(57)【要約】  第１の基板と第２の基板を溶接するための方法が明細書に開示され、方法は基板界面を形成するために第１の基板と第２の基板を接触させる工程及びあらかじめ定められた波長において動作しているレーザビームを第２の基板を通して基板界面上に向ける工程を含み、第１の基板は第１の基板と第２の基板の間に溶接部を形成するに十分な量の光をレーザビームから吸収する。開示は、明細書に開示される方法にしたがって作製された、ガラス及び／またはガラス−セラミックのパッケージ及びＯＬＥＤディスプレイにも関する。
2017518946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板と第２の基板を溶接するための方法において、
（ａ）基板界面を形成するために、前記第１の基板と前記第２の基板とを接触させる工程、及び
（ｂ）あらかじめ定められた波長において動作しているレーザビームを前記第２の基板を通して前記基板界面上に向ける工程、
を含み、
前記第１の基板が前記第１の基板と前記第２の基板との間に溶接部を形成するに十分な量の光を前記レーザビームから吸収し、
前記第１の基板が前記あらかじめ定められた波長において約１０ｃｍ−１より大きい吸収を有し、前記第２の基板が前記あらかじめ定められた波長において約１ｃｍ−１より小さい吸収を有し、
前記第１の基板及び前記第２の基板の内の少なくとも一方が約５ｐｐｍ/℃より大きい熱膨張係数を有する、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第１の基板及び／または前記第２の基板が、ガラス、セラミック及びガラス−セラミックから選ばれるか、あるいは、前記第１の基板及び／または前記第２の基板が、プレストレストラミネート及び、イオン強化及び／または熱強化された、ガラス及びガラス−セラミックから選ばれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の基板が、約０.０５〜１０モル％の、鉄、銅、バナジウム、マンガン、コバルト、ニッケル及びクロムの酸化物からなる群から選ばれる少なくとも１つの酸化物を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の基板が、約３０〜７５モル％のＳｉＯ２、約０〜４０モル％のＡｌ２Ｏ３、約０〜１５モル％のＢ２Ｏ３、約０〜２０モル％のＮａ２Ｏ、約０〜１０モル％のＫ２Ｏ、約０〜２０モル％のＬｉ２Ｏ、約０〜１０モル％のＭｇＯ、約０〜１０モル％のＣａＯ、約０〜１モル％のＳｎＯ２、約０〜５モル％のＺｒＯ２、約０〜１０モル％のＴｉＯ２及び約０.０５〜１０モル％の少なくとも１つの遷移金属酸化物及び／または希土類酸化物を含有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記第１の基板が約５〜３５モル％の（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）及び約５〜３５モル％の（ＭｇＯ＋ＣａＯ）を含有することを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の基板及び／または前記第２の基板の前記熱膨張係数が約６ｐｐｍ/℃〜約１０ｐｐｍ/℃の範囲にあることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記第１の基板が前記あらかじめ定められた波長において約５０ｃｍ−１より大きい吸収を有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記レーザビームが、ＵＶ波長、可視波長及び近赤外波長において動作するか、あるいは、前記レーザビームが約３００ｎｍ〜約１６００ｎｍの範囲にあるあらかじめ定められた波長を有することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記レーザビームが約１０ｍｍ/秒〜約１０００ｍｍ/秒の範囲にある平行移動速度において動作するか、あるいは、前記レーザビームが約３Ｗより大きいパワーレベル及び約１ＭＨｚより高い繰返し率において動作する、前記レーザビームが約３Ｗより大きいパワーレベル及び約１ＭＨｚより高い繰返し率において動作する、あるいは、前記レーザビームが約６Ｗ〜約１３Ｗの範囲にあるパワーレベル及び約１ＭＨｚ〜約３ＭＨｚの範囲にある繰返し率において動作することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記基板界面における前記レーザビームの直径が約１００〜約２００μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記レーザビームが、前記基板界面における前記レーザビームの直径と前記レーザビームの繰返し率との積以下の平行移動速度において動作することを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記レーザビームが前記第１の基板及び／または前記第２の基板の損傷閾値より小さいフルーエンスを有することを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
前記溶接部が約７０〜約２００μｍの範囲にある幅を有することを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
ガラス及び／またはガラス−セラミックのパッケージにおいて、請求項１から１３のいずれかに記載の方法によって作製されたことを特徴とするパッケージ。
【請求項１５】
有機発光ダイオードディスプレイにおいて、請求項１から１３のいずれかに記載の方法によって作製されたことを特徴とするディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は２０１４年４月２１日に出願された米国仮特許出願第６１／９８２０１５号の優先権の恩典を主張する。上記仮特許出願の明細書の内容はその全体が本明細書に参照として含められる。
【技術分野】
【０００２】
本開示は全般に高熱膨張基板を溶接するための方法に関し、さらに詳しくは、大きい熱膨張係数を有するガラス及びガラス−セラミックの基板を、レーザ溶接を用いて気密封着するための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
気密接合されたガラスのパッケージ及びケースが、持続動作のために気密環境から恩恵を受け得る電子デバイス及びその他のデバイスへの適用に対して、益々普及している。気密パッケージから恩恵を受け得るデバイスの例には、テレビジョン、センサ、光デバイス、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイ、３Ｄインクジェットプリンタ、固体照明源及び太陽光発電構造がある。
【０００４】
ガラス、セラミック及び／またはガラス−セラミックの基板は従来、エポキシまたはその他の封着材料を着けて、または着けずに、基板を炉に入れることで封着されていた。しかし、炉は一般に、ＯＬＥＤのような、多くのデバイスに適していない高処理温で動作する。例えば、ＯＬＥＤは一般に、熱の影響を受け易いコンポーネントを保護するため、約１００℃より低い、さらには約８５℃よりも低い、温度で処理されなければならない。
【０００５】
他の従来方法には、基板の間に吸収層またはガラスフリットを入れる方法がある。しかし、そのような層の付加は、封着プロセスを複雑にし、汚染物を導入し、及び／または経費を高め得る。ガラスフリットも、ＯＬＥＤのようなデバイスには適していない高温で処理されることが多く、及び／または封着時に望ましくないガスを発生し得る。
【０００６】
ガラス基板は本出願人により、超高速レーザを用い、中間層無しで気密封着されてきた。しかし、これまで、これらの直接ガラス−ガラス法は熱膨張係数（ＣＴＥ）が小さい（例えば、約４ｐｐｍ/℃以下の）ガラスでしか成功していない。同様に、ガラスフリット法も従来は低膨張ガラスの封着にしか用いられていない。
【０００７】
高膨張ガラスを封着しようとする試みは、これまで成功していない、低速（約１０ｍｍ/秒以下）に制限されている、及び／または高速（約２０ｍｍ/秒）とともに基板加熱を必要とする、これらの全てが気密パッケージ作製の時間、コスト及び／または複雑さを高めることになり得る。したがって、（例えば、＞５ｐｐｍ/℃の）大ＣＴＥ基板を、利点の中でもとりわけ、製造コスト低減及び／または生産速度向上を達成することができる、より高速及びより低温において溶接するための方法を提供することが有益であろう。得られる封止パッケージは、ＯＬＥＤのような、広範な電子デバイス及びその他のデバイスを保護するために用いることができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示は、様々な実施形態において、第１の基板と第２の基板を溶接するための方法に関し、方法は、基板界面を形成するために第１の基板と第２の基板を接触させる工程及びあらかじめ定められた波長において動作しているレーザビームを第２の基板を通して基板界面上に向ける工程を含み、第１の基板は第１の基板と第２の基板の間に溶接部を形成するに十分な量の光をレーザビームから吸収する。
【０００９】
様々な実施形態にしたがえば、第１の基板はあらかじめ定められた波長において約１０ｃｍ−１より大きい吸収を有し、第２の基板はあらかじめ定められた波長において約１ｃｍ−１より小さい吸収を有する。別の実施形態において、第１の基板及び第２の基板の内の少なくとも一方は約５ｐｐｍ/℃より大きい熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。いくつかの実施形態において、第１の基板及び第２の基板は、必要に応じて、イオン強化、化学強化及び／または熱強化することができる、ガラス、セラミック及びガラス−セラミックから選ぶことができる。別の実施形態にしたがえば、レーザは、ＵＶ波長、可視波長及び近赤外（ＮＩＲ）波長で動作することができる。また別の実施形態において、第１の基板及び第２の基板は気密封着を形成するように溶接接合され得る。
【００１０】
本開示は、本明細書に開示される方法にしたがって作製された、気密封着されたガラス及び／またはガラスセラミックのパッケージ並びにＯＬＥＤディスプレイにも関する。
【００１１】
本開示のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者にはその説明から容易に明らかであろうし、あるいは、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を含み、また添付図面も含む、本明細書に説明されるように方法を実施することによって認められるであろう。
【００１２】
上記の全般的説明及び以下の詳細な説明がいずれも本開示の様々な実施形態を提示し、特許請求の範囲の本質及び特質を理解するための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。添付図面は本開示のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて本明細書の一部をなす。図面は本開示の様々な実施形態を示し、記述とともに、本開示の原理及び動作の説明に役立つ。
【００１３】
以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照数字で示される、添付図面とともに読まれたときに最善に理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本開示の様々な実施形態にしたがう、封止パッケージを作成するためのコンポーネントを示す側面図である。
【図２】図２は、本開示の様々な実施形態にしたがう、集束方式を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
第１の基板と第２の基板を溶接するための方法が本明細書に開示され、方法は基板界面を形成するために第１の基板と第２の基板を接触させる工程及びあらかじめ定められた波長で動作しているレーザビームを第２の基板を通して基板界面上に向ける工程を含み、第１の基板は第１の基板と第２の基板の間に溶接部を形成するに十分な量の光をレーザビームから吸収し、第１の基板はあらかじめ定められた波長において約１０ｃｍ−１より大きい吸収を有し、第２の基板はあらかじめ定められた波長において約１ｃｍ−１より小さい吸収を有し、第１の基板及び第２の基板の内の少なくとも一方は約５ｐｐｍ/℃より大きい熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。これらの方法にしたがって作製された、ガラス及び／またはガラス−セラミックの封止パッケージ及びＯＬＥＤディスプレイも本明細書に開示される。
【００１６】
材料
本開示は、ガラス基板、セラミック基板、ガラス−セラミック基板及び／またはその他の基板の封着、例えば、溶接または気密封着、に関する。いくつかの実施形態において、第１の基板及び第２の基板はガラス及びガラス−セラミックから選ぶことができる。非限定例として、第１の基板及び第２の基板は、ソーダ石灰ケイ酸、アルミノケイ酸、アルカリアルミノケイ酸、ホウケイ酸、アルカリホウケイ酸、アルミノホウケイ酸及びアルカリアルミノホウケイ酸のガラス及びセラミックから選ぶことができる。これらの基板は、様々な実施形態において、イオン強化、化学強化及び／または熱強化することができる。適する市販の基板の非限定例には、コーニング(Corning Incorporated)社からの、ＥＡＧＬＥ ＸＧ（登録商標）ガラス、Ｌｏｔｕｓ（商標）ガラス、Ｗｉｌｌｏｗ（登録商標）ガラス及びＧｏｒｉｌｌａ（登録商標）ガラス並びにこれらのガラスから作製されたガラス−セラミックがあり、またこれらのガラスの、イオン強化版、化学強化版及び／または熱強化版もある。イオン交換によりイオン強化されているガラス及びガラス−セラミックが、いくつかの非限定実施例にしたがう基板として適し得る。別の実施形態において、第１の基板及び／または第２の基板はプレストレストラミネートとすることができる。
【００１７】
別の実施形態にしたがえば、第１の基板及び／または第２の基板は約１００ＭＰａより大きい圧縮応力及び約１０μｍより大きい圧縮応力の層深さ（ＤＯＬ）を有することができる。また別の実施形態において、第１の基板及び／または第２の基板は約５００ＭＰａより大きい圧縮応力及び約２０μｍより大きいＤＯＬを有することができる。
【００１８】
第１の基板は、様々な実施形態において、封着基板、例えば第１の基板と第２の基板の間に溶接部または封着部を形成するようにレーザビームから光を吸収する基板とすることができる。いくつかの実施形態において、第１の基板はレーザビームからの光吸収によって加熱され、膨れて、溶接部または気密封着を形成することができる。したがって、第１の基板はレーザの与えられた動作波長において約１０ｃｍ−１より大きい、例えば、約１５ｃｍ−１より大きい、約２０ｃｍ−１より大きい、約３０ｃｍ−１より大きい、約４０ｃｍ−１より大きい、または約５０ｃｍ−１より大きい、吸収を有することができる。高吸収レベルを達成するため、遷移金属または希土類金属のイオンのような、吸収化学種を第１の基板にドープすることができる。基板は、発色団を析出させるためまたは濃色ガラス−セラミックを形成するために熱衝撃を加えることもできる。他の適する吸収性基板が、２０１３年９月２７に本出願人によって出願された国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／０６２１０６号の明細書に開示されている。上記国際出願の明細書はその全体が本明細書に参照として含められる。
【００１９】
いくつかの実施形態にしたがえば、第１の基板は少なくとも１つの遷移金属酸化物または希土類酸化物を含有することができる。例えば、第１の基板は、鉄、銅、バナジウム、マンガン、コバルト、ニッケル、クロム、イットリウム及びランタンの酸化物から選ばれる、少なくとも１つの酸化物を含有することができる。遷移金属酸化物または希土類酸化物の量は第１の基板の所望の吸収特性に依存して変わり得るが、例えば、約０.１〜５モル％、約０.２〜３モル％、約０.３〜２モル％または約０.５〜１モル％のような、約０.０５〜１０モル％の、全範囲及びこれらの間の部分範囲を含む、範囲にあり得る。
【００２０】
第１の基板は、所望の波長において十分な吸収を与える、いずれの適する組成も有することができる。非限定例として、第１の基板は、約３０〜７５モル％のＳｉＯ２、約０〜４０モル％のＡｌ２Ｏ３、約０〜１５モル％のＢ２Ｏ３、約０〜２０モル％のＮａ２Ｏ、約０〜１０モル％のＫ２Ｏ、約０〜２０モル％のＬｉ２Ｏ、約０〜１０モル％のＭｇＯ、約０〜１０モル％のＣａＯ、約０〜１モル％のＳｎＯ２、約０〜５モル％のＺｒＯ２、約０〜１０モル％のＴｉＯ２、及び約０.０５〜１０モル％の少なくとも１つの上述した遷移金属酸化物または希土類酸化物を含有するガラスまたはガラス−セラミックとすることができる。別の非限定例において、第１の基板は、約３０〜７５モル％のＳｉＯ２、約０〜４０モル％のＡｌ２Ｏ３、約０〜１５モル％のＢ２Ｏ３、約５〜３５モル％の（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）、約５〜３５モル％の（ＭｇＯ＋ＣａＯ）、約０〜１モル％のＳｎＯ２、約０〜５モル％のＺｒＯ２、約０〜１０モル％のＴｉＯ２、及び約０.０５〜１０モル％の少なくとも１つの遷移金属酸化物または希土類酸化物を含有する。
【００２１】
別の実施形態にしたがえば、第１の基板は、約６０〜７０モル％のＳｉＯ２、約５〜１５モル％のＡｌ２Ｏ３、約１〜１０モル％のＢ２Ｏ３、約５〜２０モル％のＮａ２Ｏ、約０〜５モル％のＫ２Ｏ、約０〜５モル％のＬｉ２Ｏ、約１〜５モル％のＭｇＯ、約０〜５モル％のＣａＯ、約０〜０.５モル％のＳｎＯ２、約０〜１モル％のＺｒＯ２、約０.１〜５モル％のＴｉＯ２、及び約０.１〜３モル％の少なくとも１つの遷移金属酸化物または希土類酸化物を含有することができる。また別の実施形態にしたがえば、第１の基板は、約６２〜６８モル％のＳｉＯ２、約１０〜１４モル％のＡｌ２Ｏ３、約３〜１０モル％のＢ２Ｏ３、約５〜１８モル％のＮａ２Ｏ、約０〜５モル％のＫ２Ｏ、約０〜５モル％のＬｉ２Ｏ、約１〜３モル％のＭｇＯ、約０〜２モル％のＣａＯ、約０〜０.２モル％のＳｎＯ２、約０〜０.５モル％のＺｒＯ２、約０.５〜２モル％のＴｉＯ２、及び約０.５〜２モル％の少なくとも１つの遷移金属酸化物または希土類酸化物を含有することができる。
【００２２】
特定の、ただし限定ではない、ガラス及び／またはガラス−セラミックの組成が、これらの基板について認められたＣＴＥ値とともに、下の表ＩＡに与えられている。
【００２３】
【表１Ａ】
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【００２４】
別の例のガラス及び／またはガラス−セラミックの組成が下の表ＩＢに与えられている。
【００２５】
【表１Ｂ−１】
2017518946.tif 000004
【００２６】
【表１Ｂ−２】
2017518946.tif 000005
【００２７】
第２の基板は、第２の基板がレーザビーム波長において光を吸収しないか、または実質的に吸収しないことを除いて、第１の基板と同様とすることができる。第２の基板は、いくつかの実施形態において、レーザの動作波長において約１ｃｍ−１より小さい、例えば、約０.５ｃｍ−１より小さい、約０.３ｃｍ−１より小さい、または約０.１ｃｍ−１より小さい、吸収を有する。
【００２８】
したがって、第２の基板は、遷移金属または希土類金属のイオンのような、少なくとも１つの光吸収化学種がドープされていないか、あるいは動作波長における吸収が十分に小さい（約１ｃｍ−１より小さい）ままであるように、吸収化学種を全く、または極微量または少量しか、含有していない。第２の基板は、組成を他の点では第１の基板と同様とすることができ、あるいは全く異なる組成を有することができる。
【００２９】
いくつかの実施形態において、第１の基板はガラス−セラミック基板とすることができ、第２の基板は（光吸収化学種を除いた）第１の基板と同じかまたは異なる酸化物を含有するガラス基板とすることができる。非限定例として、第２の基板はＧｏｒｉｌｌａ（登録商標）ガラスとすることができ、第１の基板は少なくとも１つの遷移金属または希土類金属のイオンをドープしたＧｏｒｉｌｌａ（登録商標）ガラス−セラミックとすることができる。別の実施形態において、第１の基板と第２の基板は異なる組成を有することができる。例えば、第２の基板はソーダ石灰ガラスとすることができ、第１の基板は少なくとも１つの遷移金属または希土類金属のイオンをドープしたアルカリアルミノケイ酸ガラス−セラミックとすることができる。他の組合せも思い描かれ、当業者の能力の範囲内にある。
【００３０】
本明細書に開示される方法により、例えば、約６ｐｐｍ/℃より大きい、約７ｐｐｍ/℃より大きい、約８ｐｐｍ/℃より大きい、または約９ｐｐｍ/℃より大きいような、約５ｐｐｍ/℃より大きい、全範囲及びこれらの間の部分範囲を含む、大ＣＴＥ値を有する基板の封着、例えば気密封着が可能になる。いくつかの実施形態において、第１の基板及び／または第２の基板は、約６〜約８ｐｐｍ/℃のような、約５〜約１０ｐｐｍ/℃の、全範囲及びこれらの間の部分範囲を含む、範囲にあるＣＴＥ値を有することができる。本明細書に開示される方法は異なるＣＴＥ値を有する基板間の封着の形成を可能にする点で有利である。例えば、第１の基板は大ＣＴＥ材料とすることができ、第２の基板は小ＣＴＥ材料とすることができる。あるいは逆も可能である。様々な実施形態にしたがえば、第１の基板及び第２の基板のいずれも大ＣＴＥ、例えば、約５ｐｐｍ/℃より大きいＣＴＥを有する。
【００３１】
様々な実施形態にしたがえば、少なくとも１枚の第３の基板を、第１の基板と第２の基板の間に挿入するかまたは第１の基板及び第２の基板の上に被着することができる。例えば、第３の基板は、回路、有機層、カソード、アノード及び／または気密環境から恩恵を受け得るであろういずれか他の基板または物体から選ぶことができる。ＯＬＥＤの場合、少なくとも１つの有機層、カソード及びアノードを第１の基板と第２の基板の間に配置することができる。これらの実施形態において、有機層は第１の基板及び／または第２の基板の表面上に被着されて基板界面を形成する。ＯＬＥＤディスプレイを作製するため、基板の間に電極を配置し、ガラスパッケージを気密封止することができる。異なる基板及びアイテムを有する別の気密封止パッケージも思い描かれ、本開示の範囲内にある。
【００３２】
方法
本明細書に開示される方法にしたがえば、第１の基板と第２の基板が接触させられて、基板界面を形成する。基板界面は、本明細書において、第１の基板と第２の基板の表面、例えば、溶接または封着によって接合されるべき表面の間の接触点を指す。基板は技術上既知のいずれかの手段によって接触させることができ、いくつかの実施形態において、力、例えば印加圧縮力を用いて接触させることができる。別の非限定例として、基板を２枚のプレートの間に配置して押し合わせることができる。いくつかの実施形態において、基板界面における良好な接触を確実にするように圧縮力を印加するため、クランプ、ブラケット及び／またはその他の締結具を用いることができる。様々な非限定実施形態にしたがえば、２枚のシリカプレートを用いることができるが、他の材料を含むプレートも思い描かれる。プレートが用いられる場合、レーザビーム光が基板界面に確実に集中するように、第２の基板に隣接するプレートは透明であるべきであり、及び／またはレーザ波長において光を吸収するべきではないことが有利である。第１の基板に隣接するプレートはいくつかの実施形態において透明とすることができるが、適するいずれかの材料で構成することもできる。
【００３３】
レーザは、基板溶接に適する、技術上既知のいずれかのレーザから選ぶことができる。例えば、レーザは、ＵＶ波長（〜３５０−４００ｎｍ）、可視波長（〜４００−７００ｎｍ）またはＮＩＲ波長（〜７００−１４００ｎｍ）で発光することができる。いくつかの実施形態において、約３５５ｎｍ、または他の適するいずれかの波長で動作する高繰返しパルスＵＶレーザを用いることができる。別の実施形態において、約５３２ｎｍ、または他の適するいずれかの可視波長で動作する連続波レーザを用いることができる。また別の実施形態において、約８１０ｎｍ、または他の適するいずれかのＮＩＲ波長で動作する近赤外レーザを用いることができる。様々な実施形態にしたがえば、レーザは、約３５０ｎｍ〜約１４００ｎｍ、約４００ｎｍ〜約１０００ｎｍ、約４５０ｎｍ〜約７５０ｎｍ、約５００ｎｍ〜約７００ｎｍ、または約６００ｎｍ〜約６５０ｎｍのような、約３００ｎｍ〜約１６００ｎｍの、全範囲及びこれらの間の部分範囲を含む、範囲にあるあらかじめ定められた波長において動作することができる。
【００３４】
様々な実施形態にしたがえば、レーザビームが第２の基板を通して（例えば第２の基板上に入射して）基板界面上に向けられ、第１の基板が基板間に溶接部をつくるに十分な量の光を吸収する。いくつかの実施形態において、レーザビームは約３Ｗより大きい、例えば、約７Ｗ〜約１２Ｗ、約８Ｗ〜約１１Ｗ、または約９Ｗ〜約１０Ｗのような、約６Ｗ〜約１３Ｗの、全範囲及びこれらの間の部分範囲を含む、範囲にある平均パワーで動作する。レーザはいずれの周波数でも動作することができ、いくつかの実施形態において、準連続態様または連続態様で動作することができる。別の実施形態において、レーザは複数のバーストを有し、バースト内の個々のパルスの間のタイムセパレーションが、約５０ＭＨｚ、または約１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの間、または１ＭＨｚと５０ＭＨｚの間であり、全範囲及びこれらの間の部分範囲を含む、バーストモードで動作することができる。いくつかの非限定単パルス実施形態において、レーザは、例えば、約１ＭＨｚ〜約４ＭＨｚ、約２ＭＨｚ〜約３ＭＨｚ、または約１ＭＨｚ〜約３ＭＨｚのような、約０.５ＭＨｚ〜約５ＭＨｚの、全範囲及びこれらの間の部分範囲を含む、範囲にある周波数または隣接パルスの間のタイムセパレーション（繰返し率）を有することができる。様々な実施形態にしたがえば、レーザは約１ＭＨｚより高い繰返し率を有することができる。パルスの持続時間またはパルス幅は変わることができ、例えば、いくつかの実施形態において、持続時間は約１ｎｓより短くすることができる。別の実施形態において、パルス幅または持続時間は、約１５ｐｓより短く、約１０ｐｓより短く、または約１ｐｓより短くすることができる。
【００３５】
様々な実施形態にしたがえば、第１の基板上または第２の基板上にレーザビームを多少とも集束できるような様々な構成において、基板界面にレーザビームを集束させることができる。例えば、ビームを、第１の基板にやや強く集束させるかまたは第２の基板にやや強く集束させることができる。いくつかの実施形態において、レーザビームを基板界面の下側に、例えば、第１の基板内に若干入れて、集束させることができる。別の実施形態において、注目する基板を照射するため、付帯レーザ光学系のアキシコンを用いてレーザビームを線に沿って集束させ、よってガウス−ベッセル型ビームを提供することができる。様々な非限定集束構成の詳細な説明は以下の実施例で述べられる。
【００３６】
様々な実施形態にしたがえば、基板界面上のビームスポット径が約３００μｍより小さくなり得るように、ビームを基板界面に向けて、基板界面上に集束させることができる。例えば、ビームスポット径は約２００μｍより小さくすることができ、あるいは、約１００μｍ〜約２００μｍのような、約７５μｍ〜約２２５μｍの、全範囲及びこれらの間の部分範囲を含む、範囲とすることができる。
【００３７】
レーザビームは、例えば、注目する基板の間に配置された１つ以上のデバイスを気密封入するために、基板面内で、正方形、長方形、円形または長円形のような、あるいはその他のいずれか適するパターンまたは形状の、いずれかのパターンまたはあらかじめ定められた経路でスキャンまたは平行移動させることができる。レーザビーム（または基板）が界面に沿って移動する平行移動速度は用途によって変わることができ、例えば、第１の基板及び第２の基板の組成、及び／または集束構成、及び／またはレーザのパワー、周波数及び／または波長に依存し得る。いくつかの実施形態において、レーザは、約１０ｍｍ/秒〜約１０００ｍｍ/秒の、例えば、約５０ｍｍ/秒〜約７００ｍｍ/秒であるか、約１００ｍｍ/秒より速い、約２００ｍｍ/秒より速い、約３００ｍｍ/秒より速い、約４００ｍｍ/秒より速い、約５００ｍｍ/秒より速い、または約６００ｍｍ/秒より速い、全範囲及びこれらの間の部分範囲を含む、範囲にある平行移動速度を有することができる。
【００３８】
本明細書に開示される様々な実施形態にしたがえば、レーザの波長、パルス持続時間、繰返し率、平均パワー、集束条件及びその他の該当パラメータは、第１の基板と第２の基板を溶接し合わせるに十分なエネルギーを生じるように変えることができる。所望の用途に対し、必要に応じてこれらのパラメータを変えることは当業者の能力の範囲内にある。様々な実施形態において、レーザのフルーエンス（または強度）は第１の基板及び／または第２の基板の損傷閾値より低い。例えば、レーザは基板を溶接し合わせるに十分に強いが基板を損傷するほどには強くない条件の下で動作する。いくつかの実施形態において、レーザビームは、基板界面におけるレーザビームの直径とレーザビームの繰返し率との積以下の平行移動速度で動作することができる。
【００３９】
レーザビームは、いくつかの実施形態において、基板界面上に幅が変化する溶接部または融着線（例えば封着領域）を形成することができる。いくつかの実施形態において、溶接部は約７０〜約２２０μｍ、例えば、約１００〜約２００μｍ、約１２０〜約１８０μｍ、または約１３０〜１７０μｍの、全範囲及びこれらの間の部分範囲を含む、範囲にある幅を有することができる。
【００４０】
本明細書に開示される方法を実施するための可能な１つの構成の断面図である図１を参照すれば、第１の基板１１０及び第２の基板１１５が２枚のプレート１２０と１２５の間に置かれ、印加力１３０を用いて接触させられて、基板界面１４０を形成している。次いで、レーザビーム１５０をあらかじめ定められた経路１６０に沿ってスキャンさせて、融着線１７０を形成することができる。次いで封止ガラスパッケージを形成することができる。必要に応じて基板１１０と１１５の間に第３の基板を挿入することができるが、この要素は図１に示されていない。この構成への様々な別の改変が、図では示されていないが、思い描かれ、本開示の範囲に含められることも当然である。
【００４１】
開示される様々な実施形態が、特定の実施形態に関連して説明される、特定の特徴、要素または工程を含み得ることは理解されるであろう。特定の特徴、要素または工程が、１つの特定の実施形態に関して説明されるが、様々な説明されない組合せまたは置換において、別の実施形態と互換であり得るかまたは組み合わせられ得ることも理解されるであろう。
【００４２】
本明細書に用いられるように、用語「a」または「an」は「少なくとも１つ」を意味し、そうではないことが明白に示されない限り、「１つだけ」に限定されるべきではない。したがって、例えば、「an oxide」への言及は、別途に明瞭に示されない限り、２つ以上のそのような「酸化物」を有する例を含む。
【００４３】
本明細書において範囲は［「約」１つの特定値］から、及び／または［「約」別の特定値］までのように表され得る。そのような範囲が表される場合、例はその１つの特定値から及び／またはその別の特定値までを含む。例えば、「約１〜５％」は、約１％〜約５％、約１％〜５％、１％〜約５％、または１％〜５％を表すことが意図されている。同様に、先行詞「約」の使用により値が近似値として表されていれば、その特定の値が別の態様をなすことは理解されるであろう。さらに、範囲のそれぞれの端点が、他方の端点との関係でも、他方の端点とは独立にも、有意であることが理解されるであろう。
【００４４】
別途に明白に言明されない限り、本明細書に述べられるいずれの方法もその工程が特定の順序で実施されることが要求されていると解されることは全く意図されていない。したがって、方法請求項が、その工程がしたがうべき順序を実際に挙げていないか、あるいは工程が特定の順序に限定されるべきであることが別途に請求項かまたは説明に特に言明されていない場合、いかなる特定の順序も推測されることは意図されていない。
【００４５】
特定の実施形態の様々な特徴、要素または工程が移行句「comprising（含む）」を用いて開示され得るが、移行句「comprising」または「comprising essentially of （基本的になる）」を用いて説明され得る上記の特徴、要素または工程を含む、別の実施形態が含意されていることは当然である。すなわち、例えば、Ａ＋Ｂ＋Ｃを含有するガラスに対する含意される別の実施形態は、ガラスがＡ＋Ｂ＋Ｃからなる実施形態及びガラスが基本的にＡ＋Ｂ＋Ｃからなる実施形態を含む。
【００４６】
本開示の精神及び範囲を逸脱することなく本開示に様々な改変及び変形がなされ得ることが当業者には明らかであろう。本開示の精神及び本質を組み込んでいる本開示の実施形態の改変組合せ、サブ組合せ及び変形が当業者には思い浮かび得るから、本開示は添付される請求項及びそれらの等価形態の範囲内に全てを含むと解されるべきである。
【００４７】
以下の実施例は非限定的であり、例証でしかないとされ、本発明の範囲は特許請求の範囲で定められている。
【実施例】
【００４８】
ガラス基板とガラスセラミック基板のＵＶレーザ溶接
透明Ｇｏｒｉｌｌａ（登録商標）ガラス（第２の基板）と黒色Ｇｏｒｉｌｌａ（登録商標）ガラス−セラミック（第１の基板）を融着するため、周波数１ＭＨｚ及び２ＭＨｚ（波長３３５ｎｍ、パルス幅１ｎｓ）で動作する、Ｃｏｈｅｒｅｎｔ社のＤａｙｔｏｎａ ＵＶレーザを用いた。パルス間のかなりのビーム重なり及び短いインターバルは、高溶接速度においてさえ、パルス間の基板冷却を減じるかまたは妨げるから、レーザ出力は準連続であると見なされ得る。アブレーション効果を減じ、基板加熱を最大化するため、６Ｗと１３Ｗの間の範囲にある低い平均パワーでレーザを動作させた。５３ｍｍテレセントリック対物レンズを備えるガルバノメータを用いてレーザビームをスキャンさせ、焦点径は約３μｍと評価した。
【００４９】
図２は第１の基板２１０と第２の基板２１５が接触して基板界面２４０を形成している集束方式の側面図を示す。Ｚ座標を有するレーザビーム２５０を集束レンズ２５５により第２の基板２１５を通して基板界面２４０上に集束させることができる。
【００５０】
実験のため、集束レンズのＺ座標に基づいて４つの集束条件：Ｚ＝１８４ｍｍ（界面におけるスポット径＝３μｍ）、Ｚ＝１８４.５ｍｍ（界面におけるスポット径＝７５μｍ）、Ｚ＝１８５ｍｍ（界面におけるスポット径＝１５０μｍ）、及びＺ＝１８５.５ｍｍ（界面におけるスポット径＝２２５μｍ）に対応する界面上の集束、を決定した。１８４ｍｍより大きいＺ座標は第１の基板により近い集束に対応し、１８４ｍｍより小さいＺ座標は第２の基板により近い集束に対応する。
【００５１】
真っ直ぐな導入線及び導出線を含むループを有する溶接パターンを用いた。スキャン速度は５０ｍｍ/秒〜７００ｍｍ/秒の範囲とした。溶接部を、特に過書込みによる欠陥が最も生じ易い重なり領域において、クラックについて検査した。表IIは、異なるパワーにおいて様々な平行移動速度を用い、Ｚ＝１８５ｍｍ集束条件（界面におけるスポット径＝１５０μｍ）及び２ＭＨｚで達成した溶接の品質を示す。表IIIは、Ｚ＝１８５.５ｍｍ集束条件（界面におけるスポット径＝２２５μｍ）及び２ＭＨにおける溶接の品質を示す。表IVは、Ｚ＝１８4.５ｍｍ集束条件（界面におけるスポット径＝７５μｍ）及び２ＭＨｚにおける溶接の品質を示す。表Ｖは、Ｚ＝１８５ｍｍ集束条件（界面におけるスポット径＝１５０μｍ）及び１ＭＨｚにおける溶接の品質を示す。
【００５２】
数値は溶接幅をμｍ単位で表す。（ガラス上の粒子またはその他の些細な欠陥により生じた）軽微な欠陥を有することが認められた溶接部は「＊」で示し、重大な欠陥（プロセスまたはガラスに課せられた限界）をもつ溶接部は「＊＊」で示してある。数値または記号のない空白の欄はパラメータの特定の組合せを実行しなかったことを示す。ほとんどの場合、これらのパラメータは、該当する実験上の性能傾向の解析後、有効範囲外にあると考えられた。
【００５３】
【表２】
2017518946.tif 000006
【００５４】
【表３】
2017518946.tif 000007
【００５５】
【表４】
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【００５６】
【表５】
2017518946.tif 000009
【００５７】
表ＩＩ〜Ｖで実証されるように、クラック発生または欠陥の無い十分な幅の溶接部を形成する、広い範囲の条件があり得る。溶接幅は、少なくともある程度、集束の緊密さに依存する。例えば、Ｚ＝１８５.５（試験スポット径が最大の２２５μｍ）の場合、観察された溶接幅は約１６０μｍの下方境界を有していた。Ｚ＝１８４.５（試験スポット径が最小の７５μｍ）の場合、観察された溶接幅は約７５μｍの下方境界を有していた。表VIは溶接幅について（無欠陥の）観察された上限及び下限を２ＭＨｚにおける集束条件の関数として示す。
【００５８】
【表６】
2017518946.tif 000010
【００５９】
理論にはこだわらずに、溶接幅は、[レーザパワー]/[スキャン速度]に比例し得る、単位溶接長当たりに第１の基板によって吸収されたエネルギーＥに対応すると考えられる。したがって、溶接幅はＥ値が低くなるほど、ガラスが融解せず、エネルギーが低いときにはそれほど効率的に溶接がおこらないから、益々狭くなる。溶接幅の上限は、クラックを発生させる、多すぎるエネルギーにより生じる残留応力によって制限されると考えられる。表Ｖに見られるように、Ｚ＝１８５ｍｍ及び１ＭＨｚで達成可能な溶接幅はＺ＝１８５ｍｍ及び２ＭＨｚ（表II）で達成可能な溶接幅とほとんど同じであるが、これらの幅はより狭い範囲のパワー及び速度で達成可能である。
【００６０】
これらの観察に基づけば、基板界面上にレーザビームを、界面におけるビーム径が約７５〜約２２５μｍまたは約１００〜約２００μｍの範囲にあるように、集束させることが、本開示の様々な実施形態により、有利であり得る。同様に、約１００〜約２００μｍまたは約１２０〜約１８０μｍの範囲にある溶接幅を形成するようにスキャン速度及びレーザパワーを制御することが、本開示の様々な実施形態により、有利であり得る。理論にはこだわらずに、溶接幅が狭くなると十分な溶接強度が得られないであろうが、溶接幅が広くなるとクラック発生がおこり易くなり得ると考えられる。したがって、周波数がより高いレーザパルスが、より連続なエネルギー波、したがって、パルス間の大きくなった重なりにより一層広い範囲の作業条件を提供できるから、望ましいことであり得る。
【００６１】
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
【００６２】
実施形態１  
第１の基板と第２の基板を溶接するための方法において、
（ａ）基板界面を形成するために、前記第１の基板と前記第２の基板を接触させる工程、及び
（ｂ）あらかじめ定められた波長において動作しているレーザビームを前記第２の基板を通して前記基板界面上に向ける工程、
を含み、
前記第１の基板が前記第１の基板と前記第２の基板の間に溶接部を形成するに十分な量の光を前記レーザビームから吸収する、
前記第１の基板が前記あらかじめ定められた波長において約１０ｃｍ−１より大きい吸収を有し、前記第２の基板が前記あらかじめ定められた波長において約１ｃｍ−１より小さい吸収を有する、及び
前記第１の基板及び前記第２の基板の内の少なくとも一方が約５ｐｐｍ/℃より大きい熱膨張係数を有する、
方法。
【００６３】
実施形態２  
前記第１の基板及び／または前記第２の基板が、ガラス、セラミック及びガラス−セラミックから選ばれる、実施形態１に記載の方法。
【００６４】
実施形態３  
前記第１の基板及び／または前記第２の基板が、ソーダ石灰ケイ酸、アルミノケイ酸、アルカリアルミノケイ酸、ホウケイ酸、アルカリホウケイ酸、アルミノホウケイ酸及びアルカリアルミノホウケイ酸の、ガラス及びガラス−セラミックから選ばれる、実施形態２に記載の方法。
【００６５】
実施形態４  
前記第１の基板及び／または前記第２の基板が、プレストレストラミネート及び、イオン強化及び／または熱強化された、ガラス及びガラス−セラミックから選ばれる、実施形態１に記載の方法。
【００６６】
実施形態５  
前記第１の基板及び／または前記第２の基板が、約１００ＭＰａより大きい圧縮応力及び約１０μｍより大きい圧縮応力の層深さを有する、実施形態１に記載の方法。
【００６７】
実施形態６  
前記第１の基板が、約０.０５〜１０モル％の、鉄、銅、バナジウム、マンガン、コバルト、ニッケル及びクロムの酸化物からなる群から選ばれる少なくとも１つの酸化物を含有する、実施形態１に記載の方法。
【００６８】
実施形態７  
前記第１の基板が、約３０〜７５モル％のＳｉＯ２、約０〜４０モル％のＡｌ２Ｏ３、約０〜１５モル％のＢ２Ｏ３、約０〜２０モル％のＮａ２Ｏ、約０〜１０モル％のＫ２Ｏ、約０〜２０モル％のＬｉ２Ｏ、約０〜１０モル％のＭｇＯ、約０〜１０モル％のＣａＯ、約０〜１モル％のＳｎＯ２、約０〜５モル％のＺｒＯ２、約０〜１０モル％のＴｉＯ２及び約０.０５〜１０モル％の少なくとも１つの遷移金属酸化物及び／または希土類酸化物を含有する、実施形態１に記載の方法。
【００６９】
実施形態８  
前記第１の基板が約５〜３５モル％の（Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ）及び約５〜３５モル％の（ＭｇＯ＋ＣａＯ）を含有する、実施形態７に記載の方法。
【００７０】
実施形態９  
前記第１の基板及び／または前記第２の基板の前記熱膨張係数が約６ｐｐｍ/℃〜約１０ｐｐｍ/℃の範囲にある、実施形態１に記載の方法。
【００７１】
実施形態１０  
前記第１の基板が前記あらかじめ定められた波長において約５０ｃｍ−１より大きい吸収を有する、実施形態１に記載の方法。
【００７２】
実施形態１１  
前記レーザビームが、ＵＶ波長、可視波長及び近赤外波長において動作する、実施形態１に記載の方法。
【００７３】
実施形態１２  
前記レーザビームが約３００ｎｍ〜約１６００ｎｍの範囲にあるあらかじめ定められた波長を有する、実施形態１に記載の方法。
【００７４】
実施形態１３  
前記レーザビームが約１０ｍｍ/秒〜約１０００ｍｍ/秒の範囲にある平行移動速度において動作する、実施形態１に記載の方法。
【００７５】
実施形態１４  
前記レーザビームが約３Ｗより大きいパワーレベル及び約１ＭＨｚより高い繰返し率において動作する、実施形態１に記載の方法。
【００７６】
実施形態１５  
前記レーザビームが約６Ｗ〜約１３Ｗの範囲にあるパワーレベル及び約１ＭＨｚ〜約３ＭＨｚの範囲にある繰返し率において動作する、実施形態１に記載の方法。
【００７７】
実施形態１６  
前記基板界面における前記レーザビームの直径が約１００〜約２００μｍの範囲にある、実施形態１に記載の方法。
【００７８】
実施形態１７  
前記レーザビームが、前記基板界面における前記レーザビームの直径と前記レーザビームの繰返し率との積以下の、平行移動速度において動作する、実施形態１に記載の方法。
【００７９】
実施形態１８  
前記レーザビームが前記第１の基板及び／または前記第２の基板の損傷閾値より小さいフルーエンスを有する、実施形態１に記載の方法。
【００８０】
実施形態１９  
前記溶接部が約７０〜約２００μｍの範囲にある幅を有する、実施形態１に記載の方法。
【００８１】
実施形態２０  
前記第１の基板及び前記第２の基板が印加圧縮力によって接触させられる、実施形態１に記載の方法。
【００８２】
実施形態２１  
前記第１の基板と前記第２の基板の間に気密封着が形成される、実施形態１に記載の方法。
【００８３】
実施形態２２  
前記第１の基板と前記第２の基板の間に少なくとも１枚の第３の基板を入れる工程をさらに含む、実施形態１に記載の方法。
【００８４】
実施形態２３  
前記少なくとも１枚の第３の基板が、有機層、カソード、アノードまたはこれらの組合せである、実施形態２２に記載の方法。
【００８５】
実施形態２４  
前記少なくとも１枚の第３の基板が有機発光ダイオードを含む、実施形態２２に記載の方法。
【００８６】
実施形態２５  
実施形態１の方法によって作製された、ガラス及び／またはガラス−セラミックのパッケージ。
【００８７】
実施形態２６  
実施形態２４の方法によって作成された、有機発光ダイオードディスプレイ。
【符号の説明】
【００８８】
１１０，２１０    第１の基板
１１５，２１５    第２の基板
１２０，１２５    プレート
１３０    力
１４０，２４０    基板界面
１５０，２５０    レーザビーム
１６０    経路
１７０    融着線
２５５    集束レンズ
【図１】
2017518946.tif 000011
【図２】
2017518946.tif 000012
【国際調査報告】
2017518946.tif 000013
2017518946.tif 000014
2017518946.tif 000015