JP2013222955A - 気密容器 - Google Patents

Abstract

【課題】水晶振動子等の機能デバイスを収納する気密容器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の問題があった。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。
【解決手段】硼珪酸ガラスＹにアルミナセラミック粒Ｚを混合した複合材料により課題の解決を計った。（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。
（１）〜（３）の複合材料の熱膨張率は硼珪酸ガラスの約５〜１０％増し、坑折力は約１．５〜３倍と気密溶封上の生産技術的要件を損なうことなく大幅な特性の改善が見られた。本発明は以上、説明した通り気密容器のガラス構成部に複合材料を用いたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は水晶振動子等の機能デバイスが、その目的と機能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基板（ステム）と該気密空間を構成する蓋（リッド）からなる気密容器の構成に関するものである。

従来より高真空気密を要する気密容器として、大別すると図１０（特許文献１）に示したガラスタイプと図１２（特許文献３）に示したセラミックタイプがあった。

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。

図１０に示したガラスタイプの気密容器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。
また、図１１（特許文献２）に示したガラスタイプの気密容器は自動搭載が可能であるが構造が極めて複雑である。

図１２の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。

次に別の視点から両タイプの気密容器の特徴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空間に固定する必然性がありキィーデバイス生産の基盤生産技術として寄与してきた。

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。

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。
気密溶封技術に関して高い信頼性に裏付けされた生産技術と併せアルミナの熱的特性（熱伝導度、熱膨張、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）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、その後開発された幾多の機能性デバイスの商品化にも極めて有意義な影響を与え、その供給に寄与してきた。

その後、技術革新の波は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。しかし高い真空気密が必須条件の機能デバイスは限定されており今日では音叉型の水晶振動子等、小数のデバイスに限定されてきた。
しかし、こ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。

図１０に示した特許文献１のガラスタイプの真空気密容器は金属のリング２３と２本の導入線２２ａ，２２ｂがガラス２４により気密封入されたステム２２と洋白等展性の高いカップ状金属製の蓋３３とからなる。ステム２２を貫通する導入線２２ａ，２２ｂの内側に水晶振動子等５５の機能デバイスを固定する。これを高真空装置内の治具にセットし蓋３３をステム２２の金属製リング２３の外周部に圧入することにより水晶振動子５５を収納した内部空間部分を高真空状態に保ち目的とする機能デバイスを製造している。

図１１に示した特許文献２のガラスタイプの真空気密容器は表面実装、すなわち自動搭載が可能であるが構造は極めて複雑である。
製造の概略工程はステム２２２を構成する金属ベース（板）２３３の一部を貫通する丸孔を設け導入金属体２２２ａ，２２２ｂとガラス２２４とを気密に溶封しておく。
これに水晶振動子等のデバイス５５５を接続固定し高真空を保った装置内で蓋３３３とステム２２２とを封着剤４４４を以て気密に封着することにより目的とする機能デバイスを製造している。構造が複雑のため小型化に難があることと安価に大量生産ができない。

図１２に示した特許文献３のセラミックタイプの真空気密容器のステム２２２Ａの製造方法を非特許文献１および２から引用し、概略の説明をする。
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のシートを製作する。（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２２２ａ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２２２−１により、これを制御する。
またグリーンシートの層間２２２−２，２２２−３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２２２ｃ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。最外層グリーンシート面には接続導体４４４ａ、４４４ｂを設け必要に応じて内部電極２２２ａ等と貫通孔２２２ｃで接続しておく。
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２千度に加熱焼成することにより目的の気密ステム２２２Ａが得られる。
蓋３３３Ａ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２２２ａ，２２２ｂに水晶振動子等５５５Ａの機能デバイスを固定する。これを高真空装置内の治具にセットし蓋３３３Ａとステム２２２Ａ構成上面とを低温で溶融するガラス４４４Ａ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に、これら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。
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２に、その概略を示した。
低温度焼成下セラミックと言うことでＬＴＣＣ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−Ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃ）と命名し、前出のアルミナセラミック基板とは区別している。この基板は理論的に金属との気密溶封は無理で、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。
特開平８−１２５０５５ 特許第３９９６９０４号 特開平２００９−２８４１２５ ＫＯＡ株式会社 ＬＴＣＣ多層基板 ＬＴＣＣパッケージ カタログ ＮＥＣ真空硝子（株）ＬＴＣＣ基板とグリーンシート ミニ知識

従前の気密容器には次のような欠点あった。
（イ）垂直実装型ガラスタイプは小型化容易、安価であるが表面実装のためには付加加工を要する。
（ロ）表面実装型ガラスタイプは構造が複雑化、小型化に難がある。
（ハ）ガラスタイプはガラスの機械的強度に対して顧客に不安を与えている。
（ニ）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工程及び気密容器の製造工程に於いて約２，０００℃の高温焼成を必要とするため製品が高価である。
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。
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 質でありガラスの製造及び気密容器の製造工程とも所用焼成温度はセラミックの半分以下の温度である。
（ホ）アルミナセラミックを用いた気密容器は全ての物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。
本発明は以上のような欠点をなくす目的の基なされたものである。

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。従前の硝子タイプ気密容器の欠点を解決する本質的な点はガラスの諸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。

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。

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１の焼成品を顕微鏡撮影し拡大図を模写したものである。

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。

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。

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。

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。

（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。

図２はアルミナ粒を用いた複合材料１の図１と同様の模写図である。諸物性の傾向はアルミナ球状粒を使用したケースと比較して有意差は認められなかった。

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し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。

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。
すなわち、
（１）ガラスタイプ気密容器でも簡単な構造で超小表面実装型の設計が可能である。
（２）極めて安価で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。

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％ アルミナ粒を用いた複合材料の拡大図 （イ）はアルミナ含有率：５〜１０％、（ロ）は同：１０〜２０％、（ハ）は同：３０〜６０％ 複合材料の仮焼結体 ステム組立て構成説明図 ステム構成説明図で（イ）の（ａ）は図４のＸ−Ｘ’切断斜視図（ｂ）はＡ−Ａ’断面図 （ロ）の（ａ）は内部電極斜視図（ｂ）はＡ−Ａ’断面図、（ハ）の（ａ）は外部電極斜視図（ｂ）はＡ−Ａ’断面図 気密容器の蓋（リッド）（ａ）蓋（リッド）の斜視図（ｂ）はＡ−Ａ’断面図 封着材（低融点ガラス）（ａ）封着材の斜視図（ｂ）はＡ−Ａ’断面図 封着材付き蓋（リッド）（ａ）封着材付き蓋の斜視図（ｂ）はＡ−Ａ’断面図 本発明による実施例 ガラスタイプ（ＶＭＴ）の気密容器 ガラスタイプ（ＳＭＴ）の気密容器 セラミックタイプ（ＳＭＴ）の気密容器 複合材料を用いた気密容器の実施例（工程説明図） 同上 複合材料を用いた気密容器の実施例 その他の実施例

本発明を実施するための形態：実施例１

図３から図５は本発明により気密容器の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３、１ａは直径約２０〜１００ミクロンの中空顆粒状硼珪酸ガラスガラスに直径５〜５０ミクロンの粒状アルミナを２０重量％加えた複合材料を混合機で充分に攪拌混合した後、所定の金型に振り込みプレスし、これを約５００℃で１５分間焼成した複合材料の仮焼結体である。

図４（イ）は複合材料を用いてステムを製造する過程を説明するための組み立て構成図である。１ａおよび１ｂは複合材料の仮焼結体、２ａおよび２ｂは通常気密溶封に用いられている鉄−ニッケル−コバルト合金（通称コバール合金）の細線材料である。

この合金線は前処理として表面を脱脂した後で硝酸等で洗浄後、高温水素炉（１０００℃、１５分間）で脱炭処理を施しておく。加えて安定な気密溶封を行うため、その表面に酸化被膜を設ける目的で酸化雰囲気中で加熱（８００℃、１０分間）する。
これらを所定の治具で固定して本焼成炉中で加熱（９５０℃、１５分間）し複合材料とコバール合金細線とを気密に溶封し気密溶封体ブロック１を製作する。

図４（ロ）は、この気密溶封体ブロック１を例えばワイヤーソーと呼称される精密切断機を用いＸ−Ｘ’方向に切断することを説明するための図である。

図５（イ）にＸ−Ｘ切断’斜視図（ａ）とＡ−Ａ’断面図（ｂ）を示した。
（ロ）は気密溶封された合金細線２ａおよび２ｂの表面に接続しステムの基本構成体１上に設けた内部電極３ｂおよび３ａを示した斜視図（ａ）である。Ａ−Ａ’断面図を（ｂ）に示した。
（ハ）は同様に設けた外部電極４ａおよび４ｂである。
これらの電極は銅−金、銀パラジウム或いは銅−銀等の導電ペーストをプリントにより構成し、それを加熱（５００℃程度、１０〜１５分間）してステムの基本構成体１に焼結しステム２を製造する。

図６は気密溶封容器を構成する蓋（リッド）３の一実施例を示す説明図である。
直径約２０〜１００ミクロンの中空顆粒状硼珪酸ガラスガラスに直径５〜５０ミクロンの粒状アルミナを２０重量％加えた複合材料を混合機で充分に攪拌混合した後、設計基準に従って用意した所定の金型に振り込みプレスし、これを約５００℃で１５分間焼成した蓋（リッド）の複合材料仮焼結体を製作した後、これを本焼成し目的の蓋（リッド）３を得る。
（ａ）蓋（リッド）３の斜視図、（ｂ）はＡ−Ａ’の断面図を示すものである。

図７はステムとリッドを気密に溶封するための特殊な低融点ガラスからなる枠状薄板４である。
乾式法ならばプレスにより湿式法ならばドクターブレイドを用いたスラリー法で薄膜状のガラスシートを造り、これをプレスで抜いて用意する。

図８は、図６で用意したリッド３の溶封面上に封着剤の低融点ガラス４を印刷法により塗布した実施例を示す斜視図（ａ）でＡ−Ａ’断面を（ｂ）に示した。

図９は本発明の気密容器を用いた音叉型水晶振動子等の機能デバイスを製造する一実施例を説明する図でる。
まず図５（ロ）示したステムの基本構成体１上に設けた内部電極３ｂおよび３ａと水晶振動子等、機能デバイス５の端子とを金の微小粒（表示せず）を用いて接続、固定する。
予め用意した治工具にデバイス５を搭載したステム２とリッド３を低融点ガラス４を介して組み立てる。これを高真空の下、加熱可能な装置の中で低融点ガラス４を溶かしてデバイス収納空間を装置と同等の真空度を確保した状態で溶封する。この装置から冷却されたデバイスを取出すと商品の完成となる。
製造プロセスは伝統ある信頼性の高い製造技術の継承と、これにより裏打ちされていることは、既に説明してきた通りである。また、基本的には本発明の複合材料の機能設計により目的とする全ての特性を満足してることが示された。

本発明を実施するための形態：実施例２

図１３〜１５は本発明による気密容器のステムを製造する実施例２お説明するための物である。

図１３は複合材料を目的に応じて所定の型で成形後５００℃約１５分間焼成した仮焼結体１３１でＡ−Ａ’断面図に示した通り貫通孔１３２ａ’および１３２ｂ’を設けてある。
図１４は図１３で設けた貫通孔１３２ａ’および１３２ｂ’に鉄ニッケルコバルト合金等の溶封金属線１３２ａおよび１３２ｂを挿入し約１，０００℃、１５分間の条件で通炉し、これらを気密溶封したステム１３２を示す。本実施例においては図示した通りステム内部に存在する溶封金属線１３２ａおよび１３２ｂ端面は突起状の形態となっており機能デバイスを固定することを意図したものである。
図１５は図１４で得たステム１３２に外部導体１３４ａおよび１３４ｂ、例えば銀パラジウム系導体を予め焼結した実施例を示す図である。

本発明を実施するための形態：実施例３

本発明の複合材料に関し実測した特性は機械的強度の一部と熱膨張特性とに限定されているが、複合材料の加性性による基材ガラスの特性改善が証明された。従って、その他の特性も必要に応じて適応できる可能性が高い。

図１６は従前から有る汎用ステムの一例である。本発明は、このステムに要求される新たな特性、例えば熱伝導特性や熱ショック特性を向上させたいとか、その要求に相応しい機能設計をした複合材料を以て、これを賄うことができる。すなわち、必要に応じて既存の気密溶封商品への適用により普遍的に特性改善を計ることを可能とした画期的なものである。

Ｚ、２４、２２４、１６２：ガラス
Ｙ ：アルミナ粒
１、１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃ：基本構成体
１ａ、１ｂ、１３１：複合材料仮焼結体
２ａ、２ｂ、２２ａ、２２ｂ、２２２ａ、２２２ｂ、１３２ａ、１３２ｂ、１６２ａ、１６２ｂ：導入線
１ ：気密溶封体ブロック
３ａ、３ｂ ：内部電極
４ａ、４ｂ、４４４ａ、４４４ｂ、１３４ａ、１３４ｂ 外部電極
２、２２、２２２、２２２Ａ、１３２、１６１ ：ステム
３、２３、３３、３３３、３３３Ａ ：蓋（リッド）
４、４４４、４４４Ａ ：封着材
５、５５、５５５、５５５Ａ ：水晶振動子等
２３、２３３、１６３ ：金属リング
２２３ｃ ；貫通孔導体
２２２−１、２２２−２、２２２−３ ：グリーンシート
１３２ａ’、１３２ｂ’ ：貫通孔

Claims (5)

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板の相対する平行平面を貫通する少なくとも２個以上の封着金属材料が存在し該金属材料の両端面が該無機材料板と、ほぼ同一平面を構成かつ該金属材料と該基板とが気密封着されていることを特徴とする基板（ステム）、
2. 請求項１を包含し該基板（ステム）の両面に存在する封着金属の露出面上に、これと接続する導体部を設けたことを特徴とする基板（ステム）、
3. 請求項１および２を包含し該基板（ステム）の一方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）、
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、
5. ガラスと金属との気密溶封体の該ガラス構成部分をガラスとセラミックからなる複合材料で代替したことを特徴とするステムおよび気密容器、

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