3D2-03

第34回エレクトロニクス実装学会春季講演大会

シール材付きガラスリッドを用いた異材質の接合の実現
Implementation of Joint of Dissimilar Materials Using Glass Lid with Sealing Material
間嶌 亮太
日本電気硝子株式会社
電子部品事業部 第二製造部

1. はじめに
半導体光学素子用パッケージは、光の透過が要求され(断面図)ガラスリッドる。この要求に応えるため、透光性に優れるガラスリッド(蓋材)が使用される。リッドと筐体の封止には、樹脂製の材料が使用されるのが一般的である。しかし、用途によってはんだ層は封止強度や気密性、耐久性など高信頼性が要求されるも下地層のがあり、樹脂ではそれらの特性を満足できないことが多従来製品い。その場合の代替材料として、はんだが使用される。

開発製品

図 2 シール材付きガラスリッドの構成

高信頼性が要求される一例に、殺菌用途の深紫外ＬＥＤがある。深紫外ＬＥＤが普及してきた背景として、これま説明する。シール材付きガラスリッドは、ガラスの表面に下で水や空気の浄化に使用されてきた水銀ランプの置換えが地層（金属膜）を介して金錫はんだが形成された構成となっ進んでいることがある。水銀汚染防止に向けた国際的な水ている。開発開始当初は、筐体と熱膨張係数の合ったリッド

銀規制により、2020 年を目途に水銀を使った製品の製造・を選定し、従来技術のプリフォームの仕様に合った金錫はん輸出・輸入が制限されることになる。そこで人体や環境へだを形成した（図 2 従来製品）。しかし、先に挙げたリッドの影響が少なく、コンパクトで省エネ・長寿命な点で LEDの破損不良の問題を解決できなかった。そこで、金錫はんだが注目を集めている。の構成の最適化を図った。これにより筐体との封止後も良好

現在深紫外ＬＥＤメーカ各社は、パッケージの筐体(セラな気密性、封止強度が実現可能となった(図 2 開発製品)。

ミック製)とリッドとの封止には主にプリフォーム状の金錫開発したシール材付きリッドの特徴は、以下 2 点である。

はんだを用いる。しかし、封止部にプリフォームを設置す・リッドの破損不良を抑える、適切な幅の金錫はんだ層を有するる際の位置決めが難しく、十分な封止強度や気密性が得ら・筐体との気密性を確保するために十分な厚みのれなかった。場合によっては筐体の内部へ金錫が染み出し金錫はんだ層を有するてしまい LED 素子が故障するなどし、問題となっていた。

金錫はんだ層の設計にあたっては、応力解析より得られた

その課題を解決するために、シール材付きリッドを用いデータから適切な幅・厚みの範囲を特定した。て封止する技術が考えられる。この技術が確立すれば、ＬＥＤ素子の封止工程において筐体にシール材付きリッドをこれらの特徴により、リッドへの金錫はんだ層の形成及載せてリフローするだけで封止が可能となり、工程の簡素び筐体との封止時に生じていた問題の解決に至った。その化に貢献できると考えられる。しかし金錫を使用した接合具体的効果を以下に示す。

においてはリッド、金錫、及び筐体の熱膨張係数の差に起＜効果＞

因するリッドの破損不良という潜在的な問題があった。

① リッド破損不良の発生防止

以上の背景のもと、当社では各種セラミック製の筐体との従来技術においては、ガラスリッド/金錫はんだ/筐体間の封止に適したシール材付きガラスリッドの開発に着手・成功

熱膨張係数差が大きいため、はんだが融けて封止した後のし、量産化に目途が立った（図 1）。本稿ではこのシール材付冷却過程において部材間の収縮差が大きく、ガラスリッドきガラスリッドについて紹介する。
2．シール材付きガラスリッドの特徴
本稿では、シール材として金錫を用いた場合を例に挙げて

図 3 ガラスリッドと筐体の組合せ例

図 1 図1
シール材付きリッド製品例
シール材付きリッド製品例

1© 一般社団法人エレクトロニクス実装学会- 3D2-03 -3D2-03

第34回エレクトロニクス実装学会春季講演大会

(a)

(b)

金錫

従来製品

はんだ幅

金錫

従来製品と比較し金錫はんだ層の幅を0.8倍とした

図3 リッド断面の応力分布 （a) (a)従来製品、(b)開発製品
従来品、(ｂ) 開発品
図 4 ガラスリッドの断面応力解析結果が破損しやすかった。例えば、深紫外 LED 素子用パッケー量は減少する。この状況で筐体とリッドを封止しても、ジの筐体材料としては、高い放熱特性を活かして窒化アル十分な気密性を確保することができなかった。

ミ二ウム(AlN)が使用される。AlN と組み合わせるリッドとこの問題への対策として、金錫はんだ層の幅は狭く保持ししては、紫外域の透過率が高い石英ガラスが使用されてきたままで厚みを増す技術が必要となった。当社では、厚みをた。しかし部材間の熱膨張係数(AlN：4.6,石英 0.63ppm/℃)自由に制御できるはんだの形成技術を確立した。この技術での差が大きいため、リッドの破損不良を抑えることができ作製した金錫付きリッドは、封止時の加熱で金錫がリッド側なかった。その対策の 1 つは、リッドを筐体の熱膨張係数へ過剰に広がらず、それでいて筐体側へは十分に金錫が流れに近い材質に変更することである。当社では AlN をはじめ込み、封止後の気密性を確保することが可能となった。とするセラミックス系の熱膨張係数に近いガラス材質を開3．今後の課題と用途展開発している。当社では深紫外線の透光性に優れ、筐体の熱＜課題＞

膨張係数に近いリッドとして AlN 用に「BU-41」、アルミ当製品を展開していくためには、客先でのパッケージの封ナ用のリッドとして「BU-66」を開発し既に商品化してい止工程の条件に合った品質で製品を提供する必要がある。客る。これにより、リッドの破損不良の発生を低減すること

先の筐体の材質、封止時の温度はもちろん、工程の制約上当ができた。図 3 にガラスリッドと筐体の組合せ例を示す。

社が推奨する条件で封止ができない場面も想定される。過酷しかし金錫とリッドの熱膨張係数の差が大きいままであな封止条件を想定し、更に高品位なシール材を形成したリッる。このため、これに起因して生じた応力によるリッドのドの開発が必要である。

破損が一定割合で発生し続けていた。

＜用途展開＞

そこでリッドに生じる応力を低減するために、金錫はん先に挙げた深紫外 LED 素子、LD 光源用パッケージをはだ層の最適化を試みた。従来製品のようにシールエリアのじめ、過酷な環境での長期信頼性が求められるパッケージ封許容範囲全体に金錫はんだ層を形成してしまうと、封止時止用途に活用が期待できる。なお、本稿では取り上げなかっの冷却で金錫が収縮した際にリッドも同じだけ収縮しようたが金錫より低融点のはんだ(例:錫－銀－銅系)を用いたシとする。このため、形成した金錫はんだ層の端部直下のリール材付きリッドも開発済みであり、低温封止が必要な用途ッドに引張応力が生じる。対策として、金錫はんだ層の形へも対応が可能である。

成幅を狭くした。これにより、金錫はんだが収縮した際に4．まとめ
当社は 2018 年 3 月にプレスリリースした「高効率の深紫生じる引張応力の発生を抑えることに成功した。
応力がどの程度低減したかを確認するため、リッド断面外線透過ガラスの開発」を皮切りに、まずは深紫外 LED 素の応力解析を実施した。その結果を図 4 に示す。いずれも

子用パッケージでの拡販を目標にシール材付きリッドを手形成された金錫はんだ層の両端部の直下に引張応力が生じ掛けてきた。展示会への出展も積極的に行っており、多くのる。金錫はんだ層の幅を 0.8 倍にすることで、リッドに生反響を頂いてサンプル供給を行っている。特に金錫封止の分ずる引張応力が約 5 分の 1 まで低減することがわかった。

野では、従来技術での課題が多かったが故に、需要があるも② パッケージの気密性確保のの浸透しなかったのではないかと考えている。今後は、当社の技術・知見を活かして市場の要求に素早く対応していく

当社の開発品では、プリフォームを使用して封止する場ことで新たな用途展開を図りたい。

合と異なり、予めリッドに金錫はんだ層が形成されている。さらに、はんだ層の形成幅は狭い。これらの対策によ

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間嶌 亮太
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り、課題となっていた筐体の内部へのはんだの染み出しを防ぐことができた。しかし、高信頼性が求められる用途では、パッケージの気密性を確保するのに適した量の金錫はんだが必要である。金錫はんだ層の幅を狭くした分、その2© 一般社団法人エレクトロニクス実装学会- 3D2-03 -