JP7138844B2 - Sintered body using bismuth-based glass - Google Patents
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Description
本発明は、ビスマス系ガラス及びこれを用いた焼結体に関し、特に金属部材の封着に好適なビスマス系ガラス及びこれを用いた焼結体に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a bismuth-based glass and a sintered body using the same, and more particularly to a bismuth-based glass suitable for sealing metal members and a sintered body using the same.
金属部材等の封着には低融点ガラスが使用されている。そして、低融点ガラスは、用途に応じて、化学耐久性、機械的強度、電気絶縁性等の特性が要求される。 Low-melting-point glass is used for sealing metal members and the like. The low-melting-point glass is required to have properties such as chemical durability, mechanical strength, electrical insulation, etc., depending on the application.
これらの要求特性を満たす低融点ガラスとして、PbOを多量に含む鉛系ガラスが広く用いられてきた(特許文献1参照)。 Lead-based glass containing a large amount of PbO has been widely used as a low-melting-point glass that satisfies these required properties (see Patent Document 1).
しかし、PbOは、環境負荷が大きいという問題がある。このため、鉛系ガラスから無鉛ガラスへの置き換えが望まれており、種々の無鉛ガラスが開発されるに至っている。特に、特許文献2等に記載のビスマス系ガラスは、低融点であるため、鉛系ガラスの代替候補として有力である。 However, PbO has the problem of having a large environmental load. Therefore, it is desired to replace lead-based glass with lead-free glass, and various lead-free glasses have been developed. In particular, the bismuth-based glass described in Patent Document 2 and the like has a low melting point, so it is a strong candidate as a substitute for lead-based glass.
しかし、ビスマス系ガラスは、金属部材(例えば、SUS、Ni合金、コバール等)の封着の際に、金属部材と反応してしまい、金属部材の劣化が生じたり、ビスマス系ガラスから金属ビスマスが析出して、電気絶縁性が低下したりする。 However, bismuth-based glass reacts with metal members (for example, SUS, Ni alloy, kovar, etc.) when they are sealed together, causing deterioration of the metal members, and metal bismuth from bismuth-based glass. It may precipitate and lower the electrical insulation.
そこで、本発明は、上記事情に鑑み成されたものであり、その技術的課題は、低融点特性を維持しつつ、金属部材(例えば、SUS、コバール、Ni合金等)の封着の際に不具合が生じ難いビスマス系ガラスを創案することである。 Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances. An object of the present invention is to create a bismuth-based glass in which defects are unlikely to occur.
本発明者は、ビスマス系ガラスのガラス組成範囲を厳密に規制することにより、上記技術的課題を解決し得ることを見出し、本発明として、提案するものである。すなわち、本発明のビスマス系ガラスは、ガラス組成として、質量%で、Bi2O3 30~55%未満、B2O3 5~20%、ZnO 15~40%、MgO+CaO+SrO+BaO(MgO、CaO、SrO及びBaOの合量) 2~20%、SiO2 0~12%を含有することを特徴とする。 The present inventor found that the above technical problems can be solved by strictly limiting the glass composition range of the bismuth-based glass, and proposes the present invention. That is, the bismuth-based glass of the present invention has, as a glass composition, Bi 2 O 3 30 to less than 55%, B 2 O 3 5 to 20%, ZnO 15 to 40%, MgO + CaO + SrO + BaO (MgO, CaO, SrO and BaO) 2 to 20%, and SiO 2 0 to 12%.
また、本発明のビスマス系ガラスは、質量比Bi2O3/B2O3が1.50超、且つ6.00未満であることが好ましい。ここで、「Bi2O3/B2O3」は、Bi2O3の含有量をB2O3の含有量で除した値を指す。 Moreover, the bismuth-based glass of the present invention preferably has a mass ratio of Bi 2 O 3 /B 2 O 3 of more than 1.50 and less than 6.00. Here, “Bi 2 O 3 /B 2 O 3 ” refers to the value obtained by dividing the content of Bi 2 O 3 by the content of B 2 O 3 .
また、本発明のビスマス系ガラスは、Li2O+Na2O+K2Oの含有量(Li2O、Na2O及びK2Oの合量)が0.5質量%未満であることが好ましい。 In the bismuth-based glass of the present invention, the content of Li 2 O+Na 2 O+K 2 O (total amount of Li 2 O, Na 2 O and K 2 O) is preferably less than 0.5% by mass.
また、本発明のビスマス系ガラスは、軟化点が470~550℃であることが好ましい。ここで、「軟化点」は、平均粒子径D50が3.0μmとなるガラス粉末を測定試料に用い、マクロ型示差熱分析(DTA)装置で測定した値である。DTA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するものとする。また、「平均粒子径D50」は、レーザー回折法等により測定した際の体積基準の累積粒度分布曲線において、その積算量が粒子の小さい方から累積して50%である粒子径を表す。 Further, the bismuth-based glass of the present invention preferably has a softening point of 470 to 550°C. Here, the "softening point" is a value measured with a macro-type differential thermal analysis (DTA) device using a glass powder having an average particle diameter D50 of 3.0 μm as a measurement sample. DTA is performed in the air at a rate of temperature increase of 10° C./min, and the measurement is started from room temperature. The “average particle size D 50 ” represents the particle size at which the cumulative amount is 50% cumulatively from the smaller size of the particles in the volume-based cumulative particle size distribution curve measured by a laser diffraction method or the like.
また、本発明のビスマス系ガラスは、線熱膨張係数が78×10-7/℃超、且つ120×10-7/℃以下であることが好ましい。ここで、「線熱膨張係数」は、30~300℃の温度範囲において、押し棒式線熱膨張係数測定(TMA)装置で測定した値である。 Further, the bismuth-based glass of the present invention preferably has a linear thermal expansion coefficient of more than 78×10 −7 /° C. and 120×10 −7 /° C. or less. Here, the "linear thermal expansion coefficient" is a value measured in a temperature range of 30 to 300°C with a push rod type linear thermal expansion coefficient measuring (TMA) device.
また、本発明のビスマス系ガラスは、大気中で封着温度が650℃以下であることが好ましい。ここで、「封着温度」は、フローボタン試験により評価する。詳述すると、比重に相当する質量のガラス粉末(平均粒子径D50:3.0μm)を金型により外径20mmのボタン状に乾式プレスし、次にNi合金基板上にこのボタンを載置した上で、各種焼成温度で焼成した後、焼成後のボタン(フローボタン)の直径を測定し、その直径が20mmを超えた最小温度を封着温度とする。なお、焼成は、室温から焼成温度まで10℃/分で昇温し、焼成温度で10分間保持した後、焼成温度から室温まで10℃/分で降温することで行う。 Moreover, the bismuth-based glass of the present invention preferably has a sealing temperature of 650° C. or lower in the air. Here, the "sealing temperature" is evaluated by a flow button test. Specifically, a mass of glass powder (average particle diameter D 50 : 3.0 μm) corresponding to the specific gravity is dry-pressed into a button shape with an outer diameter of 20 mm using a mold, and then the button is placed on a Ni alloy substrate. After firing at various firing temperatures, the diameter of the button (flow button) after firing is measured, and the minimum temperature at which the diameter exceeds 20 mm is taken as the sealing temperature. The firing is performed by raising the temperature from room temperature to the firing temperature at a rate of 10° C./min, maintaining the temperature at the firing temperature for 10 minutes, and then decreasing the temperature from the firing temperature to the room temperature at a rate of 10° C./min.
また、本発明のビスマス系ガラスは、金属部材の封着に用いることが好ましい。 Further, the bismuth-based glass of the present invention is preferably used for sealing metal members.
本発明の焼結体は、ビスマス系ガラスからなるガラス粉末を所定形状の焼結させた焼結体であって、該ビスマス系ガラスが上記のビスマス系ガラスであることが好ましい。ここで、「ガラス粉末」とは、平均粒子径D50が50μm以下となるガラスを指す。 The sintered body of the present invention is a sintered body obtained by sintering glass powder made of bismuth-based glass into a predetermined shape, and the bismuth-based glass is preferably the bismuth-based glass described above. Here, "glass powder" refers to glass having an average particle diameter D50 of 50 µm or less.
本発明のビスマス系ガラスは、ガラス組成として、質量%で、Bi2O3 30~55%未満、B2O3 5~20%、ZnO 15~40%、MgO+CaO+SrO+BaO(MgO、CaO、SrO及びBaOの合量) 2~20%、SiO2 0~12%を含有することを特徴とする。上記のようにガラス組成を限定した理由は以下の通りである。なお、以下の含有範囲の説明において、%表示は、質量%を指す。 The bismuth-based glass of the present invention has, as a glass composition, Bi 2 O 30 to less than 55%, B 2 O 5 to 20%, ZnO 15 to 40%, MgO + CaO + SrO + BaO (MgO, CaO, SrO and BaO 2 to 20%, and 0 to 12% of SiO 2 . The reasons for limiting the glass composition as described above are as follows. In addition, in description of the following content ranges, % display points out the mass %.
Bi2O3は、軟化点を低下させる主要成分であるが、金属部材と反応し易い成分である。Bi2O3の含有量は30~55%未満であり、好ましくは33~54%、より好ましくは35~53%である。Bi2O3の含有量が少なくなると、軟化点が高くなり過ぎて、650℃以下の温度域で軟化流動し難くなり、封着不良等が発生し易くなる。一方、Bi2O3の含有量が多くなると、金属部材(例えば、SUS、Ni合金等)の封着の際に、金属部材の劣化が生じ易くなり、またビスマス系ガラスから金属ビスマスが析出して、電気絶縁性が低下し易くなる。 Bi 2 O 3 is a main component that lowers the softening point, but is a component that easily reacts with metal members. The content of Bi 2 O 3 is less than 30-55%, preferably 33-54%, more preferably 35-53%. If the content of Bi 2 O 3 is too small, the softening point becomes too high, making it difficult to soften and flow in a temperature range of 650° C. or lower, and sealing defects and the like tend to occur. On the other hand, when the content of Bi 2 O 3 increases, the metal members (for example, SUS, Ni alloy, etc.) are likely to deteriorate when they are sealed, and metal bismuth is precipitated from the bismuth-based glass. As a result, the electrical insulation tends to deteriorate.
B2O3は、ガラス形成成分として必須の成分である。B2O3の含有量は5~20%であり、好ましくは8~16%、より好ましくは10~14%である。B2O3の含有量が少なくなると、熱的安定性(耐失透性)が低下し易くなる。一方、B2O3の含有量が多くなると、軟化点が高くなり過ぎて、650℃以下の温度域で軟化流動し難くなり、封着不良等が発生し易くなる。 B 2 O 3 is an essential component as a glass-forming component. The content of B 2 O 3 is 5-20%, preferably 8-16%, more preferably 10-14%. When the content of B 2 O 3 decreases, the thermal stability (resistance to devitrification) tends to decrease. On the other hand, if the content of B 2 O 3 is too high, the softening point becomes too high, making it difficult to soften and flow in a temperature range of 650° C. or less, and sealing defects and the like tend to occur.
質量比Bi2O3/B2O3は、好ましくは1.50超~6.00未満、より好ましくは2~5、更に好ましくは3~4.5である。質量比Bi2O3/B2O3が小さくなると、軟化点が高くなり過ぎて、650℃以下の温度域で軟化流動し難くなり、封着不良等が発生し易くなる。一方、質量比Bi2O3/B2O3が大きくなると、金属部材(例えば、SUS、Ni合金等)の封着の際に、金属部材の劣化が生じ易くなり、またビスマス系ガラスから金属ビスマスが析出して、電気絶縁性が低下し易くなる。 The mass ratio Bi 2 O 3 /B 2 O 3 is preferably greater than 1.50 and less than 6.00, more preferably 2-5, and even more preferably 3-4.5. When the mass ratio of Bi 2 O 3 /B 2 O 3 becomes small, the softening point becomes too high, and softening and flowing becomes difficult in a temperature range of 650° C. or less, and sealing failures and the like tend to occur. On the other hand, when the mass ratio of Bi 2 O 3 /B 2 O 3 increases, the metal members (for example, SUS, Ni alloy, etc.) are likely to deteriorate when they are sealed. Bismuth is deposited, and the electrical insulation tends to deteriorate.
ZnOは、熱的安定性を高める成分である。ZnOの含有量は15~40%であり、好ましくは20~30%、より好ましくは22~28%である。ZnOの含有量が少なくなると、熱的安定性が低下し易くなる。一方、ZnOの含有量が多くなると、線熱膨張係数が低下して、金属部材の線熱膨張係数に整合し難くなる。 ZnO is a component that enhances thermal stability. The content of ZnO is 15-40%, preferably 20-30%, more preferably 22-28%. As the ZnO content decreases, the thermal stability tends to decrease. On the other hand, when the ZnO content increases, the coefficient of linear thermal expansion decreases, making it difficult to match the coefficient of linear thermal expansion with that of the metal member.
B2O3の含有量が少ない場合に、質量比ZnO/Bi2O3を規制することが重要になる。質量比ZnO/Bi2O3は、好ましくは0.17~1.8、より好ましくは0.3~1.5、更に好ましくは0.4~1.3である。質量比ZnO/Bi2O3が小さくなると、熱的安定性が低下し易くなる。一方、質量比ZnO/Bi2O3が大きくなると、線熱膨張係数が低下して、金属部材の線熱膨張係数に整合し難くなる。なお、「ZnO/Bi2O3」は、ZnOの含有量をBi2O3の含有量で除した値を指す。 When the content of B 2 O 3 is small, it becomes important to regulate the mass ratio ZnO/Bi 2 O 3 . The mass ratio ZnO/Bi 2 O 3 is preferably 0.17-1.8, more preferably 0.3-1.5, still more preferably 0.4-1.3. As the mass ratio ZnO/Bi 2 O 3 decreases, the thermal stability tends to decrease. On the other hand, when the mass ratio ZnO/Bi 2 O 3 increases, the coefficient of linear thermal expansion decreases, making it difficult to match the coefficient of linear thermal expansion with that of the metal member. In addition , "ZnO/ Bi2O3 " refers to the value obtained by dividing the content of ZnO by the content of Bi2O3 .
MgO、CaO、SrO及びBaOは、熱的安定性を高める成分であり、また封着の際にビスマスの還元を抑制する成分である。MgO、CaO、SrO及びBaOの合量は2~20%であり、好ましくは6~18%、より好ましくは8~15%である。MgO、CaO、SrO及びBaOの合量が少なくなると、熱的安定性が低下し易くなる。更に金属部材(例えば、SUS、Ni合金等)の封着の際に、金属部材の劣化が生じ易くなり、またビスマス系ガラスから金属ビスマスが析出して、電気絶縁性が低下し易くなる。一方、MgO、CaO、SrO及びBaOの合量が多くなると、軟化点が高くなり過ぎて、650℃以下の温度域で軟化流動し難くなり、封着不良等が発生し易くなる。 MgO, CaO, SrO, and BaO are components that improve thermal stability and suppress reduction of bismuth during sealing. The total content of MgO, CaO, SrO and BaO is 2-20%, preferably 6-18%, more preferably 8-15%. If the total amount of MgO, CaO, SrO and BaO is too small, thermal stability tends to decrease. Furthermore, when metal members (for example, SUS, Ni alloy, etc.) are sealed, deterioration of the metal members is likely to occur, and metal bismuth is likely to precipitate from the bismuth-based glass, resulting in a decrease in electrical insulation. On the other hand, if the total amount of MgO, CaO, SrO and BaO is too large, the softening point becomes too high, making it difficult to soften and flow in the temperature range of 650° C. or lower, and poor sealing and the like tend to occur.
MgO、CaO、SrO及びBaOの内、SrOとBaOは、ビスマス系ガラスとの適合性が良好であるため、熱的安定性を高める効果が大きく、また封着の際にビスマスの還元を抑制する効果も大きい。SrOとBaOの合量は、好ましくは2~18%、より好ましくは6~17%、更に好ましくは8~16%である。SrOの含有量は、好ましくは0~12%、より好ましくは1~10%、更に好ましくは3~7%である。また、BaOの含有量は、好ましくは0~12%、より好ましくは1~10%、更に好ましくは3~7%である。SrOとBaOの含有量が少なくなると、熱的安定性が低下し易くなる。更に金属部材(例えば、SUS、Ni合金等)の封着の際に、金属部材の劣化が生じ易くなり、またビスマス系ガラスから金属ビスマスが析出して、電気絶縁性が低下し易くなる。一方、SrOとBaOの含有量が多くなると、軟化点が高くなり過ぎて、650℃以下の温度域で軟化流動し難くなり、封着不良等が発生し易くなる。なお、MgOの含有量は、好ましくは0~5%、より好ましくは0~3%、更に好ましくは0~1%未満である。CaOの含有量は、好ましくは0~5%、より好ましくは0~3%、更に好ましくは0~1%未満である。MgOとCaOの含有量が多くなると、軟化点が高くなり過ぎて、650℃以下の温度域で軟化流動し難くなり、封着不良等が発生し易くなる。 Among MgO, CaO, SrO and BaO, SrO and BaO have good compatibility with bismuth-based glass, so they have a large effect of increasing thermal stability and suppress reduction of bismuth during sealing. The effect is also great. The total amount of SrO and BaO is preferably 2-18%, more preferably 6-17%, still more preferably 8-16%. The SrO content is preferably 0 to 12%, more preferably 1 to 10%, still more preferably 3 to 7%. Also, the content of BaO is preferably 0 to 12%, more preferably 1 to 10%, still more preferably 3 to 7%. When the contents of SrO and BaO decrease, the thermal stability tends to decrease. Furthermore, when metal members (for example, SUS, Ni alloy, etc.) are sealed, deterioration of the metal members is likely to occur, and metal bismuth is precipitated from the bismuth-based glass, easily degrading electrical insulation. On the other hand, when the content of SrO and BaO increases, the softening point becomes too high, making it difficult to soften and flow in a temperature range of 650° C. or less, and sealing defects and the like tend to occur. The content of MgO is preferably 0 to 5%, more preferably 0 to 3%, still more preferably 0 to less than 1%. The CaO content is preferably 0 to 5%, more preferably 0 to 3%, even more preferably 0 to less than 1%. If the contents of MgO and CaO are too high, the softening point becomes too high, making it difficult to soften and flow in a temperature range of 650° C. or lower, and sealing defects and the like tend to occur.
質量比Bi2O3/(MgO+CaO+SrO+BaO)は、好ましくは1.6~7.5、より好ましくは2~5.5である。質量比Bi2O3/(MgO+CaO+SrO+BaO)が小さくなると、軟化点が高くなり過ぎて、650℃以下の温度域で軟化流動し難くなり、封着不良等が発生し易くなる。一方、質量比Bi2O3/(MgO+CaO+SrO+BaO)が大きくなると、金属部材(例えば、SUS、Ni合金等)の封着の際に、金属部材の劣化が生じ易くなり、またビスマス系ガラスから金属ビスマスが析出して、電気絶縁性が低下し易くなる。なお、「Bi2O3/(MgO+CaO+SrO+BaO)」は、Bi2O3の含有量をMgO、CaO、SrO及びBaOの含有量で除した値を指す。 The mass ratio Bi 2 O 3 /(MgO+CaO+SrO+BaO) is preferably 1.6-7.5, more preferably 2-5.5. When the mass ratio Bi 2 O 3 /(MgO+CaO+SrO+BaO) becomes small, the softening point becomes too high, making it difficult to soften and flow in a temperature range of 650° C. or lower, and poor sealing and the like tend to occur. On the other hand, when the mass ratio Bi 2 O 3 /(MgO+CaO+SrO+BaO) increases, the metal members (for example, SUS, Ni alloys, etc.) are likely to deteriorate when they are sealed. is deposited, and the electrical insulation tends to deteriorate. "Bi2O3/ ( MgO + CaO+SrO + BaO)" refers to a value obtained by dividing the content of Bi2O3 by the content of MgO, CaO , SrO and BaO.
SiO2は、耐水性や耐候性を高める成分である。SiO2の含有量は0~12%であり、好ましくは1~10%、より好ましくは3~8%である。SiO2の含有量が少なくなると、上記効果を得難くなる。一方、SiO2の含有量が多くなると、軟化点が高くなり過ぎて、650℃以下の温度域で軟化流動し難くなり、封着不良等が発生し易くなる。 SiO2 is a component that enhances water resistance and weather resistance. The content of SiO 2 is 0-12%, preferably 1-10%, more preferably 3-8%. When the content of SiO 2 decreases, it becomes difficult to obtain the above effects. On the other hand, when the content of SiO 2 increases, the softening point becomes too high, making it difficult to soften and flow in the temperature range of 650° C. or less, and sealing defects and the like tend to occur.
上記の成分以外にも、例えば、以下の成分を添加することができる。 In addition to the above components, for example, the following components can be added.
Li2O、Na2O及びK2Oは、軟化点を低下させる成分であるが、失透を促進する作用を有する成分である。よって、Li2O、Na2O及びK2Oの合量及び個別含有量は、好ましくは2%以下、より好ましくは0.5%未満、更に好ましくは0.1%未満である。 Li 2 O, Na 2 O and K 2 O are components that lower the softening point, but are components that promote devitrification. Therefore, the total and individual contents of Li 2 O, Na 2 O and K 2 O are preferably 2% or less, more preferably less than 0.5%, even more preferably less than 0.1%.
Sb2O3は、熱的安定性を高める成分である。しかし、Sb2O3の含有量が多くなると、金属部材(例えば、SUS、Ni合金等)の封着の際に、金属部材の劣化が生じ易くなり、またビスマス系ガラスから金属ビスマスが析出して、電気絶縁性が低下し易くなる。よって、Sb2O3の含有量は、好ましくは0~1%未満、より好ましくは0~0.1%未満である。 Sb 2 O 3 is a component that enhances thermal stability. However, when the content of Sb 2 O 3 increases, the metal members (for example, SUS, Ni alloy, etc.) are likely to deteriorate when they are sealed, and metal bismuth is precipitated from the bismuth-based glass. As a result, the electrical insulation tends to deteriorate. Therefore, the content of Sb 2 O 3 is preferably 0 to less than 1%, more preferably 0 to less than 0.1%.
CuOは、熱的安定性を高める成分である。しかし、CuOの含有量が多くなると、金属部材(例えば、SUS、Ni合金等)の封着の際に、金属部材の劣化が生じ易くなり、またビスマス系ガラスから金属ビスマスが析出して、電気絶縁性が低下し易くなる。よって、CuOの含有量は、好ましくは0~3%、より好ましくは0~1%未満、更に好ましくは0~0.1%未満である。 CuO is a component that enhances thermal stability. However, when the content of CuO increases, the metal members (for example, SUS, Ni alloy, etc.) are likely to deteriorate when they are sealed, and metal bismuth is precipitated from the bismuth-based glass, resulting in electrical Insulation tends to deteriorate. Therefore, the CuO content is preferably 0 to 3%, more preferably 0 to less than 1%, and even more preferably 0 to less than 0.1%.
P2O5は、熱的安定性を高める成分であるが、その含有量が多くなると、ガラスの分相を助長する傾向がある。よって、P2O5の含有量は、好ましくは2%以下、より好ましくは0.5%未満、更に好ましくは0.1%未満である。 P 2 O 5 is a component that enhances thermal stability, but when its content increases, it tends to promote phase separation of the glass. Therefore, the content of P 2 O 5 is preferably 2% or less, more preferably less than 0.5%, even more preferably less than 0.1%.
MoO3、La2O3、Y2O5及びCeO2は、熱的安定性を高める成分であるが、これらの含有量が多くなると、軟化点が高くなり過ぎて、650℃以下の温度域で軟化流動し難くなり、封着不良等が発生し易くなる。よって、MoO3、La2O3、Y2O5及びCeO2の合量及び個別含有量は、好ましくは2%以下、より好ましくは0.5%未満、更に好ましくは0.1%未満である。 MoO 3 , La 2 O 3 , Y 2 O 5 and CeO 2 are components that improve thermal stability. It becomes difficult to soften and flow at , and sealing defects and the like are likely to occur. Therefore, the total and individual contents of MoO 3 , La 2 O 3 , Y 2 O 5 and CeO 2 are preferably 2% or less, more preferably less than 0.5%, still more preferably less than 0.1%. be.
環境上の理由から、実質的にPbOを含有しないこと、つまりPbOの含有量が0.1%未満であることが好ましい。また、ガラス組成中にPbOを添加すると、絶縁体として使用する場合、ガラス中にPb2+が拡散して、電気絶縁性が低下する場合がある。 For environmental reasons, it is preferably substantially free of PbO, ie the content of PbO is less than 0.1%. In addition, when PbO is added to the glass composition, Pb 2+ may diffuse into the glass when used as an insulator, resulting in a decrease in electrical insulation.
上記成分以外にも、他の成分(Nd2O3、Fe2O3等)を5%まで添加してもよい In addition to the above components, other components ( Nd2O3 , Fe2O3 , etc.) may be added up to 5%.
本発明のビスマス系ガラスは、以下の特性を有することが好ましい。 The bismuth-based glass of the present invention preferably has the following properties.
線熱膨張係数は、好ましくは78×10-7/℃超、且つ120×10-7/℃以下、より好ましくは80×10-7/℃以上、且つ105×10-7/℃以下である。線熱膨張係数が上記範囲外になると、SUS、Ni合金等の金属部材の線熱膨張係数に整合し難くなる。 The coefficient of linear thermal expansion is preferably more than 78×10 −7 /° C. and 120×10 −7 /° C. or less, more preferably 80×10 −7 /° C. or more and 105×10 −7 /° C. or less. . If the coefficient of linear thermal expansion is out of the above range, it becomes difficult to match the coefficient of linear thermal expansion with that of metal members such as SUS and Ni alloys.
軟化点は、好ましくは470~550℃、より好ましくは500~540℃である。軟化点が低過ぎる場合、ガラス組成中のBi2O3が多くなる傾向があり、その結果、金属部材との反応性が高くなり易い。一方、軟化点が高過ぎると、金属部材及びその周辺部材の熱劣化を招く虞が生じる。 The softening point is preferably 470-550°C, more preferably 500-540°C. If the softening point is too low, the amount of Bi 2 O 3 in the glass composition tends to increase, and as a result, the reactivity with metal members tends to increase. On the other hand, if the softening point is too high, the metal member and its surrounding members may be thermally deteriorated.
大気中での封着温度は、好ましくは650℃以下、より好ましくは635℃以下である。封着温度が高過ぎると、金属部材及びその周辺部材の熱劣化を招く虞が生じる。 The sealing temperature in the atmosphere is preferably 650° C. or lower, more preferably 635° C. or lower. If the sealing temperature is too high, the metal member and its surrounding members may be thermally deteriorated.
本発明のビスマス系ガラスは、粉末形状であることが好ましい。このようにすれば、ビークルを添加し、ペースト化することにより、塗布作業性等を飛躍的に高めることができる。 The bismuth-based glass of the present invention is preferably in powder form. In this way, by adding a vehicle and forming a paste, it is possible to dramatically improve coating workability and the like.
ビークルは、主に溶媒と樹脂バインダーとからなり、樹脂バインダー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、通常、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基板等に塗布された後、脱バインダー工程に供される。 The vehicle mainly consists of a solvent and a resin binder, and the resin binder is added for the purpose of adjusting the viscosity of the paste. Moreover, a surfactant, a thickening agent, etc. can also be added as needed. The prepared paste is usually applied to a substrate or the like using an applicator such as a dispenser or a screen printer, and then subjected to a binder removal step.
樹脂バインダーとしては、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。
As a resin binder, acrylic acid ester (acrylic resin), ethyl cellulose,
Polyethylene glycol derivatives, nitrocellulose, polymethylstyrene, polyethylene carbonate, methacrylic acid esters and the like can be used.
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、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、樹脂バインダー等の溶解性も良好であるため、好まし
い。
Solvents include N,N'-dimethylformamide (DMF), α-terpineol, higher alcohols, γ-butyl lactone (γ-BL), tetralin, butyl carbitol acetate, ethyl acetate, isoamyl acetate, diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether acetate, benzyl alcohol, toluene, 3-
Methoxy-3-methylbutanol, triethylene glycol monomethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, dipropylene glycol monomethyl ether, dipropylene glycol monobutyl ether, tripropylene glycol monomethyl ether, tripropylene glycol monobutyl ether, propylene carbonate, dimethyl sulfoxide (DMSO) , N-methyl-2-pyrrolidone and the like can be used. In particular, α-
Terpineol is preferred because it has high viscosity and good solubility for resin binders and the like.
また、ビスマス系ガラスを粉末形状にすれば、耐火性フィラーを添加することにより、複合材料に加工し易くなり、結果として、線熱膨張係数を調整し易くなると共に、機械的強度を高めることができる。 Further, if the bismuth-based glass is made into a powder form, it can be easily processed into a composite material by adding a refractory filler. As a result, it becomes easier to adjust the coefficient of linear thermal expansion and increase the mechanical strength. can.
耐火性フィラーを添加する場合、混合割合は、ガラス粉末45~99体積%、耐火性フィラー1~55体積%であることが好ましい。その理由は、耐火性フィラーが1体積%より少ないと、耐火性フィラーに基づく効果が乏しくなり、耐火性フィラーが55体積%より多いと、複合材料の流動性が著しく低下するからである。 When the refractory filler is added, the mixing ratio is preferably 45 to 99% by volume of the glass powder and 1 to 55% by volume of the refractory filler. The reason is that if the refractory filler is less than 1% by volume, the effect based on the refractory filler is poor, and if the refractory filler is more than 55% by volume, the fluidity of the composite material is significantly reduced.
耐火性フィラーとして、ウイレマイト系セラミック、β-ユークリプタイト、コーディエライト、ジルコン系セラミック、酸化錫系セラミック、リン酸ジルコニウム系セラミック、ムライト、石英ガラス、アルミナ等の粉末を単独、或いは組み合わせて使用することができる。 Powders of willemite ceramics, β-eucryptite, cordierite, zircon ceramics, tin oxide ceramics, zirconium phosphate ceramics, mullite, quartz glass, and alumina are used alone or in combination as refractory fillers. can do.
本発明のビスマス系ガラスは、ガラス粉末を所定形状の焼結させた焼結体に加工されることが好ましい。このようにすれば、封着すべき部分に安定して、配置することができる。 The bismuth-based glass of the present invention is preferably processed into a sintered body obtained by sintering glass powder into a predetermined shape. In this way, it can be stably arranged on the portion to be sealed.
焼結体は、ガラス粉末にビークルを添加して、スプレードライヤー等より顆粒化した後、得られた顆粒を金型に投入、プレス成型して、プレス体を作製し、更にそのプレス体を焼結することで作製することができる。 A sintered body is obtained by adding a vehicle to glass powder and granulating it with a spray dryer or the like, then putting the obtained granules into a mold and press molding to produce a pressed body, which is then sintered. It can be made by tying.
本発明のビスマス系ガラスは、金属部材(例えば、金属パッケージ)の封着に用いることが好ましい。そして、本発明のビスマス系ガラスは、封着の際にNi合金、SUS、コバールとの反応を抑制し得るため、Ni合金製、SUS製、コバール製の金属部材の封着に用いることが好ましい。なお、本発明のビスマス系ガラスは、封着用途以外にも、金属部材の絶縁被覆に用いることも好ましい。 The bismuth-based glass of the present invention is preferably used for sealing metal members (for example, metal packages). Since the bismuth-based glass of the present invention can suppress reaction with Ni alloy, SUS, and Kovar during sealing, it is preferably used for sealing metal members made of Ni alloy, SUS, and Kovar. . It should be noted that the bismuth-based glass of the present invention is preferably used for insulating coating of metal members in addition to sealing applications.
以下、実施例に基づいて、本発明を詳細に説明する。 The present invention will be described in detail below based on examples.
表1は、本発明の実施例(試料No.1~4)および比較例(試料No.5、6)を示している。 Table 1 shows examples of the present invention (samples Nos. 1 to 4) and comparative examples (samples Nos. 5 and 6).
次のようにして表1の各試料を調製した。まず、表中に示す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1200~1400℃で2時間溶融した。次に、溶融ガラスの一部を線熱膨張係数の測定試料としてステンレス製の金型に流し出し、その他の溶融ガラスを水冷ローラーによりフィルム状に成形した。最後に、フィルム状のガラスをボールミルまたはライカイ機にて粉砕した後、空気分級して、平均粒子径D50約3.0μmのガラス粉末を得た。 Each sample in Table 1 was prepared as follows. First, a glass batch was prepared by mixing raw materials such as various oxides and carbonates so as to have the glass composition shown in the table. Next, part of the molten glass was poured into a stainless steel mold as a sample for measuring the coefficient of linear thermal expansion, and the rest of the molten glass was formed into a film using a water-cooled roller. Finally, the film-like glass was pulverized with a ball mill or a Raikai machine and then air-classified to obtain a glass powder having an average particle diameter D50 of about 3.0 μm.
以上の試料を用いて、軟化点、線熱膨張係数、封着温度及びNi合金との反応性を評価した。その結果を表1に示す。 Using the above samples, the softening point, linear thermal expansion coefficient, sealing temperature, and reactivity with the Ni alloy were evaluated. Table 1 shows the results.
線熱膨張係数は、30~300℃の温度範囲において、TMA装置で測定した値である。 The coefficient of linear thermal expansion is a value measured with a TMA apparatus in a temperature range of 30 to 300°C.
軟化点は、マクロ型DTA装置で測定した値である。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。 The softening point is a value measured with a macro-type DTA device. The measurement was performed in the atmosphere at a temperature elevation rate of 10° C./min, and the measurement was started from room temperature.
封着温度は、フローボタン試験により評価したものである。詳述すると、比重に相当する質量のガラス粉末を金型により外径20mmのボタン状に乾式プレスし、次にNi合金基板上にこのボタンを載置した上で、各種焼成温度で焼成した後、焼成後のボタン(フローボタン)の直径を測定し、その直径が20mmを超えた最小温度を封着温度とした。なお、封着温度の測定に際し、室温から焼成温度まで10℃/分で昇温し、焼成温度で10分間保持した後、焼成温度から室温まで10℃/分で降温した。 The sealing temperature is evaluated by a flow button test. More specifically, glass powder with a mass corresponding to the specific gravity is dry-pressed into a button shape with an outer diameter of 20 mm using a mold, and then the button is placed on a Ni alloy substrate and fired at various firing temperatures. , the diameter of the button (flow button) after firing was measured, and the minimum temperature at which the diameter exceeded 20 mm was taken as the sealing temperature. In measuring the sealing temperature, the temperature was raised from room temperature to the firing temperature at a rate of 10°C/min, held at the firing temperature for 10 minutes, and then lowered from the firing temperature to room temperature at a rate of 10°C/min.
Ni合金との反応性は、表中の封着温度で上記フローボタン試験を行った後にNi合金基板の劣化が生じず、且つ焼成後のボタンから金属ビスマスが析出していなかったものを「○」、Ni合金基板の劣化が生じたもの、或いは焼成後のボタンから金属ビスマスが析出していたものを「×」として評価した。 As for the reactivity with the Ni alloy, if the Ni alloy substrate did not deteriorate after the flow button test was performed at the sealing temperature shown in the table, and metal bismuth did not precipitate from the fired button, it was evaluated as "○". ", and those in which deterioration of the Ni alloy substrate occurred, or those in which metal bismuth was precipitated from the button after firing were evaluated as "x".
表から明らかなように、試料No.1~4は、ガラス組成が所定範囲に規制されているため、封着温度が645℃以下であり、且つNi合金との反応性の評価が良好であった。一方、試料No.5は、封着温度が670℃であるため、Ni合金との反応性の評価が不良であった。また、試料No.6は、Bi2O3の含有量が多いため、Ni合金との反応性の評価が不良であった。 As can be seen from the table, sample no. Samples 1 to 4 had a sealing temperature of 645° C. or less because the glass composition was restricted to a predetermined range, and the evaluation of reactivity with the Ni alloy was good. On the other hand, sample no. In No. 5, since the sealing temperature was 670° C., the evaluation of reactivity with the Ni alloy was poor. Moreover, sample no. In No. 6, the content of Bi 2 O 3 was large, so the evaluation of reactivity with the Ni alloy was poor.
Claims (3)
該ビスマス系ガラスが、 ガラス組成として、質量%で、Bi2O3 30~55%未満、B2O3 5~20%、ZnO 15~40%、MgO+CaO+SrO+BaO 2~20%、SiO2 0~12%、Li 2 O+Na 2 O+K 2 O 0~0.5%未満を含有し、軟化点が470~550℃であり、線熱膨張係数が78×10 -7 /℃超、且つ120×10 -7 /℃以下であり、金属部材の封着に用いることを特徴とする焼結体。 A sintered body obtained by sintering glass powder made of bismuth-based glass into a predetermined shape,
The bismuth-based glass is As a glass composition, in mass%, Bi2O.3 less than 30-55%, B2O.3 5-20%, ZnO 15-40%, MgO + CaO + SrO + BaO 2-20%, SiO2 0-12%, Li 2 O+Na 2 O+K 2 O 0 to less than 0.5%containsIt has a softening point of 470 to 550 ° C and a linear thermal expansion coefficient of 78 × 10 -7 /°C and 120 x 10 -7 /°C or less, used for sealing metal memberscharacterized bysintered body.
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