JP2968985B2

JP2968985B2 - 低融点封着用組成物

Info

Publication number: JP2968985B2
Application number: JP2236243A
Authority: JP
Inventors: 俊郎山中; 二三男山口
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 1990-09-05
Filing date: 1990-09-05
Publication date: 1999-11-02
Anticipated expiration: 2014-11-02
Also published as: JPH04114930A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は低融点封着用組成物、より具体的にはアルミ
ナを使用したICパッケージの気密封着に特に適した低融
点封着用組成物に関するものである。

［従来の技術］ ICパッケージ用の封着材には、熱膨張係数がパッケー
ジのそれに近似し、且つ封着温度が低く、短時間で気密
封着でき、しかも機械的強度が高いことが必要とされ
る。しかしながら低融点ガラス粉末にベータユークリプ
タイト、コージエライト、ウイレマイト等の低膨張セラ
ミック粉末をフィラーとして加えた従来の封着材は機械
的強度の点において満足できるものではなかった。

近年、ジルコン（ZrO₂・SiO₂）をフィラーとして加え
ることにより、封着材の機械的強度が高まることが見い
だされ、これを用いた種々の封着材が提案されている。
例えば特公昭56−49861号には、低融点ガラス粉末とチ
タン酸鉛粉末と天然ジルコン粉末とからなり、機械的強
度や熱衝撃強度の大きい封着材が提案されている。また
特公平１−27982号には、天然ジルコンの有する欠点、
即ちα線放出によるICのソフトエラーを防止するため
に、合成ジルコン粉末を用いた封着材が提案されてい
る。さらに特開昭62−191442号には、合成ジルコンの作
製時にFe₂O₃、MnO₂、ZnOのいづれか１種以上を添加して
反応を促進し、未反応のZrO₂に起因する流動性の低下を
防止することが開示されている。

［発明が解決しようとする問題点］一般にジルコン粉末は、封着材の機械的強度を高める
効果があると共に、化学的耐久性に優れ、しかも電気抵
抗が大きいので、フィラーとして優れたものである。し
かしながらその一方で、ガラスに対する流動性あまり良
くないという欠点を有しており、前記特開昭62−191442
号の合成ジルコンにおいても未だ良好な流動性が得られ
ないのが現状である。この問題は特にPbO−B₂O₃系ガラ
スに対して顕著であり、封着材の低融点化の障害となっ
ている。

本発明は上記事情に鑑みなされたもので、機械的強度
が高く、しかも良好な流動性を示す新規なフィラーを用
いたICパッケージ用の封着材を提供することを目的とす
るものである。

［問題点を解決するための手段］本発明者等は種々の研究を行った結果、ガラスに対し
て最も優れた流動性を示すウイレマイト（2ZnO・SiO₂）
に着目し、ジルコンとウイレマイトの結晶からなる焼結
物をフィラーとして用いることにより、流動性が良好
で、しかも機械的強度の高い封着用組成物が得られるこ
とを見い出し、本発明として提案するものである。

即ち、本発明の低融点封着用組成物は、低融点ガラス
粉末50〜80％、ZrO₂−ZnO−SiO₂系セラミック粉末５〜5
0％、低膨張セラミック粉末０〜40％からなり、前記ZrO
₂−ZnO−SiO₂系セラミック粉末は、重量百分率でZrO₂8
〜65％、ZnO7〜65％、SiO₂20〜35％の範囲にあり、ジル
コン及びウイレマイトを主結晶とする焼結物であること
を特徴とする。

また本発明において用いる低融点ガラス粉末は、重量
百分率でPbO40〜90％、B₂O₃8〜15％、SiO₂＋Al₂O₃0.5〜
５％、ZnO0.5〜15％、Bi₂O₃＋V₂O₅＋CuO0〜10％、F0〜
５％からなることを特徴とし、低膨張セラミック粉末は
ベータユークリプタイト、コージェライト、ウイレマイ
ト系セラミック、酸化すず、ムライトのいづれか１種ま
たは２種以上であることを特徴とする。

［作用］本発明において用いられるZrO₂−ZnO−SiO₂系セラミ
ック粉末は、ジルコン結晶とウイレマイト結晶から構成
されており、ジルコンの高い機械的強度と、ウイレマイ
トの良好な流動性を併せ持ったものである。しかもジル
コンとウイレマイトが同一粉末粒子中に存在するため、
ジルコン粉末とウイレマイト粉末をフィラーとして添加
した封着材よりも、さらに良好な特性を示す。これは流
動性の悪いジルコン結晶とガラスの接触面積が小さくな
るため流動性がよくなり、またウイレマイト結晶にジル
コン結晶が近接して存在するので強度の低下が起こらな
いためと考えられる。

ZrO₂−ZnO−SiO₂系セラミック粉末の作製方法は、α
線放出量の少ないZrO₂粉末と、ZnO粉末及びSiO₂粉末を
混合して焼成し、これを微粉砕したものであり、ZrO₂、
ZnO及びSiO₂の割合はそれぞれ重量百分率で８〜65％、
７〜65％、20〜35％である。この範囲外ではジルコン結
晶またはウイレマイト結晶のどちらか一方が著しく多量
に生成し、また未反応の成分により流動性が損なわれ、
上述した効果を得ることができなくなる。

また本発明の低融点封着用組成物は、低膨張セラミッ
ク粉末をZrO₂−ZnO−SiO₂系セラミック粉末と併用する
ことにより、熱膨張係数を一定に保ちながら封着温度を
低下させることができる。低膨張セラミック粉末として
は、ベータユークリプタイト、コージェライト、ウイレ
マイト系セラミック、酸化すず、ムライトのいづれか１
種または２種以上を用いることが好ましい。

本発明において低融点ガラス粉末、ZrO₂−ZnO−SiO₂
系セラミック粉末、低膨張セラミック粉末の割合を上記
のように限定した理由を以下に述べる。

低融点ガラス粉末が50％より少ないと流動性が悪くな
って450℃以下で封着できなくなり、80％より多いと熱
膨張係数が大きくなり熱衝撃強度が小さくなる。ZrO₂−
ZnO−SiO₂系セラミック粉末が５％より少ないと十分な
機械的強度が得られなくなり、50％より多いと流動性が
悪くなる。低膨張セラミック粉末が40％より多いと流動
性が悪くなる。

また本発明において用いる低融点ガラス粉末の各成分
の割合を上記のように限定した理由を以下に述べる。

PbOが40％より少ないとガラスの粘性が増大し、90％
より多いとガラスが失透しやすくなる。B₂O₃が８％より
少ないとガラスが失透しやすくなり、15％より多いとガ
ラスの粘性が増大する。SiO₂とAl₂O₃の合量が0.5％より
少ないとガラスが失透しやすくなり、３％より多いとガ
ラスの粘性が増大する。ZnOは熱膨張係数を大きくする
ことなく粘性を低くする効果を有するが、0.5％より少
ないとその効果がなく、15％より多いとガラスが失透し
やすくなる。またBi₂O₃、V₂O₅、CuOを合量で10％まで、
Ｆを５％まで添加することによって、より軟化点の低い
ガラスを得ることができる。

［実施例］以下、本発明の低融点封着用組成物を実施例に基づい
て説明する。

第１表は本発明において用いる低融点ガラス粉末の実
施例を示している。

第１表に示した低融点ガラス粉末は、鉛丹、硼酸、珪
石粉、アルミナ、亜鉛華、酸化ビスマス、五酸化バナジ
ウム、酸化第２銅、フッ化鉛を表中に示す組成になるよ
うに調合して白金るつぼに入れ、電気炉において800℃
で１時間溶融した後粉砕し、200メッシュのステンレス
篩を通過させたものである。

第２表は、本発明において用いるZrO₂−ZnO−SiO₂系
セラミック粉末の実施例を示している。

第２表に示したZrO₂−ZnO−SiO₂系セラミック粉末の
作製方法を試料No.ａを例にとって説明する。

まずZrO₂は、天然のジルコンサンドを一旦ソーダ分解
し、塩酸に溶解した後、濃縮結晶化を繰り返して、Ｕ、
Thの極めて少ないオキシ塩化ジルコニウムにし、アルカ
リ中和後、加熱して精製ZrO₂とした。次にこの精製した
ZrO₂、亜鉛華（ZnO）及び高純度珪石粉（SiO₂）を表中
に示す組成になるように調合し、乾式混合後、1450℃で
16時間焼成した。次いでこの焼成物を粉砕し、250メッ
シュのステンレス篩を通過させた。このようにして得ら
れた試料No.ａは、体積百分率でジルコン結晶60％、ウ
イレマイト結晶40％から構成されていた。

第３表は、第１表の低融点ガラス粉末、第２表のZrO₂
−ZnO−SiO₂系セラミック粉末及び各種の低膨張セラミ
ック粉末を混合した低融点封着用組成物の実施例であ
る。

第３表の低融点封着用組成物は、低融点ガラス粉末、
ZrO₂−ZnO−SiO₂系セラミック粉末、低膨張セラミック
粉末を表に示す割合に混合し、通常行われているように
ビークルを使用してペーストを作製した後、アルミナセ
ラミック（16 SSIパッケージ）に印刷して封着した。剪
断強度は、アルミナセラミックの封着部の長手方向へ剪
断力を加えることによって破壊させるのに必要な荷重の
値を示したものである。

表から明らかなように、本発明の実施例である試料N
o.１〜10は、封着温度が400〜420℃、熱膨張係数が67〜
75×10^-7/℃、剪断強度が350〜410kgと良好な値を示し
た。

なお、比較のためにガラス、ジルコン及びウイレマイ
ト量が試料No.１と同等になるように、ガラスA60％、ジ
ルコン24％、ウイレマイト系セラミック16％からなる試
料を作製した。この試料を用いて上記と同様にしてアル
ミナセラミックを封着したところ、封着温度435℃、封
着時間10分、熱膨張係数70×10^-7/℃、剪断強度407kgで
あり、試料No.１と比較すると熱膨張係数、剪断強度は
ほぼ同等の値を示したものの、封着温度が15℃も高かっ
た。

また、流動性を比較するためにフローボタンテストを
行ったところ、本発明の実施例である試料No.１が23.0m
mであったのに対して、比較のために作製した試料は21.
0mmであった。なおこのテストは外径20mmのボタン状に
プレス成形した試料を板ガラスの上に載せて、10℃／分
の温度で420℃まで加熱し、10分間保持した後のボタン
の外径を測定したものである。

これらの事実は本発明の低融点封着用組成物が諸特性
に優れ、特に流動性が良好であり、低温で封着できるこ
とを示している。

なお、表中の低膨張セラミック粉末は次のようにして
作製した。

ベータユークリプタイトは、炭酸リチウム、アルミ
ナ、光学ガラス用石粉をLi₂O・Al₂O₃・2SiO₂の組成にな
るように調合、混合した後、1250℃で５時間焼成したも
のを粉砕し、250メッシュのステンレス篩を通過したも
のを用いた。

コージェライトは、ガラスを結晶化させる方法で作製
したものを用いた。すなわち2MgO・2Al₂O₃・5SiO₂の化
学量論比になるようにマグネシア、アルミナ及び光学ガ
ラス用石粉を調合、混合し、白金るつぼ中に1580℃で４
時間溶融して得たガラスを薄板状に成形した後、150メ
ッシュのステンレス篩を通過するように粉砕し、さらに
1000℃で12時間加熱し、コージェライトを結晶させた
後、350メッシュのステンレス篩を通過するように粉砕
した。

ウイレマイト系セラミックは、重量％でZnO70.6％、S
iO₂24.7％、Al₂O₃4.7％になるように亜鉛華、光学ガラ
ス用石粉、アルミナを調合、混合し、1440℃で15時間焼
成した後、粉砕し250メッッシュのステンレス篩を通過
したものを用いた。なお、ウイレマイト系セラミックは
上記組成に限定されるものではなく、重量％でZnO68〜7
5％、SiO₂23〜28％、Al₂O₃0.1〜８％の範囲内であれば
使用可能である。

酸化すずは、重量％でSnO₂99％、ZnO1％になるように
酸化すず、亜鉛華を調合、混合し、1450℃で16時間焼成
後、粉砕し、250メッシュのステンレス篩を通過したも
のを用いた。

ムライトは電融ムライト（重量％でAl₂O₃77.2％、SiO
₂22.8％）を粉砕し、250メッシュの篩を通過したものを
使用した。

比較例に用いたジルコンは、重量％でZrO₂64.6％、Si
O₂31.6％、ZnO3.8％の組成になるように先記ZrO₂−ZnO
−SiO₂系セラミック粉末と同様の方法で作製した。

［効果］以上説明したように、本発明の低融点封着用組成物は
諸特性に優れ、特に流動性が良好であるためにより低温
で封着でき、それゆえICパッケージ用接着材として特に
適したものである。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】体積百分率で、低融点ガラス粉末50〜80
％、ZrO₂−ZnO−SiO₂系セラミック粉末５〜50％、低膨
張セラミック粉末０〜40％からなり、前記ZrO₂−ZnO−S
iO₂系セラミック粉末は、重量百分率でZrO₂8〜65％、Zn
O7〜65％、SiO₂20〜35％の範囲にあり、ジルコン及びウ
イレマイトを主結晶とする焼結物であることを特徴とす
る低融点封着用組成物。
【請求項２】低融点ガラス粉末は、重量百分率でPbO40
〜90％、B₂O₃8〜15％、SiO₂＋Al₂O₃0.5〜５％、ZnO0.5
〜15％、Bi₂O₃＋V₂O₅＋CuO0〜10％、F0〜５％からなる
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の低融点封
着用組成物。
【請求項３】低膨張セラミック粉末は、ベータユークリ
プタイト、コージェライト、ウイレマイト系セラミッ
ク、酸化すず、ムライトのいづれか１種または２種以上
であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の低
融点封着用組成物。