WO2019013009A1 - 封着材料層付きパッケージ基体の製造方法及び気密パッケージの製造方法 - Google Patents

封着材料層付きパッケージ基体の製造方法及び気密パッケージの製造方法 Download PDF

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WO2019013009A1
WO2019013009A1 PCT/JP2018/024616 JP2018024616W WO2019013009A1 WO 2019013009 A1 WO2019013009 A1 WO 2019013009A1 JP 2018024616 W JP2018024616 W JP 2018024616W WO 2019013009 A1 WO2019013009 A1 WO 2019013009A1
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WO
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sealing material
material layer
package
glass
laser
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Application number
PCT/JP2018/024616
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English (en)
French (fr)
Inventor
将行 廣瀬
Original Assignee
日本電気硝子株式会社
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C8/00—Enamels; Glazes; Fusion seal compositions being frit compositions having non-frit additions
    • C03C8/24—Fusion seal compositions being frit compositions having non-frit additions, i.e. for use as seals between dissimilar materials, e.g. glass and metal; Glass solders
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/02—Containers; Seals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/02—Containers; Seals
    • H01L23/10—Containers; Seals characterised by the material or arrangement of seals between parts, e.g. between cap and base of the container or between leads and walls of the container

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a package substrate with a sealing material layer and a method of manufacturing an airtight package.
  • the hermetic package generally includes a package base having a base and a frame provided on the base, a glass lid having light transparency, and an internal element housed in an inner space surrounded by them. Have.
  • An internal element such as a MEMS (micro-electro-mechanical system) element mounted inside the hermetic package may be deteriorated by moisture intruding from the surrounding environment.
  • MEMS micro-electro-mechanical system
  • an organic resin adhesive having a low temperature curing property has been used to integrate the package base and the glass lid.
  • the organic resin-based adhesive can not completely shield moisture and gas, the internal element may be deteriorated with time.
  • the sealing portion is less likely to be deteriorated by the moisture of the surrounding environment, and the airtight reliability of the airtight package can be easily secured.
  • the glass powder has a softening temperature higher than that of the organic resin adhesive, there is a possibility that the internal element may be thermally deteriorated at the time of sealing. From such a situation, in recent years, laser sealing has attracted attention.
  • the sealing material layer is softened and deformed, and the glass lid and the package substrate are airtightly integrated.
  • the laser sealing it is possible to locally heat only the portion to be sealed, and the package base and the glass lid can be airtightly integrated without thermally deteriorating the internal element.
  • JP 2014-224006 Japanese Patent Application Publication No. 2014-177356
  • a sealing material layer is formed on the glass lid side, but a sealing material layer is not formed on the package substrate side.
  • the sealing material layer is formed in advance on the top of the frame of the package base by electric furnace firing, the internal elements housed in the frame of the package base are thermally degraded.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and the technical object thereof is a method of effectively securing sealing strength at the interface between a package base and a sealing material layer while preventing thermal deterioration of internal elements. To provide.
  • the present inventor has found that the above problem can be solved by using a sealing material paste having a low resin ratio and sintering a dried film by laser light irradiation. That is, in the method of manufacturing a package base having a sealing material layer according to the present invention, a process of preparing a package base having a base and a frame provided on the base, kneading a sealing material and a vehicle, A process of producing a sealing material paste having a content of less than 0.6% by mass, a process of applying the sealing material paste on the top of the frame portion of the package base and drying to produce a dry film, and a dry film And a step of sintering the dried film by irradiating a laser beam to obtain a sealing material layer.
  • the sealing material paste is applied and dried to obtain a dried film. It is characterized by producing.
  • the dried film is sintered by the irradiation of the laser beam, the energy loss due to the heat of decomposition of the resin is reduced, so that it is possible to use the laser beam of low output.
  • thermal deterioration of the internal element can be suppressed.
  • the resin is less likely to remain in the sealing material layer. As a result, at the time of laser sealing, re-decomposition of resin in the sealing material layer is less likely to occur, and it is possible to prevent flow failure and foaming of the sealing material layer.
  • the dried film is sintered by irradiating the dried film with a laser beam, and the sealing is made to have an average thickness of 1.0 to 10.0 ⁇ m. It is preferable to obtain a material layer.
  • the absorptivity of monochromatic light having a wavelength of 808 nm of the sealing material layer is preferably 5 to 50% per 1 ⁇ m thickness.
  • the method further comprises the step of housing the internal element in the frame of the package base before forming the dry film on the top of the frame of the package base. preferable.
  • the package base is preferably any of glass ceramic, aluminum nitride, aluminum oxide, or a composite material of these.
  • a process of preparing a package substrate with a sealing material layer by the method of producing a package substrate with a sealing material layer, a process of preparing a glass lid, and a sealing material A step of laminating and arranging the package base and the glass lid through the layers, and irradiating the laser light from the glass lid side to soften and deform the sealing material layer, the glass lid and the package base are airtightly integrated to form an airtight package.
  • the method comprises the steps of
  • the method for manufacturing a package base having a sealing material layer of the present invention comprises the step of preparing a package base having a base and a frame provided on the base.
  • a package base having a base and a frame provided on the base can house internal elements within the frame.
  • 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 functioning as a device can be expanded.
  • the internal element can be easily accommodated in the space in the hermetic package, and the wiring connection can be easily performed.
  • the width of the top of the frame is preferably 100 to 3000 ⁇ m, 200 to 1500 ⁇ m, in particular 300 to 900 ⁇ m.
  • the width of the top of the frame is too narrow, it becomes difficult to form the sealing material layer on the top of the frame.
  • the width of the top of the frame is too wide, the effective area to function as a device decreases.
  • the height of the frame of the package base ie the height of the package base minus the thickness of the base, is preferably 100 to 3000 ⁇ m, in particular 200 to 2500 ⁇ m. In this way, it is easy to reduce the thickness of the hermetic package while properly accommodating the internal elements.
  • the thickness of the base of the package substrate is preferably 0.1 to 4.5 mm, particularly 0.2 to 3.5 mm. Thus, the airtight package can be thinned.
  • the package substrate is preferably glass, glass ceramic, aluminum nitride, aluminum oxide, or a composite material of these (for example, an integrated product of aluminum nitride and glass ceramic).
  • the glass ceramic can easily form the sealing material layer and the reaction layer, so that strong sealing strength can be secured at the interface between the package base and the sealing material layer.
  • the thermal via can be easily formed, it is possible to properly prevent the temperature rise of the hermetic package from being excessive. Since aluminum nitride and aluminum oxide have good heat dissipation, it is possible to appropriately prevent the temperature rise of the hermetic package excessively.
  • the package substrate can absorb the laser light transmitted through the sealing material layer.
  • the portion of the package base in contact with the sealing material layer is heated, so that the formation of a reaction layer can be promoted at the interface between the sealing material layer and the package base.
  • the method for producing a package base with a sealing material layer of the present invention has a step of kneading a sealing material and a vehicle to produce a sealing material paste having a resin amount of less than 0.6% by mass.
  • the sealing material is generally a composite material powder containing a glass powder and a refractory filler powder, and if necessary, a laser absorber such as a color pigment may be added.
  • the sealing material is a material that softens and flows during laser sealing to airtightly integrate the package base and the glass lid.
  • the vehicle generally refers to a mixture of resin and solvent, ie a viscous solution in which the resin is dissolved, for dispersing the sealing material and uniformly applying the sealing material paste on top of the frame of the package substrate. It is a material. In addition, surfactants, thickeners, etc. may be added to the vehicle as needed.
  • a composite powder containing a bismuth-based glass powder and a refractory filler powder from the viewpoint of enhancing the laser sealing strength. It is preferable to use a composite powder containing 55 to 100% by volume of bismuth based glass powder and 0 to 45% by volume of refractory filler powder as a composite powder, and 60 to 95% by volume of bismuth based glass powder and 5 to 40%. It is further preferred to use a composite powder containing a volume percent refractory filler powder, and in particular to use a composite powder containing 60 to 85 volume percent bismuth-based glass powder and 15 to 40 volume percent refractory filler powder. preferable.
  • the addition of the refractory filler powder facilitates matching the thermal expansion coefficient of the sealing material layer to the thermal expansion coefficients of the glass lid and the package substrate. As a result, it becomes easy to prevent the situation in which an excessive stress remains in the sealing portion after the laser sealing. On the other hand, if the content of the refractory filler powder is too large, the content of the bismuth-based glass powder relatively decreases, so the surface smoothness of the sealing material layer is reduced and the laser sealing accuracy is easily reduced. Become.
  • the softening point of the sealing material is preferably 510 ° C. or less, 480 ° C. or less, in particular 450 ° C. or less. If the softening point of the sealing material is too high, it will be difficult to improve the surface smoothness of the sealing material layer.
  • the lower limit of the softening point of the sealing material is not particularly set, but in consideration of the thermal stability of the glass powder, the softening point of the sealing material is preferably 350 ° C. or more.
  • the "softening point" corresponds to the fourth inflection point when measured by the macro DTA apparatus.
  • 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%, CuO + MnO (CuO and the total amount of MnO) 1 ⁇ 40% It is preferable to contain The reason which limited the content range of each component as mentioned above is demonstrated below. In addition, in description of a glass composition range,% indication refers to mol%.
  • Bi 2 O 3 is a main component to lower the softening point.
  • the content of Bi 2 O 3 is preferably 28 to 60%, 33 to 55%, in particular 35 to 45%. If the content of Bi 2 O 3 is too low, the softening point becomes too high, and the softening flowability tends to be reduced. On the other hand, when the content of Bi 2 O 3 is too large, the glass is likely to be devitrified at the time of laser sealing, and due to the devitrification, the softening flowability is easily reduced.
  • 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%, in particular 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 tends to be devitrified at the time of laser sealing. On the other hand, when the content of B 2 O 3 is too large, the viscosity of the glass becomes high, and the softening flowability tends to be reduced.
  • ZnO is a component that enhances the devitrification resistance.
  • the content of ZnO is preferably 0 to 30%, 3 to 25%, 5 to 22%, in particular 5 to 20%. When the content of ZnO is too large, the component balance of the glass composition is broken, and the devitrification resistance tends to be reduced.
  • CuO and MnO are components that greatly enhance the laser absorption capacity.
  • the total amount of CuO and MnO is preferably 1 to 40%, 3 to 35%, 10 to 30%, especially 15 to 30%.
  • the total amount of CuO and MnO is too small, the laser absorptivity tends to be reduced.
  • 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 the laser light is irradiated. In addition, the glass becomes thermally unstable, and the glass tends to be devitrified at the time of laser sealing.
  • the content of CuO is preferably 1 to 30%, particularly 10 to 25%.
  • the content of MnO is preferably 0 to 25%, 1 to 25%, in particular 3 to 15%.
  • SiO 2 is a component that enhances water resistance.
  • the content of SiO 2 is preferably 0 to 5%, 0 to 3%, 0 to 2%, in particular 0 to 1%. If the content of SiO 2 is too large, the softening point may be unduly increased. In addition, the glass tends to be devitrified during laser sealing.
  • Al 2 O 3 is a component that enhances water resistance.
  • the content of Al 2 O 3 is preferably 0 to 10%, 0.1 to 5%, especially 0.5 to 3%. If the content of Al 2 O 3 is too large, the softening point may be unduly increased.
  • Li 2 O, Na 2 O and K 2 O are components that reduce the devitrification resistance. Therefore, the content of Li 2 O, Na 2 O and K 2 O is preferably 0 to 5%, 0 to 3%, particularly 0 to less than 1%.
  • MgO, CaO, SrO and BaO are components that enhance the devitrification resistance, but are components that increase the softening point. Therefore, the content of MgO, CaO, SrO and BaO is preferably 0 to 20%, 0 to 10%, particularly 0 to 5%.
  • Fe 2 O 3 is a component that enhances the devitrification resistance and the laser absorption capacity.
  • the content of Fe 2 O 3 is preferably 0 to 10%, 0.1 to 5%, in particular 0.4 to 2%. When the content of Fe 2 O 3 is too large, the component balance of the glass composition is lost and the devitrification resistance tends to be reduced.
  • Sb 2 O 3 is a component that enhances the devitrification resistance.
  • the content of Sb 2 O 3 is preferably 0 to 5%, in particular 0 to 2%. When the content of Sb 2 O 3 is too large, the component balance of the glass composition is lost, and the devitrification resistance tends to decrease.
  • the average particle size 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.
  • the refractory filler powder is preferably one or more selected from cordierite, zircon, tin oxide, niobium oxide, zirconium phosphate ceramic, willemite, ⁇ -eucryptite and ⁇ -quartz solid solution, particularly preferably ⁇ - Eucryptite or cordierite is preferred.
  • these refractory filler powders have high mechanical strength and good compatibility with bismuth-based glasses.
  • the average particle size D 50 of the refractory filler powder is preferably less than 2 ⁇ m, in particular greater than or equal to 0.1 ⁇ m and less than 1.5 ⁇ m. If the average particle diameter D 50 of the refractory filler powder is too large, the surface smoothness of the sealing material layer is likely to be reduced and the average thickness of the sealing material layer is likely to be large. As a result, the laser sealing accuracy is It becomes easy to fall.
  • the 99% particle size D 99 of the refractory filler powder is preferably less than 5 ⁇ m, 4 ⁇ m or less, in particular 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 is likely to be reduced, and the average thickness of the sealing material layer is likely to be large. Tends to decrease.
  • “99% particle size D 99 ” refers to a value measured on a volume basis by a laser diffraction method.
  • the sealing material may further contain a laser absorber in order to enhance the light absorption characteristics, but the laser absorber has an action to promote the 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, 0.5% by volume or less, particularly preferably substantially not contained. If the devitrification resistance of the bismuth-based glass is good, the laser absorbing material may be introduced in an amount of 1% by volume or more, in particular 3% by volume or more, in order to enhance the laser absorbing ability.
  • the laser absorber Cu-based oxides, Fe-based oxides, Cr-based oxides, Mn-based oxides, spinel-type composite oxides of these, and the like can be used.
  • the thermal expansion coefficient of the sealing material is preferably 55 ⁇ 10 ⁇ 7 to 110 ⁇ 10 ⁇ 7 / ° C., 60 ⁇ 10 ⁇ 7 to 105 ⁇ 10 ⁇ 7 / ° C., in particular 65 ⁇ 10 ⁇ 7 to 100 ⁇ 10 ⁇ It is 7 / ° C.
  • the “thermal expansion coefficient” is a value measured by a TMA (push rod type thermal expansion coefficient measurement) device in a temperature range of 30 to 300 ° C.
  • the sealing material paste is usually prepared by kneading the sealing material and the vehicle by a triple roller or the like.
  • the vehicle as described above, usually comprises a resin and a solvent.
  • the resin is added for the purpose of adjusting the viscosity of the paste.
  • a high molecular weight resin for example, a resin having a molecular weight of more than 250, generates a large decomposition heat upon irradiation with a laser beam, which makes it difficult to sinter the dried film.
  • the amount of resin in the sealing material paste is less than 0.6% by mass, preferably 0.5% by mass or less, 0.4% by mass or less, 0.3% by mass or less, 0.2% by mass or less, particularly 0 Less than 1% by mass. If the amount of resin in the sealing material paste is too large, energy loss due to decomposition heat of the resin increases when sintering the dried film by laser light irradiation, so it is not possible to use low-power laser light It will be possible. As a result, the internal elements are susceptible to thermal degradation. Furthermore, when the dried film is sintered by laser light irradiation, the resin tends to remain in the sealing material layer. As a result, at the time of laser sealing, re-decomposition of the resin occurs in the sealing material layer, and flow defects and foaming easily occur in the sealing material layer.
  • a vehicle substantially free of resin a vehicle having a resin amount of less than 0.1% by mass.
  • acrylic acid ester acrylic resin
  • ethyl cellulose polyethylene glycol derivative
  • nitrocellulose polymethyl styrene
  • polyethylene carbonate polypropylene carbonate
  • methacrylic acid ester etc.
  • N, N'-dimethylformamide (DMF), ⁇ -terpineol, higher alcohol, ⁇ -butyl lactone ( ⁇ -BL), tetralin, terpene, 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 sulfone De (DMSO), N-methyl-2-pyrrolidone and the like can be used.
  • the method for manufacturing a package base with a sealing material layer according to the present invention preferably includes the step of containing the internal element in the frame of the package base before forming the dry film on the top of the frame of the package base. In this way, the manufacturing efficiency of the hermetic package can be enhanced.
  • the method for producing a package base with a sealing material layer of the present invention comprises the steps of applying a sealing material paste onto the top of the frame of the package base and drying it to produce a dried film. It is preferable to use coating machines, such as a dispenser and a screen printer, for application
  • the drying of the coating film is preferably higher than the lower limit temperature at which the solvent in the sealing material paste evaporates, and lower than the upper temperature limit of the internal element.
  • the method for producing a package base having a sealing material layer of the present invention comprises the step of irradiating the dried film with a laser beam to sinter the dried film to obtain a sealing material layer.
  • Various lasers can be used as a laser for irradiating the dried film.
  • near infrared semiconductor lasers are preferable in terms of easy handling.
  • the beam diameter of the laser is preferably larger than the width of the dry film in order to make the sintering state uniform.
  • the external atmosphere at the time of laser beam irradiation is not particularly limited, and may be an air atmosphere or an inert atmosphere such as a nitrogen atmosphere.
  • the laser light When the laser light is irradiated, it is preferable to preheat the package substrate at a temperature of 100 ° C. or more and a heat resistance temperature of the internal element or less. As a result, the temperature difference between the inner and outer surfaces of the dry film is reduced, and the surface state of the sealing material layer is likely to be uniform and smooth.
  • the scanning of the laser onto the dry film may be performed at a constant speed, or the speed may be changed in any area.
  • the sealing material layer is preferably formed such that the contact position with the frame is separated from the inner edge of the top of the frame and is separated from the outer edge of the top of the frame, More preferably, they are formed at a distance of 50 ⁇ m or more, 60 ⁇ m or more, 70 to 2000 ⁇ m, particularly 80 to 1000 ⁇ m 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, so the glass cover is likely to be damaged during the cooling process. . On the other hand, if the distance between the inner edge of the top of the frame and the sealing material layer is too long, it becomes difficult to miniaturize the hermetic package.
  • it is preferably formed at a position separated by 50 ⁇ m or more, 60 ⁇ m or more, 70 to 2000 ⁇ m, particularly 80 to 1000 ⁇ m from the outer edge of the top of the frame. 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 the local heating becomes difficult to escape during laser sealing, so the glass cover is 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 becomes difficult to miniaturize the hermetic package.
  • the surface roughness Ra of the surface of the sealing material layer is preferably less than 0.5 ⁇ m, 0.2 ⁇ m or less, in particular 0.01 to 0.15 ⁇ m. Further, the surface roughness RMS of the sealing material layer is preferably less than 1.0 ⁇ m, and not more than 0.5 ⁇ m, and particularly 0.05 to 0.3 ⁇ m. In this way, the laser sealing accuracy is improved.
  • “surface roughness Ra” and “surface roughness RMS” can be measured, for example, by a stylus type or non-contact type laser film thickness meter or surface roughness meter.
  • the average thickness of the sealing material layer is preferably 10.0 ⁇ m or less, in particular 1.0 ⁇ m or more and less than 6.0 ⁇ m. As the average thickness of the sealing material layer is smaller, the stress remaining in the sealing portion after the laser sealing can be reduced when the thermal expansion coefficients of the sealing material layer and the glass lid are mismatched. It is also possible to improve the laser sealing accuracy.
  • a method of regulating the average thickness of the sealing material layer as described above a method of applying a thin sealing material paste and a method of polishing the surface of the sealing material layer may be mentioned.
  • the absorptivity (thickness direction) of monochromatic light with a wavelength of 808 nm of the sealing material layer is preferably 20 to 90%, particularly 30 to 60%.
  • the absorptivity of monochromatic light with a wavelength of 808 nm of the sealing material layer is preferably 5 to 50%, particularly 7 to 30%, per 1 ⁇ m thickness.
  • the light absorptivity with monochromatic light of wavelength 808 nm refers to a value obtained by measuring the reflectance and the transmittance with a spectrophotometer and subtracting the total value from 100%.
  • the method for producing an airtight package comprises the steps of preparing a package substrate with a sealing material layer, preparing a glass lid, and a sealing material layer according to the method of producing a package substrate with a sealing material layer described above.
  • the step of laminating and arranging the package base and the glass lid, and irradiating the laser light from the glass lid side to soften and deform the sealing material layer, the glass lid and the package base are airtightly integrated to obtain an airtight package. It is preferable to provide the process of
  • Various glasses can be used as the glass lid.
  • alkali-free glass borosilicate glass, soda lime glass can be used.
  • the thickness of the glass lid is preferably 0.01 to 2.0 mm, 0.1 to 1 mm, and particularly 0.2 to 0.7 mm. Thus, the airtight package can be thinned.
  • a functional film may be formed on the surface on the inner element side of the glass lid, or may be formed on the outer surface of the glass lid.
  • an antireflective film is preferable as the functional film. Thereby, the light reflected by the surface of a glass lid can be reduced.
  • the manufacturing method of the airtight package of the present invention includes the step of laminating and arranging the package base and the glass lid through the sealing material layer.
  • the glass lid may be disposed below the package substrate, it is preferable to dispose the glass lid above the package substrate from the viewpoint of the efficiency of laser sealing.
  • a sealing material layer is preferably formed on the surface of the glass lid, in which case the center lines of the sealing material layer formed on the package substrate and the sealing material layer formed on the glass lid overlap with each other.
  • the package base and the glass lid are stacked.
  • the sealing pattern of the sealing material layer formed on the glass lid is preferably substantially the same as the sealing pattern of the sealing material layer formed on the top of the frame portion of the package base. In this way, the laser sealing accuracy and the laser sealing strength can be simultaneously enhanced.
  • the method for manufacturing an airtight package of the present invention comprises the step of airtightly integrating the glass lid and the package base by irradiating the laser light from the glass lid side to soften and deform the sealing material layer to obtain an airtight package.
  • the atmosphere in which the laser sealing is performed is not particularly limited, and may be an air atmosphere or an inert atmosphere such as a nitrogen atmosphere.
  • the glass lid When performing laser sealing, if the glass lid is preheated at a temperature of (100 ° C. or more and the heat-resistant temperature of the internal element), cracking of the glass lid due to thermal shock can be suppressed. Further, immediately after the laser sealing, when the annealing laser is irradiated from the glass lid side, it is possible to suppress the breakage of the glass lid due to the thermal shock.
  • the package substrate When performing laser sealing, if the package substrate is preheated at a temperature of (100 ° C. or more and the heat-resistant temperature of the internal element), the heat conduction to the package substrate side can be inhibited at the time of laser sealing. Wearing can be performed efficiently.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining an embodiment of the present invention.
  • the hermetic package 1 includes a package base 10 and a glass lid 11.
  • the package base 10 has a base 12 and further has a frame 13 on the outer peripheral edge of the base 12. Further, the internal element 14 is accommodated in the frame portion 13 of the package base 10.
  • the sealing material layer 16 is formed on the top 15 of the frame 13, and the surface of the top 15 is polished in advance, and the surface roughness Ra is 0.15 ⁇ m or less. .
  • the width of the sealing material layer 16 is slightly smaller than the width of the frame 13.
  • the sealing material layer 16 is obtained by applying and drying a sealing material paste to produce a dried film, and then irradiating the dried film with a laser beam to sinter the dried film.
  • the sealing material paste has a resin content of less than 0.6% by mass, and is produced by kneading the sealing material and the vehicle with a three-roller or the like.
  • the sealing material contains a bismuth-based glass containing a transition metal oxide in the glass composition and a refractory filler powder.
  • an electrical wiring (not shown) for electrically connecting the internal element 14 and the outside is formed.
  • a sealing material layer 17 in the shape of a frame is formed on the surface of the glass lid 11.
  • the sealing material layer 17 is obtained by sintering the sealing material, and has substantially the same material configuration as the sealing material layer 16, and the sealing material is bismuth containing a transition metal oxide in the glass composition. It contains a system glass and a refractory filler powder.
  • the width of the sealing material layer 17 is substantially the same as the width of the sealing material layer 16. Furthermore, the thickness of the sealing material layer 17 is slightly smaller than the thickness of the sealing material layer 16.
  • the package base 10 and the glass lid 11 are disposed so as to be stacked such that the glass lid 11 is on the upper side and center lines in the width direction of the sealing material layer 16 and the sealing material layer 17 contact each other. Thereafter, the laser light L emitted from the laser irradiation device 18 is irradiated along the sealing material layer 16 and the sealing material layer 17 from the glass lid 11 side. Thereby, after the sealing material layer 16 and the sealing material layer 17 soften and flow, the package base 10 and the glass lid 11 are airtightly integrated, and the airtight structure of the airtight package 1 is formed.
  • Table 1 shows Examples of the present invention (Sample Nos. 1 to 4) and Comparative Examples (Sample Nos. 5 to 8).
  • a glass batch prepared by preparing raw materials such as various oxides and carbonates was prepared so as to obtain a desired glass composition, and this was put in a platinum crucible and melted at 1200 ° C. for 2 hours. Next, each obtained molten glass was shape
  • Sample No. The glass powders according to 1, 2, 5 and 6 have, as a glass composition, 39% Bi 2 O 3 , 23.7% B 2 O 3 , 14.1% ZnO, Al 2 O 3 2.7 by mol% %, CuO 20%, Fe 2 O 3 0.6%, Sample No.
  • the average particle size D 50 of the bismuth-based glass powder is 1.0 ⁇ m
  • the 99% particle size D 99 is 2.5 ⁇ m
  • the average particle size D 50 of the refractory filler powder is 1.0 ⁇ m
  • 99% particle size D 99 was 2.5 ⁇ m.
  • the refractory filler powder is ⁇ -eucryptite.
  • the thermal expansion coefficient of the obtained sealing material was measured, and the thermal expansion coefficient was 71 ⁇ 10 ⁇ 7 / ° C.
  • the thermal expansion coefficient is measured by a push rod type TMA device, and the measurement temperature range is 30 to 300 ° C.
  • the thickness of the package base (30 mm ⁇ 30 mm, frame height 3 mm, frame width 2 mm) made of alumina has a thickness in the table along the center line of the top of the frame And the sealing material layer of width 0.5 mm was formed.
  • the above sealing material and the vehicle are kneaded such that the viscosity is about 100 Pa ⁇ s (25 ° C., Shear rate: 4), and the mixture is further mixed with a three-roll mill until the powder is uniformly dispersed.
  • the paste was sintered to obtain a sealing material paste.
  • Sample No. In 1 and 3 a terpene solution was used as a vehicle.
  • Sample No. In 2 and 4 what dissolved ethyl cellulose resin in a terpene type solution was used as a vehicle.
  • Sample No. In 5 to 8 a vehicle obtained by dissolving ethyl cellulose resin in tripropylene glycol monobutyl ether was used as a vehicle.
  • the sealing material paste is printed by a screen printing machine so that the center line of the top of the frame portion of the package base and the center line in the width direction of the sealing material layer coincide with each other.
  • the dried film was formed on the top of the frame of the package substrate by drying at 10 ° C. for 10 minutes.
  • the package substrate is fixed with a jig so that the dry film is on the top, and the dry film is softened and deformed by irradiating it with a semiconductor laser having a wavelength of 808 nm at an irradiation speed of 8 mm / sec.
  • a sealing material layer was formed on the top of the frame of the package base.
  • a sealing material paste is applied in the same pattern as the sealing material layer formed on the package base on one surface of a 0.3mm thick, 29.8 mm ⁇ 29.8 mm borosilicate glass (BDA made by NEG). After drying at 100 ° C. for 10 minutes in an air atmosphere, firing was performed at 520 ° C. for 10 minutes in an electric furnace to produce a glass lid with a sealing material layer.
  • BDA 29.8 mm ⁇ 29.8 mm borosilicate glass
  • the package substrate and the glass lid were stacked and arranged such that the sealing material layer formed on the package substrate and the sealing material layer formed on the glass lid were in contact with each other.
  • a semiconductor laser with a wavelength of 808 nm is irradiated at an irradiation speed of 15 mm / sec toward the sealing material layer from the glass lid side to soften and deform the sealing material layer
  • the package substrate and the glass lid were airtightly integrated to obtain an airtight package.
  • the laser irradiation diameter and the laser output are such that the average width viewed from above the sealing material layer after laser sealing is 110% of the average width viewed from above the sealing material layer before laser sealing. Adjusted.
  • the airtightness reliability was evaluated about the obtained airtight package. More specifically, after the high temperature high humidity high pressure test (temperature 85 ° C., relative humidity 85%, 1000 hours) was performed on the obtained airtight package, the vicinity of the sealing material layer was observed, and it was found that The airtight reliability was evaluated by setting the thing in which a crack, breakage, etc. were recognized as "(circle)" and a crack, breakage, etc. were recognized as "x" in what a crack, breakage, etc. were not recognized at all. Sample No. As for 6 to 8, this evaluation was omitted because sintering of the sealing material layer was insufficient.
  • the airtight package manufactured by the manufacturing method of the present invention is suitable for an airtight package on which an internal element such as a MEMS (micro-electro-mechanical system) element is mounted. It is suitably applicable to an airtight package etc. which accommodates a wavelength conversion element etc. which distributed the above.
  • MEMS micro-electro-mechanical system

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Abstract

本発明の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法は、基部と基部上に設けられた枠部とを有するパッケージ基体を用意する工程と、封着材料とビークルを混練して、樹脂量が０．６質量％未満となる封着材料ペーストを作製する工程と、パッケージ基体の枠部の頂部上に、封着材料ペーストを塗布、乾燥し、乾燥膜を作製する工程と、乾燥膜にレーザー光を照射することにより、乾燥膜を焼結させて、封着材料層を得る工程と、を備えることを特徴とする。

Description

封着材料層付きパッケージ基体の製造方法及び気密パッケージの製造方法
本発明は、封着材料層付きパッケージ基体の製造方法及び気密パッケージの製造方法に関する。
　気密パッケージは、一般的に、基部と基部上に設けられた枠部とを有するパッケージ基体と、光透過性を有するガラス蓋と、それらで囲まれた内部空間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、パッケージ基体とガラス蓋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光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、ガラス蓋とパッケージ基体が気密一体化される。そして、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、パッケージ基体とガラス蓋とを気密一体化することができる。
特開２０１４－２２４００６ 特開２０１４－１７７３５６
　パッケージ基体とガラス蓋をレーザー封着する場合、通常、ガラス蓋側に封着材料層が形成されるが、パッケージ基体側には封着材料層が形成されない。
　しかし、パッケージ基体側に封着材料層を形成せず、ガラス蓋側に封着材料層を形成すると、レーザー封着の際に、パッケージ基体と封着材料層の界面で反応層が形成され難く、パッケージ基体と封着材料層の界面で封着強度を確保し難くなる。
　また、電気炉焼成により、パッケージ基体の枠部の頂部に予め封着材料層を形成すると、パッケージ基体の枠部内に収容される内部素子が熱劣化してしまう。
　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、内部素子の熱劣化を防止しつつ、パッケージ基体と封着材料層の界面で封着強度を有効に確保し得る方法を提供することである。
　本発明者は、種々の実験を繰り返した結果、樹脂比率が低い封着材料ペーストを用いると共に、レーザー光の照射により乾燥膜を焼結させることにより、上記課題を解決し得ることを見出した。すなわち、本発明の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法は、基部と基部上に設けられた枠部とを有するパッケージ基体を用意する工程と、封着材料とビークルを混練して、樹脂量が０．６質量％未満となる封着材料ペーストを作製する工程と、パッケージ基体の枠部の頂部上に、封着材料ペーストを塗布、乾燥し、乾燥膜を作製する工程と、乾燥膜にレーザー光を照射することにより、乾燥膜を焼結させて、封着材料層を得る工程と、を備えることを特徴とする。
　本発明の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法は、樹脂量が０．６質量％未満となる封着材料ペーストを作製した後、この封着材料ペーストを塗布、乾燥して、乾燥膜を作製することを特徴とする。このようにすれば、レーザー光の照射により乾燥膜を焼結させる場合に、樹脂の分解熱によるエネルギーロスが少なくなるため、低出力のレーザー光を使用することが可能になる。結果として、内部素子の熱劣化を抑制することができる。更にレーザー光の照射により乾燥膜を焼結させる場合に、封着材料層中に樹脂が残存し難くなる。結果として、レーザー封着の際に、封着材料層中で樹脂の再分解が発生し難くなり、封着材料層の流動不良や発泡を防止することができる。
　また、本発明の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法は、乾燥膜にレーザー光を照射することにより、乾燥膜を焼結させて、平均厚みが１．０～１０．０μｍとなる封着材料層を得ることが好ましい。
　また、本発明の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法は、封着材料層の波長８０８ｎｍの単色光の吸収率が、厚み１μｍ当たり５～５０％であることが好ましい。
また、本発明の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法は、パッケージ基体の枠部の頂部上に乾燥膜を形成する前に、パッケージ基体の枠部内に内部素子を収容する工程を備えることが好ましい。
　また、本発明の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法は、パッケージ基体が、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。
　また、本発明の気密パッケージの製造方法は、上記の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法により、封着材料層付きパッケージ基体を作製する工程と、ガラス蓋を用意する工程と、封着材料層を介してパッケージ基体とガラス蓋を積層配置する工程と、ガラス蓋側から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、ガラス蓋とパッケージ基体を気密一体化して、気密パッケージを得る工程と、を備えることが好ましい。
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。
　本発明の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法は、基部と基部上に設けられた枠部とを有するパッケージ基体を用意する工程を備える。基部と基部上に設けられた枠部とを有するパッケージ基体は、枠部内に内部素子を収容することができる。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、枠部の頂部上に封着材料層を形成し難くなる。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。
　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１００～３０００μｍ、特に２００～２５００μｍ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。
　パッケージ基体の基部の厚みは０．１～４．５ｍｍ、特に０．２～３．５ｍｍ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、パッケージ基体と封着材料層の界面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。
　本発明の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法は、封着材料とビークルを混練して、樹脂量が０．６質量％未満となる封着材料ペーストを作製する工程を有する。封着材料は、一般的に、ガラス粉末と耐火性フィラー粉末を含む複合材料粉末であり、必要に応じて、着色顔料等のレーザー吸収材が添加される場合がある。そして、封着材料は、レーザー封着の際に、軟化流動して、パッケージ基体とガラス蓋を気密一体化する材料である。ビークルは、一般的に、樹脂と溶媒の混合物、つまり樹脂が溶解した粘性溶液を指し、封着材料を分散して、パッケージ基体の枠部の頂部に封着材料ペーストを均一に塗布するための材料である。また、ビークル中に、必要に応じて、界面活性剤、増粘剤等が添加される場合もある
　封着材料として、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、５５～１００体積％のビスマス系ガラス粉末と０～４５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、６０～９５体積％のビスマス系ガラス粉末と５～４０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、６０～８５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、ガラス蓋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。
　封着材料の軟化点は、好ましくは５１０℃以下、４８０℃以下、特に４５０℃以下である。封着材料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。封着材料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、封着材料の軟化点は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（ＣｕＯとＭｎＯの合量）　１～４０％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１～４０％、３～３５％、１０～３０％、特に１５～３０％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１～３０％、特に１０～２５％である。ＭｎＯの含有量は、好ましくは０～２５％、１～２５％、特に３～１５％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。
　封着材料の熱膨張係数は、好ましくは５５×１０－７～１１０×１０－７／℃、６０×１０－７～１０５×１０－７／℃、特に６５×１０－７～１００×１０－７／℃である。このようにすれば、封着材料の熱膨張係数がガラス蓋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。
　封着材料ペーストは、通常、三本ローラー等により、封着材料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、上記の通り、通常、樹脂と溶剤を含む。樹脂は、ペーストの粘性を調整する目的で添加される。但し、高分子量の樹脂、例えば２５０超の分子量を有する樹脂は、レーザー光の照射の際に、大きな分解熱が生じるため、乾燥膜の焼結が困難になる。
　封着材料ペースト中の樹脂量は０．６質量％未満であり、好ましくは０．５質量％以下、０．４質量％以下、０．３質量％以下、０．２質量％以下、特に０．１質量％未満である。封着材料ペースト中の樹脂量が多過ぎると、レーザー光の照射により乾燥膜を焼結させる場合に、樹脂の分解熱によるエネルギーロスが多くなるため、低出力のレーザー光を使用することが不可能になる。結果として、内部素子が熱劣化し易くなる。更にレーザー光の照射により乾燥膜を焼結させる場合に、封着材料層中に樹脂が残存し易くなる。結果として、レーザー封着の際に、封着材料層中で樹脂の再分解が発生して、封着材料層に流動不良や発泡が発生し易くなる。
　本発明の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法では、樹脂を実質的に含まないビークル（樹脂量が０．１質量％未満であるビークル）を用いることが最も好ましいが、ビークルに樹脂を少量添加する場合、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、テルペン、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。
　本発明の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法は、パッケージ基体の枠部の頂部上に乾燥膜を形成する前に、パッケージ基体の枠部内に内部素子を収容する工程を備えることが好ましい。このようにすれば、気密パッケージの製造効率を高めることができる。
　本発明の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法は、パッケージ基体の枠部の頂部上に、封着材料ペーストを塗布、乾燥し、乾燥膜を作製する工程を備える。封着材料ペーストの塗布は、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、塗布膜や乾燥膜の寸法精度を高めることができる。
　塗布膜の乾燥は、封着材料ペースト中の溶媒が揮発する下限温度より高く、内部素子の耐熱温度より低い温度が好ましい。
　本発明の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法は、乾燥膜にレーザー光を照射して、乾燥膜を焼結させて、封着材料層を得る工程を備える。乾燥膜に照射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、近赤外半導体レーザーは、取扱いが容易な点で好ましい。
　レーザーのビーム径は、焼結状態を均一化するために、乾燥膜の幅よりも大きいことが好ましい。
　レーザー光を照射する際の外部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。
　レーザー光を照射する際に、１００℃以上、且つ内部素子の耐熱温度以下の温度でパッケージ基体を予備加熱することが好ましい。これにより、乾燥膜の内部と外表面の温度差が小さくなるため、封着材料層の表面状態が均一、且つ円滑になり易い。
　乾燥膜へのレーザーの走査は、一定の速度で行ってもよいし、任意の領域で速度を変更してもよい。
　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、冷却過程でガラス蓋が破損し易くなる。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、冷却過程でガラス蓋が破損し易くなる。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。
　封着材料層の表面の表面粗さ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、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。
　封着材料層の平均厚みは、好ましくは１０．０μｍ以下、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、封着材料層とガラス蓋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、封着材料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の単色光の吸収率（厚み方向）は、好ましくは２０～９０％、特に３０～６０％である。また、封着材料層の波長８０８ｎｍの単色光の吸収率は、厚さ１μｍ当たり５～５０％、特に７～３０％であることが好ましい。波長８０８ｎｍの単色光の吸収率が低過ぎると、封着材料層が軟化変形し難くなり、レーザー出力を過度に高める必要がある。結果として、内部素子が熱劣化する虞が生じる。また、波長８０８ｎｍの単色光の吸収率が高過ぎると、パッケージ基体と封着材料層の界面に十分な熱を与えらないため、両者間の反応があまり進行せず、封着材料層の焼結が不十分になる虞がある。ここで、「波長８０８ｎｍの単色光での光吸収率」は、分光光度計で反射率と透過率を測定し、その合計値を１００％から減じた値を指す。
　本発明の気密パッケージの製造方法は、上記の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法により、封着材料層付きパッケージ基体を作製する工程と、ガラス蓋を用意する工程と、封着材料層を介してパッケージ基体とガラス蓋を積層配置する工程と、ガラス蓋側から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、ガラス蓋とパッケージ基体を気密一体化して、気密パッケージを得る工程と、を備えることが好ましい。
　ガラス蓋として、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、ホウケイ酸ガラス、ソーダ石灰ガラスが使用可能である。
　ガラス蓋の板厚は０．０１～２．０ｍｍ、０．１～１ｍｍ、特に０．２～０．７ｍｍ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。
　ガラス蓋の内部素子側の表面に機能膜を形成してもよく、ガラス蓋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、ガラス蓋の表面で反射する光を低減することができる。
　本発明の気密パッケージの製造方法は、封着材料層を介してパッケージ基体とガラス蓋を積層配置する工程を有する。この場合、ガラス蓋をパッケージ基体の下方に配置してもよいが、レーザー封着の効率の観点から、ガラス蓋をパッケージ基体の上方に配置することが好ましい。
　ガラス蓋の表面上に、封着材料層を形成することが好ましく、この場合、パッケージ基体に形成された封着材料層とガラス蓋に形成された封着材料層の中心線同士が重なるように、パッケージ基体とガラス蓋を積層配置することが好ましい。また、ガラス蓋に形成された封着材料層の封着パターンは、パッケージ基体の枠部の頂部に形成された封着材料層の封着パターンと略同一であることが好ましい。このようにすれば、レーザー封着精度とレーザー封着強度を同時に高めることができる。
　本発明の気密パッケージの製造方法は、ガラス蓋側から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、ガラス蓋とパッケージ基体を気密一体化して、気密パッケージを得る工程を備える。
　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）の温度でガラス蓋を予備加熱すると、サーマルショックによるガラス蓋の割れを抑制することができる。またレーザー封着直後に、ガラス蓋側からアニールレーザーを照射すると、サーマルショックによるガラス蓋の割れを抑制することができる。
　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）の温度でパッケージ基体を予備加熱すると、レーザー封着時にパッケージ基体側への熱伝導を阻害し得るため、レーザー封着を効率良く行うことができる。
　ガラス蓋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、レーザー封着時に封着材料層の軟化変形を促進することができる。
　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断面概念図である。気密パッケージ１は、パッケージ基体１０とガラス蓋１１を備えている。パッケージ基体１０は基部１２を有し、更に基部１２の外周端縁上に枠部１３を有している。また、パッケージ基体１０の枠部１３内に内部素子１４が収容されている。そして、この枠部１３の頂部１５には封着材料層１６が形成されており、その頂部１５の表面は、予め研磨処理されており、その表面粗さＲａが０．１５μｍ以下になっている。そして、封着材料層１６の幅は、枠部１３の幅よりも若干小さくなっている。更に、封着材料層１６は、封着材料ペーストを塗布、乾燥し、乾燥膜を作製した上で、その乾燥膜にレーザー光を照射して、焼結させたものである。その封着材料ペーストは、樹脂量が０．６質量％未満であり、封着材料とビークルを三本ローラー等で混練することにより作製されている。その封着材料は、ガラス組成中に遷移金属酸化物を含むビスマス系ガラスと耐火性フィラー粉末とを含有している。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。
　ガラス蓋１１の表面には、額縁状の封着材料層１７が形成されている。封着材料層１７は、封着材料を焼結させたものであり、封着材料層１６と略同様の材料構成であり、その封着材料は、ガラス組成中に遷移金属酸化物を含むビスマス系ガラスと耐火性フィラー粉末とを含有している。そして、封着材料層１７の幅は、封着材料層１６の幅と略同様である。更に、封着材料層１７の厚みは、封着材料層１６の厚みよりも若干小さくなっている。
　また、ガラス蓋１１が上方になり、且つ封着材料層１６と封着材料層１７の幅方向の中心線同士が接触するように、パッケージ基体１０とガラス蓋１１とが積層配置されている。その後、レーザー照射装置１８から出射したレーザー光Ｌが、ガラス蓋１１側から封着材料層１６と封着材料層１７に沿って照射される。これにより、封着材料層１６と封着材料層１７が軟化流動した後、パッケージ基体１０とガラス蓋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。
　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．１～４）、比較例（試料Ｎｏ．５～８）を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　まず所望のガラス組成になるように、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、それぞれ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。なお、試料Ｎｏ．１、２、５、６に係るガラス粉末は、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％を含有し、また試料Ｎｏ．２、３、７、８に係るガラス粉末については、ガラス組成として、モル％で、Ｂｉ２Ｏ３　４５％、Ｂ２Ｏ３　２７．７％、ＺｎＯ　１９．１％、Ａｌ２Ｏ３　３．７％、ＣｕＯ　４．０％、Ｆｅ２Ｏ３　０．６％を含有する。
　次に、得られたビスマス系ガラス粉末を７０．０体積％、耐火性フィラー粉末を３０．０体積％の割合で混合して、封着材料（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。
　得られた封着材料につき、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。
　続いて、次のようにして、アルミナ製のパッケージ基体（３０ｍｍ×３０ｍｍ、枠部高さ３ｍｍ、枠部幅２ｍｍ）の枠部の頂部の中心線に沿って、表中の厚みを有し、且つ幅０．５ｍｍ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粉末が均一に分散するまで混錬して、ペースト化し、封着材料ペーストを得た。
　試料Ｎｏ．１、３では、ビークルとしてテルペン系溶液を使用した。試料Ｎｏ．２、４では、ビークルとしてテルペン系溶液にエチルセルロース樹脂を溶解させたものを使用した。試料Ｎｏ．５～８では、ビークルとして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。なお、試料Ｎｏ．５と試料Ｎｏ．６及び試料Ｎｏ．７と試料Ｎｏ．８は、それぞれビスマス系ガラスとビークルの配合比が異なっている。
　次に、パッケージ基体の枠部の頂部の中心線と封着材料層の幅方向の中心線とが一致するように、スクリーン印刷機により上記封着材料ペーストを印刷した後、大気雰囲気下において１００℃で１０分間乾燥することにより、パッケージ基体の枠部の頂部上に乾燥膜を形成した。
　更に、乾燥膜が上方になるように、治具でパッケージ基体を固定し、波長８０８ｎｍの半導体レーザーを照射速度８ｍｍ／秒で照射して、乾燥膜を軟化変形させて、焼結させることにより、パッケージ基体の枠部の頂部上に封着材料層を形成した。封着材料層の表面状態を顕微鏡で観察したところ、表面平滑性が高かったものを「○」、表面平滑性が低かったものを「△」、焼結自体がなされていないものを「×」として、評価した。
　また、厚み０．３ｍｍ、２９．８ｍｍ×２９．８ｍｍのホウケイ酸ガラス（ＮＥＧ製ＢＤＡ）の一方の表面に、パッケージ基体に形成された封着材料層と同一パターンで封着材料ペーストを塗布し、大気雰囲気において１００℃で１０分間乾燥した後、電気炉により５２０℃で１０分間焼成し、封着材料層付きガラス蓋を作製した。
　最後に、パッケージ基体に形成された封着材料層とガラス蓋に形成された封着材料層が接するように、パッケージ基体とガラス蓋を積層配置した。その後、押圧治具を用いてガラス蓋を押圧しながら、ガラス蓋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、パッケージ基体とガラス蓋とを気密一体化し、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上から見た平均幅は、レーザー封着前に封着材料層の上方から見た平均幅の１１０％になるように、レーザー照射径とレーザー出力を調整した。
　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、ガラス蓋にクラック、破損等が全く認められなかったものを「○」、ガラス蓋にクラック、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。なお、試料Ｎｏ．６～８については、封着材料層の焼結が不十分であるため、本評価を省略した。
　表１から分かるように、試料Ｎｏ．１～４は、封着材料ペースト中の樹脂量が適正であるため、封着材料層の焼結状態が良好であった。その結果、レーザー封着による気密信頼性も良好であった。一方、試料Ｎｏ．５～８は、封着材料ペースト中の樹脂量が多かったため、封着材料層の焼結状態が不良であり、多数の泡の残存も確認された。
　本発明の製造方法で作製された気密パッケージは、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。
１　気密パッケージ
１０　パッケージ基体
１１　ガラス蓋
１２　基部
１３　枠部
１４　内部素子
１５　枠部の頂部
１６、１７　封着材料層
１８　レーザー照射装置
Ｌ　レーザー光

Claims (6)

  1. 　基部と基部上に設けられた枠部とを有するパッケージ基体を用意する工程と、
    　封着材料とビークルを混練して、樹脂量が０．６質量％未満となる封着材料ペーストを作製する工程と、
    　パッケージ基体の枠部の頂部上に、封着材料ペーストを塗布、乾燥し、乾燥膜を作製する工程と、
    　乾燥膜にレーザー光を照射することにより、乾燥膜を焼結させて、封着材料層を得る工程と、を備えることを特徴とする封着材料層付きパッケージ基体の製造方法。
  2. 　乾燥膜にレーザー光を照射することにより、乾燥膜を焼結させて、平均厚みが１．０～１０．０μｍとなる封着材料層を得ることを特徴とする請求項１に記載の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法。
  3. 　封着材料層の波長８０８ｎｍの単色光の吸収率が、厚さ１μｍ当たり５～５０％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法。
  4. 　パッケージ基体の枠部の頂部上に乾燥膜を形成する前に、パッケージ基体の枠部内に内部素子を収容する工程を備えることを特徴とする請求項１～３の何れかに記載の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法。
  5. 　パッケージ基体が、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１～４の何れかに記載の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法。
  6. 　請求項１～５の何れかに記載の封着材料層付きパッケージ基体の製造方法により、封着材料層付きパッケージ基体を作製する工程と、
    　ガラス蓋を用意する工程と、
    　封着材料層を介してパッケージ基体とガラス蓋を積層配置する工程と、
    　ガラス蓋側から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、ガラス蓋とパッケージ基体を気密一体化して、気密パッケージを得る工程と、を備えることを特徴とする気密パッケージの製造方法。
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