JP5679522B2 - 封着材料 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマディスプレイパネル（以下、ＰＤＰ）、各種電子放出素子を有する各種形式のフィールドエミッションディスプレイ（以下、ＦＥＤ）、蛍光表示管（以下、ＶＦＤ）等の平面表示装置等に用いる封着材料に関するものである。

従来から封着材料としてガラスが用いられている。ガラスは、樹脂系の接着剤に比べ、化学的耐久性及び耐熱性に優れると共に、平面表示装置等の気密信頼性を確保するのに適している。

これらのガラスは、用途によっては機械的強度、流動性、電気絶縁性等の種々の特性が要求されるが、平面表示装置等に使用するためには、蛍光体の蛍光特性等を劣化させない温度で使用可能であることが要求される。それ故、上記特性を満足するガラスとして、低融点の鉛ホウ酸系ガラス（例えば、特許文献１参照）が広く用いられてきた。

ところが、最近、鉛ホウ酸系ガラスに含まれるＰｂＯに対して環境上の問題が指摘されており、鉛ホウ酸系ガラスから実質的にＰｂＯを含まないガラスに置き換えることが望まれている。そのため、鉛ホウ酸系ガラスの代替品として、様々な低融点ガラスが開発されている。その中でも、特許文献２等に記載されているビスマス系ガラスは、化学耐久性、機械的強度等の特性が鉛ホウ酸系ガラスと同等であるため、その代替候補として期待されている。

ところで、封着材料に使用されるガラスは、用途に応じて結晶性、或いは非結晶性が選択される。一般的に、封着工程後にガラスが軟化してはいけない用途、例えばＰＤＰ用の排気管の封着用途では、結晶性のガラスが選択される。本用途では、排気管の封着工程後に軟化点以上、例えば４２０〜４８０℃まで熱処理温度が上がる真空排気工程があり、非結晶性のガラスを用いると、真空排気工程でガラスが再軟化し、このことに起因して、平面表示装置等に気密リークが発生し易くなる。そこで、このような事態を防止するために、本用途では結晶性のガラスを選択するのが好ましいとされている（例えば、特許文献３、４参照）。
特開昭６３−３１５５３６号公報 特開平６−２４７９７号公報 特開２００１−１２２６４０号公報 特開２００１−１０８４３号公報

近年、ＰＤＰの分野では、液晶ディスプレイ等に代表される他のフラットパネルディスプレイとの競争から、画質の向上、或いは製造効率の向上を図り、製品コストを低下させることが重要な技術的課題となっており、この課題を解決すべく、従来、数十時間を要していた真空排気工程を改良する試みが検討されている。

ＰＤＰの真空排気工程において、排気温度を上昇させると、排気効率を向上できることが知られており、具体的には、排気温度を上昇させると、例えば排気温度を４５０℃以上にすると、排気に要する時間を１０時間程度に短縮できると共に、ＰＤＰの装置内部を高真空にすることができる。ＰＤＰの装置内部を高真空にすれば、装置内部の付着不純物の含有量を低減することができるため、後に装置内部に封入される希ガス成分の純度を高めることができ、ＰＤＰの発光特性を向上させることができる。

特許文献２に記載のビスマス系ガラスは、ガラス組成を選択すれば、結晶性のガラスを得ることができる。しかし、この結晶性のガラスは、ガラス組成中にガラス構成成分（結晶を構成しない成分）であるＢ₂Ｏ₃を１３質量％以上含有し、且つ結晶を構成する成分であるＺｎＯを含有していないため、熱処理を行っても、ガラスに十分な量の結晶が析出せず、結晶化後の熱処理工程でガラスが再軟化し易く、真空排気工程で排気温度を上昇させることができない。

また、封着材料として結晶性のガラスを用いる場合、封着材料の流動性と低熱膨張特性（結晶化後）は、両立困難な特性である。特に、ビスマス系ガラスは、鉛ホウ酸系ガラスと比べて熱的安定性が乏しく、流動性を確保する前にガラスが失透し易い。また、ビスマス系ガラスは、軟化点を下げるために多量のＢｉ_２Ｏ_３を含有させる必要があるが、このような場合、封着工程で高膨張の１２Ｂｉ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３結晶（熱膨張係数≒１６０×１０^−７／℃）が析出し易い。この結晶が多量に析出した場合、結晶化後の封着材料の熱膨張係数が不当に上昇するため、封着工程後に封着部位等に不当な応力が残留し易くなる。

そこで、本発明は、ビスマス系ガラス粉末と耐火性フィラー粉末を含有する封着材料において、平面表示装置等の排気温度を上昇させるべく、熱処理工程でガラスに十分な量の結晶が析出すると共に、流動性と低熱膨張特性（結晶化後）が良好な封着材料を得ることを技術的課題とする。

本発明者は、鋭意努力の結果、ビスマス系ガラス粉末と耐火性フィラー粉末を含有する封着材料において、ビスマス系ガラス粉末と耐火性フィラー粉末の含有量を規制すると共に、ビスマス系ガラス粉末のガラス組成範囲、質量分率ＺｎＯ／ＣｕＯの値及びＺｎＯ／Ｂ_２Ｏ_３の値を規制することにより、上記技術的課題を解決できることを見出し、本発明として提案するものである。すなわち、本発明の封着材料は、ビスマス系ガラス粉末と耐火性フィラー粉末を含有する封着材料において、（１）ビスマス系ガラス粉末４０〜１００体積％と、耐火性フィラー粉末０〜６０体積％とを含有し、（２）ビスマス系ガラス粉末が、ガラス組成として、質量％で、Ｂｉ_２Ｏ_３ ７４〜８５％、Ｂ_２Ｏ_３ ４．５〜９．５％、ＺｎＯ １０〜１６．５％、ＣｕＯ １．２〜８％含有し、（３）ビスマス系ガラス粉末が、ガラス組成として、質量分率で、ＺｎＯ／ＣｕＯの値が１〜１０、ＺｎＯ／Ｂ_２Ｏ_３の値が１．５〜３であり、（４）実質的にＰｂＯを含有せず、（５）結晶化温度が４９０〜５７０℃であることを特徴とする。ここで、本発明でいう「実質的にＰｂＯを含有しない」とは、封着材料中のＰｂＯの含有量が１０００ｐｐｍ以下の場合を指す。

本発明の封着材料は、ビスマス系ガラス粉末４０〜１００体積％と、耐火性フィラー粉末０〜６０体積％とを含有する。このようにすれば、封着材料の熱膨張係数を被封着物の熱膨張係数に整合させ易くなる。耐火性フィラー粉末の含有量が６０体積％より多いと、相対的にビスマス系ガラス粉末の含有量が少なくなり、封着材料の流動性が損なわれ易くなる。なお、本発明の封着材料は、耐火性フィラー粉末を添加することなく、ビスマス系ガラス粉末のみで構成されていてもよい。

また、本発明の封着材料は、ビスマス系ガラス粉末のガラス組成範囲を上記のように規制しているため、低温で良好な流動性を示し、低温で良好に封着することができる。その上、ガラスが軟化した後に十分な量の結晶が析出し易いため、結晶化後の熱処理工程でガラスが再軟化し難く、例えば真空排気工程でガラスが再軟化し難く、平面表示装置等の気密信頼性を確保することができる。

本発明者の詳細な調査によれば、上記のガラス組成範囲を有するビスマス系ガラスは、封着工程で１２Ｂｉ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３結晶、Ｂｉ_２Ｏ_３・ＣｕＯ結晶、Ｂｉ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３・２ＺｎＯ結晶のいずれかが析出する。１２Ｂｉ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３結晶は高膨張であるため、封着工程でガラスに１２Ｂｉ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３結晶が多量に析出すると、結晶化後に封着材料の熱膨張係数が不当に上昇し易くなり、被封着物の熱膨張係数に整合し難くなる。また、封着材料の流動性と低熱膨張特性（結晶化後）は、両立困難な特性であるが、封着工程でガラスにＢｉ_２Ｏ_３・ＣｕＯ結晶を析出させると、両特性を高いレベルで両立させることができる。更に、Ｂｉ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３・２ＺｎＯ結晶は、低膨張の結晶であるため、封着工程でガラスにＢｉ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３・２ＺｎＯ結晶を析出させると、結晶化後に封着材料の熱膨張係数が不当に上昇する事態を防止し易くなる。そこで、ビスマス系ガラス粉末のガラス組成において、質量分率ＺｎＯ／ＣｕＯの値及びＺｎＯ／Ｂ_２Ｏ_３の値を上記のように規制すれば、封着工程で１２Ｂｉ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３結晶の析出量を抑制しつつ、Ｂｉ_２Ｏ_３・ＣｕＯ結晶及びＢｉ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３・２ＺｎＯ結晶を析出させることができる。その結果、封着工程で熱膨張係数が不当に上昇し難く、流動性と低熱膨張特性（結晶化後）を高いレベルで両立させた封着材料を得ることができる。

更に、本発明の封着材料は、実質的にＰｂＯを含有しない。このようにすれば、近年の環境的要請を的確に満たすことができる。

第二に、本発明の封着材料は、４８０℃で焼成したときの熱膨張係数をα_１、５００℃で焼成したときの熱膨張係数をα_２としたとき、（α_１−α_２）＜４×１０^−７／℃の関係を満たすことが好ましい。ここで、「熱膨張係数」は、押棒式熱膨張係数測定（ＴＭＡ）装置で測定した値を指し、「α_１」は４８０℃２０分で焼成したものを測定試料として用い、３０〜４８０℃の温度範囲で測定した値を指し、「α_２」は５００℃２０分で焼成したものを測定試料として用い、３０〜５００℃の温度範囲で測定した値を指す。なお、焼成に際し、昇降温速度は１０℃／分とする。

封着材料として結晶性のガラスを用いる場合、熱処理温度が相違すると、ガラスに析出する結晶種及び結晶の析出量が相違し、結晶化後の封着材料の熱膨張係数が相違し易くなる。一般的に、ＰＤＰの製造工程において、封着温度は４９０℃程度であり、また焼成炉内の温度分布は±１０℃程度である。よって、ＰＤＰの封着材料として結晶性のガラスを用いる場合、封着部位の熱膨張係数が局所的に相違し、封着部位等に不当な応力が局所的に残留し易くなり、その結果、ＰＤＰの気密性や機械的強度等が低下し易くなる。しかし、本発明の封着材料は、４８０℃で焼成したときの熱膨張係数をα_１、５００℃で焼成したときの熱膨張係数をα_２としたとき、（α_１−α_２）＜４×１０^−７／℃の関係を満たし、好ましくは（α_１−α_２）＜３×１０^−７／℃の関係を満たすため、かかる事態を防止することができ、本用途に好適である。

第三に、本発明の封着材料は、結晶化温度が４９０〜５７０℃であることが好ましい。ここで、本発明でいう「結晶化温度」とは、示差熱分析（ＤＴＡ）装置の測定（大気中、昇温速度１０℃／分、室温から測定開始）で結晶化ピークが発現する温度を指す。

第四に、本発明の封着材料は、耐火性フィラー粉末が、ＺｎＯ含有耐火性フィラー粉末であることが好ましい。

第五に、本発明の封着材料は、耐火性フィラー粉末が、ウイレマイト、酸化亜鉛、ガーナイト、ＺｎＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２の群より選ばれた一種又は二種以上であることが好ましい。

第六に、本発明のタブレットは、封着材料を所定形状に焼結させたタブレットであって、該封着材料が上記の封着材料であることに特徴付けられる。なお、本発明のタブレットは、特に形状は限定されないが、排気管の固定を想定した場合、リング状であることが好ましい。

第七に、本発明のタブレット一体型排気管は、拡径された排気管の先端部に、上記のタブレットが取り付けられていることが好ましい。ここで、本発明において、「排気管の先端部」とは、拡径化された排気管の表面部位を指し、拡径化された部分においてパネルと接する側の排気管底面又は排気管外周側面を指す。また、タブレットは、排気管の先端部のみに接着される態様だけでなく、排気管の先端部の一部に接着される態様を含む。

第八に、本発明のタブレット一体型排気管は、拡径された排気管の先端部に、上記のタブレットと、高融点タブレットとが取り付けられており、且つ上記のタブレットが拡径された排気管の先端部側に取り付けられ、高融点タブレットが上記のタブレットよりも後端部側に取り付けられていることに特徴付けられる。ここで、本発明でいう「高融点タブレット」とは、５２０℃未満で軟化変形しないタブレットを指し、例えば、ガラスタブレットの場合、ＤＴＡ装置で測定した軟化点が５２０℃以上のタブレットを指す。

本発明の封着材料において、ビスマス系ガラス粉末のガラス組成範囲を上記のように限定した理由は下記の通りである。なお、以下の％表示は、特に断りがある場合を除き、質量％を指す。

Ｂｉ_２Ｏ_３は、ガラスの軟化点を下げるための主要成分であり、また結晶を構成する成分であり、その含有量は７４〜８５％、好ましくは７６〜８３％、より好ましくは７６．５〜８１％である。Ｂｉ_２Ｏ_３の含有量が７４％より少ないと、軟化点が上昇し、低温で封着し難くなる。一方、Ｂｉ_２Ｏ_３の含有量が８５％より多いと、ガラスの耐失透性が悪化し、封着工程でガラスが軟化する前に、ガラスに結晶が析出して、封着材料としての機能を発揮し難くなる。

Ｂ_２Ｏ_３は、ビスマス系ガラスのガラスネットワークを構成するために必須の成分であり、その含有量は４．５〜９．５％、好ましくは５〜９％、より好ましくは５〜８．５％である。Ｂ_２Ｏ_３の含有量が４．５％より少ないと、ガラスの軟化点は低くなるが、ガラスネットワークが形成され難くなり、封着工程でガラスが軟化する前に、ガラスに結晶が析出して、封着材料としての機能を発揮し難くなる。一方、Ｂ_２Ｏ_３の含有量が９．５％より多いと、ガラスの結晶性が低くなり、熱処理工程で十分な量の結晶が析出し難くなる。また、Ｂ_２Ｏ_３の含有量が９．５％より多いと、結晶化後の封着材料の熱膨張係数が上昇し易くなる。

ＺｎＯは、Ｂｉ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３・２ＺｎＯ結晶を析出させるために必須の成分であると共に、ガラスの結晶化度を高めるために必須の成分であり、その含有量は１０〜１６．５％、好ましくは１０．５〜１６％、より好ましくは１２〜１５％である。ＺｎＯの含有量が１０％より少ないと、ガラスの結晶化度を高めることが困難になる。一方、ＺｎＯの含有量が１６．５％より多いと、結晶の析出時期が不当に早まり、封着工程で所望の流動性を確保し難くなる。

ＣｕＯは、Ｂｉ_２Ｏ_３・ＣｕＯ結晶を析出させて、ガラスの結晶化度を高めるために必須の成分であり、その含有量は１．２〜８％、好ましくは２〜６．５％、より好ましくは２．１〜５．５％、更に好ましくは３〜５％である。ＣｕＯの含有量が１．２％より少ないと、熱処理工程でガラスにＢｉ_２Ｏ_３・ＣｕＯ結晶が析出し難くなる。一方、ＣｕＯの含有量が８％より多いと、ガラス組成の成分バランスが損なわれて、逆に結晶の析出時期が不当に早まり、封着工程で所望の流動性を確保し難くなる。また、ＣｕＯの含有量が８％より多いと、焼成温度により、封着材料の熱膨張係数が変動し易くなる。

質量分率ＺｎＯ／ＣｕＯは、封着工程でガラスに析出する結晶を制御するための成分比率、すなわち封着工程で１２Ｂｉ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３結晶の析出量を減少させ、Ｂｉ_２Ｏ_３・ＣｕＯ結晶の析出量を増加させると共に、Ｂｉ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３・２ＺｎＯ結晶を確実に析出させるための成分比率であり、質量分率ＺｎＯ／ＣｕＯの値は１〜１０、好ましくは１．５〜７．５、より好ましくは２〜５である。質量分率ＺｎＯ／ＣｕＯの値が１より小さいと、ガラス組成の成分バランスが損なわれて、結晶の析出時期が不当に早まり、封着工程で所望の流動性を確保し難くなる。一方、質量分率ＺｎＯ／ＣｕＯの値が１０より大きいと、１２Ｂｉ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３結晶の析出量が多くなり過ぎ、結晶化後の封着材料の熱膨張係数が不当に上昇し易くなる。

質量分率ＺｎＯ／Ｂ_２Ｏ_３は、封着工程でガラスに析出する結晶を制御するための成分比率、すなわち封着工程でＢｉ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３・２ＺｎＯ結晶及び１２Ｂｉ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３結晶の析出量を制御するための成分比率であり、質量分率ＺｎＯ／Ｂ_２Ｏ_３の値は１．５〜３、好ましくは１．５〜２．７、より好ましくは１．６〜２．３である。質量分率ＺｎＯ／Ｂ_２Ｏ_３の値が１．５より小さいと、ガラスの結晶性が低くなり、熱処理工程で十分な量の結晶が析出し難くなる。一方、質量分率ＺｎＯ／Ｂ_２Ｏ_３の値が３より大きいと、１２Ｂｉ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３結晶の析出量が多くなり過ぎ、結晶化後の封着材料の熱膨張係数が不当に上昇し易くなる。

本発明に係るビスマス系ガラス粉末は、ガラス組成として、上記成分以外にも、例えば、以下の成分を含有させることができる。

Ｆｅ_２Ｏ_３は、溶融時にガラスの失透を抑制する成分であり、その含有量は、好ましくは０〜５％、０〜３％、特に０．１〜３％である。Ｆｅ_２Ｏ_３の含有量が５％より多いと、ガラス組成の成分バランスが損なわれて、逆にガラスが熱的に不安定になり易い。

ＢａＯ、ＳｒＯ、ＭｇＯ及びＣａＯは、ガラスの溶融時の失透を抑制する効果があり、その含有量は、合量（ＢａＯ＋ＳｒＯ＋ＭｇＯ＋ＣａＯ）で、好ましくは０〜１０％、０〜７％、特に０〜５％である。これらの成分の合量が１０％より多いと、ガラスの軟化点が上昇し、低温で封着し難くなる。

ＳｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３は、ガラスの耐候性を高める効果があり、その含有量は、合量（ＳｉＯ_２＋Ａｌ_２Ｏ_３）で、好ましくは０〜５％、０〜３％、特に０〜１％である。これらの成分の合量が５％より多いと、ガラスの軟化点が高くなり、低温で封着し難くなる。

ＭｏＯ_３及びＷＯ_３は、結晶の析出時期をコントロールし易くする成分であり、その含有量は、合量（ＭｏＯ_３＋ＷＯ_３）で、好ましくは０〜５％、０〜３％、特に０〜１％である。これらの成分の合量が５％より多いと、ガラス組成の成分バランスが損なわれて、ガラスの熱的安定性が悪化し易くなり、逆に結晶の析出時期をコントロールし難くなる。

Ｓｂ_２Ｏ_３は、結晶の析出時期をコントロールし易くする成分であり、その含有量は、好ましくは０〜５％、０〜３％、特に０〜１％である。Ｓｂ_２Ｏ_３の含有量が５％より多いと、ガラス組成の成分バランスが損なわれて、ガラスの熱的安定性が悪化し易くなり、逆に結晶の析出時期をコントロールし難くなる。

Ｉｎ_２Ｏ_３及びＧａ_２Ｏ_３は、結晶の析出時期をコントロールし易くする成分であり、その含有量は、合量（Ｉｎ_２Ｏ_３＋Ｇａ_２Ｏ_３）で、好ましくは０〜５％、０〜３％、特に０〜１％である。これらの成分の合量が５％より多いと、ガラス組成の成分バランスが損なわれて、ガラスの熱的安定性が悪化し易くなり、逆に結晶の析出時期をコントロールし難くなる。

また、本発明に係るビスマス系ガラス粉末は、ガラス組成として、更に種々の成分を添加させることができる。例えば、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、Ｃｓ_２Ｏ、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２等を１０％まで添加することができる。Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ及びＣｓ_２Ｏ等のアルカリ金属酸化物は、ガラスの軟化点を低くする成分である。ただし、アルカリ金属酸化物は、ガラスの失透を促進する作用を有するため、その添加量は合量で２％以下に制限するのが好ましい。Ｌａ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３及びＣｅＯ_２等の希土類酸化物は、ガラスを熱的に安定化する成分であるが、これらの成分の合量が５％より多いと、ガラスの軟化点が高くなり、５００℃以下の低温で封着し難くなる。

本発明の封着材料は、ビスマス系ガラス粉末の粒度を調整することにより、封着材料の結晶化温度を調節することができ、二段階の熱処理工程（熱処理工程が二回の場合）に適切に対応することができる。例えば、４６０℃程度の低温で行う一次熱処理で、流動性を確保しつつ、低温の二次熱処理でガラスの結晶化を完了させる場合には、ビスマス系ガラス粉末の粒度を小さくすればよく、例えば平均粒子径Ｄ₅₀は、好ましくは０．１〜１５μｍ、特に０．２〜１０μｍ未満が好ましい。また、一次熱処理で被封着物に融着させた後、二次熱処理でもう一方の被封着物に封着しながら、ガラスの結晶化を完了させる場合には、逆にビスマス系ガラス粉末の粒度を大きくすればよく、例えば平均粒子径Ｄ_５０は、好ましくは１０超〜１００μｍ、特に１５〜７０μｍである。ここで、「平均粒子径Ｄ_５０」は、レーザー回折法で測定した値を指す。

本発明の封着材料は、ビスマス系ガラス粉末単独でも、結晶化させることができ、しかもＢｉ_２Ｏ_３・ＣｕＯ結晶、Ｂｉ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３・２ＺｎＯ結晶等が析出することから、結晶化後の封着材料の熱膨張係数を確実に低下させることができる。それ故、本発明の封着材料は、ビスマス系ガラス粉末単独でも封着材料として好適に使用することができる。

被封着物の熱膨張係数が低い場合、ビスマス系ガラス粉末に耐火性フィラー粉末を添加し、複合材料とするのが好ましい。ビスマス系ガラス粉末と耐火性フィラー粉末の混合割合は、好ましくはビスマス系ガラス粉末４０〜９９．９体積％、耐火性フィラー粉末０．１〜６０体積％、より好ましくはビスマス系ガラス粉末４０〜９９体積％、耐火性フィラー粉末１〜６０体積％、更に好ましくはビスマス系ガラス粉末５０〜９５体積％、耐火性フィラー粉末５〜５０体積％、特に好ましくはビスマス系ガラス粉末７０〜９０体積％、耐火性フィラー粉末１０〜３０体積％以下である。耐火性フィラー粉末の含有量が０．１体積％より少ないと、耐火性フィラー粉末を添加することによる効果が乏しくなる。耐火性フィラー粉末の含有量が６０体積％より多いと、相対的にビスマス系ガラス粉末の含有量が少なくなり、封着材料の流動性が損なわれる傾向にある。

本発明の封着材料において、結晶化温度は４９０〜５７０℃であることが好ましく、５１０〜５５０℃であることがより好ましい。結晶化温度が４９０℃より低いと、封着工程でガラスが軟化する前にガラスに結晶が析出し易くなり、所望の封着強度や流動性を確保し難くなる。一方、結晶化温度が５７０℃より高いと、封着工程でガラスに結晶が析出し難くなり、真空排気工程で排気温度を不当に低下させる必要がある。

本発明の封着材料は、耐火性フィラー粉末として、ウイレマイト、β−ユークリプタイト、コーディエライト、ジルコン、酸化スズ、ムライト、石英ガラス、アルミナ等を一種又は二種以上組み合わせて使用することができる。更に、上記の耐火性フィラー粉末以外にも、封着材料の熱膨張係数の調整、流動性の調整及び機械的強度の改善のために、シリカ、ジルコニア等の耐火性フィラー粉末を添加することができる。

ＺｎＯ含有耐火性フィラー粉末を添加すれば、封着工程でガラスに析出する結晶種を顕著に変化させることなく、封着部位の結晶化度を高めることができる。ＺｎＯ含有耐火性フィラー粉末としては、ウイレマイト（２ＺｎＯ・ＳｉＯ_２）、ガーナイト（ＺｎＯ・Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ＺｎＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２等を一種又は二種以上組み合わせて使用すればよい。特に、ウイレマイトは、熱膨張係数が小さく、上記の効果が顕著であるため、好ましい。

結晶核として作用する耐火性フィラー粉末、例えば酸化チタン、酸化鉄等を少量（例えば、０．１〜２％）添加すれば、封着部位の結晶化度を更に高めることができる。

封着材料の熱膨張係数は、被封着物に対して、好ましくは７〜３０×１０^−７／℃、より好ましくは１０〜２５×１０^−７／℃程度低く設計することが重要である。これは、封着工程後に封着部位にかかる応力を圧縮側にして封着部位の破壊を防ぐためである。特に、ＰＤＰ用高歪点ガラス基板（熱膨張係数８３×１０^−７／℃）の場合、封着材料の好適な熱膨張係数は５９〜７３×１０^−７／℃である。また、ＶＦＤ用ソーダガラス基板（熱膨張係数８５〜１００×１０^−７／℃）の場合、封着材料の好適な熱膨張係数は７０〜９０×１０^−７／℃である。

封着材料は、粉末のまま使用に供してもよいが、ビークルと均一に混練し、ペーストに加工すると取り扱い易い。ビークルは、主に溶媒と樹脂とからなり、樹脂はペーストの粘性を調整する目的で添加される。また、必要に応じて、界面活性剤、増粘剤等を添加することもできる。作製されたペーストは、ディスペンサーやスクリーン印刷機等の塗布機を用いて塗布される。

樹脂としては、アクリル酸エステル（アクリル樹脂）、エチルセルロース、ポリエチレングリコール誘導体、ニトロセルロース、ポリメチルスチレン、ポリエチレンカーボネート、メタクリル酸エステル等が使用可能である。特に、アクリル酸エステル、ニトロセルロースは、熱分解性が良好であるため、好ましい。

溶媒としては、Ｎ、Ｎ’−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、α−ターピネオール、高級アルコール、γ−ブチルラクトン（γ−ＢＬ）、テトラリン、ブチルカルビトールアセテート、酢酸エチル、酢酸イソアミル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ベンジルアルコール、トルエン、３−メトキシ−３−メチルブタノール、水、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノブチルエーテル、トリプロピレングリコールモノメチルエーテル、トリプロピレングリコールモノブチルエーテル、プロピレンカーボネート、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、Ｎ−メチル−２−ピロリドン等が使用可能である。特に、α−ターピネオールは、高粘性であり、樹脂等の溶解性も良好であるため、好ましい。

本発明の封着材料は、所定形状に焼結し、タブレットとするのが好ましい。ＰＤＰ等の平面表示装置において、排気管をパネルに封着させるために、リング状に成形加工されたタブレット（プレスフリット・ガラス焼結体・ガラス成形体等とも称される）が用いられている。タブレットには、排気管を挿入するための挿入孔が形成されており、この挿入孔に排気管を挿入し、排気管の先端部をパネルの排気孔の位置に合わせ、クリップ等で固定される。その後、タブレットの封着温度で熱処理を行い、タブレットを軟化させることにより、排気管がパネルに取り付けられる。本発明の封着材料をタブレットに加工すれば、排気管の取り付けにあたって、排気設備への接続を容易にできると共に、排気管の傾きをパネルに対して低減することができ、更には平面表示装置の発光能力を維持しつつ気密信頼性が保たれるように取り付けることができる。特に、本発明のタブレットは、流動性と低熱膨張特性（結晶化後）を高いレベルで両立することができるため、ＰＤＰ用排気管の固定に好適である。

一般的に、タブレットは、以下のように複数回の熱処理工程を別途独立に経て、作製される。まず、封着材料に樹脂や溶剤を添加し、スラリーを形成する。その後、このスラリーをスプレードライヤー等の造粒装置に投入し、顆粒を作製する。その際、顆粒は、溶剤が揮発する程度の温度（１００〜２００℃程度）で熱処理される。更に、作製された顆粒は、所定の寸法に設計された金型に投入され、リング状に乾式プレス成形され、プレス体が作製される。次に、ベルト炉等の熱処理炉にて、このプレス体に残存する樹脂を分解揮発させると共に、封着材料の軟化点程度の温度で焼結すれば、所定形状のタブレットを得ることができる。また、熱処理炉での焼結は、複数回行われる場合がある。焼結を複数回行うと、タブレットの強度が向上し、タブレットの欠損、破壊等を効果的に防止することができる。

本発明のタブレットは、拡径された排気管の先端部に取り付けてタブレット一体型排気管として用いることが好ましい。このようにすれば、排気孔を起点にして、パネル、タブレット及び排気管の位置合わせを行う必要がなくなり、排気管の取り付け作業を簡略化することができる。タブレット一体型排気管を製造するためには、排気管の一端にタブレットを接触させた状態で熱処理し、タブレットを排気管の先端部に接着させておく必要がある。このような場合、一般に排気管を治具により固定し、この状態の排気管にタブレットを挿入し熱処理する方法を採用することができる。排気管を固定する治具は、タブレットが融着しない材質を用いることが好ましく、例えば、カーボン治具等が使用可能である。また、排気管とタブレットの接着は、封着材料の軟化点付近で５〜１０分程度の短時間で行えばよい。更に、本発明のタブレットは、流動性と低熱膨張特性（結晶化後）を高いレベルで両立できると共に、封着工程でガラスに十分な量の結晶が析出するため、排気温度を上昇させても、真空排気工程でタブレットが再軟化し難く、平面表示装置等の気密性を確保することができる。

排気管としては、アルカリ金属酸化物を所定量含有させたＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｂ_２Ｏ_３系ガラスが好適であるが、特に日本電気硝子株式会社製の商品グレード「ＦＥ−２」が好適である。この排気管は、熱膨張係数が８５×１０^−７／℃、耐熱温度が５５０℃であり、寸法が、例えば外径５ｍｍ、内径３．５ｍｍである。また、排気管の先端部分を拡径化するのが好ましく、先端部にフレア部又はフランジ部を形成するのが好ましい。排気管の先端部分を拡径化する方法として、種々の方法を採用することができる。特に、排気管の先端部を回転させながらガスバーナーを用いて加熱し、数種類の治具を用いて所定の形状に加工する方法が量産性に優れるため好ましい。

このような構成のタブレット一体型排気管の一例を図１に示す。図１は、タブレット一体型排気管の断面図であり、排気管１の先端部が拡径化されており、排気管のパネル側の先端部にタブレット２が接着されている。

本発明のタブレット一体型排気管は、拡径された排気管の先端部にタブレットと、高融点タブレットとが取り付けられており、且つタブレットを拡径された排気管の先端部側に取り付けて、高融点タブレットをタブレットよりも後端部側に取り付けることが好ましい。このような構成にすれば、タブレットが排気管の先端部側に取り付けられているので、パネル等に排気管を取り付ける際にパネル等と接触する面積は、排気管だけの場合よりも広くなり、パネル等の上に排気管を安定して自立させることができ、垂直に取り付け易くなる。また、このような構成にすれば、タブレット一体型排気管の製造工程において、タブレットを排気管に固着させる際、治具とタブレットの間に高融点タブレットを配置させることにより、タブレット一体型排気管を製造することができるため、特殊な治具を使用する必要がなくなり、製造工程を簡略化することができる。

上記構成のタブレット一体型排気管において、タブレットは、好ましくは排気管の先端部の外周面に固着され、更に好ましくは排気管の先端部の外周面のみに固着され、排気管先端部の先端面、すなわちパネル等と接着する面には固着されない。このようにすれば、真空排気工程で封着材料がパネル等に形成された排気孔へ流れ込む事態を容易に防止することができる。また、高融点タブレットは、排気管に直接接着せず、タブレットを介して排気管に固定すれば、封着工程で高融点タブレット部分をクリップで固定した状態で排気管を加圧封着できるため、好ましい。図２にこのような構成のタブレット一体型排気管の一例を示す。図２は、タブレット一体型排気管の断面図であり、排気管１の先端部が拡径化されており、排気管１のフランジ部分１ａの外周面側の先端部分にタブレット２が接着している。一方、高融点タブレット３は排気管１の外周面側に接着していない。また、タブレット２は、フランジ部分１ａの先端部側に取り付けられて、高融点タブレット３がタブレット２よりもフランジ部分１ａの後端部側に取り付けられている。

高融点タブレットとして、日本電気硝子株式会社製の商品グレード「ＳＴ−４」、「ＦＮ−１３」を用いるのが好ましい。高融点タブレットは、上記の方法で作製することができる。また、高融点タブレットの材質として、セラミックス、金属等を用いることもできる。

本発明の封着材料は、平面表示装置又は電子部品の封着に用いることが好ましい。平面表示装置は、低温で封着すれば、それだけ製造効率が向上すると共に、蛍光体等の他部材の特性劣化を防止することができる。一方、電子部品は、高温で特性が劣化する部材（例えば、水晶振動子パッケージの導電接着剤）を使用する場合がある。よって、本発明の封着材料は、低温で封着可能であるため、これらの用途に好適である。

本発明の封着材料は、ＰＤＰの封着に使用することが好ましい。ＰＤＰでは、封着工程の後、排気管を通してＰＤＰ内部を真空排気した後、希ガスを必要量注入して排気管を封止する。既述の通り、真空排気工程は、排気効率を上げるため、できるだけ高温で行うことが好ましい。本発明の封着材料は、流動性と低熱膨張特性（結晶化後）を高いレベルで両立することができる。更に、本発明の封着材料は、封着工程後にガラスに十分な量の結晶が析出するため、真空排気工程で再軟化し難く、排気温度を上昇させることができる。同様の理由により、本発明の封着材料は、前面ガラス基板と背面ガラス基板の封着材料としても好適である。

以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。

＜実験１＞
表１〜４は本発明の実施例（試料Ｎｏ．１〜５、８〜１０、１３、１４、１６〜１８）及び比較例（試料Ｎｏ．１９〜２６）を示している。なお、試料Ｎｏ．６、７、１１、１２、１５は参考例である。

表１〜４に記載の各試料は次のようにして調製した。

まず、表に示したガラス組成となるように各種酸化物、炭酸塩等の原料を調合したガラスバッチを準備し、これを白金坩堝に入れて１１００℃で１時間溶融した。次に、水冷ローラーにより、溶融ガラスを薄片状に成形した。最後に、薄片状のガラスをボールミルにて粉砕後、目開き１５０メッシュの篩を通過させて、平均粒子径Ｄ_５０が１０μｍの各ビスマス系ガラス粉末を得た。

耐火物フィラー粉末としては、ウイレマイト及び酸化スズ（錫石）を用いた。ウイレマイトの平均粒子径Ｄ_５０は１１μｍであり、二酸化スズの平均粒子径Ｄ₅₀は８μｍであった。

表中に示す通り、ビスマス系ガラス粉末と耐火性フィラー粉末を混合し、試料Ｎｏ．１〜２６を作製した。

試料Ｎｏ．１〜２６につき、密度、熱膨張係数、軟化点、結晶化温度、流動径を評価した。

密度は、ビスマス系ガラス粉末と耐火性フィラー粉末の密度をそれぞれ測定した上で、計算により求めた。

熱膨張係数は、ＴＭＡ装置により求めた。熱膨張係数α_１は、試料Ｎｏ．１〜２６を４８０℃２０分で焼成したものを測定試料として用い、３０〜４８０℃の温度範囲で算出した。熱膨張係数α_２は、試料Ｎｏ．１〜２６を５００℃２０分で焼成したものを測定試料として用い、３０〜５００℃の温度範囲で算出した。なお、焼成の際、昇降温速度は１０℃／分とした。なお、熱膨張係数α_１及びα_２は、ＰＤＰの封着を想定した場合、７４×１０^−７／℃以下が好ましい。

軟化点は、ＤＴＡ装置により求めた。測定は、大気中において、昇温速度１０℃／分で行い、室温から測定を開始した。

結晶化温度は、ＤＴＡ装置で測定した。測定は、大気中において、昇温速度１０℃／分で行い、室温から測定を開始した。なお、結晶化温度は４９０〜５７０℃が好ましい。

流動径は、封着材料の密度に相当する質量の粉末を金型により外径２０ｍｍのボタン状にプレスし、次に得られたボタン試料を高歪点ガラス基板上に載置した後、電気炉で１０℃／分で昇温し、４８０℃で２０分間保持した後、１０℃／分の速度で降温し、得られたボタン試料の直径をデジタルノギスで測定し、評価した。なお、流動径が１７．７ｍｍ未満であると、クリップ等の加圧冶具を用いたとしても、４８０℃２０分の焼成で封着することが困難である。

表面状態は、光学顕微鏡（１００倍）で観察し、上記ボタン表面全体に結晶が析出しているものを「○」とし、ボタン表面全体に結晶が析出していないものを「×」として評価した。

試料Ｎｏ．１〜１８は、ビスマス系ガラス粉末のガラス組成範囲、質量分率ＺｎＯ／ＣｕＯの値及び質量分率ＺｎＯ／Ｂ_２Ｏ_３の値、耐火性フィラー粉末の含有量が所定範囲内であるため、熱膨張係数、結晶化温度、流動径、表面状態の評価が良好であった。

試料Ｎｏ．１９は、ビスマス系ガラス粉末のガラス組成範囲及び質量分率ＺｎＯ／ＣｕＯの値が所定範囲外であるため、熱膨張係数の評価が不良であった。試料Ｎｏ．２０は、ビスマス系ガラス粉末のガラス組成範囲及び質量分率ＺｎＯ／Ｂ_２Ｏ_３の値が所定範囲外であるため、熱膨張係数及び流動径の評価が不良であった。試料Ｎｏ．２１は、ビスマス系ガラス粉末のガラス組成範囲、質量分率ＺｎＯ／ＣｕＯの値及び質量分率ＺｎＯ／Ｂ_２Ｏ_３の値が所定範囲外であるため、熱膨張係数及び流動径の評価が不良であった。試料Ｎｏ．２２は、ビスマス系ガラス粉末のガラス組成範囲及び質量分率ＺｎＯ／ＣｕＯの値が所定範囲外であるため、熱膨張係数の評価が不良であった。試料Ｎｏ．２３は、ビスマス系ガラス粉末のガラス組成範囲及び質量分率ＺｎＯ／ＣｕＯの値が所定範囲外であるため、流動径の評価が不良であった。試料Ｎｏ．２４は、ビスマス系ガラス粉末のガラス組成範囲及び質量分率ＺｎＯ／ＣｕＯの値が所定範囲外であるため、熱膨張係数、結晶化温度、流動径及び表面状態の評価が不良であった。試料Ｎｏ．２５は、ビスマス系ガラス粉末のガラス組成範囲が所定範囲外であるため、流動径の評価が不良であった。試料Ｎｏ．２６は、ビスマス系ガラス粉末のガラス組成範囲が所定範囲外であるため、流動径の評価が不良であった。

＜実験２＞
ビスマス系ガラス粉末のガラス組成において、Ｂ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＣｕＯの影響を調査するために実験を行った。実験結果を表５、６に示す。

まず、表に示したガラス組成となるように各種酸化物、炭酸塩等の原料を調合したガラスバッチを準備し、これを白金坩堝に入れて１１００℃で１時間溶融した。次に、水冷ローラーにより、溶融ガラスを薄片状に成形した。最後に、薄片状のガラスをボールミルにて粉砕後、目開き１５０メッシュの篩を通過させて、平均粒子径Ｄ_５０が１０μｍの各ビスマス系ガラス粉末を得た。

耐火物フィラー粉末としては、ウイレマイトを用いた。ウイレマイトの平均粒子径Ｄ_５０は１１μｍであった。

表中に示す通り、ビスマス系ガラス粉末と耐火性フィラー粉末を混合し、試料Ｎｏ．２７〜３８を作製した。

試料Ｎｏ．２７〜３８につき、熱膨張係数、結晶量、表面状態を評価した。

熱膨張係数は、ＴＭＡ装置により求めた。熱膨張係数は、試料Ｎｏ．２７〜３８を４８０℃２０分で焼成したものを測定試料として用い、３０〜４８０℃の温度範囲で算出した。なお、焼成の際、昇降温速度は１０℃／分とした。

結晶量は、株式会社島津製作所製ＲＩＮＴ２０００を用いて、スキャンスピード４°／分、スキャン幅０．０１°、電圧４０ｋＶ、電流４０ｍＡ、測定角度５〜６０°の条件で測定した。１２Ｂｉ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３結晶は２θ＝２７．８°、Ｂｉ_２Ｏ_３・ＣｕＯ結晶は２θ＝２８．０°、Ｂｉ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３・２ＺｎＯ結晶は２θ＝２９．５°のピーク強度を測定することにより評価した。なお、測定試料は、表中の焼成温度で焼成した試料をめのう乳鉢で粉砕することで作製した。焼成に際し、昇降温速度は１０℃／分とした。

表面状態は、光学顕微鏡（１００倍）で観察し、上記ボタン表面全体に結晶が析出しているものを「○」とし、ボタン表面全体に結晶が析出していないものを「×」として評価した。

表５から明らかなように、質量分率ＺｎＯ／ＣｕＯの値が小さくなると、１２Ｂｉ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３結晶の析出量が少なくなると共に、Ｂｉ_２Ｏ_３・ＣｕＯ結晶の析出量が多くなり、その結果、結晶化後の封着材料の熱膨張係数が低下する傾向が認められた。

表６から明らかなように、質量分率ＺｎＯ／Ｂ_２Ｏ_３の値が大きくなると、Ｂｉ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３・２ＺｎＯ結晶の析出量が少なくなると共に、１２Ｂｉ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３結晶の析出量が多くなり、その結果、結晶化後の封着材料の熱膨張係数が上昇する傾向が認められた。また、表６から明らかなように、試料Ｎｏ．３２〜３８は、ガラス組成中のＣｕＯの含有量が１％であるため、Ｂｉ_２Ｏ_３・ＣｕＯ結晶は析出していなかった。

＜実験３＞
実験１、２で用いた試料Ｎｏ．４、９、３４を用いて実験を行なった。実験結果を表７、８に示す。

試料Ｎｏ．４、９、３４につき、各焼成温度における熱膨張係数、結晶量を評価した。

熱膨張係数は、ＴＭＡ装置により求めた。４８０℃で焼成した場合の熱膨張係数は、試料Ｎｏ．４、９、３４を４８０℃２０分で焼成したものを測定試料として用い、３０〜４８０℃の温度範囲で算出した。４８０℃で焼成した場合の熱膨張係数は、試料Ｎｏ．４、９、３４を４９０℃２０分で焼成したものを測定試料として用い、３０〜４９０℃の温度範囲で算出した。５００℃で焼成した場合の熱膨張係数は、試料Ｎｏ．４、９、３４を５００℃２０分で焼成したものを測定試料として用い、３０〜５００℃の温度範囲で算出した。なお、各焼成の際、昇降温速度は１０℃／分とした。

結晶量は、株式会社島津製作所製ＲＩＮＴ２０００を用いて、スキャンスピード４°／分、スキャン幅０．０１°、電圧４０ｋＶ、電流４０ｍＡ、測定角度５〜６０°の条件で測定した。１２Ｂｉ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３結晶は２θ＝２７．８°、Ｂｉ_２Ｏ_３・ＣｕＯ結晶は２θ＝２８．０°、Ｂｉ_２Ｏ_３・Ｂ_２Ｏ_３・２ＺｎＯ結晶は２θ＝２９．５°のピーク強度を測定することにより評価した。なお、測定試料は、表中の焼成温度で焼成した試料をめのう乳鉢で粉砕することで作製した。焼成に際し、昇降温速度は１０℃／分とした。

表７から明らかなように、試料Ｎｏ．４、９は、焼成温度が変化しても、結晶の構成及び結晶の析出量が顕著に変化せず、焼成温度による熱膨張係数の変化が小さかった。一方、表８から明らかなように、試料Ｎｏ．３４は、結晶の構成及び結晶の析出量が顕著に変化し、焼成温度による熱膨張係数の変化が大きかった。

本発明の封着材料は、ＰＤＰ、ＦＥＤ、ＶＦＤ、有機エレクトロルミネセンスディスプレイ（有機ＥＬ）、無機エレクトロルミネセンスディスプレイ（無機ＥＬ）等の平面表示装置の封着材料、陰極線管（ＣＲＴ）の封着材料、水晶振動子（収納容器を含む）の封着材料、ＩＣパッケージの封着材料、平面蛍光ランプ（ＦＦＬ）の封着材料及び磁気ヘッド−コア同士又はコアとスライダーの封着材料として好適である。

本発明のタブレット一体型排気管を示す断面図である。 本発明のタブレット一体型排気管を示す断面図である。

１ 排気管
２ タブレット
３ 高融点タブレット

Claims (8)

1. ビスマス系ガラス粉末と耐火性フィラー粉末を含有する封着材料において、
   （１）ビスマス系ガラス粉末４０〜１００体積％と、耐火性フィラー粉末０〜６０体積％とを含有し、
   （２）ビスマス系ガラス粉末が、ガラス組成として、質量％で、Ｂｉ_２Ｏ_３ ７４〜８５％、Ｂ_２Ｏ_３ ４．５〜９．５％、ＺｎＯ １０〜１６．５％、ＣｕＯ １．２〜８％含有し、
   （３）ビスマス系ガラス粉末が、ガラス組成として、質量分率で、ＺｎＯ／ＣｕＯの値が１〜１０、ＺｎＯ／Ｂ_２Ｏ_３の値が１．５〜３であり、
   （４）実質的にＰｂＯを含有せず、
   （５）結晶化温度が４９０〜５７０℃であることを特徴とする封着材料。
2. ４８０℃で焼成したときの熱膨張係数をα_１、５００℃で焼成したときの熱膨張係数をα_２としたとき、（α_１−α_２）＜４×１０^−７／℃の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の封着材料。
3. ビスマス系ガラス粉末が、ガラス組成として、質量％で、ＢａＯ＋ＳｒＯ＋ＭｇＯ＋ＣａＯ ０〜１０％を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の封着材料。
4. 耐火性フィラー粉末が、ＺｎＯ含有耐火性フィラー粉末であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の封着材料。
5. 耐火性フィラー粉末が、ウイレマイト、酸化亜鉛、ガーナイト、ＺｎＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２の群より選ばれた一種又は二種以上であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の封着材料。
6. 封着材料を所定形状に焼結させたタブレットであって、
   該封着材料が請求項１〜５の何れかに記載の封着材料であることを特徴とするタブレット。
7. 拡径された排気管の先端部に、請求項６に記載のタブレットが取り付けられていることを特徴とするタブレット一体型排気管。
8. 拡径された排気管の先端部に、請求項６に記載のタブレットと、高融点タブレットとが取り付けられており、且つ該タブレットが拡径された排気管の先端部側に取り付けられ、高融点タブレットが該タブレットよりも後端部側に取り付けられていることを特徴とするタブレット一体型排気管。