圧縮接合方法
【課題】 本発明は、圧縮接合方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 圧縮接合方法が開示される。開示された圧縮接合方法は、基板上に所定の形態に金属接合膜をパターニングする第1ステップ、及び金属接合膜の上部に被接合部材を位置させて基板に熱を加え、被接合部材に圧力を加えて金属接合膜を有する基板と被接合部材とを接合する第2ステップを含む。多様な形態と大きさの被接合部材を基板に低温低圧で接合できるため、工程を簡略化し且つ多様なシーリング及びパッケージング工程に利用されうる。
【解決手段】 圧縮接合方法が開示される。開示された圧縮接合方法は、基板上に所定の形態に金属接合膜をパターニングする第1ステップ、及び金属接合膜の上部に被接合部材を位置させて基板に熱を加え、被接合部材に圧力を加えて金属接合膜を有する基板と被接合部材とを接合する第2ステップを含む。多様な形態と大きさの被接合部材を基板に低温低圧で接合できるため、工程を簡略化し且つ多様なシーリング及びパッケージング工程に利用されうる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、圧縮接合方法に係り、更に詳細には、低温及び低圧の環境でガラスと基板とを圧縮接合できる方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ガラスと基板とを接合する方法には、接着剤を使用する方法、ソルダリング法及び拡散法がある。接着剤を使用する方法は、ポリマー、プラスチック、エポキシのような接着剤を使用してガラスと基板とを接合する。しかし、接着剤を使用する方法は、接着剤の量を微細に調節することが難しく、時間消耗が多く、接着後に破損されやすく、湿度による接着部分の分離などの問題点を有する。また、光通信システムまたはパッケージング技術において、接着剤は汚染源となりうるため、接着剤を使用せずに接合できる技術が要求される。接着剤を使用しない接合方法のうち、金属を利用する方法が提案されているが、金属とガラスとは異なる物質的特性により接合が難しい。
【0003】
ソルダリング法は、接合領域が変形されやすく、パッケージの信頼性の試験時に温度変化を与え、実験時に良くない性能が表れる。また、ソルダリング法は、ファティーグ(fatigue)によるソルダーの破壊などの問題があり、拡散法は別途の電場を印加せねばならず、拡散法の実行時に高温が発生し、表面活性化のために特別な化学的メカニズムを利用せねばならないという短所がある。
【0004】
金属のうち、アルミニウムとガラスとを接合する方法の一例としてガラス球を基板に接合する方法が特許文献1に開示されている。
図1は、前記米国特許に開示された圧縮接合方法を示す図面である。
図1を参照すれば、ガラス球レンズ11をシリコン基板12に接合するために、シリコン基板12がガラス球レンズ11に接触する面にアルミニウム膜13をコーティングし、圧縮手段14を使用してガラス球レンズ11を矢印15方向に圧力を加えると同時にアルミニウム13をヒーター16を使用して加熱する。
【特許文献1】米国特許第5,178,319号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
前記従来の圧縮接合方法では、アルミニウム膜13に熱を加えると同時にガラス球レンズ11に圧力を加えて、アルミニウム膜13が融解されつつアルミニウム膜13とガラス球レンズ11との接触点を融合させるが、平板状シリコン基板12に接合できるように300℃以上の高温と数百Mpaの圧力を加えねばならない。
前記従来の圧縮接合方法は、平板状シリコン基板12に接合しようとする光学素子が、示されたガラス球レンズのように曲面を有さねばならず、半径が数ミリメートル以内の小さなサイズでなければならないという限界がある。前記従来の圧縮接合方法において、光学素子は曲面を有するため、アルミニウム膜13と一つの接点で接触する。光学素子に圧力を加えれば、圧力が接点に集中されてエネルギーが接点に集中しうるため、アルミニウム膜の格子構造を容易に分解させることで基板12と光学素子とが接合できる。
【0006】
前記従来の圧縮接合方法は、光繊維や小型レンズのような小さなサイズの光学素子の接合には効果的に適用されるが、接合面が平面である大型光学素子では効果的に適用されない。接合に必要なAl/Si組成物の摩擦係数は数十オーダーであるが、実際に平面を有する光学素子はそれに加えられる圧力が平面の全体に分散されて、長さ対厚さの比率が数百オーダーとなるため、摩擦係数が大きすぎてアルミニウムの構造を解離させる程の圧力が加えられ得ない。従来の圧縮接合方法を利用して平面を有する光学素子と基板とを接合するには、アルミニウム膜を貫通するか、またはアルミニウム膜を形成する物質を側面に移動させるように高温高圧を長時間光学素子に印加せねばならないが、実際にそのような接合工程を実行することが容易ではなく、また、前記工程を実行しても光学素子を基板に接合することは非常にむずかしい。
【0007】
本発明が達成しようとする技術的課題は、前記した従来技術の問題点を改善するためのものであって、低温及び低圧の環境下でシリコン、セラミックまたは金属基板上に無定形及び多様なサイズのガラス板を接合する圧縮接合方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
前記技術的課題を達成するために、本発明は、基板上に所定の形態に金属接合膜をパターニングする第1ステップと、前記金属接合膜の上部に被接合部材を位置させて前記基板に熱を加え、前記被接合部材に圧力を加えて前記金属接合膜と前記被接合部材とを接合する第2ステップと、を含むことを特徴とする圧縮接合方法を提供する。
前記技術的課題を達成するために、本発明は、また、基板及び被接合部材上に所定の形態に金属接合膜をパターニングする第1ステップと、前記金属接合膜の上部に前記被接合部材を位置させて前記基板に熱を加え、前記被接合部材に圧力を加えて前記金属接合膜と前記被接合部材とを接合する第2ステップと、を含むことを特徴とする圧縮接合方法を提供する。
【0009】
前記基板は、シリコン、金属及びセラミックのうち、何れか一つで形成することが好ましく、前記金属接合膜は、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛及びチタンのうち、何れか一つで形成することが好ましい。
前記第1ステップで、前記所定の形態はストライプ状またはドット状で形成できる。
前記被接合部材は、ガラスまたは金属で形成することが好ましい。
【0010】
前記熱は、350℃以下に印加することが好ましい。
前記基板は、シリコン、金属及びセラミックのうち、何れか一つで形成し、前記金属接合膜は、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛及びチタンのうち、何れか一つで形成することが好ましい。
前記第1ステップで、前記所定の形態は、ストライプ状またはドット状で形成できる。
前記被接合部材は、ガラスまたは金属で形成することが好ましく、前記熱は、350℃以下に印加することが好ましい。
【発明の効果】
【0011】
本発明は、金属接合膜をストライプ状またはドット状にパターニングして、従来の技術で接合できなかった平板状の被接合部材も容易に基板に付着させることができ、従来の圧縮接合方法より低い温度及び圧力でも強い接合が可能であるという長所を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
以下、本発明の実施形態に係る圧縮接合方法について図面を参照して詳細に説明する。
図2は、本発明の第1実施形態に係る圧縮接合方法を実施するために、基板と金属接合膜及び平板状の被接合部材を配列した構成を示す図面である。
図面を参照すれば、基板31の上面に金属接合膜33をストライプ状にパターニングした後、その上部に平板状の被接合部材35を配列する。次いで、基板31には熱を加えて金属接合膜33の上部に圧力を加えれば、金属接合膜33が変形されつつ基板31と被接合部材35とが接合される。ここで、金属接合膜33の幅wと厚さD及び、各ストライプ間の間隔G1は、使用する基板31、金属接合膜33及び被接合部材35の物質の種類によって変わる。
【0013】
基板31としては、シリコン、金属またはセラミックを使用でき、金属接合膜33としては、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)及びチタン(Ti)を使用できる。ここで、金属接合膜33としては、融点が低く且つ粘着力の強いアルミニウムを使用することが好ましい。被接合部材35としては、ガラスで形成された光学素子や金属で製造された電気素子などを使用できるが、被接合部材35を形成する物質の種類、サイズ及び形態は多様に利用されうる。
【0014】
図3は、本発明の第2実施形態に係る圧縮接合方法を実施するために、基板と金属接合膜及び平板被接合部材を配列した構成を示す図面である。図2に示された金属接合膜33の形態は、ストライプ状にパターニングすることに対し、図3に示された金属接合膜43の形態は、スクエアドット状にパターニングする。参照符号41は基板であり、参照符号45は被接合部材である。図2に示されたストライプ状の金属接合膜33よりドット状の金属接合膜43の間隔G2が更に広いため、ストライプ状の金属接合膜33より基板41と被接合部材45とを更に効果的に接合させうる。ドット状の金属接合膜43は、横S1、縦S2及び、高さS3を同じスクエア状にパターニングできるが、必ずしもS1、S2、S3値が一致する必要はない。
【0015】
図4は、本発明の第3実施形態に係る圧縮接合方法を実施するために、基板51と金属接合膜53a、53b及び平板被接合部材55を配列した構成を示す図面である。
図2に示された形態の金属接合膜と同様に基板51の上面にストライプ状の第1金属接合膜53aをパターニングした後、被接合部材55の上面に第2金属接合膜53bをストライプ状にパターニングして、基板51に熱を加えると同時に被接合部材55の上面に圧力を加えて、第1及び第2金属接合膜53a、53bを加熱させて基板51と被接合部材55とを接合させる。
【0016】
本発明の第3実施形態に係る圧縮接合方法は、基板51と被接合部材55との表面にストライプ状の金属接合膜53a、53bを何れも形成するという点で、本発明の第1実施形態に係る圧縮接合方法と異なる。
本発明の第2及び第3実施形態に係る圧縮接合方法で、基板41、51、金属接合膜43、53a、53b、及び被接合部材45、55の説明は、本発明の第1実施形態に係る圧縮接合方法の基板31、金属接合膜33、及び被接合部材35で詳述した通りである。
【0017】
図5は、本発明の実施形態に係る圧縮接合方法の原理を示す図面である。
図面を参照すれば、直四角形のアルミニウム薄膜4は、Z軸方向の幅が0と1との間に固定され、厚さtを有する。圧力Pが−Y軸方向に与えられる時、アルミニウム薄膜4はX軸方向に拡張される。その時、アルミニウム薄膜4の拡張はZ軸方向において限定される。
【0018】
以下では、アルミニウム膜4がX軸方向に拡張され始める瞬間の圧力Pを計算する。圧力Pは、アルミニウム薄膜4と基板との摩擦によってX軸に沿って中心から末端に行くほど小さくなる。アルミニウム薄膜4に圧力Pが加えられることによって、アルミニウム薄膜4の厚さtは薄くなり、X軸方向の幅wは厚くなる。すなわち、アルミニウム薄膜4の厚さtが薄いほど、X軸方向への距離Xが長くなるため、X軸方向への移動変位ΔXが数式1によって増加する。
【0019】
【数1】
数式1からアルミニウム薄膜4の移動変位ΔXを増加させるために厚さtを減らさねばならないため、接合過程で大きい圧力が必要であるということが分かる。アルミニウム薄膜4を移動させ始めるのに必要な圧力を計算するためにX軸での圧力について知らねばならないが、まず、アルミニウム薄膜4が拡張され始める瞬間の圧力を計算する。アルミニウム薄膜4が拡張され始める瞬間でアルミニウム薄膜4の末端±w/2での圧力は、アルミニウム薄膜4の厚さが異なっても常に同一であるという境界条件を適用する。上面及び背面での摩擦係数fは同じであり、X軸に対する圧力の変化ΔPは数式2のように提示される。
【0020】
【数2】
ここで、fは摩擦係数、μはポアソン係数であり、この式の解は数式3のように与えられる。
【0021】
【数3】
アルミニウム膜4の末端w/2で圧力Pは、数式4のように提供される。
【0022】
【数4】
したがって、数式3は、数式4により数式5のように表される。
【0023】
【数5】
数式5から平均圧力Pavを数式6のように計算できる。
【0024】
【数6】
アルミニウム薄膜4を形成するストライプの厚さtはギャップGと一致し、アルミニウム薄膜の厚さtは3μmに設定する。w=3、30及び100μmで圧力の関係を調べれば、f=0.1及び0.3にすれば、数式7及び8の通りである。
【0025】
【数7】
【0026】
【数8】
前記式から一定値に設定されたアルミニウム薄膜4の厚さで、ストライプの幅wは接合時の圧力に大きな影響を与えることが分かる。もし、数式7のようにストライプの幅wを10倍にすれば、圧力が7.7倍増加し、数式8のように幅を33.3倍に増加させれば、圧力は4615倍に増加する。それは、概略的な近似を行なったものであるが、アルミニウム薄膜4を平板状に形成すれば、接合がほとんど不可能であるということが分かる。
【0027】
図5を参照すれば、アルミニウム薄膜4がストライプ状に形成されるため、各ストライプ状の薄膜間の空間Gによって、アルミニウム膜4は容易に空間Gに拡張されうる。
図6Aないし図6Eは、本発明の第1実施形態に係る圧縮接合方法の工程図である。ここで、金属接合膜としてはアルミニウム薄膜を、被接合部材としてはガラス板を利用する。
【0028】
まず、図6Aに示されたように、基板61の上面にアルミニウム薄膜63を物理的または化学的蒸着法を利用して蒸着した後、その上面に感光剤62を塗布し、所定の形態のマスク64をその上部に位置させて紫外線を照射する。露光、現像、及びエッチング工程を含むフォト工程を実行すれば、図6Bに示されたように、ストライプ状のアルミニウム薄膜63がパターニングされる。洗浄工程を経て、アルミニウム薄膜63の上面にある感光体62を除去し、図6Cに示されたように、その上部にガラス板65を配列する。
【0029】
アルミニウム薄膜63をパターニングする方法としては、直接的に基板61を異方性エッチングする方法と、ストライプ状の基板61を利用する方法などがある。アルミニウム薄膜63をスクエアのドット状にパターニングするには、スクエアドット状のマスク64を利用するか、または同じ形態の基板61を利用できる。すなわち、アルミニウム薄膜63のパターニング形態によって多様な形態のマスク64と基板61とを利用できる。
【0030】
ガラス板65と基板61とを接合するために、図6Dに示されたように、基板61に熱源60を連結して基板61の温度を上昇させ、ガラス板65の上面に圧力Pを加える。それにより、基板61とガラス板65との間にパターニングされたアルミニウム膜63が融解されて側方向に拡張され始め、適正な温度及び圧力下で図6Eに示されたように、アルミニウム薄膜63を通過して基板61がガラス板65に均一に密着し、アルミニウム薄膜63は基板61とガラス板65とをかたく接合させる。
【0031】
図7ないし図13は、本発明の実施形態に係る圧縮接合方法により接合された被接合部材と基板及びアルミニウム薄膜を示す写真である。
図7及び図8は、基板に18μmの幅と10μmのギャップとを有するストライプ状のアルミニウム接合膜を形成して、300℃の熱を加えて800μmの直径を有するガラス球レンズを基板に接合した状態を撮った写真であるが、図7は、アルミニウム接合膜がガラス球レンズに付着された状態を示し、図8は、ガラス球レンズのARコーティングが基板に接合された状態を示す。ここで、剪断強度のサイズは6grfである。
【0032】
図9は、基板に18μm幅と20μmのギャップとを有するストライプ状のアルミニウム接合膜を形成し、320℃の熱と1500gfとの荷重とを加えて1000μmの直径と810μmの長さとを有する非球面レンズを基板に接合した状態を撮った写真である。ここで、剪断強度は10grfを表した。
図10は、基板に18μmの幅と20μmのギャップとを有するストライプ状のアルミニウム接合膜を形成して、320℃の熱と3900gfの荷重とを加えて1000μmの直径と810μmの長さとを有する非球面レンズを基板に接合した状態を撮った写真である。ここで、剪断強度は70gfを表した。
【0033】
図11は、基板に18μmの幅と50μmのギャップとを有するストライプ状のアルミニウム接合膜を形成して、320℃の熱と3900gfの荷重とを加えて1000μmの直径と810μmの長さとを有する非球面レンズを基板に接合した状態を撮った写真である。ここで、剪断強度は11.1gfを表す。
図9ないし図11の実験結果から、アルミニウム接合膜の幅とギャップのサイズとがほぼ同じであり、温度320℃、圧力3900gfである場合に最も高い剪断応力を耐えることが分かる。
【0034】
基板に連続面であるアルミニウム接合膜を形成した後、平面形ガラス板を付着しようとする場合、剪断強度はほぼゼロであり、基板上に平面形ガラス板を付着することはほとんど不可能であった。
基板にアルミニウム接合膜をドット状に形成し、ガラス板を接合する場合に更に強い接合力を表す。図12は、一辺が18μmであるスクエアドット状のアルミニウム接合膜を形成し、320℃の熱と5000gfの荷重とを加えてガラス板と基板とを接合した状態を示す写真である。剪断強度は200gf以上であった。
【0035】
図13は、本発明の第4実施形態に係る圧縮接合方法を示す図面である。本発明の第4実施形態に係る圧縮接合方法は、本発明の第1ないし第3実施形態に係る圧縮接合方法に紫外線を更に利用することを特徴とする。本発明の第4実施形態に係る圧縮接合方法は、基板71にストライプ状またはドット状の金属接合膜73をパターニングした後、その上部に被接合部材75を配列し、上面に紫外線を照射しつつ圧力を加え、基板71には熱を加えて基板71と被接合部材75とを接合する。紫外線は、熱と圧力とを下げる役割を行う。ここで、被接合部材75を基板71に接合させる前に、被接合部材75の上面に金属接合膜73を更に形成して、前記したような圧縮接合方法を実行できる。
【0036】
本発明は、金属接合膜をストライプ状またはドット状にパターニングして、従来の技術で接合できなかった平板状の被接合部材も容易に基板に付着させることができ、従来の圧縮接合方法より低い温度及び圧力でも強い接合が可能であるという長所を有する。
前記した説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するものであるより、好ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。本発明の範囲は、説明された実施形態によって決まるのではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想により決まらねばならない。
【産業上の利用可能性】
【0037】
前記したように、本発明の圧縮接合方法の長所は、光学素子を含む多様なサイズと形態の被接合部材を接合できるということと、接合のための温度と圧力とを著しく下げることができ、パッケージングとシーリングとを必要とするいかなる工程にも幅広く適用されうるということである。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】米国特許第5,178,319号に開示された圧縮接合方法を示す図面であり、
【図2】本発明の第1実施形態に係る圧縮接合方法を示す図面であり、
【図3】本発明の第2実施形態に係る圧縮接合方法を示す図面であり、
【図4】本発明の第3実施形態に係る圧縮接合方法を示す図面であり、
【図5】本発明の実施形態に係る圧縮接合方法の原理を示す図面であり、
【図6A】本発明の第1実施形態に係る圧縮接合方法の工程図であり、
【図6B】本発明の第1実施形態に係る圧縮接合方法の工程図であり、
【図6C】本発明の第1実施形態に係る圧縮接合方法の工程図であり、
【図6D】本発明の第1実施形態に係る圧縮接合方法の工程図であり、
【図6E】本発明の第1実施形態に係る圧縮接合方法の工程図であり、
【図7】本発明の実施形態に係る圧縮接合方法により基板と被接合部材とが接合された状態を示す写真であり、
【図8】本発明の実施形態に係る圧縮接合方法により基板と被接合部材とが接合された状態を示す写真であり、
【図9】本発明の実施形態に係る圧縮接合方法により基板と被接合部材とが接合された状態を示す写真であり、
【図10】本発明の実施形態に係る圧縮接合方法により基板と被接合部材とが接合された状態を示す写真であり、
【図11】本発明の実施形態に係る圧縮接合方法により基板と被接合部材とが接合された状態を示す写真であり、
【図12】本発明の実施形態に係る圧縮接合方法により基板と被接合部材とが接合された状態を示す写真であり、
【図13】本発明の第4実施形態に係る圧縮接合方法を示す図面である。
【技術分野】
【0001】
本発明は、圧縮接合方法に係り、更に詳細には、低温及び低圧の環境でガラスと基板とを圧縮接合できる方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ガラスと基板とを接合する方法には、接着剤を使用する方法、ソルダリング法及び拡散法がある。接着剤を使用する方法は、ポリマー、プラスチック、エポキシのような接着剤を使用してガラスと基板とを接合する。しかし、接着剤を使用する方法は、接着剤の量を微細に調節することが難しく、時間消耗が多く、接着後に破損されやすく、湿度による接着部分の分離などの問題点を有する。また、光通信システムまたはパッケージング技術において、接着剤は汚染源となりうるため、接着剤を使用せずに接合できる技術が要求される。接着剤を使用しない接合方法のうち、金属を利用する方法が提案されているが、金属とガラスとは異なる物質的特性により接合が難しい。
【0003】
ソルダリング法は、接合領域が変形されやすく、パッケージの信頼性の試験時に温度変化を与え、実験時に良くない性能が表れる。また、ソルダリング法は、ファティーグ(fatigue)によるソルダーの破壊などの問題があり、拡散法は別途の電場を印加せねばならず、拡散法の実行時に高温が発生し、表面活性化のために特別な化学的メカニズムを利用せねばならないという短所がある。
【0004】
金属のうち、アルミニウムとガラスとを接合する方法の一例としてガラス球を基板に接合する方法が特許文献1に開示されている。
図1は、前記米国特許に開示された圧縮接合方法を示す図面である。
図1を参照すれば、ガラス球レンズ11をシリコン基板12に接合するために、シリコン基板12がガラス球レンズ11に接触する面にアルミニウム膜13をコーティングし、圧縮手段14を使用してガラス球レンズ11を矢印15方向に圧力を加えると同時にアルミニウム13をヒーター16を使用して加熱する。
【特許文献1】米国特許第5,178,319号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
前記従来の圧縮接合方法では、アルミニウム膜13に熱を加えると同時にガラス球レンズ11に圧力を加えて、アルミニウム膜13が融解されつつアルミニウム膜13とガラス球レンズ11との接触点を融合させるが、平板状シリコン基板12に接合できるように300℃以上の高温と数百Mpaの圧力を加えねばならない。
前記従来の圧縮接合方法は、平板状シリコン基板12に接合しようとする光学素子が、示されたガラス球レンズのように曲面を有さねばならず、半径が数ミリメートル以内の小さなサイズでなければならないという限界がある。前記従来の圧縮接合方法において、光学素子は曲面を有するため、アルミニウム膜13と一つの接点で接触する。光学素子に圧力を加えれば、圧力が接点に集中されてエネルギーが接点に集中しうるため、アルミニウム膜の格子構造を容易に分解させることで基板12と光学素子とが接合できる。
【0006】
前記従来の圧縮接合方法は、光繊維や小型レンズのような小さなサイズの光学素子の接合には効果的に適用されるが、接合面が平面である大型光学素子では効果的に適用されない。接合に必要なAl/Si組成物の摩擦係数は数十オーダーであるが、実際に平面を有する光学素子はそれに加えられる圧力が平面の全体に分散されて、長さ対厚さの比率が数百オーダーとなるため、摩擦係数が大きすぎてアルミニウムの構造を解離させる程の圧力が加えられ得ない。従来の圧縮接合方法を利用して平面を有する光学素子と基板とを接合するには、アルミニウム膜を貫通するか、またはアルミニウム膜を形成する物質を側面に移動させるように高温高圧を長時間光学素子に印加せねばならないが、実際にそのような接合工程を実行することが容易ではなく、また、前記工程を実行しても光学素子を基板に接合することは非常にむずかしい。
【0007】
本発明が達成しようとする技術的課題は、前記した従来技術の問題点を改善するためのものであって、低温及び低圧の環境下でシリコン、セラミックまたは金属基板上に無定形及び多様なサイズのガラス板を接合する圧縮接合方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
前記技術的課題を達成するために、本発明は、基板上に所定の形態に金属接合膜をパターニングする第1ステップと、前記金属接合膜の上部に被接合部材を位置させて前記基板に熱を加え、前記被接合部材に圧力を加えて前記金属接合膜と前記被接合部材とを接合する第2ステップと、を含むことを特徴とする圧縮接合方法を提供する。
前記技術的課題を達成するために、本発明は、また、基板及び被接合部材上に所定の形態に金属接合膜をパターニングする第1ステップと、前記金属接合膜の上部に前記被接合部材を位置させて前記基板に熱を加え、前記被接合部材に圧力を加えて前記金属接合膜と前記被接合部材とを接合する第2ステップと、を含むことを特徴とする圧縮接合方法を提供する。
【0009】
前記基板は、シリコン、金属及びセラミックのうち、何れか一つで形成することが好ましく、前記金属接合膜は、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛及びチタンのうち、何れか一つで形成することが好ましい。
前記第1ステップで、前記所定の形態はストライプ状またはドット状で形成できる。
前記被接合部材は、ガラスまたは金属で形成することが好ましい。
【0010】
前記熱は、350℃以下に印加することが好ましい。
前記基板は、シリコン、金属及びセラミックのうち、何れか一つで形成し、前記金属接合膜は、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛及びチタンのうち、何れか一つで形成することが好ましい。
前記第1ステップで、前記所定の形態は、ストライプ状またはドット状で形成できる。
前記被接合部材は、ガラスまたは金属で形成することが好ましく、前記熱は、350℃以下に印加することが好ましい。
【発明の効果】
【0011】
本発明は、金属接合膜をストライプ状またはドット状にパターニングして、従来の技術で接合できなかった平板状の被接合部材も容易に基板に付着させることができ、従来の圧縮接合方法より低い温度及び圧力でも強い接合が可能であるという長所を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
以下、本発明の実施形態に係る圧縮接合方法について図面を参照して詳細に説明する。
図2は、本発明の第1実施形態に係る圧縮接合方法を実施するために、基板と金属接合膜及び平板状の被接合部材を配列した構成を示す図面である。
図面を参照すれば、基板31の上面に金属接合膜33をストライプ状にパターニングした後、その上部に平板状の被接合部材35を配列する。次いで、基板31には熱を加えて金属接合膜33の上部に圧力を加えれば、金属接合膜33が変形されつつ基板31と被接合部材35とが接合される。ここで、金属接合膜33の幅wと厚さD及び、各ストライプ間の間隔G1は、使用する基板31、金属接合膜33及び被接合部材35の物質の種類によって変わる。
【0013】
基板31としては、シリコン、金属またはセラミックを使用でき、金属接合膜33としては、アルミニウム(Al)、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)及びチタン(Ti)を使用できる。ここで、金属接合膜33としては、融点が低く且つ粘着力の強いアルミニウムを使用することが好ましい。被接合部材35としては、ガラスで形成された光学素子や金属で製造された電気素子などを使用できるが、被接合部材35を形成する物質の種類、サイズ及び形態は多様に利用されうる。
【0014】
図3は、本発明の第2実施形態に係る圧縮接合方法を実施するために、基板と金属接合膜及び平板被接合部材を配列した構成を示す図面である。図2に示された金属接合膜33の形態は、ストライプ状にパターニングすることに対し、図3に示された金属接合膜43の形態は、スクエアドット状にパターニングする。参照符号41は基板であり、参照符号45は被接合部材である。図2に示されたストライプ状の金属接合膜33よりドット状の金属接合膜43の間隔G2が更に広いため、ストライプ状の金属接合膜33より基板41と被接合部材45とを更に効果的に接合させうる。ドット状の金属接合膜43は、横S1、縦S2及び、高さS3を同じスクエア状にパターニングできるが、必ずしもS1、S2、S3値が一致する必要はない。
【0015】
図4は、本発明の第3実施形態に係る圧縮接合方法を実施するために、基板51と金属接合膜53a、53b及び平板被接合部材55を配列した構成を示す図面である。
図2に示された形態の金属接合膜と同様に基板51の上面にストライプ状の第1金属接合膜53aをパターニングした後、被接合部材55の上面に第2金属接合膜53bをストライプ状にパターニングして、基板51に熱を加えると同時に被接合部材55の上面に圧力を加えて、第1及び第2金属接合膜53a、53bを加熱させて基板51と被接合部材55とを接合させる。
【0016】
本発明の第3実施形態に係る圧縮接合方法は、基板51と被接合部材55との表面にストライプ状の金属接合膜53a、53bを何れも形成するという点で、本発明の第1実施形態に係る圧縮接合方法と異なる。
本発明の第2及び第3実施形態に係る圧縮接合方法で、基板41、51、金属接合膜43、53a、53b、及び被接合部材45、55の説明は、本発明の第1実施形態に係る圧縮接合方法の基板31、金属接合膜33、及び被接合部材35で詳述した通りである。
【0017】
図5は、本発明の実施形態に係る圧縮接合方法の原理を示す図面である。
図面を参照すれば、直四角形のアルミニウム薄膜4は、Z軸方向の幅が0と1との間に固定され、厚さtを有する。圧力Pが−Y軸方向に与えられる時、アルミニウム薄膜4はX軸方向に拡張される。その時、アルミニウム薄膜4の拡張はZ軸方向において限定される。
【0018】
以下では、アルミニウム膜4がX軸方向に拡張され始める瞬間の圧力Pを計算する。圧力Pは、アルミニウム薄膜4と基板との摩擦によってX軸に沿って中心から末端に行くほど小さくなる。アルミニウム薄膜4に圧力Pが加えられることによって、アルミニウム薄膜4の厚さtは薄くなり、X軸方向の幅wは厚くなる。すなわち、アルミニウム薄膜4の厚さtが薄いほど、X軸方向への距離Xが長くなるため、X軸方向への移動変位ΔXが数式1によって増加する。
【0019】
【数1】
数式1からアルミニウム薄膜4の移動変位ΔXを増加させるために厚さtを減らさねばならないため、接合過程で大きい圧力が必要であるということが分かる。アルミニウム薄膜4を移動させ始めるのに必要な圧力を計算するためにX軸での圧力について知らねばならないが、まず、アルミニウム薄膜4が拡張され始める瞬間の圧力を計算する。アルミニウム薄膜4が拡張され始める瞬間でアルミニウム薄膜4の末端±w/2での圧力は、アルミニウム薄膜4の厚さが異なっても常に同一であるという境界条件を適用する。上面及び背面での摩擦係数fは同じであり、X軸に対する圧力の変化ΔPは数式2のように提示される。
【0020】
【数2】
ここで、fは摩擦係数、μはポアソン係数であり、この式の解は数式3のように与えられる。
【0021】
【数3】
アルミニウム膜4の末端w/2で圧力Pは、数式4のように提供される。
【0022】
【数4】
したがって、数式3は、数式4により数式5のように表される。
【0023】
【数5】
数式5から平均圧力Pavを数式6のように計算できる。
【0024】
【数6】
アルミニウム薄膜4を形成するストライプの厚さtはギャップGと一致し、アルミニウム薄膜の厚さtは3μmに設定する。w=3、30及び100μmで圧力の関係を調べれば、f=0.1及び0.3にすれば、数式7及び8の通りである。
【0025】
【数7】
【0026】
【数8】
前記式から一定値に設定されたアルミニウム薄膜4の厚さで、ストライプの幅wは接合時の圧力に大きな影響を与えることが分かる。もし、数式7のようにストライプの幅wを10倍にすれば、圧力が7.7倍増加し、数式8のように幅を33.3倍に増加させれば、圧力は4615倍に増加する。それは、概略的な近似を行なったものであるが、アルミニウム薄膜4を平板状に形成すれば、接合がほとんど不可能であるということが分かる。
【0027】
図5を参照すれば、アルミニウム薄膜4がストライプ状に形成されるため、各ストライプ状の薄膜間の空間Gによって、アルミニウム膜4は容易に空間Gに拡張されうる。
図6Aないし図6Eは、本発明の第1実施形態に係る圧縮接合方法の工程図である。ここで、金属接合膜としてはアルミニウム薄膜を、被接合部材としてはガラス板を利用する。
【0028】
まず、図6Aに示されたように、基板61の上面にアルミニウム薄膜63を物理的または化学的蒸着法を利用して蒸着した後、その上面に感光剤62を塗布し、所定の形態のマスク64をその上部に位置させて紫外線を照射する。露光、現像、及びエッチング工程を含むフォト工程を実行すれば、図6Bに示されたように、ストライプ状のアルミニウム薄膜63がパターニングされる。洗浄工程を経て、アルミニウム薄膜63の上面にある感光体62を除去し、図6Cに示されたように、その上部にガラス板65を配列する。
【0029】
アルミニウム薄膜63をパターニングする方法としては、直接的に基板61を異方性エッチングする方法と、ストライプ状の基板61を利用する方法などがある。アルミニウム薄膜63をスクエアのドット状にパターニングするには、スクエアドット状のマスク64を利用するか、または同じ形態の基板61を利用できる。すなわち、アルミニウム薄膜63のパターニング形態によって多様な形態のマスク64と基板61とを利用できる。
【0030】
ガラス板65と基板61とを接合するために、図6Dに示されたように、基板61に熱源60を連結して基板61の温度を上昇させ、ガラス板65の上面に圧力Pを加える。それにより、基板61とガラス板65との間にパターニングされたアルミニウム膜63が融解されて側方向に拡張され始め、適正な温度及び圧力下で図6Eに示されたように、アルミニウム薄膜63を通過して基板61がガラス板65に均一に密着し、アルミニウム薄膜63は基板61とガラス板65とをかたく接合させる。
【0031】
図7ないし図13は、本発明の実施形態に係る圧縮接合方法により接合された被接合部材と基板及びアルミニウム薄膜を示す写真である。
図7及び図8は、基板に18μmの幅と10μmのギャップとを有するストライプ状のアルミニウム接合膜を形成して、300℃の熱を加えて800μmの直径を有するガラス球レンズを基板に接合した状態を撮った写真であるが、図7は、アルミニウム接合膜がガラス球レンズに付着された状態を示し、図8は、ガラス球レンズのARコーティングが基板に接合された状態を示す。ここで、剪断強度のサイズは6grfである。
【0032】
図9は、基板に18μm幅と20μmのギャップとを有するストライプ状のアルミニウム接合膜を形成し、320℃の熱と1500gfとの荷重とを加えて1000μmの直径と810μmの長さとを有する非球面レンズを基板に接合した状態を撮った写真である。ここで、剪断強度は10grfを表した。
図10は、基板に18μmの幅と20μmのギャップとを有するストライプ状のアルミニウム接合膜を形成して、320℃の熱と3900gfの荷重とを加えて1000μmの直径と810μmの長さとを有する非球面レンズを基板に接合した状態を撮った写真である。ここで、剪断強度は70gfを表した。
【0033】
図11は、基板に18μmの幅と50μmのギャップとを有するストライプ状のアルミニウム接合膜を形成して、320℃の熱と3900gfの荷重とを加えて1000μmの直径と810μmの長さとを有する非球面レンズを基板に接合した状態を撮った写真である。ここで、剪断強度は11.1gfを表す。
図9ないし図11の実験結果から、アルミニウム接合膜の幅とギャップのサイズとがほぼ同じであり、温度320℃、圧力3900gfである場合に最も高い剪断応力を耐えることが分かる。
【0034】
基板に連続面であるアルミニウム接合膜を形成した後、平面形ガラス板を付着しようとする場合、剪断強度はほぼゼロであり、基板上に平面形ガラス板を付着することはほとんど不可能であった。
基板にアルミニウム接合膜をドット状に形成し、ガラス板を接合する場合に更に強い接合力を表す。図12は、一辺が18μmであるスクエアドット状のアルミニウム接合膜を形成し、320℃の熱と5000gfの荷重とを加えてガラス板と基板とを接合した状態を示す写真である。剪断強度は200gf以上であった。
【0035】
図13は、本発明の第4実施形態に係る圧縮接合方法を示す図面である。本発明の第4実施形態に係る圧縮接合方法は、本発明の第1ないし第3実施形態に係る圧縮接合方法に紫外線を更に利用することを特徴とする。本発明の第4実施形態に係る圧縮接合方法は、基板71にストライプ状またはドット状の金属接合膜73をパターニングした後、その上部に被接合部材75を配列し、上面に紫外線を照射しつつ圧力を加え、基板71には熱を加えて基板71と被接合部材75とを接合する。紫外線は、熱と圧力とを下げる役割を行う。ここで、被接合部材75を基板71に接合させる前に、被接合部材75の上面に金属接合膜73を更に形成して、前記したような圧縮接合方法を実行できる。
【0036】
本発明は、金属接合膜をストライプ状またはドット状にパターニングして、従来の技術で接合できなかった平板状の被接合部材も容易に基板に付着させることができ、従来の圧縮接合方法より低い温度及び圧力でも強い接合が可能であるという長所を有する。
前記した説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するものであるより、好ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。本発明の範囲は、説明された実施形態によって決まるのではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想により決まらねばならない。
【産業上の利用可能性】
【0037】
前記したように、本発明の圧縮接合方法の長所は、光学素子を含む多様なサイズと形態の被接合部材を接合できるということと、接合のための温度と圧力とを著しく下げることができ、パッケージングとシーリングとを必要とするいかなる工程にも幅広く適用されうるということである。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】米国特許第5,178,319号に開示された圧縮接合方法を示す図面であり、
【図2】本発明の第1実施形態に係る圧縮接合方法を示す図面であり、
【図3】本発明の第2実施形態に係る圧縮接合方法を示す図面であり、
【図4】本発明の第3実施形態に係る圧縮接合方法を示す図面であり、
【図5】本発明の実施形態に係る圧縮接合方法の原理を示す図面であり、
【図6A】本発明の第1実施形態に係る圧縮接合方法の工程図であり、
【図6B】本発明の第1実施形態に係る圧縮接合方法の工程図であり、
【図6C】本発明の第1実施形態に係る圧縮接合方法の工程図であり、
【図6D】本発明の第1実施形態に係る圧縮接合方法の工程図であり、
【図6E】本発明の第1実施形態に係る圧縮接合方法の工程図であり、
【図7】本発明の実施形態に係る圧縮接合方法により基板と被接合部材とが接合された状態を示す写真であり、
【図8】本発明の実施形態に係る圧縮接合方法により基板と被接合部材とが接合された状態を示す写真であり、
【図9】本発明の実施形態に係る圧縮接合方法により基板と被接合部材とが接合された状態を示す写真であり、
【図10】本発明の実施形態に係る圧縮接合方法により基板と被接合部材とが接合された状態を示す写真であり、
【図11】本発明の実施形態に係る圧縮接合方法により基板と被接合部材とが接合された状態を示す写真であり、
【図12】本発明の実施形態に係る圧縮接合方法により基板と被接合部材とが接合された状態を示す写真であり、
【図13】本発明の第4実施形態に係る圧縮接合方法を示す図面である。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板上に所定の形態に金属接合膜をパターニングする第1ステップと、
前記金属接合膜の上部に被接合部材を位置させて前記基板に熱を加え、前記被接合部材に圧力を加えて前記金属接合膜を有する基板と前記被接合部材とを接合する第2ステップと、
を含むことを特徴とする圧縮接合方法。
【請求項2】
基板上に所定の形態に第1金属接合膜をパターニングし、被接合部材上に所定の形態に第2金属接合膜をパターニングする第1ステップと、
前記第1金属接合膜の上部に前記被接合部材を位置させて前記基板に熱を加え、前記被接合部材に圧力を加えて前記第1金属接合膜を有する基板と前記第2金属接合膜を有する被接合部材とを接合する第2ステップと、
を含むことを特徴とする圧縮接合方法。
【請求項3】
前記基板は、シリコン、金属及びセラミックのうち、何れか一つで形成することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の圧縮接合方法。
【請求項4】
前記金属接合膜は、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛及びチタンのうち、何れか一つで形成することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の圧縮接合方法。
【請求項5】
前記所定の形態は、ストライプ状またはドット状であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の圧縮接合方法。
【請求項6】
前記被接合部材は、ガラスまたは金属で形成することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の圧縮接合方法。
【請求項7】
前記列は、350℃以下に印加することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の圧縮接合方法。
【請求項1】
基板上に所定の形態に金属接合膜をパターニングする第1ステップと、
前記金属接合膜の上部に被接合部材を位置させて前記基板に熱を加え、前記被接合部材に圧力を加えて前記金属接合膜を有する基板と前記被接合部材とを接合する第2ステップと、
を含むことを特徴とする圧縮接合方法。
【請求項2】
基板上に所定の形態に第1金属接合膜をパターニングし、被接合部材上に所定の形態に第2金属接合膜をパターニングする第1ステップと、
前記第1金属接合膜の上部に前記被接合部材を位置させて前記基板に熱を加え、前記被接合部材に圧力を加えて前記第1金属接合膜を有する基板と前記第2金属接合膜を有する被接合部材とを接合する第2ステップと、
を含むことを特徴とする圧縮接合方法。
【請求項3】
前記基板は、シリコン、金属及びセラミックのうち、何れか一つで形成することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の圧縮接合方法。
【請求項4】
前記金属接合膜は、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛及びチタンのうち、何れか一つで形成することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の圧縮接合方法。
【請求項5】
前記所定の形態は、ストライプ状またはドット状であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の圧縮接合方法。
【請求項6】
前記被接合部材は、ガラスまたは金属で形成することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の圧縮接合方法。
【請求項7】
前記列は、350℃以下に印加することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の圧縮接合方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図6E】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図6E】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【公表番号】特表2006−503710(P2006−503710A)
【公表日】平成18年2月2日(2006.2.2)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−546509(P2004−546509)
【出願日】平成15年5月22日(2003.5.22)
【国際出願番号】PCT/KR2003/001009
【国際公開番号】WO2004/037476
【国際公開日】平成16年5月6日(2004.5.6)
【出願人】(503447036)サムスン エレクトロニクス カンパニー リミテッド (2,221)
【Fターム(参考)】
【公表日】平成18年2月2日(2006.2.2)
【国際特許分類】
【出願日】平成15年5月22日(2003.5.22)
【国際出願番号】PCT/KR2003/001009
【国際公開番号】WO2004/037476
【国際公開日】平成16年5月6日(2004.5.6)
【出願人】(503447036)サムスン エレクトロニクス カンパニー リミテッド (2,221)
【Fターム(参考)】
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