JP4209844B2 - 圧縮接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮接合方法に係り、更に詳細には、低温及び低圧の環境でガラスと基板とを圧縮接合できる方法に関する。

ガラスと基板とを接合する方法には、接着剤を使用する方法、ソルダリング法及び拡散法がある。接着剤を使用する方法は、ポリマー、プラスチック、エポキシのような接着剤を使用してガラスと基板とを接合する。しかし、接着剤を使用する方法は、接着剤の量を微細に調節することが難しく、時間消耗が多く、接着後に破損されやすく、湿度による接着部分の分離などの問題点を有する。また、光通信システムまたはパッケージング技術において、接着剤は汚染源となりうるため、接着剤を使用せずに接合できる技術が要求される。接着剤を使用しない接合方法のうち、金属を利用する方法が提案されているが、金属とガラスとは異なる物質的特性により接合が難しい。

ソルダリング法は、接合領域が変形されやすく、パッケージの信頼性の試験時に温度変化を与え、実験時に良くない性能が表れる。また、ソルダリング法は、ファティーグ（fatigue）によるソルダーの破壊などの問題があり、拡散法は別途の電場を印加せねばならず、拡散法の実行時に高温が発生し、表面活性化のために特別な化学的メカニズムを利用せねばならないという短所がある。

金属のうち、アルミニウムとガラスとを接合する方法の一例としてガラス球を基板に接合する方法が特許文献１に開示されている。
図１は、前記米国特許に開示された圧縮接合方法を示す図面である。
図１を参照すれば、ガラス球レンズ１１をシリコン基板１２に接合するために、シリコン基板１２がガラス球レンズ１１に接触する面にアルミニウム膜１３をコーティングし、圧縮手段１４を使用してガラス球レンズ１１を矢印１５方向に圧力を加えると同時にアルミニウム１３をヒーター１６を使用して加熱する。
米国特許第５,１７８,３１９号明細書

前記従来の圧縮接合方法では、アルミニウム膜１３に熱を加えると同時にガラス球レンズ１１に圧力を加えて、アルミニウム膜１３が融解されつつアルミニウム膜１３とガラス球レンズ１１との接触点を融合させるが、平板状シリコン基板１２に接合できるように３００℃以上の高温と数百Ｍｐａの圧力を加えねばならない。
前記従来の圧縮接合方法は、平板状シリコン基板１２に接合しようとする光学素子が、示されたガラス球レンズのように曲面を有さねばならず、半径が数ミリメートル以内の小さなサイズでなければならないという限界がある。前記従来の圧縮接合方法において、光学素子は曲面を有するため、アルミニウム膜１３と一つの接点で接触する。光学素子に圧力を加えれば、圧力が接点に集中されてエネルギーが接点に集中しうるため、アルミニウム膜の格子構造を容易に分解させることで基板１２と光学素子とが接合できる。

前記従来の圧縮接合方法は、光繊維や小型レンズのような小さなサイズの光学素子の接合には効果的に適用されるが、接合面が平面である大型光学素子では効果的に適用されない。接合に必要なＡｌ／Ｓｉ組成物の摩擦係数は数十オーダーであるが、実際に平面を有する光学素子はそれに加えられる圧力が平面の全体に分散されて、長さ対厚さの比率が数百オーダーとなるため、摩擦係数が大きすぎてアルミニウムの構造を解離させる程の圧力が加えられ得ない。従来の圧縮接合方法を利用して平面を有する光学素子と基板とを接合するには、アルミニウム膜を貫通するか、またはアルミニウム膜を形成する物質を側面に移動させるように高温高圧を長時間光学素子に印加せねばならないが、実際にそのような接合工程を実行することが容易ではなく、また、前記工程を実行しても光学素子を基板に接合することは非常にむずかしい。

本発明が達成しようとする技術的課題は、前記した従来技術の問題点を改善するためのものであって、低温及び低圧の環境下でシリコン、セラミックまたは金属基板上に無定形及び多様なサイズのガラス板を接合する圧縮接合方法に関する。

前記技術的課題を達成するために、本発明は、基板上に所定の形態に金属接合膜をパターニングする第１ステップと、前記金属接合膜の上部に被接合部材を位置させて前記基板に熱を加え、前記被接合部材に圧力を加えて前記金属接合膜と前記被接合部材とを接合する第２ステップと、を含むことを特徴とする圧縮接合方法を提供する。
前記技術的課題を達成するために、本発明は、また、基板及び被接合部材上に所定の形態に金属接合膜をパターニングする第１ステップと、前記金属接合膜の上部に前記被接合部材を位置させて前記基板に熱を加え、前記被接合部材に圧力を加えて前記金属接合膜と前記被接合部材とを接合する第２ステップと、を含むことを特徴とする圧縮接合方法を提供する。

前記基板は、シリコン、金属及びセラミックのうち、何れか一つで形成することが好ましく、前記金属接合膜は、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛及びチタンのうち、何れか一つで形成することが好ましい。
前記第１ステップで、前記所定の形態はストライプ状またはドット状で形成できる。
前記被接合部材は、ガラスまたは金属で形成することが好ましい。

前記熱は、３５０℃以下に印加することが好ましい。
前記基板は、シリコン、金属及びセラミックのうち、何れか一つで形成し、前記金属接合膜は、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛及びチタンのうち、何れか一つで形成することが好ましい。
前記第１ステップで、前記所定の形態は、ストライプ状またはドット状で形成できる。
前記被接合部材は、ガラスまたは金属で形成することが好ましく、前記熱は、３５０℃以下に印加することが好ましい。

本発明は、金属接合膜をストライプ状またはドット状にパターニングして、従来の技術で接合できなかった平板状の被接合部材も容易に基板に付着させることができ、従来の圧縮接合方法より低い温度及び圧力でも強い接合が可能であるという長所を有する。

以下、本発明の実施形態に係る圧縮接合方法について図面を参照して詳細に説明する。
図２は、本発明の第１実施形態に係る圧縮接合方法を実施するために、基板と金属接合膜及び平板状の被接合部材を配列した構成を示す図面である。
図面を参照すれば、基板３１の上面に金属接合膜３３をストライプ状にパターニングした後、その上部に平板状の被接合部材３５を配列する。次いで、基板３１には熱を加えて金属接合膜３３の上部に圧力を加えれば、金属接合膜３３が変形されつつ基板３１と被接合部材３５とが接合される。ここで、金属接合膜３３の幅ｗと厚さＤ及び、各ストライプ間の間隔Ｇ１は、使用する基板３１、金属接合膜３３及び被接合部材３５の物質の種類によって変わる。

基板３１としては、シリコン、金属またはセラミックを使用でき、金属接合膜３３としては、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）及びチタン（Ｔｉ）を使用できる。ここで、金属接合膜３３としては、融点が低く且つ粘着力の強いアルミニウムを使用することが好ましい。被接合部材３５としては、ガラスで形成された光学素子や金属で製造された電気素子などを使用できるが、被接合部材３５を形成する物質の種類、サイズ及び形態は多様に利用されうる。

図３は、本発明の第２実施形態に係る圧縮接合方法を実施するために、基板と金属接合膜及び平板被接合部材を配列した構成を示す図面である。図２に示された金属接合膜３３の形態は、ストライプ状にパターニングすることに対し、図３に示された金属接合膜４３の形態は、スクエアドット状にパターニングする。参照符号４１は基板であり、参照符号４５は被接合部材である。図２に示されたストライプ状の金属接合膜３３よりドット状の金属接合膜４３の間隔Ｇ２が更に広いため、ストライプ状の金属接合膜３３より基板４１と被接合部材４５とを更に効果的に接合させうる。ドット状の金属接合膜４３は、横Ｓ１、縦Ｓ２及び、高さＳ３を同じスクエア状にパターニングできるが、必ずしもＳ１、Ｓ２、Ｓ３値が一致する必要はない。

図４は、本発明の第３実施形態に係る圧縮接合方法を実施するために、基板５１と金属接合膜５３ａ、５３ｂ及び平板被接合部材５５を配列した構成を示す図面である。
図２に示された形態の金属接合膜と同様に基板５１の上面にストライプ状の第１金属接合膜５３ａをパターニングした後、被接合部材５５の上面に第２金属接合膜５３ｂをストライプ状にパターニングして、基板５１に熱を加えると同時に被接合部材５５の上面に圧力を加えて、第１及び第２金属接合膜５３ａ、５３ｂを加熱させて基板５１と被接合部材５５とを接合させる。

本発明の第３実施形態に係る圧縮接合方法は、基板５１と被接合部材５５との表面にストライプ状の金属接合膜５３ａ、５３ｂを何れも形成するという点で、本発明の第１実施形態に係る圧縮接合方法と異なる。
本発明の第２及び第３実施形態に係る圧縮接合方法で、基板４１、５１、金属接合膜４３、５３ａ、５３ｂ、及び被接合部材４５、５５の説明は、本発明の第１実施形態に係る圧縮接合方法の基板３１、金属接合膜３３、及び被接合部材３５で詳述した通りである。

図５は、本発明の実施形態に係る圧縮接合方法の原理を示す図面である。
図面を参照すれば、直四角形のアルミニウム薄膜４は、Ｚ軸方向の幅が０と１との間に固定され、厚さｔを有する。圧力Ｐが−Ｙ軸方向に与えられる時、アルミニウム薄膜４はＸ軸方向に拡張される。その時、アルミニウム薄膜４の拡張はＺ軸方向において限定される。

以下では、アルミニウム膜４がＸ軸方向に拡張され始める瞬間の圧力Ｐを計算する。圧力Ｐは、アルミニウム薄膜４と基板との摩擦によってＸ軸に沿って中心から末端に行くほど小さくなる。アルミニウム薄膜４に圧力Ｐが加えられることによって、アルミニウム薄膜４の厚さｔは薄くなり、Ｘ軸方向の幅ｗは厚くなる。すなわち、アルミニウム薄膜４の厚さｔが薄いほど、Ｘ軸方向への距離Ｘが長くなるため、Ｘ軸方向への移動変位ΔＸが数式１によって増加する。

数式１からアルミニウム薄膜４の移動変位ΔＸを増加させるために厚さｔを減らさねばならないため、接合過程で大きい圧力が必要であるということが分かる。アルミニウム薄膜４を移動させ始めるのに必要な圧力を計算するためにＸ軸での圧力について知らねばならないが、まず、アルミニウム薄膜４が拡張され始める瞬間の圧力を計算する。アルミニウム薄膜４が拡張され始める瞬間でアルミニウム薄膜４の末端±ｗ／２での圧力は、アルミニウム薄膜４の厚さが異なっても常に同一であるという境界条件を適用する。上面及び背面での摩擦係数ｆは同じであり、Ｘ軸に対する圧力の変化ΔＰは数式２のように提示される。

ここで、ｆは摩擦係数、μはポアソン係数であり、この式の解は数式３のように与えられる。

アルミニウム膜４の末端ｗ／２で圧力Ｐは、数式４のように提供される。

したがって、数式３は、数式４により数式５のように表される。

数式５から平均圧力Ｐａｖを数式６のように計算できる。

アルミニウム薄膜４を形成するストライプの厚さｔはギャップＧと一致し、アルミニウム薄膜の厚さｔは３μｍに設定する。ｗ＝３、３０及び１００μｍで圧力の関係を調べれば、ｆ＝０.１及び０.３にすれば、数式７及び８の通りである。

前記式から一定値に設定されたアルミニウム薄膜４の厚さで、ストライプの幅ｗは接合時の圧力に大きな影響を与えることが分かる。もし、数式７のようにストライプの幅ｗを１０倍にすれば、圧力が７.７倍増加し、数式８のように幅を３３.３倍に増加させれば、圧力は４６１５倍に増加する。それは、概略的な近似を行なったものであるが、アルミニウム薄膜４を平板状に形成すれば、接合がほとんど不可能であるということが分かる。

図５を参照すれば、アルミニウム薄膜４がストライプ状に形成されるため、各ストライプ状の薄膜間の空間Ｇによって、アルミニウム膜４は容易に空間Ｇに拡張されうる。
図６Ａないし図６Ｅは、本発明の第１実施形態に係る圧縮接合方法の工程図である。ここで、金属接合膜としてはアルミニウム薄膜を、被接合部材としてはガラス板を利用する。

まず、図６Ａに示されたように、基板６１の上面にアルミニウム薄膜６３を物理的または化学的蒸着法を利用して蒸着した後、その上面に感光剤６２を塗布し、所定の形態のマスク６４をその上部に位置させて紫外線を照射する。露光、現像、及びエッチング工程を含むフォト工程を実行すれば、図６Ｂに示されたように、ストライプ状のアルミニウム薄膜６３がパターニングされる。洗浄工程を経て、アルミニウム薄膜６３の上面にある感光体６２を除去し、図６Ｃに示されたように、その上部にガラス板６５を配列する。

アルミニウム薄膜６３をパターニングする方法としては、直接的に基板６１を異方性エッチングする方法と、ストライプ状の基板６１を利用する方法などがある。アルミニウム薄膜６３をスクエアのドット状にパターニングするには、スクエアドット状のマスク６４を利用するか、または同じ形態の基板６１を利用できる。すなわち、アルミニウム薄膜６３のパターニング形態によって多様な形態のマスク６４と基板６１とを利用できる。

ガラス板６５と基板６１とを接合するために、図６Ｄに示されたように、基板６１に熱源６０を連結して基板６１の温度を上昇させ、ガラス板６５の上面に圧力Ｐを加える。それにより、基板６１とガラス板６５との間にパターニングされたアルミニウム膜６３が融解されて側方向に拡張され始め、適正な温度及び圧力下で図６Ｅに示されたように、アルミニウム薄膜６３を通過して基板６１がガラス板６５に均一に密着し、アルミニウム薄膜６３は基板６１とガラス板６５とをかたく接合させる。

図７ないし図１３は、本発明の実施形態に係る圧縮接合方法により接合された被接合部材と基板及びアルミニウム薄膜を示す写真である。
図７及び図８は、基板に１８μｍの幅と１０μｍのギャップとを有するストライプ状のアルミニウム接合膜を形成して、３００℃の熱を加えて８００μｍの直径を有するガラス球レンズを基板に接合した状態を撮った写真であるが、図７は、アルミニウム接合膜がガラス球レンズに付着された状態を示し、図８は、ガラス球レンズのＡＲコーティングが基板に接合された状態を示す。ここで、剪断強度のサイズは６ｇｒｆである。

図９は、基板に１８μｍ幅と２０μｍのギャップとを有するストライプ状のアルミニウム接合膜を形成し、３２０℃の熱と１５００ｇｆとの荷重とを加えて１０００μｍの直径と８１０μｍの長さとを有する非球面レンズを基板に接合した状態を撮った写真である。ここで、剪断強度は１０ｇｒｆを表した。
図１０は、基板に１８μｍの幅と２０μｍのギャップとを有するストライプ状のアルミニウム接合膜を形成して、３２０℃の熱と３９００ｇｆの荷重とを加えて１０００μｍの直径と８１０μｍの長さとを有する非球面レンズを基板に接合した状態を撮った写真である。ここで、剪断強度は７０ｇｆを表した。

図１１は、基板に１８μｍの幅と５０μｍのギャップとを有するストライプ状のアルミニウム接合膜を形成して、３２０℃の熱と３９００ｇｆの荷重とを加えて１０００μｍの直径と８１０μｍの長さとを有する非球面レンズを基板に接合した状態を撮った写真である。ここで、剪断強度は１１.１ｇｆを表す。
図９ないし図１１の実験結果から、アルミニウム接合膜の幅とギャップのサイズとがほぼ同じであり、温度３２０℃、圧力３９００ｇｆである場合に最も高い剪断応力を耐えることが分かる。

基板に連続面であるアルミニウム接合膜を形成した後、平面形ガラス板を付着しようとする場合、剪断強度はほぼゼロであり、基板上に平面形ガラス板を付着することはほとんど不可能であった。
基板にアルミニウム接合膜をドット状に形成し、ガラス板を接合する場合に更に強い接合力を表す。図１２は、一辺が１８μｍであるスクエアドット状のアルミニウム接合膜を形成し、３２０℃の熱と５０００ｇｆの荷重とを加えてガラス板と基板とを接合した状態を示す写真である。剪断強度は２００ｇｆ以上であった。

図１３は、本発明の第４実施形態に係る圧縮接合方法を示す図面である。本発明の第４実施形態に係る圧縮接合方法は、本発明の第１ないし第３実施形態に係る圧縮接合方法に紫外線を更に利用することを特徴とする。本発明の第４実施形態に係る圧縮接合方法は、基板７１にストライプ状またはドット状の金属接合膜７３をパターニングした後、その上部に被接合部材７５を配列し、上面に紫外線を照射しつつ圧力を加え、基板７１には熱を加えて基板７１と被接合部材７５とを接合する。紫外線は、熱と圧力とを下げる役割を行う。ここで、被接合部材７５を基板７１に接合させる前に、被接合部材７５の上面に金属接合膜７３を更に形成して、前記したような圧縮接合方法を実行できる。

本発明は、金属接合膜をストライプ状またはドット状にパターニングして、従来の技術で接合できなかった平板状の被接合部材も容易に基板に付着させることができ、従来の圧縮接合方法より低い温度及び圧力でも強い接合が可能であるという長所を有する。
前記した説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するものであるより、好ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。本発明の範囲は、説明された実施形態によって決まるのではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想により決まらねばならない。

前記したように、本発明の圧縮接合方法の長所は、光学素子を含む多様なサイズと形態の被接合部材を接合できるということと、接合のための温度と圧力とを著しく下げることができ、パッケージングとシーリングとを必要とするいかなる工程にも幅広く適用されうるということである。

米国特許第５,１７８,３１９号に開示された圧縮接合方法を示す図面であり、 本発明の第１実施形態に係る圧縮接合方法を示す図面であり、 本発明の第２実施形態に係る圧縮接合方法を示す図面であり、 本発明の第３実施形態に係る圧縮接合方法を示す図面であり、 本発明の実施形態に係る圧縮接合方法の原理を示す図面であり、 本発明の第１実施形態に係る圧縮接合方法の工程図であり、 本発明の第１実施形態に係る圧縮接合方法の工程図であり、 本発明の第１実施形態に係る圧縮接合方法の工程図であり、 本発明の第１実施形態に係る圧縮接合方法の工程図であり、 本発明の第１実施形態に係る圧縮接合方法の工程図であり、 本発明の実施形態に係る圧縮接合方法により基板と被接合部材とが接合された状態を示す写真であり、 本発明の実施形態に係る圧縮接合方法により基板と被接合部材とが接合された状態を示す写真であり、 本発明の実施形態に係る圧縮接合方法により基板と被接合部材とが接合された状態を示す写真であり、 本発明の実施形態に係る圧縮接合方法により基板と被接合部材とが接合された状態を示す写真であり、 本発明の実施形態に係る圧縮接合方法により基板と被接合部材とが接合された状態を示す写真であり、 本発明の実施形態に係る圧縮接合方法により基板と被接合部材とが接合された状態を示す写真であり、 本発明の第４実施形態に係る圧縮接合方法を示す図面である。

Claims (6)

1. 基板上に、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、またはチタンの何れか一つの膜を所定の形態にパターニングして金属接合膜を形成する第１ステップと、
   前記金属接合膜の上部に被接合部材を配置して前記基板に熱を加え、前記被接合部材に圧力を加えて前記金属接合膜によって前記基板と前記被接合部材とを接合する第２ステップと、
   を含むことを特徴とする圧縮接合方法。
2. 基板上に、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、またはチタンの何れか一つの膜を所定の形態にパターニングして第１金属接合膜を形成し、被接合部材上に、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛、またはチタンの何れか一つの膜を所定の形態にパターニングして第２金属接合膜を形成する第１ステップと、
   前記第２金属接合膜が形成された前記被接合部材の表面を前記第１金属接合膜の上部に配置して前記基板に熱を加え、前記被接合部材に圧力を加えて前記第１金属接合膜と前記第２金属接合膜とによって前記基板と前記被接合部材とを接合する第２ステップと、
   を含むことを特徴とする圧縮接合方法。
3. 前記基板は、シリコン、金属及びセラミックのうち、何れか一つで形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧縮接合方法。
4. 前記所定の形態は、ストライプ状またはドット状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧縮接合方法。
5. 前記被接合部材は、ガラスまたは金属で形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧縮接合方法。
6. 前記第２ステップでは、前記基板に熱を加えることによって前記基板の温度を３５０℃以下にすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧縮接合方法。

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