JP3125971B2 - 低温封着用組成物 - Google Patents

低温封着用組成物

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JP3125971B2
JP3125971B2 JP07081746A JP8174695A JP3125971B2 JP 3125971 B2 JP3125971 B2 JP 3125971B2 JP 07081746 A JP07081746 A JP 07081746A JP 8174695 A JP8174695 A JP 8174695A JP 3125971 B2 JP3125971 B2 JP 3125971B2
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C8/00Enamels; Glazes; Fusion seal compositions being frit compositions having non-frit additions
    • C03C8/24Fusion seal compositions being frit compositions having non-frit additions, i.e. for use as seals between dissimilar materials, e.g. glass and metal; Glass solders
    • C03C8/245Fusion seal compositions being frit compositions having non-frit additions, i.e. for use as seals between dissimilar materials, e.g. glass and metal; Glass solders containing more than 50% lead oxide, by weight

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  • Glass Compositions (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、380℃以下の温度で
封着することができる封着用組成物に関し、特にICセ
ラミックパッケージの封着に好適な低温封着用組成物に
関する。
【0002】
【従来の技術】低融点ガラスフリットは、ガラス、セラ
ミックスや金属の封着あるいは被覆のために広く使用さ
れている。半導体分野においても半導体チップをアルミ
ナ等のセラミックパッケージに気密封止する際に使用さ
れている。ICセラミックパッケージの封着に用いられ
る低融点ガラスフリットに求められる主な条件として
は、以下のようなものが挙げられる。 ICに悪影響を及ぼさないように低温で封着が可能で
あること。 絶縁特性を長期にわたり良好に維持するために耐水性
が良いこと。 熱膨張係数がセラミックパッケージのそれと一致して
いること。
【0003】これらのうち、封着温度の低温化は、年々
集積度が高まり微細化する回路保護のためにも強く望ま
れていることであるが、従来から知られているPbO−
23 系、PbO−B2 3 −Bi2 3 系のガラス
に低膨脹フィラー粉末を添加した封着用組成物は、低融
点化に限界があり、400℃以下での封着は困難なもの
であった。このほかに本発明者が特願平5-219180号とし
て提案したPbO−B2 3 −TeO2 系のガラスを用
いたものもあるが、これも封着には450℃程度の温度
を必要とする。
【0004】このため、400℃以下で封着可能な組成
開発が進められ、特開昭63-315536号公報に代表される
PbO−B2 3 −Tl2 O系組成物や、特開平5-9747
0 号公報に記載のPbO−B2 3 −Bi2 3 −F2
系組成物などが開発されてきた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記特開昭63-315536
号公報に記載のPbO−B2 3 −Tl2 O系低温封着
用フリットは、Tl2 Oの作用により封着温度を低くで
きるものの、有害物質であるタリウムを含むため、製造
時、封着作業時の各工程において粉塵の飛散防止などの
ための設備導入が必要となり、今後、使用製品の廃棄等
にともなう環境対策の面からも好ましくない。またこの
低温封着用フリットを構成するガラスは、アルミナ等の
セラミックスに比べて熱膨張係数が非常に大きいため、
熱膨張係数を整合させるために多量の低膨脹フィラーを
混合しなければならず、封着時の流動性を損なう欠点が
あった。
【0006】上記特開平5-97470 号公報に記載のPbO
−B2 3 −Bi2 3 −F2 系組成物は、400℃以
下の温度で封着が可能であるが、この組成物は耐水性に
難があり、長期間に渡る使用において絶縁不良が起こり
やすいことが懸念される。
【0007】本発明は、このような事情を考慮してなさ
れたもので、実質的にタリウムを含有せず、380℃以
下の温度で短時間に気密封着することができ、かつ耐水
性に優れた低温封着用組成物を提供することを目的とす
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、PbO−B2 3 −Bi2 3 系ガラスに
おいてPbOの一部をPbF2 で置換して軟化点を下げ
るとともに、TeO2を含有させて耐水性の向上を図っ
たものである。
【0009】すなわち本発明は、質量百分率で、PbO
50〜75%,PbF2 1〜20%,B2 3 6〜1
2%,TeO2 1〜10%,ZnO 1〜5%,SiO
2 0.5〜2%,Al2 3 0.5〜2%,Bi2 3
0〜10%,からなる組成を有するガラス粉末50〜9
0体積%と、低膨脹セラミックフィラー粉末10〜50
体積%からなる低温封着用組成物である。
【0010】また、前記低膨脹セラミックフィラー粉末
として、チタン酸鉛、β−ユークリプタイト、コージェ
ライト、ジルコンから選ばれる1種または2種以上を使
用するものである。
【0011】
【作用】以下に本発明を構成するガラスの各成分の作用
と、その組成範囲を上記のように限定した理由を説明す
る。
【0012】PbOは低融点ガラスを構成するための主
要成分であるが、50%未満では十分な低融性が維持で
きず、75%を越えるとガラスが不安定な状態となる。
好ましくは55〜75%の範囲である。ただし、溶融段
階でF2 が揮発し、その分のPbF2 がPbOに変化し
てガラス中に存在することもあり得るので、分析組成に
おいてはPbOの量が前記上限値を多少上回ることも予
測される。
【0013】PbF2 は封着温度を下げる成分として本
発明において必須の成分であるが、1%未満ではその効
果は小さく、20%を越えるとガラスが不安定になる。
好ましくは3〜15%である。この組成範囲は、原料組
成がそのままガラス化した場合の値であるので、分析組
成において上記とは逆にPbF2 の量は低めに出ること
が予想される。なお、本発明においては分析により検出
されたF分はPbF2として存在しているものとする。
【0014】B2 3 はガラスを安定にする効果がある
が、6%未満ではガラスが結晶化してしまい、12%を
越えると軟化点が高くなり過ぎ、初期の目的を達成でき
ない。好ましくは7〜10%の範囲である。
【0015】TeO2 はガラスの耐水性向上に著しい効
果を示し、またガラスを安定化させる成分として本発明
に必須のものであるが、1%未満ではその効果が小さ
く、10%を越えると軟化点が上昇するとともに熱膨脹
係数が大きくなるため実用的でない。好ましくは2〜8
%の範囲内である。
【0016】ZnOは本発明のガラスにおいてその添加
によりガラスの熱膨張係数を小さくする効果があるが、
1%未満ではその効果が十分でなく、5%を越えると軟
化点が高くなる。好ましくは2〜4%の範囲である。
【0017】SiO2 はガラスの結晶化傾向を抑制し、
Al2 3 はガラスを安定化させてガラスの耐水性を改
善する効果があるが、それぞれ0.5%未満ではその効
果が小さく、2%を越えると軟化点が高くなり過ぎるた
め好ましくない。
【0018】Bi2 3 はガラスの濡れ性・溶融性を改
善し、またガラスを安定化させる効果があるが、10%
を越えて含有させるとガラスの粘性が高くなりすぎ流動
性を低下させる。
【0019】以上の組成を有する低融点ガラスは、それ
自体ではアルミナ等のセラミックスに比べて熱膨張係数
が大きいため、低膨脹セラミックフィラーを混合して被
封着物と熱膨張係数を近似させて用いる。低膨脹セラミ
ックフィラーとしては、チタン酸鉛、β−ユークリプタ
イト、コージェライト、ジルコンから選ばれる1種また
は2種以上を使用し、上記低融点ガラスに10〜50体
積%加える。これら低膨脹セラミックフィラーの粒径
は、60メッシュの篩を通過したものであればとくに問
題なく使用できるが、封着対象物によって粒径を適切に
選択して使用することが好ましい。たとえば、被封着物
がアルミナや窒化アルミのように小さな熱膨張係数を持
つものの場合、粒径が60メッシュから100メッシュ
の篩の間にあるものを使用した方がフィラー添加量を少
なくできるため、封着温度の上昇をまねかない利点があ
る。ただし、粒径の粗いフィラーを使用した場合にはフ
リットの機械的強度が低下する虞があるので、フィラー
の粒径は封着時に要求される熱膨張係数や機械的強度等
の諸特性に応じて選択することが望ましい。
【0020】本発明において、低膨脹セラミックフィラ
ーの添加量が10体積%未満であると熱膨張係数を下げ
る効果が小さく、所望の値に調整することができず、5
0体積%を越えると封着時の流動性が悪くなり、気密性
や封着強度が損なわれる虞があるので好ましくない。好
ましい範囲は20〜45体積%、より好ましくは25〜
40体積%である。
【0021】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。表
1に本発明の実施例を、表2に比較例を示す。
【0022】鉛丹、フッ化鉛、硼酸、酸化テルル、亜鉛
華、珪石粉、水酸化アルミニウム、酸化ビスマスを表
1、表2に示す組成となるように調合し、それぞれ白金
るつぼに収容して電気炉中で1000℃で1時間加熱し
た。融液は脱泡、均質化のため充分に攪拌し、鉄板上に
流し出した後、適当な温度で徐冷した。その後、この低
融点ガラスを粉砕し、ボールミル等により45μm以下
に微粉砕した。次にアルミナセラミックと熱膨張係数を
整合させるため、各表に示す混合率でセラミックフィラ
ーを混合して封着用組成物を得た。なお、混合したセラ
ミックフィラーの粒径は100メッシュの篩を通過した
ものを使用した。
【0023】得られた封着用組成物それぞれについて、
熱機械分析法(TMA)により30〜250℃の範囲に
おける熱膨張係数を測定し、表中にα(×10-7/℃)
として示した。表中の封着温度(℃)は、封着用組成物
粉末により直径20mmのボタンを作成し、これを加熱
していきボタンが軟化してその直径が23mmを越えた
温度を記載した。また、セラミックフィラーを混合して
いない低融点ガラスについて、ガラス転移点および耐水
性を測定し、これも表中に記した。ガラス転移点は示差
熱分析法(DTA法)によって求め、耐水性は日本光学
硝子工業会法にしたがい、中間粒度のサンプルを沸騰水
中で1時間煮沸し、その前後での重量の減量率で示し
た。
【0024】
【表1】
【表1】
【表2】
【0025】表1に示した実施例試料の耐水性は、低融
点ガラス組成にTeO2 を含有しているため、非常に良
い値を示している。これにより絶縁特性も長期間良好に
保たれる。セラミックフィラーを混合した封着用組成物
の熱膨張係数も67〜70×10-7/℃とアルミナセラ
ミックのそれと良く一致しており、この状態での封着温
度も実施例試料ではすべて380℃以下であった。
【0026】次に、これら封着用組成物をペースト状に
加工し、2枚のアルミナ板の間に塗布して380℃の温
度で15分間加熱保持し、冷却後の封着状態を観察し
た。表1に示すように本発明の実施例は、いずれの試料
においてもアルミナ板同士が強固に封着されており、封
着部にクラックや気泡の存在も認められず、封着状態は
良好なものと判断された。
【0027】これに対し、表2に示した比較例No.1
は、ガラス組成にPbF2 を含まないため、ガラス転移
点(Tg)が高く、この結果、セラミックフィラーとの
混合物の封着温度も高い値を示した。比較例No.2
は、PbF2 を過剰に添加した例であるが、ガラスが不
安定となって結晶化を起こし、また流動性が悪く封着温
度も高いものであった。比較例No.3および5は、そ
れぞれB2 3 、TeO2 を過剰添加した結果、封着温
度が高くなってしまった。比較例No.4は、封着温度
は実施例と同等であるが、耐水性が極端に劣り、絶縁特
性における信頼性が低い。
【0028】これら比較例についても実施例と同様にペ
ースト状に加工し、2枚のアルミナ板の間に塗布して3
80℃の温度で15分間加熱保持し、冷却後の封着状態
を観察した。その結果、比較例No.1,2,3,5の
試料では流動性が悪く、接着面が充分に濡れないため、
簡単に剥がれてしまった。比較例No.6,7,8の試
料は封着温度が390℃であるため、380℃の温度条
件では十分な接着強度は得られなかった。
【0029】なお、上記実施例では、アルミナセラミッ
クと熱膨張係数を整合するようにセラミックフィラーの
混合率を選択した例を示したが、これに限ることなく、
被封着物と熱膨張係数を近似できるように上記範囲内で
調整して使用できる。また、半導体セラミックパッケー
ジに限らず、低温での封着が要求される様々な用途に適
用可能である。特に本発明の低温封着用組成物は、絶縁
性に対する信頼性が高いので、半導体パッケージのほ
か、各種表示デバイスのパッケージやその他の電子部品
の封止にも好適する。
【0030】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の低温封着
用組成物は、実質的にタリウムを含まないので、製造・
使用の各工程で粉塵の飛散防止などのための設備導入を
必要とせず、製品の取扱いも容易である。
【0031】また耐水性に優れているため絶縁特性に対
する信頼性が高く、380℃以下の低温での封着が可能
で、封着時の流動性にも優れているので、封着部に気泡
やリークを生ずることもない。したがって、高信頼性を
要求される電子部品などの封着に極めて好適するもので
ある。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 質量百分率で、PbO 50〜75%,
    PbF2 1〜20%,B2 3 6〜12%,TeO2
    〜10%,ZnO 1〜5%,SiO2 0.5〜2%,
    Al2 3 0.5〜2%,Bi2 3 0〜10%,から
    なる組成を有するガラス粉末50〜90体積%と、低膨
    脹セラミックフィラー粉末10〜50体積%からなるこ
    とを特徴とする低温封着用組成物。
  2. 【請求項2】 前記低膨脹セラミックフィラー粉末が、
    チタン酸鉛、β−ユークリプタイト、コージェライト、
    ジルコンから選ばれる1種または2種以上であることを
    特徴とする請求項1記載の低温封着用組成物。
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