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JP5733600B2 - 素子封止体の製造方法、及び素子封止体 - Google Patents

素子封止体の製造方法、及び素子封止体 Download PDF

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Description

本発明は、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイ等のフラットパネルディスプレイに用いられる素子を、ガラスを用いて封止した素子封止体に関する。
省スペース化の観点から、従来普及していたCRT型ディスプレイに替わり、近年は液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、有機ELディスプレイ、フィールドエミッションディスプレイ等のフラットパネルディスプレイが普及している。大型化が困難であり携帯電話等小型デバイスのディスプレイとして普及している有機ELディスプレイは、液晶ディスプレイと比較して応答速度が速く、視野角に優れ、プラズマディスプレイと比較して消費電力が少ないため、大画面テレビとして量産されることが望まれており、大画面化に向けて各社が開発を進めているのが現状である。
有機ELディスプレイに使用される発光素子は、酸素や水蒸気等の気体が接触することにより劣化する。従って有機ELディスプレイに使用される基板には高いガスバリア性が求められるため、ガラス基板を用いることが考えられている。しかしながら、ガラス基板同士の接着に下記特許文献1に記載されているような樹脂系の封止剤を使用した場合、封止剤のガスバリア性が不十分となるおそれがあり、その場合には長期間の使用によって樹脂製の封止剤を透過して酸素や水蒸気等の気体が内部へと侵入し、発光素子が経年劣化するという問題が生じる。
上述した問題を解決するために、下記特許文献2では、ガラス基板同士を封止する場合において、低融点ガラスフリットを使用し加熱処理を行うことによって、発光素子を封止することが記載されている。下記特許文献2では、SiO、B、Alを含む基礎成分と、少なくとも1種類の吸収成分(CuO、Fe、V、TiO)とを含むガラス部分を有してなるフリット組成物を約700℃で焼結することによって、素子の封止を行うことが記載されている。
しかしながら、有機ELディスプレイに使用される発光素子は高熱に弱いため、下記特許文献2に記載されているフリット組成物を用いた場合には、700℃という高温焼結工程によって基板内の発光素子が破壊されるおそれがある。
特開2001−207152号公報 特開2008−044839号公報
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、ガスバリア性に優れ、常温で封止可能な素子封止体、及びその製造方法を提供することを目的とする。
請求項1に係る発明は、基板ガラスと、該基板ガラス上に載置された素子と、該素子を封止する保護ガラスとを含む素子封止体であって、前記保護ガラス及び前記基板ガラスの相互に接触する側の表面の表面粗さRaが夫々2.0nm以下であることを特徴とする素子封止体に関する。
請求項2に係る発明は、前記保護ガラスと前記基板ガラスとの30〜380℃における熱膨張係数の差が、5×10−7/℃以内であることを特徴とする請求項1に記載の素子封止体に関する。
請求項3に係る発明は、前記基板ガラス、及び前記保護ガラスは、オーバーフローダウンドロー法によって成形されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の素子封止体に関する。
請求項4に係る発明は、前記基板ガラス及び/又は前記保護ガラスの厚みは、300μm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の素子封止体に関する。
請求項5に係る発明は、前記素子の厚みは、500μm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の素子封止体に関する。
請求項6に係る発明は、前記基板ガラス及び/又は前記保護ガラスには、凹部が設けられていることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の素子封止体に関する。
請求項7に係る発明は、前記保護ガラスは、前記素子を包囲し前記素子以上の厚みを有するスペースガラスと、前記素子を被覆するカバーガラスからなり、前記スペースガラスの一方の表面が前記基板ガラスと接触し、他方の表面が前記カバーガラスと接触し、前記スペースガラスの一方及び他方の表面と、前記カバーガラスの前記スペースガラスと接触する側の表面の表面粗さRaは、夫々2.0nm以下であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の素子封止体に関する。
請求項8に係る発明は、前記保護ガラス及び前記基板ガラスの相互に接触する側の表面のGI値が、夫々1000pcs/m以下であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の素子封止体に関する。
請求項9に係る発明は、前記スペースガラスの一方及び他方の表面と、前記カバーガラスの前記スペースガラスと接触する側の表面のGI値が、夫々1000pcs/m以下であることを特徴とする請求項7に記載の素子封止体に関する。
請求項10に係る発明は、基板ガラス上に素子を載置し、該素子を保護ガラスによって封止する素子封止体の製造方法において、前記基板ガラス及び前記保護ガラスの相互に接触する側の表面の表面粗さRaが夫々2.0nm以下であることを特徴とする素子封止体の製造方法に関する。
請求項11に係る発明は、前記保護ガラス及び前記基板ガラスの相互に接触する側の表面のGI値が1000pcs/m以下であることを特徴とする請求項10に記載の素子封止体の製造方法に関する。
請求項1に係る発明によれば、基板ガラスと、該基板ガラス上に載置された素子と、該素子を封止する保護ガラスとを含む素子封止体であって、前記保護ガラス及び前記基板ガラスの相互に接触する側の表面の表面粗さRaが夫々2.0nm以下であることから、保護ガラスと基板ガラスとの接触面が平滑であるため密着性が良く、保護ガラスと基板ガラスとによって素子を強固に安定して封止することが可能となる。樹脂製封止剤を使用せず、ガラス同士の接着によって封止されているから、ガスバリア性に優れ、酸素や水蒸気等の気体が樹脂層を透過することによって素子が劣化するのを防止することができる。また、ガラスフリットの焼結工程を必要としないため、素子が加熱されることも無く、常温で封止を行うことができ、素子が加熱工程によって劣化するのを防止することができる。
一方、Raが2.0nmを超えると、密着性が低下し、保護ガラスと基板ガラスとを接着剤やガラスフリットの焼結工程無しで強固に封止することができない。
請求項2に係る発明によれば、前記保護ガラスと前記基板ガラスとの30〜380℃における熱膨張係数の差が、5×10−7/℃以内であることから、熱反り等が生じにくい素子封止体とすることが可能となる。
請求項3に係る発明によれば、前記保護ガラス、及び前記基板ガラスは、オーバーフローダウンドロー法によって成形されていることから、研磨工程を必要とすることなく極めて表面精度の高いガラスを得ることが可能となる。これにより、保護ガラスと基板ガラスによって素子をより強固に封止することが可能となる。
請求項4に係る発明によれば、前記基板ガラス及び/又は前記保護ガラスの厚みは、300μm以下であることから、ガラスの可撓性によって、素子を覆うようにして封止することが可能となる。
請求項5に係る発明によれば、前記素子の厚みは、500μm以下であることから、基板ガラス上に素子を嵌め込む凹部を設けなくても保護ガラスを貼り付けることによって素子を適切に封止することが可能となる。
請求項6に係る発明によれば、前記基板ガラス及び/又は前記保護ガラスには、凹部が設けられていることから、素子の厚みを避けつつ、基板ガラスと保護ガラスとを封止することができる。
請求項7に係る発明によれば、前記保護ガラスは、前記素子を包囲し前記素子以上の厚みを有するスペースガラスと、前記素子を被覆するカバーガラスからなることから、素子の厚みによる制限なく封止体を作製することが可能となる。前記スペースガラスの一方の表面が前記基板ガラスと接触し、他方の表面が前記カバーガラスと接触し、前記スペースガラスの一方及び他方の表面と、前記カバーガラスの前記スペースガラスと接触する側の表面の表面粗さRaは、夫々2.0nm以下であることから、接触面が平滑で密着性が良く、素子を強固に安定して封止することが可能となる。
請求項8、9に係る発明によれば、ガラス同士が接触する表面のGI値が夫々1000pcs/m以下であることから、接触面が清浄であるため表面の活性度が損なわれておらず、接着剤を使用しなくてもより強固に安定して封止することが可能となる。
請求項10に係る発明によれば、基板ガラス上に素子を載置し、素子を保護ガラスによって封止する素子封止体の製造方法において、基板ガラス及び保護ガラスの相互に接触する側の表面の表面粗さのRaが夫々2.0nm以下であることから、上述した素子封止体を常温で作製することができる。
請求項11に係る発明によれば、保護ガラス及び基板ガラスの相互に接触する側の表面のGI値が夫々1000pcs/m以下であることから、より強固に安定して封止された素子封止体を常温で製造することができる。
本発明に係る素子封止体の図であって、(a)は平面図、(b)はA−A線断面図である。 保護ガラス、及び、基板ガラスの製造装置の説明図である。 基板ガラスに凹部が設けられた図であって、(a)は平面図、(b)はB−B線断面図である。 保護ガラスがスペースガラスとカバーガラスとからなっている形態の素子封止体の図であって、(a)は平面図、(b)はC−C線断面図である 保護ガラスの縁部に固定層を設けた形態の図であって、(a)は平面図、(b)はD−D線断面図である。
以下、本発明に係る素子封止体の好適な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
本発明に係る素子封止体(1)は、図1に示す通り、基板ガラス(3)上に載置された素子(4)を覆うように保護ガラス(2)が設けられており、保護ガラス(2)と基板ガラス(3)とは、樹脂製接着剤やガラスフリット等を使用することなく相互に接着して、素子(4)を封止している。
保護ガラス(2)は、ケイ酸塩ガラスが用いられ、好ましくはシリカガラス、ホウ珪酸ガラスが用いられ、最も好ましくは無アルカリガラスが用いられる。無アルカリガラスを使用すると、シリカコートを施す必要がなく、工程数、コストを削減することができる。保護ガラス(2)にアルカリ成分が含有されていると、アルカリ成分が溶出し、素子を損傷させるおそれがある。尚、ここで無アルカリガラスとは、アルカリ成分(アルカリ金属酸化物)が実質的に含まれていないガラスのことであって、具体的には、アルカリ成分の重量比が1000ppm以下のガラスのことである。本発明でのアルカリ成分の重量比は、好ましくは500ppm以下であり、より好ましくは300ppm以下である。
保護ガラス(2)の厚みは、好ましくは300μm以下、より好ましくは1μm〜200μm、最も好ましくは1μm〜100μmである。これにより保護ガラス(2)の厚みをより薄くして、適切な可撓性を付与することができ、基板ガラス(3)上に載置された素子(4)の上から直接保護ガラス(2)で覆うことによって適切に封止を行うことができるからである。保護ガラス(2)の厚みが1μm未満であると、保護ガラス(2)の強度が不足がちになり、衝撃により破損するおそれがある。
基板ガラス(3)は、保護ガラス(2)と同様、ケイ酸塩ガラス、シリカガラス、ホウ珪酸ガラス、無アルカリガラス等が用いられる。基板ガラス(3)については、保護ガラス(2)との30〜380℃における熱膨張係数の差が、5×10−7/℃以内のガラスを使用することが好ましい。これにより膨張率の差による熱反り等が生じ難く、安定した封止状態を維持できる素子封止体(1)とすることが可能となる。
保護ガラス(2)及び基板ガラス(3)の相互に接触する側の表面の表面粗さRaは夫々2.0nm以下である。表面粗さRaが2.0nmを超えると、密着性が低下し、保護ガラス(2)と基板ガラス(3)によって素子(4)を接着剤やガラスフリットの焼結無しで強固に封止することができない。保護ガラス(2)及び基板ガラス(3)の上記表面の表面粗さRaは、夫々1.0nm以下であることが好ましく、0.5nm以下であることがより好ましく、0.2nm以下であることが最も好ましい。
保護ガラス(2)及び基板ガラス(3)の相互に接触する側の表面のGI値は、夫々1000pcs/m以下であることが好ましい。これにより、保護ガラス(2)と基板ガラス(3)との接触面が清浄であるため表面の活性度が損なわれておらず、接着剤やガラスフリットの焼結を使用しなくても保護ガラス(2)と基板ガラス(3)によって素子(4)をより強固に安定して封止することが可能となる。本明細書においてGI値とは、1mの領域内に存在する長径1μm以上の不純粒子の個数(pcs)のことである。保護ガラス(2)及び基板ガラス(3)の上記表面のGI値は、夫々500pcs/m以下であることがより好ましく、100pcs/m以下であることが最も好ましい。
本発明に使用される保護ガラス(2)及び基板ガラス(3)は、ダウンドロー法によって成形されていることが好ましい。保護ガラス(2)及び基板ガラス(3)の表面をより滑らかに成形することができるからである。特に、図2に示すオーバーフローダウンドロー法は、成形時にガラス板の両面が、成形部材と接触しない成形法であり、得られたガラス板の両面(透光面)には傷が生じ難く、研磨しなくても高い表面品位を得ることができるからである。これにより、保護ガラス(2)と基板ガラス(3)によって素子(4)をより強固に封止することが可能となる。
断面が楔型の成形体(6)の下端部(61)から流下した直後のガラスリボン(G)は、冷却ローラ(7)によって幅方向の収縮が規制されながら下方へ引き伸ばされて所定の厚みまで薄くなる。次に、前記所定厚みに達したガラスリボン(G)を徐冷炉(アニーラ)で徐々に冷却し、ガラスリボン(G)の熱歪を除き、ガラスリボン(G)を所定寸法に切断する。これにより、保護ガラス(2)又は基板ガラス(3)となるガラスシートが成形される。
保護ガラス(2)及び基板ガラス(3)のうち、厚みが小さい方のガラスの端辺が他方のガラスの端辺から食み出していない場合には、基板ガラス(3)と保護ガラス(2)とが剥離するのを防止することができる。厚みが小さい方のガラスの端辺が食み出していると、ハンドリング時に食み出した部分に何かが引っかかることによって、保護ガラス(2)と基板ガラス(3)とが剥離する可能性がある。保護ガラス(2)と基板ガラス(3)とが同一の大きさである場合にも、引っかかり部が形成されず保護ガラス(2)と基板ガラス(3)とが剥離するのを防止することができる。
保護ガラス(2)及び基板ガラス(3)のうち、厚みが小さい方のガラスの端辺が他方のガラスの端辺から食み出している場合には、素子(4)を封止後に基板ガラス(3)と保護ガラス(2)とを剥離させることが可能である。本発明に係る素子封止体(1)を使用した電子デバイスの廃棄時に、素子とガラスとを容易に分離させることが可能となり、ガラスのリサイクルを容易にすることが可能となる。
封止される素子(4)は、特に限定されず、熱変換素子を含む各種MEMSデバイス等を使用することができる。本発明にかかる素子封止体(1)は、透光性に優れる保護ガラス(2)で封止を行うため、受光素子や発光素子、光電変換素子、タッチパネル等を適切に封止することができる。本発明に係る素子封止体(4)は、ガスバリア性に優れ、低温で封止を行うことが可能であることから、有機EL素子等の発光体素子を特に適切に封止することができる。
素子(4)の厚みは、500μm以下であることが好ましい。これにより、基板ガラス(3)上に素子(4)を嵌め込む凹部を設けなくても保護ガラス(2)で覆うことによって素子(4)を封止することが可能となるからである。素子(4)の厚みが500μmを超える場合には、図3に示す通り、エッチング等によって、基板ガラス(4)上に素子(4)の嵌合に見合った凹部(41)を作製し、素子(4)を凹部(41)に嵌め込んだ後に保護ガラス(2)で覆うことによって封止を行えばよい。また、素子(4)の厚みの分だけ基板ガラス(3)のエッチングを行い、素子(4)の上面と基板ガラス(4)の表面の高さを揃えることが好ましい。保護ガラス(2)で素子(4)を覆った場合に、盛り上がりや凹みが形成されるのを防止するためである。図3では、基板ガラス(4)に凹部(41)を形成しているが、この形態には限定されず、保護ガラス(2)上に凹部(41)を形成してもよいし、基板ガラス(3)と保護ガラス(2)の両方に凹部(41)を形成してもよい。
基板ガラス(3)と保護ガラス(2)との接触面積と、基板ガラス(3)と素子(4)との接触面積の比は、1:0.19〜1:24.3であることが好ましく、1:0.56〜1:11.8であることがより好ましく、1:1.78〜1:6.76であることが最も好ましい。基板ガラス(3)と保護ガラス(2)との接触面積(接着面積)が少なすぎると、十分に封止することができないおそれがあり、また、基板ガラス(3)と保護ガラス(2)との接触面積(接着面積)が多すぎると、素子を効率よく配置することができなくなるおそれがある。
図4は、保護ガラスがスペースガラスとカバーガラスとからなっている形態の封止体の図であって、(a)は平面図、(b)はC−C線断面図である。
本実施形態に係る素子封止体(1)は、保護ガラス(2)がスペースガラス(21)とカバーガラス(22)とからなっている。スペースガラス(21)、カバーガラス(22)共に、オーバーフローダウンドロー法で成形されていることが好ましい。高い表面品位を有するからである。スペースガラス(21)は、素子(4)の厚み以上の厚みを有することが好ましい。スペースガラス(21)は、公知のレーザー等によって、素子(4)と嵌合する孔が形成される。
基板ガラス(3)上に素子(4)を載置し、該素子(4)を周囲から包囲するようにスペースガラス(21)を基板ガラス(3)と接触させる。その後に、素子(4)が上方から覆われるようにスペースガラス(21)とカバーガラス(22)を接触させ、封止を行う。スペースガラス(21)の一方の表面が基板ガラス(3)と接触し、他方の表面がカバーガラス(22)と接触して接触するため、スペースガラス(21)の一方及び他方の表面、カバーガラス(22)のスペースガラス(21)と接触する側の表面、基板ガラス(3)のスペースガラス(21)と接触する側の表面の表面粗さRaは、夫々2.0nm以下であり、また、これらの表面のGI値は、夫々1000pcs/m以下であることが好ましい。
図5は、保護ガラスの縁部に固定層を設けた形態の図であって、(a)は平面図、(b)はD−D線断面図である。
本発明に係る素子封止体(1)は、図3に示す実施形態と同様に、基板ガラス(3)上に素子(4)を載置し、素子(4)を覆うように保護ガラス(2)を設けた後、図5に示すように、保護ガラス(2)縁部を固定層(5)によって固定することが好ましい。これにより、保護ガラス(2)端部から剥離が開始するのを防ぐことができる。
固定層(5)は、図5に示すように、保護ガラス(2)の縁部に沿うように基板ガラス(3)上に設けられる。固定層(5)は、保護ガラス(2)の厚みよりも高く設けられることが好ましい。保護ガラス(2)の縁部から剥離が開始するのを防止するためである。また、図5に示す形態には特に限定されることはなく、保護ガラス(2)の縁部を覆うように、基板ガラス(2)と保護ガラス(3)とに跨って設けられてもよい。固定層(5)には特にガスバリア性は必要とされず、専ら保護ガラス(2)の固定の目的のみに使用される。従って、固定層(5)として、一般的に公知の樹脂等を使用することができる。また、固定層(5)は、基板ガラス(3)上に、成形や加工工程によってリブ状のガラスとして予め設けられていてもよい。
以下、本発明の素子封止体を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
縦100mm、横100mm、厚み700μmの矩形状の透明なガラス板を基板ガラスとして使用した。基板ガラスの上に積層する保護ガラスとして、縦80mm、横80mm、厚み100μmの保護ガラスを使用した。基板ガラスと保護ガラスは、日本電気硝子株式会社製の無アルカリガラス(製品名:OA−10G、30〜380℃における熱膨張係数:38×10−7/℃)を使用した。オーバーフローダウンドロー法によって成形されたガラスを、未研磨の状態でそのまま使用するか、研磨及びケミカルエッチングの量を適宜制御することによって、表面粗さRaの制御を行った。基板ガラス、及び保護ガラスの接触面側のRaをVeeco社製AFM(Nanoscope III a)を用い、スキャンサイズ10μm、スキャンレイト1Hz、サンプルライン512の条件で測定した。表面粗さRaは、測定範囲10μm四方の測定値から算出した。測定後、表1で示した試験区に基板ガラス及び保護ガラスの夫々について区分けを行った。
区分けを行った基板ガラス及び保護ガラスについて、洗浄、及び室内の空調を制御することによって水中、及び空気中に含まれる塵埃の量の調節を行い、基板ガラス及び保護ガラスの接触面側に付着する塵埃の量の調節を行うことによって、GI値の制御を行った。GI値については、日立ハイテク電子エンジニアリング株式会社製のGI7000で測定を行った。
その後、それぞれ表1に示された区分けに従って、基板ガラスの上中央にインクを1滴垂らし、さらにその上から保護ガラスで覆い、基板ガラスと保護ガラスとを密着させることにより、実施例1〜8、比較例1〜3の封止体を得た。
得られた封止体について、インクの漏出の有無による封止度合いの評価を行った。ガラス同士が接着しなかったものに×を、封止体を傾けても、インクが漏出しなかったものに○を、保護ガラスを押圧しても全くインクが漏出しなかったものを◎とすることによって封着性の判定を行った。結果を表1に示す。
表1に示される通り、保護ガラスと基板ガラスの表面粗さRaがいずれも2.0nm以下の実施例1〜8については、保護ガラスと基板ガラスは十分な密着性を有しており、封止できていることが分かる。それに対して、GI値が低いにも係らずいずれかのガラスの表面粗さRaが2.5nm以上の比較例1〜3については、接触面が粗いことから保護ガラスと基板ガラスの密着性が低く、封止が不完全であることが分かる。
本発明は、有機EL等の発光素子の封止に好適に使用することができる。
1 素子封止体
2 保護ガラス
21 スペースガラス
22 カバーガラス
3 基板ガラス
4 素子
41 凹部
5 固定層

Claims (6)

  1. 基板ガラス上に素子を載置し、該素子を保護ガラスによって封止する素子封止体の製造方法において、
    前記基板ガラスをオーバーフローダウンドロー法で成形し、
    前記保護ガラス厚み1〜200μmとなるようにオーバーフローダウンドロー法で成形し、
    前記基板ガラス及び前記保護ガラスの相互に接触する側の表面の表面粗さRaが夫々2.0nm以下であり、
    前記基板ガラスと前記保護ガラスとを常温で、かつ、未研磨の状態で直接貼り合わせることを特徴とする素子封止体の製造方法。
  2. 前記素子の厚みは、500μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の素子封止体の製造方法。
  3. 前記基板ガラスに凹部を形成し、前記凹部に前記素子を載置することを特徴とする請求項1又は2に記載の素子封止体の製造方法。
  4. 前記保護ガラス及び前記基板ガラスの相互に接触する側の表面のGI値が1000pcs/m以下であることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の素子封止体の製造方法。
  5. 前記保護ガラスと前記基板ガラスとの30〜380℃における熱膨張係数の差が、5×10−7/℃以内であることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の素子封止体の製造方法。
  6. 基板ガラスと、該基板ガラス上に載置された素子と、該素子を封止する保護ガラスとを含む素子封止体であって、
    前記基板ガラスと前記保護ガラスは、オーバーフローダウンドロー法で成形されており、
    前記保護ガラスの厚みは、1〜200μmであり、
    前記保護ガラス及び前記基板ガラスの相互に接触する側の表面の表面粗さRaが夫々2.0nm以下であり、
    前記基板ガラスと前記保護ガラスとが、常温且つ未研磨の状態で直接貼り合わされていることを特徴とする素子封止体。
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