JP2014201452A - Glass-ceramic joined body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガラスとセラミックを接合させたガラス−セラミック接合体に関するものである。 The present invention relates to a glass-ceramic bonded body in which glass and ceramic are bonded.
従来、例えば特許文献１等において、超短パルスレーザーを用いて複数の部材を接合する方法が提案されている。この方法では、接合しようとする２つの部材を当接させた状態で、超短パルスレーザーを照射する。このレーザー照射により形成されたフィラメント領域において、２つの部材が局所的に加熱されて接合される。超短パルスレーザーを用いた接合方法では、微小なフィラメント領域で局所的に加熱されるため、部材の温度を上昇させることなく接合させることができる。 Conventionally, for example, Patent Document 1 and the like have proposed a method of joining a plurality of members using an ultrashort pulse laser. In this method, an ultrashort pulse laser is irradiated in a state where two members to be joined are brought into contact with each other. In the filament region formed by this laser irradiation, the two members are locally heated and joined. In the joining method using an ultrashort pulse laser, since it is heated locally in a minute filament region, it can be joined without increasing the temperature of the member.
特許文献１においては、接合させる２つの部材のうちの一方の部材として、ガラス、透明な樹脂が挙げられており、他方の部材として、ガラス、樹脂、金属、シリコン、半導体、及び金属、シリコン、半導体の化合物が挙げられている。しかしながら、ガラスとセラミックをレーザー照射で接合することについては具体的に開示されていない。 In Patent Document 1, glass and transparent resin are listed as one of the two members to be joined, and the other member is glass, resin, metal, silicon, semiconductor, metal, silicon, Semiconductor compounds are mentioned. However, there is no specific disclosure of joining glass and ceramic by laser irradiation.
本発明者らは、ガラスとセラミックをレーザー照射で接合しようとする場合、ガラスとガラス、ガラスと金属などの場合と同様の条件では、接合させることが困難であることを見出した。 The present inventors have found that when glass and ceramic are bonded by laser irradiation, it is difficult to bond them under the same conditions as in the case of glass and glass or glass and metal.
本発明の目的は、レーザー照射によりガラスとセラミックを強固に接合させたガラス−セラミック接合体を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a glass-ceramic bonded body in which glass and ceramic are firmly bonded by laser irradiation.
本発明のガラス−セラミック接合体は、ガラスとセラミックとをレーザー照射によって接合させたガラス−セラミック接合体であって、接合領域におけるセラミック表面の表面粗さＲａが、０．１μｍ以下であることを特徴としている。 The glass-ceramic bonded body of the present invention is a glass-ceramic bonded body in which glass and ceramic are bonded by laser irradiation, and the surface roughness Ra of the ceramic surface in the bonding region is 0.1 μm or less. It is a feature.
本発明において、レーザー照射は、超短パルスレーザーの照射であることが好ましい。 In the present invention, the laser irradiation is preferably an ultrashort pulse laser irradiation.
セラミックと接合させるガラスは、強化ガラスであってもよい。 Tempered glass may be sufficient as the glass joined with a ceramic.
本発明によれば、レーザー照射でガラスとセラミックを強固に接合させたガラス−セラミック接合体とすることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can be set as the glass-ceramic joining body which joined glass and ceramic firmly by laser irradiation.
以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. However, the following embodiments are merely examples, and the present invention is not limited to the following embodiments. Moreover, in each drawing, the member which has the substantially the same function may be referred with the same code | symbol.
図１は、本発明の実施形態のガラス−セラミック接合体を示す模式的断面図である。図２は、図１に示す実施形態のガラス−セラミック接合体の接合前のガラス板１及びセラミック板２を示す模式的断面図である。図１に示すように、本実施形態のガラス−セラミック接合体１０は、ガラス板１の接合面１ａと、セラミック板２の接合面２ａとを接合することにより構成されている。本実施形態において、セラミック板２の接合面２ａの表面粗さＲａは、０．１μｍ以下である。セラミック板２の接合面２ａの表面粗さＲａが、０．１μｍより大きくなると、ガラス板１と強固な接合を形成することができなくなる。表面粗さＲａは、さらに好ましくは、０．０８μｍ以下である。表面粗さＲａの下限値は、特に限定されるものではないが、一般には０．０２μｍ以上である。なお、本発明においては、接合面２ａ全体が、０．１μｍ以下の表面粗さＲａである必要はなく、少なくとも接合領域における表面粗さＲａが０．１μｍ以下であればよい。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a glass-ceramic bonded body according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the glass plate 1 and the ceramic plate 2 before bonding of the glass-ceramic bonded body of the embodiment shown in FIG. As shown in FIG. 1, the glass-ceramic bonded body 10 of the present embodiment is configured by bonding a bonding surface 1 a of a glass plate 1 and a bonding surface 2 a of a ceramic plate 2. In the present embodiment, the surface roughness Ra of the bonding surface 2a of the ceramic plate 2 is 0.1 μm or less. When the surface roughness Ra of the bonding surface 2a of the ceramic plate 2 is greater than 0.1 μm, it becomes impossible to form a strong bond with the glass plate 1. The surface roughness Ra is more preferably 0.08 μm or less. The lower limit value of the surface roughness Ra is not particularly limited, but is generally 0.02 μm or more. In the present invention, the entire bonding surface 2a does not have to have a surface roughness Ra of 0.1 μm or less, and at least the surface roughness Ra in the bonding region may be 0.1 μm or less.
ガラス板１の接合面１ａの表面粗さＲａは、特に限定されるものではないが、０．００５〜０．０５μｍの範囲内であることが好ましく、０．００５〜０．０２μｍの範囲内であることがさらに好ましい。 The surface roughness Ra of the bonding surface 1a of the glass plate 1 is not particularly limited, but is preferably in the range of 0.005 to 0.05 μm, and in the range of 0.005 to 0.02 μm. More preferably it is.
本発明における表面粗さＲａは、日本工業規格（ＪＩＳ）０６０１−１９７６に準拠して測定することができ、例えば、東京精密株式会社製サーフコムにより測定することができる。 The surface roughness Ra in the present invention can be measured in accordance with Japanese Industrial Standard (JIS) 0601-1976, and can be measured by, for example, Surfcom manufactured by Tokyo Seimitsu Co., Ltd.
ガラス板１の材質は、特に限定されるものではなく、例えば、ケイ酸塩系ガラス、ホウケイ酸塩系ガラス、ホウ酸塩系ガラス、リン酸塩系ガラスなどが挙げられる。セラミック板２の材質は、特に限定されるものではなく、例えば、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化チタンなどが挙げられる。 The material of the glass plate 1 is not particularly limited, and examples thereof include silicate glass, borosilicate glass, borate glass, and phosphate glass. The material of the ceramic plate 2 is not particularly limited, and examples thereof include aluminum oxide, silicon oxide, and titanium oxide.
図３は、本発明の実施形態においてガラス板とセラミック板をレーザー照射で接合する状態を説明するための模式的断面図である。図３に示すように、ガラス板１の接合面１ａとセラミック板２の接合面２ａを当接させた状態で、レンズ３１を通して超短パルスレーザー３０をガラス板１側から所定の箇所に照射する。ガラス板１は、超短パルスレーザー３０に対して、透明な基板である。ここで、「透明」とは使用するレーザーに対して透明であることを意味している。したがって、超短パルスレーザー３０は、一般に、透明な基板であるガラス板１側から照射される。しかしながら、セラミック板２が、超短パルスレーザー３０に対して透明な基板である場合には、セラミック板２側から超短パルスレーザー３０を照射してもよい。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining a state in which the glass plate and the ceramic plate are joined by laser irradiation in the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, an ultrashort pulse laser 30 is irradiated from the glass plate 1 side to a predetermined portion through the lens 31 in a state where the bonding surface 1 a of the glass plate 1 and the bonding surface 2 a of the ceramic plate 2 are in contact with each other. . The glass plate 1 is a transparent substrate with respect to the ultrashort pulse laser 30. Here, “transparent” means transparent to the laser used. Therefore, the ultrashort pulse laser 30 is generally irradiated from the glass plate 1 side which is a transparent substrate. However, when the ceramic plate 2 is a substrate transparent to the ultrashort pulse laser 30, the ultrashort pulse laser 30 may be irradiated from the ceramic plate 2 side.
超短パルスレーザー３０は、パルス幅のオーダーが１×１０−９秒未満の超短光パルスレーザーである。超短パルスレーザーとして、さらに好ましくは、１×１０−１２秒未満の超短光パルスレーザーを用いる。超短パルスレーザーを用いることにより、接合面に歪みが残りにくいので、高い信頼性を付与することができる。 The ultrashort pulse laser 30 is an ultrashort optical pulse laser having a pulse width order of less than 1 × 10 −9 seconds. More preferably, an ultrashort light pulse laser of less than 1 × 10 −12 seconds is used as the ultrashort pulse laser. By using an ultrashort pulse laser, it is difficult for distortion to remain on the joint surface, and thus high reliability can be imparted.
図３に示すように、超短パルスレーザー３０が照射されると、フィラメント領域３２が形成される。フィラメント領域３２は、超短パルスレーザー３０がガラスなどの媒質に入射して生じるフィラメンテーションの領域である。すなわち、超短パルスレーザー３０がガラスなどの媒質に入射すると、３次の非線形光学効果と、プラズマ形成による屈折率の減少効果とが生じる。これら２つの効果が均衡することにより、所定の距離にわたって最小ピーク径で伝搬するフィラメンテーションという現象が生じる。このフィラメンテーションが生じている領域が、フィラメント領域３２である。 As shown in FIG. 3, when the ultrashort pulse laser 30 is irradiated, a filament region 32 is formed. The filament region 32 is a region of filamentation that occurs when the ultrashort pulse laser 30 enters a medium such as glass. That is, when the ultrashort pulse laser 30 is incident on a medium such as glass, a third-order nonlinear optical effect and an effect of reducing the refractive index due to plasma formation occur. The balance between these two effects results in a phenomenon of filamentation that propagates with a minimum peak diameter over a given distance. The region where this filamentation occurs is the filament region 32.
図３に示すように、フィラメント領域３２は、ガラス板１とセラミック板２の領域に跨って形成されている。フィラメント領域３２においては、多光子吸収現象が生じるため、フィラメント領域３２が選択的に加熱される。この加熱により、ガラス板１の接合面１ａとセラミック板２の接合面２ａとの間が接合される。これにより、図４に示すように、ガラス板１とセラミック板２に跨る接合領域３３が形成される。超短パルスレーザー３０を走査しながら照射することにより、所定の領域に、接合領域３３を形成することができる。 As shown in FIG. 3, the filament region 32 is formed across the regions of the glass plate 1 and the ceramic plate 2. Since the multiphoton absorption phenomenon occurs in the filament region 32, the filament region 32 is selectively heated. By this heating, the bonding surface 1a of the glass plate 1 and the bonding surface 2a of the ceramic plate 2 are bonded. Thereby, as shown in FIG. 4, the joining area | region 33 straddling the glass plate 1 and the ceramic plate 2 is formed. By irradiating the ultrashort pulse laser 30 while scanning, the bonding region 33 can be formed in a predetermined region.
図５は、本発明の実施形態のガラス−セラミックパッケージを示す模式的断面図である。図５に示すガラス−セラミックパッケージは、本発明のガラス−セラミック接合体の用途の一例として示すものである。 FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the glass-ceramic package of the embodiment of the present invention. The glass-ceramic package shown in FIG. 5 is shown as an example of the use of the glass-ceramic assembly of the present invention.
図５に示すように、ガラス−セラミックパッケージ２０は、セラミックパッケージ本体４にガラス蓋３を接合することにより構成されている。セラミックパッケージ本体４は、その周縁部に突出部４ｃを有している。突出部４ｃの接合部４ａと、ガラス蓋３の周縁部の接合部３ａとが、レーザー照射により接合されることにより、セラミックパッケージ本体４とガラス蓋３とが接合されている。 As shown in FIG. 5, the glass-ceramic package 20 is configured by bonding a glass lid 3 to a ceramic package body 4. The ceramic package body 4 has a protruding portion 4c at the peripheral edge thereof. The ceramic package body 4 and the glass lid 3 are joined by joining the joint 4a of the protrusion 4c and the joint 3a at the peripheral edge of the glass lid 3 by laser irradiation.
セラミックパッケージ本体４の内部４ｂに、例えば水晶振動子などを収納することができる。セラミックパッケージ本体４の蓋として、ガラス蓋３を用いて封止することにより、封止後にセラミックパッケージ本体４の内部４ｂを視覚で検査することができる。また、封止後に内部４ｂにレーザー照射等をすることができるので、封止後に微調整（チューニング）等を実施することができる。 For example, a crystal resonator or the like can be accommodated in the interior 4 b of the ceramic package body 4. By sealing with the glass lid 3 as a lid of the ceramic package body 4, the interior 4b of the ceramic package body 4 can be visually inspected after sealing. Moreover, since laser irradiation etc. can be performed to the inside 4b after sealing, fine adjustment (tuning) etc. can be implemented after sealing.
以下、本発明を具体的な実施例により説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるのではない。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to specific examples, but the present invention is not limited to the following examples.
（実施例１）
以下のガラス板とセラミック板を用いて、本実施例のガラス−セラミック接合体を作製した。なお、表面粗さＲａは、東京精密株式会社製サーフコムにて測定した。
Example 1
The glass-ceramic joined body of the present Example was produced using the following glass plates and ceramic plates. The surface roughness Ra was measured with Surfcom manufactured by Tokyo Seimitsu Co., Ltd.
［ガラス板］
縦５ｍｍ、横５ｍｍ、厚さ０．７ｍｍのホウケイ酸ガラスからなるガラス板を用いた。ガラス板の接合面の表面粗さＲａは、０．０１μｍである。
[Glass plate]
A glass plate made of borosilicate glass having a length of 5 mm, a width of 5 mm, and a thickness of 0.7 mm was used. The surface roughness Ra of the bonding surface of the glass plate is 0.01 μm.
［セラミック板］
縦５ｍｍ、横５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの純度９６％のアルミナからなるセラミック板を用いた。セラミック板の接合面の表面粗さＲａは、０．０５μｍである。
[Ceramic plate]
A ceramic plate made of alumina having a purity of 96% and a length of 5 mm, a width of 5 mm, and a thickness of 0.3 mm was used. The surface roughness Ra of the joint surface of the ceramic plate is 0.05 μm.
このセラミック板は、一般的な押し出し成形にて製板したものをダイヤモンド砥粒を用いて研磨し、表面粗さを調整した。 This ceramic plate was prepared by general extrusion molding and polished with diamond abrasive grains to adjust the surface roughness.
［ガラス板とセラミック板の接合］
上記のガラス板とセラミック板を重ね合わせ、以下の条件で、超短パルスレーザーをガラス板側から照射して、ガラス板とセラミック板を接合させた。
[Bonding of glass plate and ceramic plate]
The glass plate and the ceramic plate were overlapped, and an ultrashort pulse laser was irradiated from the glass plate side under the following conditions to join the glass plate and the ceramic plate.
・光源：ファイバーレーザー（ＦＣＰＡ μＪｅｗｅｌ Ｄ−１０００）
・パルスエネルギー：０．４０μＪまたは０．５０μＪ＠５２２ｎｍ、約７００フェムト秒、１ＭＨｚ
・加工領域：０．５×０．５ｍｍ２
・走査速度：２０ｍｍ／秒
・走査間隔：１０μｍ
・ Light source: Fiber laser (FCPA μJewel D-1000)
Pulse energy: 0.40 μJ or 0.50 μJ @ 522 nm, about 700 femtoseconds, 1 MHz
・ Processing area: 0.5 × 0.5mm 2
・ Scanning speed: 20 mm / second ・ Scanning interval: 10 μm
［接合状態の観察］
得られたガラス−セラミック接合体について、接合状態を光学顕微鏡で観察した。また、ガラス−セラミック接合体を接合界面で剥離して、剥離後のガラス板及びセラミック板の剥離表面を観察した。図６は、ガラス−セラミック接合体の接合領域を示す光学顕微鏡写真であり、（ａ）は剥離前の接合体のガラス板側の表面を示しており、（ｂ）は剥離後のガラス板の剥離表面を示しており、（ｃ）は剥離後のセラミック板の剥離表面を示している。
[Observation of bonding state]
About the obtained glass-ceramic joined body, the joining state was observed with the optical microscope. Moreover, the glass-ceramic bonded body was peeled off at the bonding interface, and the peeled surface of the peeled glass plate and ceramic plate was observed. FIG. 6 is an optical micrograph showing the bonding region of the glass-ceramic bonded body, (a) showing the surface of the bonded body before peeling on the glass plate side, and (b) showing the glass plate after peeling. The peeling surface is shown, (c) has shown the peeling surface of the ceramic board after peeling.
図６（ａ）において、黒い領域は、ガラス−セラミック接合体における接合領域を示している。図６（ｂ）は、剥離後のガラス板の剥離表面を示しているが、左上の黒い領域は、剥離によりガラス板の一部が割れた領域である。図６（ｃ）に示すセラミック板の右上にも、図６（ｂ）の左上の領域に対応したガラス板の割れによる領域が観察されている。 In Fig.6 (a), the black area | region has shown the joining area | region in a glass-ceramics joined body. FIG. 6B shows the peeling surface of the glass plate after peeling. The black area on the upper left is a region where a part of the glass plate is broken by peeling. The area | region by the crack of the glass plate corresponding to the upper left area | region of FIG.6 (b) is observed also in the upper right of the ceramic board shown in FIG.6 (c).
なお、図６は、パルスエネルギーを０．５０μＪとしたときのガラス−セラミック接合体を示しているが、パルスエネルギーを０．４０μＪとしたときも同様の結果が得られている。 FIG. 6 shows the glass-ceramic bonded body when the pulse energy is 0.50 μJ, but similar results are obtained when the pulse energy is 0.40 μJ.
（比較例１）
表面粗さＲａが０．５μｍであるセラミック板を用いる以外は、実施例１と同様にして、ガラス板とセラミック板とを重ねあわせて、レーザーを照射した。しかしながら、ガラス板とセラミック板とは接合することができなかった。
(Comparative Example 1)
Except for using a ceramic plate having a surface roughness Ra of 0.5 μm, the glass plate and the ceramic plate were overlapped and irradiated with laser in the same manner as in Example 1. However, the glass plate and the ceramic plate could not be joined.
（比較例２）
表面粗さＲａが０．２μｍであるセラミック板を用いる以外は、実施例１と同様にして、ガラス板とセラミック板とを重ね合わせて、レーザーを照射した。しかしながら、ガラス板とセラミック板とは接合することができなかった。
(Comparative Example 2)
A glass plate and a ceramic plate were overlapped and irradiated with laser in the same manner as in Example 1 except that a ceramic plate having a surface roughness Ra of 0.2 μm was used. However, the glass plate and the ceramic plate could not be joined.
１…ガラス板
１ａ…ガラス板の接合面
２…セラミック板
２ａ…セラミック板の接合面
３…ガラス蓋
３ａ…ガラス蓋の接合部
４…セラミックパッケージ本体
４ａ…セラミックパッケージ本体の接合部
４ｂ…セラミックパッケージ本体の内部
４ｃ…セラミックパッケージ本体の突出部
１０…ガラス−セラミック接合体
２０…ガラス−セラミックパッケージ
３０…超短パルスレーザー
３１…レンズ
３２…フィラメント領域
３３…接合領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Glass plate 1a ... Glass plate joined surface 2 ... Ceramic plate 2a ... Ceramic plate joined surface 3 ... Glass lid 3a ... Glass lid joined portion 4 ... Ceramic package body 4a ... Ceramic package body joined portion 4b ... Ceramic package Inside of the main body 4c: Projection 10 of the ceramic package body ... Glass-ceramic bonding body 20 ... Glass-ceramic package 30 ... Ultra short pulse laser 31 ... Lens 32 ... Filament region 33 ... Junction region
Claims (3)
接合領域におけるセラミック表面の表面粗さＲａが、０．１μｍ以下である、ガラス−セラミック接合体。 A glass-ceramic bonded body in which glass and ceramic are bonded by laser irradiation,
A glass-ceramic bonding body, wherein the surface roughness Ra of the ceramic surface in the bonding region is 0.1 μm or less.
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