(57)【要約】【課題】機能デバイスを収納する気密容器にはガラスとセラミックタイプがあった。前者はガラスの機械的強度、小型化に難があり後者は高価、環境負荷問題および過剰品質等に問題があった。本発明は両タイプの欠点を改善した気密容器を提供するものである。【解決手段】  ガラスとセラミックからなる薄板複合材料基板と金属銅からなる導体との溶封体（ステム）を作成し課題の解決を計った。該溶封体（ステム）を構成する薄板複合材料基板の両面に所用の導体を金属銅で形成する。基板のデバイス取り付け面に、これを収納する空間を確保するため枠状の薄板複合材料基板を設け、これにより薄膜金属銅との気密溶封を行う。機能デバイスを溶封体（ステム）に固定し真空中で蓋（リッド）とを低融点ガラス等で封止し製品とする。本発明の気密容器は薄板複合材料と金属銅層との溶封部を用いたことを特徴とする。【選択図】図４
2013222956.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラスとセラミックからなる復合材料で構成される無機材料を用いて薄板状の基板を作成し該基板の相対する平行平面状に少なくとも２個以上の独立した金属銅からなる導体が存在し、これら導体は互いに独立して接続されていることを特徴とする基板、
【請求項２】
請求項１を包含し該基板の少なくとも片側面上に存在する該導体が窓枠状の薄板状の基板と少なくとも２箇所で互いに独立して気密封着されていることを特徴とする基板（ステム）、
【請求項３】
請求項１および２を包含し窓枠状の該基板側上に設けた導体部に機能デバイスの水晶振動子等を固定したことを特徴とする基板（ステム）、
【請求項４】
請求項１、２および３を包含し該基板（ステム）と気密空間を確保するガラスとセラミックからなる復合材料で構成される無機材料からなる蓋（リッド）とを気密封着したことを特徴とする気密容器および機能性デバイス、
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  この発明は水晶振動子等の機能デバイスが、その機能目的を充分に発揮するにあたり高度の真空空間を要することに鑑み該バイスを保持する気密空間を構成する基板（ステム）と蓋（リッド）からなる気密容器の構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  従来より高真空気密を要する気密容器として、大別するとガラスタイプと図６（特許文献１）に示したセラミックタイプがあった。【０００３】  昨今の電子機器の製造にあたっては使用するプリント基板へ部品を取付ける方法が大きく問われるようになった。すなわち、表面実装（ＳＭＴ）可能な形状の部品を予めテープに固定し、これをリールに巻いて部品搭載ロボットを介して自動的に半田ペーストを印刷法により塗布したプリント基板上の所定箇所に搭載する製造方法が一般的になった。
それ故、基板設計技術者は極力自動搭載可能な部品の選定を計って自動化率を上げる努力をしてきた。使用する部品が表面実装可能かどうかがプリント基板の製造効率を左右しコストに関わってくるためである。【０００４】  ガラスタイプの気密容器の大部分は自動搭載が不可能な垂直実装（ＶＭＴ）対応に限定されているが、安価に製造できるので一部の製品はリード線の加工或いは表面実装可能な変換アダプターを付加する加工を施して対処してきた。ガラスタイプの気密容器にも自動搭載が可能なものもあるが構造が極めて複雑で小型化が難しかった。【０００５】  図６に示すセラミックタイプは一般的に全て自動搭載が可能な表面実装対応品である。【０００６】  次に別の視点から両タイプ気密容器の技術的背景について触れてみた。
真空空間を担保する気密溶封の歴史はエジソンが発明した電球製造に始まり、その後エレクトロニックスの発展を担うキィーデバイスの開発と共に歩んできた。
すなわち電球工業から真空管工業へと引き継がれたキィーデバイスの商品化にガラスと金属との気密溶封技術は、これらキィーデバイスの多くが高真空に保たれた状態で始めて、その機能が発揮されるため基盤要素生産技術として重要視され必然的に開発されてきた。【０００７】  その後、テレビ放送が本格化すると同時に難視聴区域が出現しサテライト局により、これを解消する動きが出た。このサテライト局に使用する送信管は従来のガラス外囲器を使用した物ではガラスの誘電体損失によりガラスが熱で溶融してしまう不具合が起こる。【０００８】  これを解消すべくセラミック外囲器を持った送信管が１９６０年代前半に開発された。この時、基盤要素技術としてアルミナ含有率９２〜９５％の高アルミナセラミックと金属との気密溶封技術が国内で始めて確立さた経緯がある。エレクトロニックス業界にセラミックスが導入された原点である。これ以降アルミナの熱的特性（熱伝導度、熱膨張、耐熱ショックおよび伝導率等）、電気的特性（誘電体損失、誘電率、高絶縁、伝導率等）および機械的特性（引っ張り、坑折力等）が極めて優れていることにより、各種電子管の小型化が図れ、なおかつ気密性に関しても高い信頼性に裏付けされた生産技術の確立により、安定した機能性デバイスの提供が可能となった。【０００９】  技術革新によりキィーデバイスが真空管から半導体へと大きく変貌していく中、両タイプの気密容器は、その長短所を生かして半導体デバイス等に使用されるに到った。
しかし今日では高度の真空気密が必須条件の機能デバイスは音叉型の水晶振動子等、小数のデバイスに限定されている。
ただし、これらの製品はリストウオッチを初め携帯電話やＰＣ等、用途が多岐に亘り、その使用量は莫大なものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】    図６に示した特許文献１に示されたラミックタイプの真空気密容器のステム２２の製造方法の概略説明をする。
予めアルミナセラミックと少量の特殊ガラスおよび有機質と有機溶剤で構成されるバインダーとを充分攪拌し混合したスラリィーを製造しておく。このスラリィーを膜厚制御可能なブレードを設けて展延し、所定の膜圧を持った可塑性のアルミナを主成分としたシートを製作する。（一般的には、この状態のものをグリーンシートと呼称してる）
このグリーンシート上に溶媒として例えば数％のマンガン微粉末を含むモリブデン微粉末からなる有機溶媒インクを用いて必要な導体部２２ａをプリントすることにより設ける。
真空空間を確保するためにはグリーンシートの層厚２２−１により、これを制御する。
またグリーンシートの層間２２−２，２２−３で導体の接続または配線を要する時にはグリーンシートを貫通する微細な貫通孔２２ｃを介して上記、微粉末が含有されている有機溶剤インクを用いて、これを行う。
要求された気密容器ステムは設計要求に従い上記グリーンシートを組み合わせて治具上で積層し湿潤水素中、約２，０００℃に加熱焼成することにより目的の気密ステム２２が得られる。
蓋３３に関しても全く同様にして用意することができる。
ステムの空間部分（キャビティー）にステムを貫通して設けた導体部２２ａに水晶振動子等５５の機能デバイスを固定する（水晶振動子を固定する他電極２２ｂは不明示）。
これを高真空装置内の治具にセットし蓋３３とステム２２構成上面とを低温で溶融するガラス４４で封着することにより水晶振動子を収納した部分を高真空状態に保ち目的とする機能デバイスを供給することができる。
後に述べるセラミック基板と区分するため、これら高アルミナ含有率のグリーンシートからパッケージを生産する方式をＨＴＣＣ（Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏ−Ｆｉｒｅｄ  Ｃｅｒａｍｉｃ）と呼称している。
【非特許文献】
【００１１】    これに対して同様の製造手法を用いた低温度焼成のアルミナとガラスとの混合スラリィーを用いたデバイス等の収納容器がある。非特許文献１および２を参考のこと。
低温度焼成したセラミックと言うことでＬＴＣＣ（Ｌｏｗ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏ−Ｆｉｒｅｄ  Ｃｅｒａｍｉｃ）と命名し、前出の高アルミナセラミック基板とは区別している。
【特許文献】
【００１２】    また、特許文献２に比較的アルミナ含有率が高く低温焼成が可能な結晶化ガラスを用いたＬＴＣＣの事例が開示されている。
先に説明した気密溶封技術の歴史の中で溶封金属表面上に酸化物の形成が不可能な貴金属や、その表面に不安定な酸化物しか形成できない金属はガラスとの気密溶封が不可能であることが実証されており、気密溶封の実績は皆無であった。
ＬＴＣＣ基板と金属との溶封部分の構成はＬＴＣＣ基板上に印刷法で形成された金属部分はペースト状の貴金属微粉末インクを使用して構成されている。特殊なガラス微粉末と貴金属微粉末を混合し、これに有機溶媒を有機溶剤に溶かした溶液を加えてペースト状の金属インクとしものを導体とし該基板上に設け、これらを溶封していることから見掛けの構成体は無機質と金属が接合されている。しかし気密溶封は理論的に無理で実用化された実績はない。
なお、この種両セラミックタイプの気密容器及び収納容器は自動搭載が可能である。
【特許文献１】特開平２００９−２８４１２５
【特許文献２】特開平２００２−２５２５３９
【非特許文献１】ＫＯＡ株式会社  ＬＴＣＣ多層基板  ＬＴＣＣパッケージ  カタログ
【非特許文献２】ＮＥＣ真空硝子（株）ＬＴＣＣ基板とグリーンシート  ミニ知識
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】  従前のセラミックタイプの気密容器には次のような欠点あった。
（イ）高アルミナセラミックタイプは原材料のボーキサイト鉱石が高価で、かつアルミナ  を得る製造過程及び気密容器の製造過程に於いて高温焼成を必要とするため製品が高価  であった。
加えて環境保護の観点から言えば極めて環境汚染負荷が大きい。
（ロ）高アルミナセラミックを用いた気密容器は熱的、電気的および機械的全ての特性に  おいて真空気密を要する機能デバイスに対して過剰品位である。
（ハ）低アルミナセラミックタイプ或いは結晶化ガラスタイプの容器は真空気密性が担保  されない。従って、本発明の比較対象とはならない。
本発明は以上のような欠点をなくすためになされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】  一般的に互いが反応しない２種の物質を混合した複合材料では加成性が成り立つと言われている。従前の気密容器の欠点を解決する本質的な点はガラス物性のうち機械的強度の改善が最も重要である。その一方で金属とガラスとの気密溶封で最も注意しなければならない重要な点は熱膨張特性と金属とガラスとの気密溶封に当たっての製造技術上の基本原則を忠実に守る事である。【００１５】  本発明では従来よりガラスタイプの気密容器に使用されている硼珪酸ガラスをベースとし、これにアルミナセラミック球状粒あるいはアルミナセラミック粒を混合し焼成したアルミナフィラーガラスからなる複合材料により課題の解決を計ったものである。
すなわち、ガラスの原材料はシリカが主要成分で、これは地球の約７割を占める汎用物質であり極めて廉価である。その製造及び本発明による複合材料を使用した気密容器の製造過程とも、所用焼成温度はセラミックのそれの半分以下である。【００１６】  図１は本発明のベースとなるアルミナセラミック球状粒を用いた複合材料の焼成品１を顕微鏡撮影し拡大図を模写したものである。【００１７】  すなわち、直径２０〜１００ミクロンの顆粒状硼珪酸ガラスに直径５〜５０ミクロンのアルミナ粒Ｙを重量で５〜６０％加え混合攪拌したアルミナフィラーガラスを乾式プレスし、約９５０度で焼成した。【００１８】  各焼成品から顕微鏡観察用の試料をサンプリングし観察面を光学研磨しておく。
顕微鏡画面を撮影後、この写真を模写したもので、図中Ｚは焼成後のガラス部分を示したものである。図１の（１）はアルミナ球状粒含有率：５〜１０％、（２）は同：１０〜２０％、（３）は同：３０〜６０％何れもアルミナ球状粒がガラスに分散している状態を示したものである。【００１９】  これら模写図上の任意の場所に直線Ａ−Ａ′を引きガラスとアルミナの比率を概算してみると（１）では約４：１、（２）では２．８：１、（３）では１．７：１であった。【００２０】  気密溶封体を構成する複合材料と被溶封金属との接触面積を推測するために上記概算比率から接触面積比を算出した。（１）では約１６：１、（２）では８：１、（３）では３：１であった。【００２１】  （１）〜（３）の複合材料各サンプルの焼成品から熱膨張及び坑折力測定試料を作成して、その値を実測したところ熱膨張率は母体である硼珪酸ガラスの約５〜１０％増しであった。
坑折力は約１．５〜３倍（６０重量％複合材料）と大幅な特性の改善が見られた。
金属とガラスとの気密溶封に関わる重要な指標であるガラスの転移転温度は最大で約１０℃の上昇が見られたが問題がない範囲である。本発明の実施に寄与するガラスの軟化点については約３０℃高くすることができた。【００２２】  これら複合材料により改善された特性は金属とガラスとの気密溶封に必要な要件を大きく外れるものではない。すなわち、これらの特性を見る限り真空管製造技術で培われてきた基本設計標準内にあり、寧ろ大方の特性は目論見通り信頼性を向上させ、且つ設計の自由度が増す結果となった。従って、本発明の目的とするガラス素材の機械的強度を機能設計可能な複合材料により代替し向上させた結果、従前のガラス強度、その他の特性を大幅に改善することができた。これにより、従前の高アルミナセラミック材料で製造されてきた気密容器の代替製品として供することが可能になった。【００２３】  大量生産により安価な気密容器を提供するため、従来から知られているスラリィー法で気密容器の基板（ステム）を製造する方法を採用した。ガラスと金属の気密溶封用金属材料としては既に安定した実績がある銅微粉末を使用した金属製インクを用いた所用配線パターンの作成と、必要に応じた複合材料薄板状基板との積層を計った。
これにより高信頼かつ高真空を保持することを可能とした気密容器が得られた。
銅微粉末を使用した金属製インクの代わりに銅箔を使用することも有用な手段である。
【発明の効果】
【００２４】  本発明はガラスと金属の気密溶封で長年、電球や真空管等での使用実績と安定性が保証されてきた硼珪酸ガラスをベースにして、これにアルミナ粒子を加えた複合材料の機能設計が可能なことに着目した。本発明の複合材料を使うことにより硼珪酸ガラスの欠点と目された特性改善を可能とした事に止まらず従前からガラスおよびセラミック両タイプの気密容器が課題としていた問題点を全て解消した画期的なものである。
加うるに、該複合材料を使い従来から知られていた薄板複合材料基板を製造した量産手法の導入により超小型、超薄型の気密容器基板（ステム）を安価に提供することが可能になった。
すなわち、
（１）簡単な構造で極最小表面実装型の気密容器の設計が可能である。
（２）極めて安価に製品の大量生産が可能である。
（３）過剰品位とならない最適設計が可能な製品の提供が可能である。
（４）製造過程のエネルギィー消費が少なく環境汚染負荷が極めて小さいエコ商品である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】アルミナセラミック球状粒を用いた複合材料の拡大図  （１）はアルミナ含有率：５〜１０％（２）は同：１０〜２０％（３）は同：３０〜６０％
【図２】量産用気密容器基板（ステム）の製造実施例  （イ）薄板複合材料基板の表面導体説明図  （ロ）薄板複合材料基板の裏面導体説明図
【図３】機能デバイス収納空間（キャビティー）用薄板複合材料基板の説明図
【図４】単位気密容器基板（ステム）の構成説明図
【図５】機能デバイス組み立て説明図
【図６】高アルミナ表面実装タイプ気密容器の説明図
【本発明を実施するための形態：実施例】
【００２６】  図２から図４は本発明により気密容器の基板（ステム）を製造する実施例を詳細に説明するためのものである。図５は該基板（ステム）をテム利用した機能デバイスの実装と商品を説明するためのものである。
【００２７】  図２は量産用気密容器基板（ステム）の製造実施例である。４００〜２５０メッシュの篩をパスした硼珪酸ガラス微粉末に直径５〜５０ミクロンの粒状アルミナを２０重量％加え、該複合材料混合物に数％の適当な有機バインダー、溶剤、可塑剤および分散剤等を添加混合し泥漿状のスリラーとする。
このスリラーを既に知られた膜厚制御可能なドクターブレイド法により所望の厚さを持った複合材料の生シート（グリーンシート）１を製造する。
必要に応じて型で複合材料の生シートに貫通孔３を設けておく。
単位基板（ステム）の拡大図をＡ部拡大図として（イ）に示した。互いに独立した内部導体パターン２ａ、２ｂおよび貫通孔３に設けた接続用の導体２ｃを同時に印刷できる様に設計された印刷パターン２により複合材料の生シート（グリーンシート）１上に銅微粉末を使用した金属製インクを印刷しておく。
同様に、複合材料の生シート（グリーンシート）１の裏面（ロ）にも外部導体４ａ、４ｂおよび２ｃとなる導体が同時に印刷できる様に設計された印刷パターン４により銅微粉末を使用した金属製インクを印刷しておく。
【００２８】  図３は機能デバイスを収納する空間スペース（キャビティ−）を確保するための複合材料の生シート（グリーンシート）５と図２で用意した複合材料の生シート（グリーンシート）１を重ね合わせて雰囲気コントロールが可能な焼成炉で９５０℃で約３０分間焼成したものである。
複合材料の生シート（グリーンシート）５には開口部４が設けてある。
この状態で露出している導体部分にニッケルメッキ或いは必要に応じて金メッキ等を施しておくことは可能である。
【００２９】  図４は本発明により得た焼成した薄板複合基板から単位基板（ステム）を切り出し詳細説明をするための基板（ステム）６の斜視図である。
半導体工業でシリコーンウエハーからデバイスチップを製造する工程を参考にし、これと同じ手法を用いた。
互いに独立した内部導体パターン２ａ、２ｂは接続用の導体２ｃにより外部導体４ａ、４ｂに独立して、それぞれ接続されている。
実際にはグリーンシート５とグリーンシート１は重ねて本焼成されているためガラス構成部は互いに溶融し気密溶封されているため境界面は示せないが、説明上この部分を敢えて点線で示しておいた。
薄板複合材基板１に設けた互いに独立した内部導体パターン２ａ、２ｂは貫通孔３に設けた接続用の導体２ｃとの接続部近傍で機能デバイスを収納する空間スペース（キャビティー）を確保するための複合材料基板５と気密溶封されている。
すなわち、相接する複合材料基板の表面上には少なくとも５０％以上のガラス部分が存在するので銅金属厚膜導体層とは安定した気密溶封部が形成されている。
【００３０】  図５は機能デバイスの組み立て工程を説明したものである。
基板（ステム）６に水晶振動子等機能デバイス７を予め鉛フリィーの半田で止めておく。次に真空装置内に治工具を用いて蓋（リッド）８および低融点ガラス９と共にセッティングし温度上昇を図りながら高真空を保ち低融点ガラスの融点にいたって基板（ステム）６と蓋（リッド）８とを気密溶封し商品とする。
【符号の説明】
【００３１】Ｚ：ガラス
Ｙ：アルミナセラミク粒
１：複合材料の焼成体
１：複合材料のグリーンシート
２：内部導体印刷パターン
３：貫通孔
４：外部導体印刷パターン
５：収納空間スペース用複合材料のグリーンシート枠
６、２２：基板（ステム）
７、５５：水晶振動子等機能デバイス
８、３３：蓋（リッド）
９、４４：封着用低融点ガラス
２ａ，２ｂ，２２ａ，２２ｂ：内部導体層
４ａ，４ｂ：外部導体層
２ｃ，２２ｃ：接続用導体層
【図１】
2013222956.tif 000003
【図２】
2013222956.tif 000004
【図３】
2013222956.tif 000005
【図４】
2013222956.tif 000006
【図５】
2013222956.tif 000007
【図６】
2013222956.tif 000008