealing efficiency.
- the sealing material layer is directly heated by the near-infrared laser at the time of laser sealing, but the cover glass hardly absorbs near-infrared light and is not directly heated by the near-infrared laser. That is, in the surface of the cover glass, the region where the sealing material layer is formed is locally heated at the time of laser sealing, but the region where the sealing material layer is not formed is not locally heated.
- the present invention has been made in view of the above circumstances, and a technical problem thereof is to provide a cover glass and an airtight package that can reduce thermal distortion of the cover glass at the time of laser sealing.
- the airtight package cover glass of the present invention is an airtight package cover glass having a sealing material layer on one surface, and the sealing material layer is any one of the following (1) to (6): It is characterized by satisfying the relationship.
- the average width of the sealing material layer is 0.20% or more of the center line length of the sealing material layer
- the sealing material layer When the center line length of the sealing material layer is 100 mm or more and less than 150 mm, the average width of the sealing material layer is 0.30% or more of the center line length of the sealing material layer
- the center line of the sealing material layer When the length is 75 mm or more and less than 100 mm, the average width of the sealing material layer is 0.35% or more of the center line length of the sealing material layer
- the center line length of the sealing material layer is When it is 50 mm or more and less than 75 mm, the average width of the sealing material layer is 0.40% or more of the center line length of the sealing material layer
- the center line length of the sealing material layer is 25 mm or more
- the average width of the sealing material layer is 0.60% or more of the center line length of the sealing material layer
- the cover glass for an airtight package of the present invention is characterized in that the sealing material layer satisfies any one of the above relations (1) to (6). If the average width of the sealing material layer is larger than a predetermined ratio of the center line length of the sealing material layer as in the above (1) to (6), the temperature within the surface of the cover glass during laser sealing Since the gradient is relaxed, the difference in expansion / contraction between the area where the sealing material layer of the cover glass is formed and the area where the sealing material layer is not formed is less likely to occur. It is difficult for heat distortion to occur, and as a result, the cover glass is difficult to break.
- the cover glass for an airtight package of the present invention is a cover glass for an airtight package having a sealing material layer on one surface, and the sealing material layer has an (average width of the sealing material layer) ⁇ ⁇ 0. .0017 ⁇ (center line length of sealing material layer) +0.1593 ⁇ .
- the cover glass for an airtight package of the present invention preferably has a frame-shaped sealing material layer along the outer peripheral edge of one surface.
- the average thickness of the sealing material layer is preferably less than 8.0 ⁇ m. In this way, since the residual stress in the hermetic package after laser sealing is reduced, the hermetic reliability of the hermetic package can be improved.
- the hermetic package of the present invention is a hermetic package in which a package base and a cover glass are hermetically sealed via a sealing material layer, and the sealing material layer has any one of the following relationships (1) to (6): It is characterized by satisfying. (1) When the center line length of the sealing material layer is 150 mm or more, the average width of the sealing material layer is 0.20% or more of the center line length of the sealing material layer, (2) the sealing material layer When the center line length of the sealing material layer is 100 mm or more and less than 150 mm, the average width of the sealing material layer is 0.30% or more of the center line length of the sealing material layer, (3) the center line of the sealing material layer When the length is 75 mm or more and less than 100 mm, the average width of the sealing material layer is 0.35% or more of the center line length of the sealing material layer, and (4) the center line length of the sealing material layer is When it is 50 mm or more and less than 75 mm, the average width of the sealing material layer is 0.40% or more of the center
- the hermetic package of the present invention is a hermetic package in which the package base and the cover glass are hermetically sealed via the sealing material layer, and the sealing material layer has (average width of the sealing material layer) ⁇ ⁇ 0. .0017 ⁇ (center line length of sealing material layer) +0.1593 ⁇ .
- the package base has a base portion and a frame portion provided on the base portion, the internal element is accommodated in the frame portion of the package base, and the top portion of the frame portion of the package base body. It is preferable that a sealing material layer is disposed between the cover glass and the cover glass. This makes it easy to accommodate the internal element in the space in the hermetic package.
- the package substrate is preferably made of glass, glass ceramic, aluminum nitride, aluminum oxide, or a composite material thereof.
- FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining an embodiment of the present invention.
- the hermetic package 1 includes a package substrate 10 and a cover glass 11.
- the package base 10 includes a base 12 and a frame-shaped frame portion 13 along the outer peripheral edge of the base 12.
- An internal element 14 is accommodated in the frame portion 13 of the package base 10.
- An electrical wiring (not shown) that electrically connects the internal element 14 and the outside is formed in the package base 10.
- the sealing material layer 15 satisfies any one of the above relations (1) to (6).
- the sealing material layer 15 is disposed over the entire circumference of the top of the frame 13 between the top of the frame 13 of the package base 10 and the surface of the cover glass 11 on the internal element 14 side.
- the sealing material layer 15 contains bismuth-based glass and refractory filler powder, but does not substantially contain a laser absorber.
- the width of the sealing material layer 15 is smaller than the width of the top portion of the frame portion 13 of the package substrate 10 and is further away from the edge of the cover glass 11. Furthermore, the average thickness of the sealing material layer 15 is less than 8.0 ⁇ m.
- the airtight package 1 can be manufactured as follows. First, the cover glass 11 on which the sealing material layer 15 is formed in advance is placed on the package base 10 so that the sealing material layer 15 and the top of the frame portion 13 are in contact with each other. Subsequently, while pressing the cover glass 11 using a pressing jig, the laser beam L emitted from the laser irradiation apparatus is irradiated along the sealing material layer 15 from the cover glass 11 side. As a result, the sealing material layer 15 softens and flows and reacts with the surface layer on the top of the frame portion 13 of the package substrate 10, whereby the package substrate 10 and the cover glass 11 are hermetically integrated, and the hermetic structure of the hermetic package 1. Is formed.
- the cover glass for an airtight package of the present invention has a sealing material layer on one surface.
- the sealing material layer has a function of softening and deforming at the time of laser sealing, forming a reaction layer on the surface layer of the package substrate, and hermetically integrating the package substrate and the cover glass.
- the sealing material layer preferably satisfies any of the following relationships (1) to (6).
- the average width of the sealing material layer is 0.40% or more of the center line length of the sealing material layer (preferably (5) When the center line length of the sealing material layer is 25 mm or more and less than 50 mm, the average width of the sealing material layer is the sealing material.
- the average width of the material layer is 0.90% or more (preferably 0.95% or more, particularly 1.0% or more) of the center line length of the sealing material layer.
- the average width of the sealing material layer is smaller than a predetermined ratio of the center line length of the sealing material layer, the region where the sealing material layer of the cover glass is formed and the sealing material layer are formed during laser sealing. An expansion / shrinkage difference is generated between the region where the cover glass is not formed, and thermal strain is likely to occur in the surface of the cover glass, and the cover glass is likely to be damaged due to the thermal strain.
- the cover glass for an airtight package of the present invention is a cover glass for an airtight package having a sealing material layer on one surface, and the sealing material layer has an (average width of the sealing material layer) ⁇ ⁇ 0. .0017 ⁇ (center line length of sealing material layer) +0.1593 ⁇ is preferably satisfied. If the above relationship is not satisfied, at the time of laser sealing, a difference in expansion / contraction occurs between the region where the sealing material layer of the cover glass is formed and the region where the sealing material layer is not formed. In this plane, thermal distortion is likely to occur, and the cover glass is easily damaged due to this thermal distortion.
- the sealing material layer is preferably a sintered body of composite powder containing at least glass powder and refractory filler powder. If it does in this way, the surface smoothness of a sealing material layer can be improved. As a result, at the time of laser sealing, the thermal distortion of the cover glass is reduced, and the hermetic reliability of the hermetic package can be increased.
- the glass powder is a component that softens and deforms during laser sealing to hermetically integrate the package substrate and the cover glass.
- the refractory filler powder is a component that acts as an aggregate and increases the mechanical strength while reducing the thermal expansion coefficient of the sealing material layer.
- the sealing material layer may contain a laser absorber in order to enhance the light absorption characteristics.
- the composite powder Various materials can be used as the composite powder. Among these, from the viewpoint of increasing the laser sealing strength, it is preferable to use a composite powder containing a bismuth-based glass powder and a refractory filler powder.
- a composite powder containing 55 to 95% by volume of bismuth-based glass powder and 5 to 45% by volume of refractory filler powder is preferably used, and 60 to 85% by volume of bismuth-based glass powder and 15 to 40% are used. It is more preferable to use a composite powder containing a volume% refractory filler powder, and it is particularly preferable to use a composite powder containing 60 to 80 volume% bismuth glass powder and 20 to 40 volume% refractory filler powder. preferable.
- the thermal expansion coefficient of the sealing material layer is easily matched with the thermal expansion coefficients of the cover glass and the package base. As a result, it becomes easy to prevent a situation in which undue stress remains in the sealed portion after laser sealing.
- the content of the refractory filler powder is too large, the content of the bismuth-based glass powder becomes relatively small, so that the surface smoothness of the sealing material layer is lowered and the laser sealing accuracy is likely to be lowered. Become.
- the softening point of the composite powder is preferably 510 ° C. or lower, 480 ° C. or lower, particularly 450 ° C. or lower.
- the lower limit of the softening point of the composite powder is not particularly set, but considering the thermal stability of the glass powder, the softening point of the composite powder is preferably 350 ° C. or higher.
- the “softening point” is the fourth inflection point when measured with a macro-type DTA apparatus, and corresponds to Ts in FIG.
- Bismuth-based glass is a glass composition including, in mol%, Bi 2 O 3 28 ⁇ 60%, B 2 O 3 15 ⁇ 37%, ZnO 0 ⁇ 30%, preferably contains 15 ⁇ 40% CuO + MnO.
- the reason for limiting the content range of each component as described above will be described below. In the description of the glass composition range,% display indicates mol%.
- Bi 2 O 3 is a main component for lowering the softening point.
- the content of Bi 2 O 3 is preferably 28 to 60%, 33 to 55%, particularly 35 to 45%. If the content of Bi 2 O 3 is too small, too high softening point, softening fluidity tends to decrease. On the other hand, if the content of Bi 2 O 3 is too large, the glass tends to be devitrified during laser sealing, and the softening fluidity tends to be reduced due to this devitrification.
- B 2 O 3 is an essential component as a glass forming component.
- the content of B 2 O 3 is preferably 15 to 37%, 19 to 33%, particularly 22 to 30%. If the content of B 2 O 3 is too small, it becomes difficult to form a glass network, so that the glass is easily devitrified during laser sealing. On the other hand, when the content of B 2 O 3 is too large, the viscosity of the glass becomes high, the softening fluidity tends to decrease.
- ZnO is a component that increases devitrification resistance.
- the content of ZnO is preferably 0-30%, 3-25%, 5-22%, in particular 5-20%.
- the component balance of a glass composition will collapse, and on the contrary, devitrification resistance will fall easily.
- CuO and MnO are components that greatly increase the laser absorption ability.
- the total amount of CuO and MnO is preferably 15 to 40%, 20 to 35%, particularly 25 to 30%.
- the total amount of CuO and MnO is preferably 15 to 40%, 20 to 35%, particularly 25 to 30%.
- the laser absorption ability tends to be lowered.
- the total amount of CuO and MnO is too large, the softening point becomes too high, and the glass becomes difficult to soften and flow even when irradiated with laser light. Further, the glass becomes thermally unstable, and the glass tends to be devitrified during laser sealing.
- the CuO content is preferably 8 to 30%, particularly 13 to 25%.
- the content of MnO is preferably 0 to 25%, 3 to 25%, particularly 5 to 15%.
- SiO 2 is a component that improves water resistance.
- the content of SiO 2 is preferably 0-5%, 0-3%, 0-2%, in particular 0-1%.
- the content of SiO 2 is too large, there is a possibility that the softening point is unduly increased. Further, the glass is easily devitrified during laser sealing.
- Al 2 O 3 is a component that improves water resistance.
- the content of Al 2 O 3 is preferably 0 to 10%, 0.1 to 5%, particularly preferably 0.5 to 3%. When the content of Al 2 O 3 is too large, there is a possibility that the softening point is unduly increased.
- Li 2 O, Na 2 O and K 2 O are components that reduce devitrification resistance. Therefore, the contents of Li 2 O, Na 2 O and K 2 O are preferably 0 to 5%, 0 to 3%, particularly preferably 0 to less than 1%, respectively.
- MgO, CaO, SrO, and BaO are components that increase devitrification resistance, but are components that increase the softening point. Therefore, the contents of MgO, CaO, SrO and BaO are preferably 0 to 20%, 0 to 10%, particularly preferably 0 to 5%, respectively.
- Fe 2 O 3 is a component that improves devitrification resistance and laser absorption ability.
- the content of Fe 2 O 3 is preferably 0 to 10%, 0.1 to 5%, particularly 0.4 to 2%. When the content of Fe 2 O 3 is too large, balance of components glass composition collapsed, rather devitrification resistance is liable to decrease.
- Sb 2 O 3 is a component that increases devitrification resistance.
- the content of Sb 2 O 3 is preferably 0 to 5%, in particular 0 to 2%.
- the average particle diameter D 50 of the glass powder is preferably less than 15 ⁇ m, 0.5 to 10 ⁇ m, in particular 1 to 5 ⁇ m. As the average particle diameter D 50 of the glass powder is small, the softening point of the glass powder is lowered.
- “average particle diameter D 50 ” refers to a value measured on a volume basis by a laser diffraction method.
- refractory filler powder one or more selected from cordierite, zircon, tin oxide, niobium oxide, zirconium phosphate ceramic, willemite, ⁇ -eucryptite, ⁇ -quartz solid solution is preferable, and ⁇ - Eucryptite or cordierite is preferred.
- These refractory filler powders have a low thermal expansion coefficient, high mechanical strength, and good compatibility with bismuth glass.
- the average particle diameter D 50 of the refractory filler powder is preferably less than 2 [mu] m, especially 0.1 ⁇ m or more and less than 1.5 [mu] m.
- the average particle diameter D 50 of the refractory filler powder is too large, the surface smoothness of the sealing material layer is liable to lower, likely the average thickness of the sealing material layer is increased, as a result the laser sealing precision It tends to decrease.
- the 99% particle size D 99 of the refractory filler powder is preferably less than 5 ⁇ m, 4 ⁇ m or less, particularly 0.3 ⁇ m or more and 3 ⁇ m or less. If the 99% particle size D 99 of the refractory filler powder is too large, the surface smoothness of the sealing material layer tends to be lowered and the average thickness of the sealing material layer tends to increase, resulting in laser sealing accuracy. Tends to decrease.
- “99% particle diameter D 99 ” refers to a value measured on a volume basis by a laser diffraction method.
- the sealing material layer may further contain a laser absorbing material in order to enhance the light absorption characteristics, but the laser absorbing material has an action of promoting devitrification of the bismuth-based glass. Therefore, the content of the laser absorbing material in the sealing material layer is preferably 10% by volume or less, 5% by volume or less, 1% by volume or less, and 0.5% by volume or less, particularly preferably substantially not contained.
- a laser absorbing material may be introduced in an amount of 1% by volume or more, particularly 3% by volume or more in order to increase the laser absorption ability.
- the laser absorber Cu-based oxides, Fe-based oxides, Cr-based oxides, Mn-based oxides, spinel-type composite oxides, and the like can be used.
- the thermal expansion coefficient of the sealing material layer is preferably 55 ⁇ 10 ⁇ 7 to 95 ⁇ 10 ⁇ 7 / ° C., 60 ⁇ 10 ⁇ 7 to 82 ⁇ 10 ⁇ 7 / ° C., in particular 65 ⁇ 10 ⁇ 7 to 76 ⁇ 10. -7 / ° C.
- the “thermal expansion coefficient” is a value measured with a TMA (push-bar type thermal expansion coefficient measurement) apparatus in a temperature range of 30 to 300 ° C.
- the average thickness of the sealing material layer is preferably less than 8.0 ⁇ m, particularly 1.0 ⁇ m or more and less than 6.0 ⁇ m.
- the smaller the average thickness of the sealing material layer the lower the stress remaining in the sealing portion after laser sealing when the thermal expansion coefficients of the sealing material layer and the cover glass are mismatched. Further, the laser sealing accuracy can be increased.
- Examples of the method for regulating the average thickness of the sealing material layer as described above include a method of thinly applying the composite powder paste and a method of polishing the surface of the sealing material layer.
- the light absorptivity of monochromatic light with a wavelength of 808 nm of the sealing material layer is preferably 75% or more, particularly 80% or more. If the light absorptance is low, the sealing material layer will not be softened and deformed unless the laser output during laser sealing is increased. As a result, there is a possibility that unjustified thermal distortion occurs in the cover glass, and there is a possibility that the internal element is thermally damaged.
- the “light absorption rate with monochromatic light having a wavelength of 808 nm” refers to a value obtained by measuring the reflectance and transmittance in the thickness direction of the sealing material layer with a spectrophotometer and subtracting the total value from 100%. .
- the surface roughness Ra of the sealing material layer is preferably less than 0.5 ⁇ m, 0.2 ⁇ m or less, and particularly 0.01 to 0.15 ⁇ m. Further, the surface roughness RMS of the sealing material layer is preferably less than 1.0 ⁇ m and 0.5 ⁇ m or less, particularly 0.05 to 0.3 ⁇ m. In this way, the adhesion between the package substrate and the sealing material layer is improved, and the laser sealing accuracy is improved.
- “surface roughness Ra” and “surface roughness RMS” can be measured by, for example, a stylus type or non-contact type laser film thickness meter or surface roughness meter.
- examples of the method for regulating the surface roughness Ra and RMS of the sealing material layer include a method of polishing the surface of the sealing material layer and a method of reducing the particle size of the refractory filler powder.
- the sealing material layer can be formed by various methods. Among them, it is preferable to form the sealing material layer by applying and sintering a composite powder paste.
- the composite powder paste is preferably applied by using a coating machine such as a dispenser or a screen printing machine. In this way, the dimensional accuracy of the sealing material layer can be increased.
- the composite powder paste is a mixture of composite powder and vehicle.
- the vehicle usually contains a solvent and a resin. The resin is added for the purpose of adjusting the viscosity of the paste. Moreover, surfactant, a thickener, etc. can also be added as needed.
- the composite powder paste is usually produced by kneading the composite powder and vehicle with a three-roller or the like.
- a vehicle usually includes a resin and a solvent.
- the resin used for the vehicle acrylic ester (acrylic resin), ethyl cellulose, polyethylene glycol derivative, nitrocellulose, polymethylstyrene, polyethylene carbonate, polypropylene carbonate, methacrylic ester and the like can be used.
- Solvents used in vehicles include N, N′-dimethylformamide (DMF), ⁇ -terpineol, higher alcohol, ⁇ -butyllactone ( ⁇ -BL), tetralin, butyl carbitol acetate, ethyl acetate, isoamyl acetate, diethylene glycol monoethyl Ether, diethylene glycol monoethyl ether acetate, benzyl alcohol, toluene, 3-methoxy-3-methylbutanol, triethylene glycol monomethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, dipropylene glycol monomethyl ether, dipropylene glycol monobutyl ether, tripropylene glycol monomethyl ether , Tripropylene glycol monobutyl ether, propylene carbonate, dimethyl sulfoxide (DM O), N-methyl-2-pyrrolidone and the like can be used.
- DMF N′-dimethylformamide
- ⁇ -BL ⁇ -
- the composite powder paste may be applied on the package substrate, particularly on the top of the frame portion of the package substrate, but is preferably applied in a frame shape along the outer peripheral edge of the cover glass. In this way, it is not necessary to bake the sealing material layer on the package substrate, and thermal degradation of internal elements such as MEMS elements can be suppressed.
- cover glass Various glasses can be used as the cover glass.
- alkali-free glass, alkali borosilicate glass, and soda lime glass can be used.
- the cover glass may be a laminated glass obtained by bonding a plurality of glass plates.
- the functional film may be formed on the surface of the cover glass on the inner element side, or the functional film may be formed on the outer surface of the cover glass.
- an antireflection film is preferable as the functional film. Thereby, the light reflected on the surface of the cover glass can be reduced.
- the thickness of the cover glass is preferably 0.1 mm or more, 0.15 to 2.0 mm, particularly 0.2 to 1.0 mm.
- the thickness of the cover glass is small, the strength of the hermetic package is likely to decrease.
- the cover glass is thick, it is difficult to reduce the thickness of the hermetic package.
- the difference in thermal expansion coefficient between the cover glass and the sealing material layer is preferably less than 50 ⁇ 10 ⁇ 7 / ° C., less than 40 ⁇ 10 ⁇ 7 / ° C., and particularly preferably 30 ⁇ 10 ⁇ 7 / ° C. or less.
- this difference in thermal expansion coefficient is too large, the stress remaining in the sealed portion becomes unreasonably high, and the hermetic reliability of the hermetic package tends to decrease.
- the sealing material layer is preferably formed so as to be separated from the edge of the cover glass by 50 ⁇ m or more, 60 ⁇ m or more, 70 to 1500 ⁇ m, particularly 80 to 800 ⁇ m along the edge of the cover glass. If the distance between the edge of the cover glass and the sealing material layer is too short, the surface temperature difference between the inner element side surface and the outer surface of the cover glass in the edge region of the cover glass will be reduced during laser sealing. The cover glass is easily broken.
- the hermetic package of the present invention is a hermetic package in which a package base and a cover glass are hermetically sealed via a sealing material layer, and the sealing material layer has any one of the following relationships (1) to (6): It is characterized by satisfying. (1) When the center line length of the sealing material layer is 150 mm or more, the average width of the sealing material layer is 0.20% or more of the center line length of the sealing material layer, (2) the sealing material layer When the center line length of the sealing material layer is 100 mm or more and less than 150 mm, the average width of the sealing material layer is 0.30% or more of the center line length of the sealing material layer, (3) the center line of the sealing material layer When the length is 75 mm or more and less than 100 mm, the average width of the sealing material layer is 0.35% or more of the center line length of the sealing material layer, and (4) the center line length of the sealing material layer is When it is 50 mm or more and less than 75 mm, the average width of the sealing material layer is 0.40% or more of the center
- the package base preferably has a base portion and a frame portion provided on the base portion. This makes it easier to accommodate the internal element within the frame portion of the package base.
- the frame portion of the package base is preferably formed in a frame shape on the outer periphery of the package base. In this way, the effective area that functions as a device can be expanded.
- the internal elements can be easily accommodated in the space in the hermetic package, and wiring joining and the like can be easily performed.
- the surface roughness Ra of the surface of the region where the sealing material layer is disposed at the top of the frame is preferably less than 1.0 ⁇ m. When the surface roughness Ra of the surface is increased, the laser sealing accuracy is likely to be lowered.
- the width of the top of the frame is preferably 100 to 3000 ⁇ m, 200 to 1500 ⁇ m, particularly 300 to 900 ⁇ m. If the width of the top of the frame is too narrow, it is difficult to align the sealing material layer and the top of the frame. On the other hand, if the width of the top of the frame is too wide, the effective area that functions as a device is reduced.
- the sealing material layer is preferably formed so that the contact position with the frame portion is separated from the inner edge of the top portion of the frame portion, and is separated from the outer edge of the top portion of the frame portion, More preferably, it is formed at a position 50 ⁇ m or more, 60 ⁇ m or more, 70 to 2000 ⁇ m, particularly 80 to 1000 ⁇ m apart from the inner edge of the top of the frame. If the distance between the inner edge of the top of the frame and the sealing material layer is too short, the heat generated by local heating will be difficult to escape during laser sealing, and the cover glass will be easily damaged during the cooling process. .
- the distance between the inner edge of the top of the frame and the sealing material layer is too long, it is difficult to reduce the size of the hermetic package. Further, it is preferably formed at a position 50 ⁇ m or more, 60 ⁇ m or more, 70 to 2000 ⁇ m, particularly 80 to 1000 ⁇ m apart from the outer edge of the top of the frame portion. If the distance between the outer edge of the top of the frame and the sealing material layer is too short, the heat generated by local heating will be difficult to escape during laser sealing, and the cover glass will be easily damaged during the cooling process. . On the other hand, if the distance between the outer edge of the top of the frame and the sealing material layer is too long, it is difficult to reduce the size of the hermetic package.
- the thickness of the base of the package substrate is preferably 0.1 to 2.5 mm, particularly preferably 0.2 to 1.5 mm. Thereby, thickness reduction of an airtight package can be achieved.
- the height of the frame portion of the package substrate that is, the height obtained by subtracting the thickness of the base portion from the package substrate is preferably 100 to 2000 ⁇ m, particularly 200 to 900 ⁇ m. In this way, it becomes easy to reduce the thickness of the hermetic package while properly accommodating the internal elements.
- the package substrate is preferably made of glass, glass ceramic, aluminum nitride, or aluminum oxide, or a composite material thereof (for example, aluminum nitride and glass ceramic integrated). Since glass ceramic is easy to form a sealing material layer and a reaction layer, a strong sealing strength can be secured by laser sealing. Furthermore, since the thermal via can be easily formed, it is possible to appropriately prevent the temperature of the hermetic package from rising excessively. Since aluminum nitride and aluminum oxide have good heat dissipation, it is possible to appropriately prevent the temperature of the airtight package from rising excessively.
- the glass ceramic, aluminum nitride, and aluminum oxide preferably have a black pigment dispersed (sintered in a state in which the black pigment is dispersed).
- the package base can absorb the laser light transmitted through the sealing material layer.
- the portion of the package base that comes into contact with the sealing material layer is heated during laser sealing, so that the formation of the reaction layer can be promoted at the interface between the sealing material layer and the package base.
- the package base and the cover glass are hermetically integrated by irradiating a laser beam from the cover glass side toward the sealing material layer to soften and deform the sealing material layer.
- the cover glass may be disposed below the package substrate, but from the viewpoint of laser sealing efficiency, the cover glass is preferably disposed above the package substrate.
- Various lasers can be used as the laser.
- a near-infrared semiconductor laser is preferable in terms of easy handling.
- the atmosphere for laser sealing is not particularly limited, and may be an air atmosphere or an inert atmosphere such as a nitrogen atmosphere.
- the cover glass When performing laser sealing, if the cover glass is preheated at a temperature of 100 ° C. or higher and not higher than the heat resistance temperature of the internal elements, breakage of the cover glass due to thermal shock is easily suppressed during laser sealing. Further, if an annealing laser is irradiated from the cover glass side immediately after laser sealing, it becomes easier to further suppress damage to the cover glass due to thermal shock or residual stress.
- Table 1 shows examples of the present invention (sample Nos. 1 to 7).
- Table 2 shows comparative examples (sample Nos. 8 to 14).
- the average particle diameter D 50 of the bismuth-based glass powder is 1.0 ⁇ m
- the 99% particle diameter D 99 is 2.5 ⁇ m
- the average particle diameter D 50 of the refractory filler powder is 1.0 ⁇ m, 99% particle diameter D. 99 was 2.5 ⁇ m.
- the refractory filler powder is ⁇ -eucryptite.
- the thermal expansion coefficient of the obtained composite powder was measured.
- the thermal expansion coefficient was 71 ⁇ 10 ⁇ 7 / ° C.
- the thermal expansion coefficient was measured with a push rod type TMA apparatus, and the measurement temperature range was 30 to 300 ° C.
- a frame-shaped sealing material layer was formed using the composite powder along the outer peripheral edge of a cover glass (Nippon Electric Glass BDA, thickness 0.3 mm) made of borosilicate glass.
- vehicle and solvent are kneaded so that the viscosity is about 100 Pa ⁇ s (25 ° C., Shear rate: 4)
- the powder is further uniformly dispersed by a three-roll mill. It kneaded and turned into a paste to obtain a composite powder paste.
- a vehicle in which ethylcellulose resin was dissolved in tripropylene glycol monobutyl ether was used.
- the composite powder paste was printed in a frame shape by a screen printer along the outer peripheral edge at a position 100 ⁇ m apart from the outer peripheral edge of the cover glass. Further, after drying at 120 ° C. for 10 minutes in the air atmosphere, firing is performed at 500 ° C. for 10 minutes in the air atmosphere (temperature increase rate from room temperature 5 ° C./min, temperature decrease rate to room temperature 5 ° C./min. ), A sealing material layer having the dimensions shown in Table 1 was formed on the cover glass.
- a package substrate having a substantially rectangular base portion and a substantially frame-shaped frame portion provided along the outer periphery of the base portion was produced. More specifically, a package substrate having the same vertical and horizontal dimensions as the cover glass, a frame width of 2.5 mm, a frame height of 2.5 mm, and a base thickness of 1.0 mm is obtained.
- a green sheet (MLB-26B manufactured by Nippon Electric Glass Co., Ltd.) was laminated and pressure-bonded, and then fired at 870 ° C. for 20 minutes to obtain a package substrate made of glass ceramic.
- the package substrate and the cover glass were laminated and disposed through the sealing material layer. Then, while pressing the cover glass using a pressing jig, the sealing material layer is softened and deformed by irradiating a semiconductor laser with a wavelength of 808 nm from the cover glass side toward the sealing material layer at an irradiation rate of 15 mm / second. As a result, the package base and the cover glass were hermetically integrated to obtain an airtight package. The laser irradiation diameter and output were adjusted so that the average width of the sealing material layer after laser sealing was 120% of the average width of the sealing material layer before laser sealing.
- the airtight reliability of the obtained airtight package was evaluated. More specifically, the obtained airtight package was subjected to a high-temperature, high-humidity and high-pressure test (temperature: 85 ° C., relative humidity: 85%, 1000 hours), and then the vicinity of the sealing material layer was observed. Airtight reliability was evaluated as “ ⁇ ” when no crack or breakage was observed, and “X” when crack or breakage was observed on the cover glass.
- the hermetic package of the present invention is suitable for an airtight package in which an internal element such as a MEMS (micro electro mechanical system) element is mounted.
- an internal element such as a MEMS (micro electro mechanical system) element
- wavelength conversion in which quantum dots are dispersed in a piezoelectric vibration element or resin can also be suitably applied to an airtight package that accommodates elements and the like.
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Abstract
本発明の気密パッケージ用カバーガラスは、一方の表面上に封着材料層を有する気密パッケージ用カバーガラスであって、封着材料層が、下記の(1)~(6)の何れかの関係を満たすことを特徴とする。(1)封着材料層の中心線長さが150mm以上である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.20%以上、(2)封着材料層の中心線長さが100mm以上、且つ150mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.30%以上、(3)封着材料層の中心線長さが75mm以上、且つ100mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.35%以上、(4)封着材料層の中心線長さが50mm以上、且つ75mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.40%以上、(5)封着材料層の中心線長さが25mm以上、且つ50mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.60%以上、(6)封着材料層の中心線長さが25mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.90%以上。
Description
本発明は、カバーガラス及び気密パッケージに関し、具体的には、所定形状の封着材料層を有するカバーガラス及び気密パッケージに関する。
気密パッケージは、一般的に、パッケージ基体と、光透過性を有するカバーガラスと、それらの内部に収容される内部素子と、を備えている。
気密パッケージの内部に実装されるMEMS(微小電気機械システム)素子等の内部素子は、周囲環境から浸入する水分により劣化する虞がある。従来まで、パッケージ基体とカバーガラスとを一体化するために、低温硬化性を有する有機樹脂系接着剤が使用されていた。しかし、有機樹脂系接着剤は、水分や気体を完全に遮蔽できないため、内部素子を経時的に劣化させる虞がある。
一方、ガラス粉末と耐火性フィラー粉末を含む複合粉末を封着材料に用いると、封着部分が周囲環境の水分で劣化し難くなり、気密パッケージの気密信頼性を確保し易くなる。
しかし、ガラス粉末は、有機樹脂系接着剤よりも軟化温度が高いため、封着時に内部素子を熱劣化させる虞がある。このような事情から、近年、レーザー封着が注目されている。
レーザー封着では、一般的に、近赤外域の波長を有するレーザー(以下、近赤外レーザー)が封着材料層に照射された後、封着材料層が軟化変形して、カバーガラスとパッケージ基体が気密一体化される。レーザー封着では、封着すべき部分のみを局所的に加熱することが可能であり、内部素子を熱劣化させることなく、パッケージ基体とカバーガラスとを気密一体化することができる。
封着材料層の近赤外光の吸収能は、レーザー封着効率を高めるために、カバーガラスの近赤外光の吸収能よりも高くなっている。そして、封着材料層は、レーザー封着時に近赤外レーザーにより直接加熱されるが、カバーガラスは、近赤外光を殆ど吸収しないため、近赤外レーザーにより直接加熱されない。つまりカバーガラスの表面内において、封着材料層が形成されている領域は、レーザー封着時に局所加熱されるが、封着材料層が形成されていない領域は局所加熱されない。
この局所加熱の有無に起因して、カバーガラスの封着材料層が形成されている領域と封着材料層が形成されていない領域との間に膨張/収縮差が生じ、カバーガラスの面内に熱歪みが発生する。この熱歪みは、カバーガラスを破損させることが多く、気密信頼性を確保する上で大きな問題になる。
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、その技術的課題は、レーザー封着時に、カバーガラスの熱歪みを低減し得るカバーガラス及び気密パッケージを提供することである。
本発明者等は、種々の実験を繰り返した結果、封着材料層の中心線長さと平均幅の関係を所定範囲に規制することにより、上記技術的課題を解決し得ることを見出し、本発明として提案するものである。すなわち、本発明の気密パッケージ用カバーガラスは、一方の表面上に封着材料層を有する気密パッケージ用カバーガラスであって、封着材料層が、下記の(1)~(6)の何れかの関係を満たすことを特徴とする。(1)封着材料層の中心線長さが150mm以上である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.20%以上、(2)封着材料層の中心線長さが100mm以上、且つ150mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.30%以上、(3)封着材料層の中心線長さが75mm以上、且つ100mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.35%以上、(4)封着材料層の中心線長さが50mm以上、且つ75mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.40%以上、(5)封着材料層の中心線長さが25mm以上、且つ50mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.60%以上、(6)封着材料層の中心線長さが25mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.90%以上。ここで、「封着材料層の中心線長さ」は、図1に示す点線の長さ合計である。
本発明の気密パッケージ用カバーガラスは、封着材料層が、上記の(1)~(6)の何れかの関係を満たすことを特徴とする。上記の(1)~(6)のように、封着材料層の平均幅を封着材料層の中心線長さの所定割合よりも大きくすると、レーザー封着時に、カバーガラスの面内の温度勾配が緩和されるため、カバーガラスの封着材料層が形成されている領域と封着材料層が形成されていない領域との間に膨張/収縮差が生じ難くなって、カバーガラスの面内に熱歪みが発生し難くなり、結果としてカバーガラスが破損し難くなる。
また、本発明の気密パッケージ用カバーガラスは、一方の表面上に封着材料層を有する気密パッケージ用カバーガラスであって、封着材料層が、(封着材料層の平均幅)≧{0.0017×(封着材料層の中心線長さ)+0.1593}の関係を満たすことを特徴とする。
また、本発明の気密パッケージ用カバーガラスは、一方の表面の外周端縁に沿って、額縁形状の封着材料層を有することが好ましい。
また、本発明の気密パッケージ用カバーガラスは、封着材料層の平均厚みが8.0μm未満であることが好ましい。このようにすれば、レーザー封着後の気密パッケージ内での残留応力が小さくなるため、気密パッケージの気密信頼性を高めることができる。
本発明の気密パッケージは、パッケージ基体とカバーガラスとが封着材料層を介して気密封着された気密パッケージにおいて、封着材料層が、下記の(1)~(6)の何れかの関係を満たすことを特徴とする。(1)封着材料層の中心線長さが150mm以上である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.20%以上、(2)封着材料層の中心線長さが100mm以上、且つ150mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.30%以上、(3)封着材料層の中心線長さが75mm以上、且つ100mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.35%以上、(4)封着材料層の中心線長さが50mm以上、且つ75mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.40%以上、(5)封着材料層の中心線長さが25mm以上、且つ50mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.60%以上、(6)封着材料層の中心線長さが25mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.90%以上。
また、本発明の気密パッケージは、パッケージ基体とカバーガラスとが封着材料層を介して気密封着された気密パッケージにおいて、封着材料層が、(封着材料層の平均幅)≧{0.0017×(封着材料層の中心線長さ)+0.1593}の関係を満たすことを特徴とする。
また、本発明の気密パッケージは、パッケージ基体が、基部と基部上に設けられた枠部とを有し、パッケージ基体の枠部内に、内部素子が収容されており、パッケージ基体の枠部の頂部とカバーガラスの間に封着材料層が配されていることが好ましい。このようにすれば、気密パッケージ内の空間に内部素子を収容し易くなる。
また、本発明の気密パッケージは、パッケージ基体が、ガラス、ガラスセラミック、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムの何れか、或いはこれらの複合材料であることが好ましい。
以下、図面を参照しながら、本発明を説明する。図1は、本発明の一実施形態を説明するための概略断面図である。図1から分かるように、気密パッケージ1は、パッケージ基体10とカバーガラス11とを備えている。また、パッケージ基体10は、基部12と、基部12の外周端縁に沿って額縁状の枠部13とを有している。そして、パッケージ基体10の枠部13内には、内部素子14が収容されている。なお、パッケージ基体10内には、内部素子14と外部を電気的に接続する電気配線(図示されていない)が形成されている。
封着材料層15は、上記の(1)~(6)の何れかの関係を満たしている。そして、封着材料層15は、パッケージ基体10の枠部13の頂部とカバーガラス11の内部素子14側の表面との間に、枠部13の頂部の全周に亘って配されている。また、封着材料層15は、ビスマス系ガラスと耐火性フィラー粉末とを含んでいるが、実質的にレーザー吸収材を含んでいない。そして、封着材料層15の幅は、パッケージ基体10の枠部13の頂部の幅よりも小さく、更にカバーガラス11の端縁から離間している。更に封着材料層15の平均厚みは8.0μm未満になっている。
また、上記気密パッケージ1は、次のようにして作製することができる。まず封着材料層15と枠部13の頂部が接するように、封着材料層15が予め形成されたカバーガラス11をパッケージ基体10上に載置する。続いて、押圧治具を用いてカバーガラス11を押圧しながら、カバーガラス11側から封着材料層15に沿って、レーザー照射装置から出射したレーザー光Lを照射する。これにより、封着材料層15が軟化流動し、パッケージ基体10の枠部13の頂部の表層と反応することで、パッケージ基体10とカバーガラス11が気密一体化されて、気密パッケージ1の気密構造が形成される。
本発明の気密パッケージ用カバーガラスは、一方の表面上に封着材料層を有する。封着材料層は、レーザー封着の際に軟化変形して、パッケージ基体の表層に反応層を形成し、パッケージ基体とカバーガラスとを気密一体化する機能を有している。
封着材料層が、下記の(1)~(6)の何れかの関係を満たすことが好ましい。(1)封着材料層の中心線長さが150mm以上である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.20%以上(好ましくは0.24%以上、特に0.27%以上)、(2)封着材料層の中心線長さが100mm以上、且つ150mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.30%以上(好ましくは0.32%以上、特に0.34%以上)、(3)封着材料層の中心線長さが75mm以上、且つ100mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.35%以上(好ましくは0.37%以上、特に0.39%以上)、(4)封着材料層の中心線長さが50mm以上、且つ75mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.40%以上(好ましくは0.43%以上、特に0.46%以上)、(5)封着材料層の中心線長さが25mm以上、且つ50mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.60%以上(好ましくは0.63%以上、特に0.65%以上)、(6)封着材料層の中心線長さが25mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.90%以上(好ましくは0.95%以上、特に1.0%以上)。封着材料層の平均幅が、封着材料層の中心線長さの所定割合よりも小さいと、レーザー封着時に、カバーガラスの封着材料層が形成されている領域と封着材料層が形成されていない領域との間に膨張/収縮差が生じて、カバーガラスの面内に熱歪みが発生し易くなり、この熱歪みに起因してカバーガラスが破損し易くなる。
また、本発明の気密パッケージ用カバーガラスは、一方の表面上に封着材料層を有する気密パッケージ用カバーガラスであって、封着材料層が、(封着材料層の平均幅)≧{0.0017×(封着材料層の中心線長さ)+0.1593}の関係を満たすことが好ましい。上記関係を満たさないと、レーザー封着時に、カバーガラスの封着材料層が形成されている領域と封着材料層が形成されていない領域との間に膨張/収縮差が生じて、カバーガラスの面内に熱歪みが発生し易くなり、この熱歪みに起因してカバーガラスが破損し易くなる。
封着材料層は、少なくともガラス粉末と耐火性フィラー粉末を含む複合粉末の焼結体が好ましい。このようにすれば、封着材料層の表面平滑性を高めることができる。結果として、レーザー封着時に、カバーガラスの熱歪みが低減されると共に、気密パッケージの気密信頼性を高めることができる。ガラス粉末は、レーザー封着の際に軟化変形して、パッケージ基体とカバーガラスとを気密一体化する成分である。耐火性フィラー粉末は、骨材として作用し、封着材料層の熱膨張係数を低下させつつ、機械的強度を高める成分である。なお、封着材料層には、ガラス粉末と耐火性フィラー粉末以外にも、光吸収特性を高めるために、レーザー吸収材を含んでいてもよい。
複合粉末として、種々の材料が使用可能である。その中でも、レーザー封着強度を高める観点から、ビスマス系ガラス粉末と耐火性フィラー粉末を含む複合粉末を用いることが好ましい。複合粉末として、55~95体積%のビスマス系ガラス粉末と5~45体積%の耐火性フィラー粉末を含有する複合粉末を用いることが好ましく、60~85体積%のビスマス系ガラス粉末と15~40体積%の耐火性フィラー粉末を含有する複合粉末を用いることが更に好ましく、60~80体積%のビスマス系ガラス粉末と20~40体積%の耐火性フィラー粉末を含有する複合粉末を用いることが特に好ましい。耐火性フィラー粉末を添加すれば、封着材料層の熱膨張係数が、カバーガラスとパッケージ基体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、耐火性フィラー粉末の含有量が多過ぎると、ビスマス系ガラス粉末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、レーザー封着精度が低下し易くなる。
複合粉末の軟化点は、好ましくは510℃以下、480℃以下、特に450℃以下である。複合粉末の軟化点が高過ぎると、封着材料層の表面平滑性を高め難くなる。複合粉末の軟化点の下限は特に設定されないが、ガラス粉末の熱的安定性を考慮すると、複合粉末の軟化点は350℃以上が好ましい。ここで、「軟化点」は、マクロ型DTA装置で測定した際の第四変曲点であり、図3中のTsに相当する。
ビスマス系ガラスは、ガラス組成として、モル%で、Bi2O3 28~60%、B2O3 15~37%、ZnO 0~30%、CuO+MnO 15~40%を含有することが好ましい。各成分の含有範囲を上記のように限定した理由を以下に説明する。なお、ガラス組成範囲の説明において、%表示はモル%を指す。
Bi2O3は、軟化点を低下させるための主要成分である。Bi2O3の含有量は、好ましくは28~60%、33~55%、特に35~45%である。Bi2O3の含有量が少な過ぎると、軟化点が高くなり過ぎて、軟化流動性が低下し易くなる。一方、Bi2O3の含有量が多過ぎると、レーザー封着の際にガラスが失透し易くなり、この失透に起因して、軟化流動性が低下し易くなる。
B2O3は、ガラス形成成分として必須の成分である。B2O3の含有量は、好ましくは15~37%、19~33%、特に22~30%である。B2O3の含有量が少な過ぎると、ガラスネットワークが形成され難くなるため、レーザー封着の際にガラスが失透し易くなる。一方、B2O3の含有量が多過ぎると、ガラスの粘性が高くなり、軟化流動性が低下し易くなる。
ZnOは、耐失透性を高める成分である。ZnOの含有量は、好ましくは0~30%、3~25%、5~22%、特に5~20%である。ZnOの含有量が多過ぎると、ガラス組成の成分バランスが崩れて、かえって耐失透性が低下し易くなる。
CuOとMnOは、レーザー吸収能を大幅に高める成分である。CuOとMnOの合量は、好ましくは15~40%、20~35%、特に25~30%である。CuOとMnOの合量が少な過ぎると、レーザー吸収能が低下し易くなる。一方、CuOとMnOの合量が多過ぎると、軟化点が高くなり過ぎて、レーザー光を照射しても、ガラスが軟化流動し難くなる。またガラスが熱的に不安定になり、レーザー封着時にガラスが失透し易くなる。なお、CuOの含有量は、好ましくは8~30%、特に13~25%である。MnOの含有量は、好ましくは0~25%、3~25%、特に5~15%である。
上記成分以外にも、例えば、以下の成分を添加してもよい。
SiO2は、耐水性を高める成分である。SiO2の含有量は、好ましくは0~5%、0~3%、0~2%、特に0~1%である。SiO2の含有量が多過ぎると、軟化点が不当に上昇する虞がある。またレーザー封着の際にガラスが失透し易くなる。
Al2O3は、耐水性を高める成分である。Al2O3の含有量は0~10%、0.1~5%、特に0.5~3%が好ましい。Al2O3の含有量が多過ぎると、軟化点が不当に上昇する虞がある。
Li2O、Na2O及びK2Oは、耐失透性を低下させる成分である。よって、Li2O、Na2O及びK2Oの含有量は、それぞれ0~5%、0~3%、特に0~1%未満が好ましい。
MgO、CaO、SrO及びBaOは、耐失透性を高める成分であるが、軟化点を上昇させる成分である。よって、MgO、CaO、SrO及びBaOの含有量は、それぞれ0~20%、0~10%、特に0~5%が好ましい。
Fe2O3は、耐失透性とレーザー吸収能を高める成分である。Fe2O3の含有量は、好ましくは0~10%、0.1~5%、特に0.4~2%である。Fe2O3の含有量が多過ぎると、ガラス組成の成分バランスが崩れて、かえって耐失透性が低下し易くなる。
Sb2O3は、耐失透性を高める成分である。Sb2O3の含有量は、好ましくは0~5%、特に0~2%である。Sb2O3の含有量が多過ぎると、ガラス組成の成分バランスが崩れて、かえって耐失透性が低下し易くなる。
ガラス粉末の平均粒径D50は、好ましくは15μm未満、0.5~10μm、特に1~5μmである。ガラス粉末の平均粒径D50が小さい程、ガラス粉末の軟化点が低下する。ここで、「平均粒径D50」は、レーザー回折法により体積基準で測定した値を指す。
耐火性フィラー粉末として、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、β-ユークリプタイト、β-石英固溶体から選ばれる一種又は二種以上が好ましく、特にβ-ユークリプタイト又はコーディエライトが好ましい。これらの耐火性フィラー粉末は、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。
耐火性フィラー粉末の平均粒径D50は、好ましくは2μm未満、特に0.1μm以上、且つ1.5μm未満である。耐火性フィラー粉末の平均粒径D50が大き過ぎると、封着材料層の表面平滑性が低下し易くなると共に、封着材料層の平均厚みが大きくなり易く、結果として、レーザー封着精度が低下し易くなる。
耐火性フィラー粉末の99%粒径D99は、好ましくは5μm未満、4μm以下、特に0.3μm以上、且つ3μm以下である。耐火性フィラー粉末の99%粒径D99が大き過ぎると、封着材料層の表面平滑性が低下し易くなると共に、封着材料層の平均厚みが大きくなり易く、結果として、レーザー封着精度が低下し易くなる。ここで、「99%粒径D99」は、レーザー回折法により体積基準で測定した値を指す。
封着材料層は、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、封着材料層中のレーザー吸収材の含有量は、好ましくは10体積%以下、5体積%以下、1体積%以下、0.5体積%以下、特に実質的に含有しないことが好ましい。ビスマス系ガラスの耐失透性が良好である場合は、レーザー吸収能を高めるために、レーザー吸収材を1体積%以上、特に3体積%以上導入してもよい。なお、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る。
封着材料層の熱膨張係数は、好ましくは55×10-7~95×10-7/℃、60×10-7~82×10-7/℃、特に65×10-7~76×10-7/℃である。このようにすれば、封着材料層の熱膨張係数がカバーガラスやパッケージ基体の熱膨張係数に整合して、封着部分に残留する応力が小さくなる。なお、「熱膨張係数」は、30~300℃の温度範囲において、TMA(押棒式熱膨張係数測定)装置で測定した値である。
封着材料層の平均厚みは、好ましくは8.0μm未満、特に1.0μm以上、且つ6.0μm未満である。封着材料層の平均厚みが小さい程、封着材料層とカバーガラスの熱膨張係数が不整合である時に、レーザー封着後に封着部分に残留する応力を低減することができる。またレーザー封着精度を高めることもできる。なお、上記のように封着材料層の平均厚みを規制する方法としては、複合粉末ペーストを薄く塗布する方法、封着材料層の表面を研磨処理する方法が挙げられる。
封着材料層の波長808nmの単色光での光吸収率は、好ましくは75%以上、特に80%以上である。この光吸収率が低いと、レーザー封着時のレーザー出力を高めなければ封着材料層が軟化変形しなくなる。結果として、カバーガラスに不当な熱歪みが発生する虞が生じ、内部素子が熱損傷する虞も生じる。ここで、「波長808nmの単色光での光吸収率」は、封着材料層の厚み方向の反射率と透過率を分光光度計で測定し、その合計値を100%から減じた値を指す。
封着材料層の表面粗さRaは、好ましくは0.5μm未満、0.2μm以下、特に0.01~0.15μmである。また、封着材料層の表面粗さRMSは、好ましくは1.0μm未満、0.5μm以下、特に0.05~0.3μmである。このようにすれば、パッケージ基体と封着材料層の密着性が向上し、レーザー封着精度が向上する。ここで、「表面粗さRa」と「表面粗さRMS」は、例えば、触針式又は非接触式のレーザー膜厚計や表面粗さ計により測定することができる。なお、上記のように封着材料層の表面粗さRa、RMSを規制する方法としては、封着材料層の表面を研磨処理する方法、耐火性フィラー粉末の粒度を小さくする方法が挙げられる。
封着材料層は、種々の方法により形成可能であるが、その中でも、複合粉末ペーストの塗布、焼結により形成することが好ましい。そして、複合粉末ペーストの塗布は、ディスペンサーやスクリーン印刷機等の塗布機を用いることが好ましい。このようにすれば、封着材料層の寸法精度を高めることができる。ここで、複合粉末ペーストは、複合粉末とビークルの混合物である。そして、ビークルは、通常、溶媒と樹脂を含む。樹脂は、ペーストの粘性を調整する目的で添加される。また、必要に応じて、界面活性剤、増粘剤等を添加することもできる。
複合粉末ペーストは、通常、三本ローラー等により、複合粉末とビークルを混練することにより作製される。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、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、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。
複合粉末ペーストは、パッケージ基体上、特にパッケージ基体の枠部の頂部上に塗布してもよいが、カバーガラスの外周端縁に沿って、額縁状に塗布することが好ましい。このようにすれば、パッケージ基体への封着材料層の焼き付けが不要になり、MEMS素子等の内部素子の熱劣化を抑制することができる。
カバーガラスとして、種々のガラスが使用可能である。例えば、無アルカリガラス、アルカリホウケイ酸ガラス、ソーダ石灰ガラスが使用可能である。なお、カバーガラスは、複数枚のガラス板を貼り合わせた積層ガラスであってもよい。
カバーガラスの内部素子側の表面に機能膜を形成してもよく、カバーガラスの外側の表面に機能膜を形成してもよい。特に機能膜として反射防止膜が好ましい。これにより、カバーガラスの表面で反射する光を低減することができる。
カバーガラスの厚みは、好ましくは0.1mm以上、0.15~2.0mm、特に0.2~1.0mmである。カバーガラスの厚みが小さいと、気密パッケージの強度が低下し易くなる。一方、カバーガラスの厚みが大きいと、気密パッケージの薄型化を図り難くなる。
カバーガラスと封着材料層の熱膨張係数差は50×10-7/℃未満、40×10-7/℃未満、特に30×10-7/℃以下が好ましい。この熱膨張係数差が大き過ぎると、封着部分に残留する応力が不当に高くなり、気密パッケージの気密信頼性が低下し易くなる。
封着材料層は、カバーガラスの端縁に沿って、カバーガラスの端縁から50μm以上、60μm以上、70~1500μm、特に80~800μm離間するように形成されていることが好ましい。カバーガラスの端縁と封着材料層の離間距離が短過ぎると、レーザー封着の際に、カバーガラスの端縁領域において、カバーガラスの内部素子側の表面と外側の表面の表面温度差が大きくなり、カバーガラスが破損し易くなる。
本発明の気密パッケージは、パッケージ基体とカバーガラスとが封着材料層を介して気密封着された気密パッケージにおいて、封着材料層が、下記の(1)~(6)の何れかの関係を満たすことを特徴とする。(1)封着材料層の中心線長さが150mm以上である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.20%以上、(2)封着材料層の中心線長さが100mm以上、且つ150mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.30%以上、(3)封着材料層の中心線長さが75mm以上、且つ100mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.35%以上、(4)封着材料層の中心線長さが50mm以上、且つ75mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.40%以上、(5)封着材料層の中心線長さが25mm以上、且つ50mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.60%以上、(6)封着材料層の中心線長さが25mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.90%以上。本発明の気密パッケージの技術的特徴の一部は、本発明の気密パッケージ用カバーガラスの説明欄に既に記載済みであり、その重複部分については、便宜上、詳細な説明を省略する。
本発明の気密パッケージにおいて、パッケージ基体は、基部と基部上に設けられた枠部とを有することが好ましい。このようにすれば、パッケージ基体の枠部内に内部素子を収容し易くなる。パッケージ基体の枠部は、パッケージ基体の外周に額縁状に形成されていることが好ましい。このようにすれば、デバイスとして機能する有効面積を拡大することができる。また気密パッケージ内の空間に内部素子を収容し易くなり、且つ配線接合等も行い易くなる。
枠部の頂部における封着材料層が配される領域の表面の表面粗さRaは1.0μm未満であることが好ましい。この表面の表面粗さRaが大きくなると、レーザー封着精度が低下し易くなる。
枠部の頂部の幅は、好ましくは100~3000μm、200~1500μm、特に300~900μmである。枠部の頂部の幅が狭過ぎると、封着材料層と枠部の頂部との位置合わせが困難になる。一方、枠部の頂部の幅が広過ぎると、デバイスとして機能する有効面積が小さくなる。
封着材料層は、枠部との接触位置が枠部の頂部の内側端縁から離間するように形成されると共に、枠部の頂部の外側端縁から離間するように形成することが好ましく、枠部の頂部の内側端縁から50μm以上、60μm以上、70~2000μm、特に80~1000μm離間した位置に形成されることが更に好ましい。枠部の頂部の内側端縁と封着材料層の離間距離が短過ぎると、レーザー封着の際に、局所加熱で発生した熱が逃げ難くなるため、冷却過程でカバーガラスが破損し易くなる。一方、枠部の頂部の内側端縁と封着材料層の離間距離が長過ぎると、気密パッケージの小型化が困難になる。また枠部の頂部の外側端縁から50μm以上、60μm以上、70~2000μm、特に80~1000μm離間した位置に形成されていることが好ましい。枠部の頂部の外側端縁と封着材料層の離間距離が短過ぎると、レーザー封着の際に、局所加熱で発生した熱が逃げ難くなるため、冷却過程でカバーガラスが破損し易くなる。一方、枠部の頂部の外側端縁と封着材料層の離間距離が長過ぎると、気密パッケージの小型化が困難になる
パッケージ基体の基部の厚みは0.1~2.5mm、特に0.2~1.5mmが好ましい。これにより、気密パッケージの薄型化を図ることができる。
パッケージ基体の枠部の高さ、つまりパッケージ基体から基部の厚みを引いた高さは、好ましくは100~2000μm、特に200~900μmである。このようにすれば、内部素子を適正に収容しつつ、気密パッケージの薄型化を図り易くなる。
パッケージ基体は、ガラス、ガラスセラミック、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムの何れか、或いはこれらの複合材料(例えば、窒化アルミニウムとガラスセラミックを一体化したもの)であることが好ましい。ガラスセラミックは、封着材料層と反応層を形成し易いため、レーザー封着で強固な封着強度を確保することができる。更にサーマルビアを容易に形成し得るため、気密パッケージが過度に温度上昇する事態を適正に防止することができる。窒化アルミニウムと酸化アルミニウムは、放熱性が良好であるため、気密パッケージが過度に温度上昇する事態を適正に防止することができる。
ガラスセラミック、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムは、黒色顔料が分散されている(黒色顔料が分散された状態で焼結されてなる)ことが好ましい。このようにすれば、パッケージ基体が、封着材料層を透過したレーザー光を吸収することができる。その結果、レーザー封着の際にパッケージ基体の封着材料層と接触する箇所が加熱されるため、封着材料層とパッケージ基体の界面で反応層の形成を促進することができる。
本発明の気密パッケージを製造する方法としては、カバーガラス側から封着材料層に向けてレーザー光を照射し、封着材料層を軟化変形させることにより、パッケージ基体とカバーガラスとを気密一体化して、気密パッケージを得ることが好ましい。この場合、カバーガラスをパッケージ基体の下方に配置してもよいが、レーザー封着効率の観点から、カバーガラスをパッケージ基体の上方に配置することが好ましい。
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、近赤外半導体レーザーは、取扱いが容易な点で好ましい。
レーザー封着を行う雰囲気は特に限定されず、大気雰囲気でもよく、窒素雰囲気等の不活性雰囲気でもよい。
レーザー封着を行う際に、100℃以上、且つ内部素子の耐熱温度以下の温度でカバーガラスを予備加熱すると、レーザー封着の際にサーマルショックによるカバーガラスの破損を抑制し易くなる。またレーザー封着直後に、カバーガラス側からアニールレーザーを照射すると、サーマルショックや残留応力によるカバーガラスの破損を更に抑制し易くなる。
カバーガラスを押圧した状態でレーザー封着を行うことが好ましい。これにより、レーザー封着の際に封着材料層の軟化変形を促進することができる。
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。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、本発明の実施例(試料No.1~7)を示している。表2は、比較例(試料No.8~14)を示している。
最初に、ガラス組成として、モル%で、Bi2O3 39%、B2O3 23.7%、ZnO 14.1%、Al2O3 2.7%、CuO 20%、Fe2O3 0.6%を含有するように、各種酸化物、炭酸塩等の原料を調合したガラスバッチを準備し、これを白金坩堝に入れて1200℃で2時間溶融した。次に、得られた溶融ガラスを水冷ローラーにより薄片状に成形した。最後に、薄片状のビスマス系ガラスをボールミルにて粉砕後、空気分級してビスマス系ガラス粉末を得た。
更に、ビスマス系ガラス粉末を72.5体積%、耐火性フィラー粉末を27.5体積%の割合で混合して、複合粉末を作製した。ここで、ビスマス系ガラス粉末の平均粒径D50を1.0μm、99%粒径D99を2.5μmとし、耐火性フィラー粉末の平均粒径D50を1.0μm、99%粒径D99を2.5μmとした。なお、耐火性フィラー粉末はβ-ユークリプタイトである。
得られた複合粉末につき、熱膨張係数を測定したところ、その熱膨張係数は、71×10-7/℃であった。なお、熱膨張係数は、押棒式TMA装置で測定したものであり、その測定温度範囲は30~300℃である。
また、ホウケイ酸ガラスからなるカバーガラス(日本電気硝子社製BDA、厚み0.3mm)の外周端縁に沿って、上記複合粉末を用いて額縁状の封着材料層を形成した。詳述すると、まず粘度が約100Pa・s(25℃、Shear rate:4)になるように、上記の複合粉末、ビークル及び溶剤を混練した後、更に三本ロールミルで粉末が均一に分散するまで混錬して、ペースト化し、複合粉末ペーストを得た。ビークルにはトリプロピレングリコールモノブチルエーテルにエチルセルロース樹脂を溶解させたものを使用した。次に、カバーガラスの外周端縁から100μm離間した位置に、外周端縁に沿って、スクリーン印刷機により上記の複合粉末ペーストを額縁状に印刷した。更に、大気雰囲気下にて、120℃で10分間乾燥した後、大気雰囲気下にて、500℃で10分間焼成(室温からの昇温速度5℃/分、室温までの降温速度5℃/分)することにより、表1に記載の寸法を有する封着材料層をカバーガラス上に形成した。
次に、略矩形の基部と、基部の外周に沿って設けられた略額縁状の枠部と、を有するパッケージ基体を作製した。詳述すると、カバーガラスと同様の縦横寸法を有し、更に枠部の幅2.5mm、枠部の高さ2.5mm、基部の厚み1.0mmの寸法を有するパッケージ基体が得られるように、グリーンシート(日本電気硝子社製MLB-26B)を積層、圧着した後、870℃で20分間焼成し、ガラスセラミックからなるパッケージ基体を得た。
最後に、封着材料層を介して、パッケージ基体とカバーガラスを積層配置した。その後、押圧治具を用いてカバーガラスを押圧しながら、カバーガラス側から封着材料層に向けて、波長808nmの半導体レーザーを照射速度15mm/秒で照射して、封着材料層を軟化変形させることにより、パッケージ基体とカバーガラスとを気密一体化して、気密パッケージを得た。なお、レーザー封着後の封着材料層の平均幅は、レーザー封着前の封着材料層の平均幅の120%になるように、レーザー照射径と出力を調整した。
次に、得られた気密パッケージについて、気密信頼性を評価した。詳述すると、得られた気密パッケージに対して、高温高湿高圧試験(温度85℃、相対湿度85%、1000時間)を行った後、封着材料層の近傍を観察したところ、カバーガラスにクラック、破損等が全く認められなかったものを「○」、カバーガラスにクラック、破損等が認められたものを「×」として気密信頼性を評価した。
表1から分かるように、試料No.1~7は、封着材料層の寸法が所定範囲内に規制されているため、気密信頼性の評価が良好であった。一方、表2から分かるように、試料No.8~14は、封着材料層の寸法が所定範囲外であるため、気密信頼性の評価が不良であった。
本発明の気密パッケージは、MEMS(微小電気機械システム)素子等の内部素子が実装された気密パッケージに好適であるが、それ以外にも圧電振動素子や樹脂中に量子ドットを分散させた波長変換素子等を収容する気密パッケージ等にも好適に適用可能である。
Claims (8)
- 一方の表面上に封着材料層を有する気密パッケージ用カバーガラスであって、封着材料層が、下記の(1)~(6)の何れかの関係を満たすことを特徴とする気密パッケージ用カバーガラス。
(1)封着材料層の中心線長さが150mm以上である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.20%以上、
(2)封着材料層の中心線長さが100mm以上、且つ150mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.30%以上、
(3)封着材料層の中心線長さが75mm以上、且つ100mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.35%以上、
(4)封着材料層の中心線長さが50mm以上、且つ75mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.40%以上、
(5)封着材料層の中心線長さが25mm以上、且つ50mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.60%以上、
(6)封着材料層の中心線長さが25mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.90%以上。 - 一方の表面上に封着材料層を有する気密パッケージ用カバーガラスであって、封着材料層が、(封着材料層の平均幅)≧{0.0017×(封着材料層の中心線長さ)+0.1593}の関係を満たすことを特徴とする気密パッケージ用カバーガラス。
- 一方の表面の外周端縁に沿って、額縁形状の封着材料層を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の気密パッケージ用カバーガラス。
- 封着材料層の平均厚みが8.0μm未満であることを特徴とする請求項1~3の何れかに記載の気密パッケージ用カバーガラス。
- パッケージ基体とカバーガラスとが封着材料層を介して気密封着された気密パッケージにおいて、封着材料層が、下記の(1)~(6)の何れかの関係を満たすことを特徴とする気密パッケージ。
(1)封着材料層の中心線長さが150mm以上である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.20%以上、
(2)封着材料層の中心線長さが100mm以上、且つ150mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.30%以上、
(3)封着材料層の中心線長さが75mm以上、且つ100mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.35%以上、
(4)封着材料層の中心線長さが50mm以上、且つ75mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.40%以上、
(5)封着材料層の中心線長さが25mm以上、且つ50mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.60%以上、
(6)封着材料層の中心線長さが25mm未満である場合、封着材料層の平均幅が封着材料層の中心線長さの0.90%以上。 - パッケージ基体とカバーガラスとが封着材料層を介して気密封着された気密パッケージにおいて、封着材料層が、(封着材料層の平均幅)≧{0.0017×(封着材料層の中心線長さ)+0.1593}の関係を満たすことを特徴とする気密パッケージ。
- パッケージ基体が、基部と基部上に設けられた枠部とを有し、
パッケージ基体の枠部内に、内部素子が収容されており、
パッケージ基体の枠部の頂部とカバーガラスの間に封着材料層が配されていることを特徴とする請求項5又は6に記載の気密パッケージ。 - パッケージ基体が、ガラス、ガラスセラミック、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムの何れか、或いはこれらの複合材料であることを特徴とする請求項4~6の何れかに記載の気密パッケージ。
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