JP7148877B2 - ceramic powder - Google Patents

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本発明は、セラミック粉末に関し、特にガラス粉末と混合して使用されるセラミック粉末に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to ceramic powders, and more particularly to ceramic powders used in combination with glass powders.

封着材料として、一般的に、ガラス粉末とセラミック粉末を含む複合粉末材料が用いられている。この封着材料は、樹脂系の接着剤に比べ、化学的耐久性や耐熱性に優れており、また気密性の確保に適している。 A composite powder material containing glass powder and ceramic powder is generally used as the sealing material. This sealing material is superior in chemical durability and heat resistance to resin-based adhesives, and is suitable for securing airtightness.

封着用ガラス粉末として、高膨張の低融点ガラス、例えばPbO系ガラス、Bi系ガラス等が使用されている(特許文献1、2等参照)。 As the glass powder for sealing, high-expansion low-melting-point glass such as PbO-based glass and Bi 2 O 3 -based glass is used (see Patent Documents 1 and 2, etc.).

また、封着材料は、低膨張基板、例えばアルミナ基板、ガラス基板等の封着に使用されるが、その場合、封着材料の熱膨張係数が高過ぎると、封着後に封着層や低膨張基板に不当な残留歪みが生じて、封着層や低膨張基板にクラックが発生し、気密リーク等に至る虞がある。よって、被封着物が封着材料より低膨張である場合、封着材料の熱膨張係数を低下させることが重要になる。特に、ガラス粉末としてBi系ガラスを用いる場合、Bi系ガラスの熱膨張係数を低下させることには自ずと限界があるため、セラミック粉末の熱膨張係数を低下させることが重要になる。 Also, the sealing material is used for sealing low-expansion substrates such as alumina substrates and glass substrates. Undue residual strain is generated in the expansion substrate, cracks occur in the sealing layer and the low-expansion substrate, and there is a risk of hermetic leakage. Therefore, when the object to be sealed has a lower expansion than the sealing material, it is important to reduce the thermal expansion coefficient of the sealing material. In particular, when Bi 2 O 3 -based glass is used as the glass powder, there is a natural limit to lowering the thermal expansion coefficient of the Bi 2 O 3 -based glass, so it is important to lower the thermal expansion coefficient of the ceramic powder. Become.

そこで、負膨張のセラミック粉末を使用すると、封着材料の熱膨張係数を有効に低下させることができる。なお、セラミック粉末の負膨張は、結晶粒子の異方性膨張に起因する結晶粒界のマイクロクラックにより発現することが知られている。 Therefore, the use of negative expansion ceramic powder can effectively lower the thermal expansion coefficient of the sealing material. It is known that the negative expansion of ceramic powder is caused by microcracks at grain boundaries caused by anisotropic expansion of crystal grains.

特開昭63-315536号公報JP-A-63-315536 特開平8-59294号公報JP-A-8-59294

ところで、封着層の厚みは、用途に応じて設計されるが、近年、封着層の厚みを小さくすることがある。例えば、レーザー封着(レーザー光の照射による封着)を行う場合、封着層の厚みを小さくすると、レーザー封着性を顕著に高めることができる。また、封着層の厚みを小さくすると、気密パッケージの低背化、小型化に寄与することができる。 By the way, the thickness of the sealing layer is designed according to the application, but in recent years, the thickness of the sealing layer may be reduced. For example, in the case of laser sealing (sealing by laser beam irradiation), if the thickness of the sealing layer is reduced, the laser sealing performance can be significantly improved. Also, reducing the thickness of the sealing layer can contribute to the reduction in height and size of the hermetic package.

封着層の厚みを小さくするためには、封着材料中のセラミック粉末の粒子径を小さくしなければならない。しかし、負膨張のセラミック粉末の粒子径が小さくなると、具体的には20μm以下まで小さくなると、結晶粒界のマイクロクラックが少なくなり、熱膨張係数が大きくなってしまう。結果として、セラミック粉末の負膨張が十分に発現しなくなり、封着材料の熱膨張係数を適正に低下させることが困難になる。 In order to reduce the thickness of the sealing layer, the particle size of the ceramic powder in the sealing material must be reduced. However, when the particle size of the negative expansion ceramic powder is reduced, specifically, when it is reduced to 20 μm or less, the number of microcracks at the crystal grain boundaries is reduced and the thermal expansion coefficient is increased. As a result, the negative expansion of the ceramic powder is not sufficiently expressed, and it becomes difficult to properly reduce the thermal expansion coefficient of the sealing material.

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、その技術的課題は、粒子径が小さくても、負膨張を示すセラミック粉末を創案することである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and its technical object is to create a ceramic powder that exhibits negative expansion even if the particle size is small.

本発明者は、鋭意努力の結果、β-ユークリプタイトまたはβ-石英固溶体を主結晶相とするリチウムアルミノシリケート系(以下、LAS系)のセラミック粉末を採択することにより、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、本発明のセラミック粉末は、主結晶相(最も析出量が多い結晶)として、β-ユークリプタイト又はβ-石英固溶体が析出しており、平均粒子径D50が20μm以下であり、且つ30~300℃における熱膨張係数が負であることを特徴とする。主結晶相として、β-ユークリプタイト又はβ-石英固溶体が析出しており、且つTiO及び/又はZrOを含むことを特徴とする。ここで、「平均粒子径D50」は、レーザー回折法で測定した値を指し、レーザー回折法で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。「30~300℃における熱膨張係数」は、TMA(押棒式熱膨張係数測定)で測定可能である。なお、セラミック粉末の熱膨張係数を直接的に測定することは困難であるが、所定体積比でガラス粉末とセラミック粉末を含む複合粉末の焼成体を測定試料とし、その焼成体の熱膨張係数を測定すれば、セラミック粉末単体の熱膨張係数を計算で求めることができる。 As a result of diligent efforts, the present inventors have solved the above technical problem by adopting a lithium aluminosilicate-based (hereinafter referred to as LAS-based) ceramic powder whose main crystal phase is β-eucryptite or β-quartz solid solution. It finds out that it can be solved, and proposes it as this invention. That is, in the ceramic powder of the present invention, β-eucryptite or β-quartz solid solution is precipitated as the main crystal phase (the crystal with the largest precipitation amount), the average particle diameter D50 is 20 μm or less, and It is characterized by having a negative coefficient of thermal expansion at 30 to 300°C. A β-eucryptite or β-quartz solid solution is precipitated as a main crystal phase, and TiO 2 and/or ZrO 2 are included. Here, the "average particle diameter D 50 " refers to the value measured by the laser diffraction method, and in the volume-based cumulative particle size distribution curve when measured by the laser diffraction method, the cumulative amount is accumulated from the smaller particle. represents the particle size that is 50% of the total. “Thermal expansion coefficient at 30 to 300° C.” can be measured by TMA (push rod type thermal expansion coefficient measurement). Although it is difficult to directly measure the thermal expansion coefficient of ceramic powder, a sintered body of a composite powder containing glass powder and ceramic powder at a predetermined volume ratio is used as a measurement sample, and the thermal expansion coefficient of the sintered body is measured. If measured, the coefficient of thermal expansion of the ceramic powder alone can be obtained by calculation.

LAS系結晶(LiO-Al-nSiO)の内、β-ユークリプタイト(LiO-Al-2SiO)と、β-ユークリプタイトからSiOが更に固溶したβ-石英固溶体(LiO-Al-nSiO:n>2)とが負膨張特性を有している。一方、LAS系結晶(LiO-Al-nSiO)の内、nが4付近を超えるまでSiOが固溶していくと、正の熱膨張係数を有するβ-スポジュメン固溶体へ転移し易くなってしまう。そこで、本発明のセラミック粉末は、主結晶相として、負膨張特性を有するβ-ユークリプタイト又はβ-石英固溶体が析出している。 Of the LAS-based crystals (Li 2 O—Al 2 O 3 —nSiO 2 ), β-eucryptite (Li 2 O—Al 2 O 3 —2SiO 2 ) and SiO 2 are further solidified from β-eucryptite. The dissolved β-quartz solid solution (Li 2 O—Al 2 O 3 —nSiO 2 : n>2) has a negative expansion characteristic. On the other hand, when SiO 2 in the LAS-based crystal (Li 2 O—Al 2 O 3 —nSiO 2 ) dissolves until n exceeds around 4, β-spodumene solid solution with a positive coefficient of thermal expansion is formed. It becomes easier to transfer. Therefore, in the ceramic powder of the present invention, β-eucryptite or β-quartz solid solution having negative expansion characteristics is precipitated as the main crystal phase.

従来のLAS系セラミック粉末は、結晶粒子同士の粒界に存在するマイクロクラックに起因して、a軸方向の正膨張を吸収し、c軸方向の負膨張を反映させることにより、全体として結晶粒子の体積膨張が負になっている。このマイクロクラックは、結晶粒子の異方性膨張によって結晶粒子間の粒界に歪が生じることで発生する。一方、このマイクロクラックは、結晶粒子のサイズが小さくなると発生しなくなる。よって、従来のLAS系セラミック粉末は、封着材料に適用する場合、細粒化が困難であった。 Conventional LAS-based ceramic powder absorbs positive expansion in the a-axis direction and reflects negative expansion in the c-axis direction due to microcracks existing at the grain boundaries between crystal grains, so that the crystal grains as a whole has a negative volumetric expansion. These microcracks are generated by the anisotropic expansion of the crystal grains causing strain in the grain boundaries between the crystal grains. On the other hand, the microcracks do not occur when the crystal grain size is reduced. Therefore, it is difficult to refine the conventional LAS-based ceramic powder when applying it to a sealing material.

本発明者は、詳細な調査により、主結晶中にLAS系結晶を構成しない成分を少量固溶させると、例えばTiO及び/又はZrOを少量固溶させると、結晶粒子のサイズが小さくても、負膨張特性を維持し得ることを見出した。その機構は、実験的に証明されていないが、本発明者は、LAS系結晶中に異種成分を少量固溶させると、結晶粒子構造に歪が生じて、a軸の正膨張が小さくなるため、結晶粒子の体積膨張が負になり、結果として、マイクロクラックの有無にかかわらず、負膨張特性が維持されるものと推定している。そして、この機構は、負膨張のセラミック粉末の中でも、主結晶としてβ-ユークリプタイト又はβ-石英固溶体が析出している場合に発現し易く、上記方法以外でも、結晶粒子構造に歪を生じさせて、a軸の正膨張を小さくすれば、同様の効果を享受し得るものと推定される。 Through detailed research, the present inventors have found that when a small amount of a component that does not constitute an LAS-based crystal is dissolved in the main crystal, for example, when a small amount of TiO 2 and/or ZrO 2 is dissolved, the size of the crystal grains is small. Also, it was found that the negative expansion property can be maintained. Although the mechanism has not been experimentally proven, the present inventor believes that when a small amount of a dissimilar component is solid-dissolved in the LAS-based crystal, the crystal grain structure is distorted and the positive expansion of the a-axis becomes small. , the volume expansion of crystal grains becomes negative, and as a result, the negative expansion characteristic is maintained regardless of the presence or absence of microcracks. This mechanism is likely to occur when β-eucryptite or β-quartz solid solution is precipitated as the main crystal, even among negative expansion ceramic powders. It is presumed that similar effects can be obtained by reducing the positive expansion of the a-axis.

第二に、本発明のセラミック粉末は、組成として、モル%で、LiO 16~30%、Al 10~35%、SiO 30~68%を含有することが好ましい。このようにすれば、正膨張のβ-スポジュメン固溶体が析出し難くなるため、負膨張特性を維持し易くなる。 Secondly, the ceramic powder of the present invention preferably contains 16 to 30% Li 2 O, 10 to 35% Al 2 O 3 and 30 to 68% SiO 2 in terms of mol % composition. In this way, the positive expansion β-spodumene solid solution is less likely to precipitate, making it easier to maintain the negative expansion characteristics.

第三に、本発明のセラミック粉末は、実質的にガラス相を含まないことが好ましい。このようにすれば、封着時にセラミック粉末(特にLiO)がガラス中に溶け込み難くなるため、封着材料が失透し難くなり、また封着材料の熱膨張係数を維持し易くなる。ここで、ガラス相の有無は、X線回折装置等で判定可能である。例えば、結晶化度が95%以上であれば、実質的にガラス相を含まないと判定してもよい。なお、「結晶化度」は、粉末法によりX線回折を測定することにより、非晶質の質量に相当するハローの面積と、結晶の質量に相当するピークの面積とをそれぞれ算出した後、[ピークの面積]×100/[ピークの面積+ハローの面積](%)の式により求めた値を指す。 Third, the ceramic powders of the present invention are preferably substantially free of glass phases. This makes it difficult for the ceramic powder (particularly Li 2 O) to melt into the glass during sealing, so that the sealing material is less likely to devitrify and the coefficient of thermal expansion of the sealing material is more likely to be maintained. Here, the presence or absence of the glass phase can be determined by an X-ray diffraction device or the like. For example, if the degree of crystallinity is 95% or more, it may be determined that the material does not substantially contain a glass phase. In addition, the "crystallinity" is obtained by measuring the X-ray diffraction by the powder method, calculating the area of the halo corresponding to the amorphous mass and the area of the peak corresponding to the mass of the crystal, respectively. It refers to the value obtained by the formula of [peak area]×100/[peak area+halo area] (%).

固相反応でセラミック粉末を作製すれば、実質的にガラス相を含まないセラミック粉末を得ることができる。一方、溶融法でセラミック粉末を作製すると、セラミック粉末中にガラス相が残存してしまう。なお、溶融法は、原料バッチを一旦融解させて、ガラス融液を得た後、得られた融液を冷却、粉砕し、必要に応じて熱処理して、セラミック粉末を作製する方法である。 If the ceramic powder is produced by a solid-state reaction, it is possible to obtain a ceramic powder that does not substantially contain a glass phase. On the other hand, when the ceramic powder is produced by the melting method, the glass phase remains in the ceramic powder. The melting method is a method in which a raw material batch is once melted to obtain a glass melt, then the obtained melt is cooled, pulverized, and heat-treated as necessary to produce a ceramic powder.

第四に、本発明の封着材料は、ガラス粉末とセラミック粉末とを含有する封着材料において、セラミック粉末が上記のセラミック粉末であることが好ましい。 Fourthly, in the sealing material of the present invention, the ceramic powder in the sealing material containing glass powder and ceramic powder is preferably the above ceramic powder.

第五に、本発明の封着材料は、レーザー封着に用いることが好ましい。 Fifth, the sealing material of the present invention is preferably used for laser sealing.

本発明に係る気密パッケージの一実施形態を説明するための概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view for explaining one embodiment of an airtight package according to the present invention; FIG. 表2に記載の試料No.1(粉砕前)の電子顕微鏡写真である。Sample No. described in Table 2. 1 (before pulverization) is an electron micrograph. 表2に記載の試料No.1(粉砕後)の電子顕微鏡写真である。Sample No. described in Table 2. 1 (after pulverization) is an electron micrograph. 表2に記載の試料No.2(粉砕前)の電子顕微鏡写真である。Sample No. described in Table 2. 2 (before pulverization) is an electron micrograph. 表2に記載の試料No.2(粉砕後)の電子顕微鏡写真である。Sample No. described in Table 2. 2 (after pulverization) is an electron micrograph.

本発明のセラミック粉末は、主結晶相として、β-ユークリプタイト又はβ-石英固溶体が析出しており、それ以外の結晶が析出していないことが好ましいが、本発明の効果を著しく損なわない限り、それ以外の結晶が少量析出していてもよい。 In the ceramic powder of the present invention, β-eucryptite or β-quartz solid solution is precipitated as the main crystal phase, and it is preferable that other crystals are not precipitated, but the effect of the present invention is not significantly impaired. A small amount of other crystals may be deposited as long as the crystals are present.

本発明のセラミック粉末は、組成として、モル%で、LiO 16~30%(好ましくは18~25%)、Al 10~35%(好ましくは16~30%、より好ましくは18~25%)、SiO 30~68%(好ましくは40~68%、より好ましくは50~64%)を含有することが好ましい。セラミック粉末の組成が上記範囲以外になると、主結晶相として、β-ユークリプタイト又はβ-石英固溶体が析出し難くなると共に、粒子径が小さくなると、負膨張特性を維持し難くなる。なお、上記成分以外にも、焼結助剤等の他の成分を10%以下の範囲で導入してもよい。 The ceramic powder of the present invention has a composition of Li 2 O 16 to 30% (preferably 18 to 25%) and Al 2 O 10 to 35% (preferably 16 to 30%, more preferably 18% by mol) as a composition. 25%) and 30-68% SiO 2 (preferably 40-68%, more preferably 50-64%). If the composition of the ceramic powder is outside the above range, it becomes difficult to deposit β-eucryptite or β-quartz solid solution as the main crystal phase, and if the particle size becomes small, it becomes difficult to maintain the negative expansion characteristic. In addition to the above components, other components such as sintering aids may be introduced within a range of 10% or less.

本発明のセラミック粉末は、組成中にTiO及び/又はZrOを含むことが好ましく、その含有量は合量で0.005~5モル%、特に0.1~4モル%が好ましく、個別の含有量も0.005~5モル%、特に0.1~4モル%が好ましい。TiO及び/又はZrOの含有量が少な過ぎる場合、LAS系結晶中のTiO及び/又はZrOの固溶量が少なくなる。結果として、セラミック粉末の粒子径が小さくなると、負膨張特性を維持し難くなる。一方、TiO及び/又はZrOの含有量が多過ぎると、LAS系結晶中にTiO及び/又はZrOのすべてが固溶せずに、酸化物として残存し易くなる。結果として、セラミック粉末の負膨張特性を維持し難くなる。 The ceramic powder of the present invention preferably contains TiO 2 and/or ZrO 2 in its composition, and the total content thereof is preferably 0.005 to 5 mol %, particularly preferably 0.1 to 4 mol %. The content of is also preferably 0.005 to 5 mol %, particularly preferably 0.1 to 4 mol %. If the content of TiO 2 and/or ZrO 2 is too low, the amount of solid solution of TiO 2 and/or ZrO 2 in the LAS-based crystal will decrease. As a result, when the particle size of the ceramic powder becomes small, it becomes difficult to maintain the negative expansion characteristic. On the other hand, if the content of TiO 2 and/or ZrO 2 is too high, not all of TiO 2 and/or ZrO 2 will form a solid solution in the LAS-based crystal, and will likely remain as an oxide. As a result, it becomes difficult to maintain the negative expansion characteristic of the ceramic powder.

本発明のセラミック粉末において、平均粒子径D50は20μm以下であり、好ましくは10μm以下、7μm以下、5μm以下、特に1~3μmである。本発明のセラミック粉末は、上記の通り、粒子径が小さくても、負膨張特性を維持することができる。よって、本発明の効果は、粒子径が小さい程、負膨張特性への寄与の割合が大きくなる。 In the ceramic powder of the present invention, the average particle size D50 is 20 μm or less, preferably 10 μm or less, 7 μm or less, 5 μm or less, especially 1 to 3 μm. As described above, the ceramic powder of the present invention can maintain negative expansion characteristics even when the particle size is small. Therefore, the effect of the present invention is that the smaller the particle size, the greater the proportion of contribution to the negative expansion characteristic.

最大粒子径Dmaxは、好ましくは50μm以下、30μm以下、20μm以下、15μm以下、特に2~10μmである。本発明のセラミック粉末は、上記の通り、粒子径が小さくても、負膨張特性を維持することができる。よって、本発明の効果は、粒子径が小さい程、相対的に大きくなる。なお、「最大粒子径Dmax」は、レーザー回折法で測定した値を指し、レーザー回折法で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99%である粒子径を表す。 The maximum particle diameter D max is preferably 50 μm or less, 30 μm or less, 20 μm or less, 15 μm or less, especially 2 to 10 μm. As described above, the ceramic powder of the present invention can maintain negative expansion characteristics even when the particle size is small. Therefore, the effect of the present invention relatively increases as the particle size decreases. The “maximum particle diameter D max ” refers to the value measured by the laser diffraction method, and in the volume-based cumulative particle size distribution curve measured by the laser diffraction method, the cumulative amount is accumulated from the smaller particle. It represents the particle size which is 99%.

本発明のセラミック粉末において、30~300℃における熱膨張係数は負(0×10-7/℃未満)であり、好ましくは-1×10-7/℃以下、-3×10-7/℃以下、特に-20×10-7/℃以上、且つ-4×10-7/℃以下である。30~300℃における熱膨張係数が高過ぎると、封着材料の熱膨張係数を十分に低下させることが困難になる。 The ceramic powder of the present invention has a negative thermal expansion coefficient (less than 0×10 −7 /° C.) at 30 to 300° C., preferably −1×10 −7 /° C. or less, −3×10 −7 /° C. Below, in particular -20×10 -7 /°C or more and -4×10 -7 /°C or less. If the coefficient of thermal expansion at 30-300° C. is too high, it will be difficult to sufficiently reduce the coefficient of thermal expansion of the sealing material.

本発明の封着材料は、ガラス粉末とセラミック粉末とを含有する封着材料において、セラミック粉末が上記のセラミック粉末であることが好ましい。本発明の封着材料の技術的特徴は、本発明のセラミック粉末の技術的特徴と一部重複しており、その重複部分については詳細な説明を省略する。 In the sealing material of the present invention, which contains glass powder and ceramic powder, the ceramic powder is preferably the above-mentioned ceramic powder. The technical features of the sealing material of the present invention partly overlap with the technical features of the ceramic powder of the present invention, and detailed descriptions of the overlapping parts are omitted.

本発明の封着材料において、セラミック粉末の含有量は1~45体積%であり、好ましくは10~45体積%、15~40体積%、特に20~35体積%である。セラミック粉末の含有量が多過ぎると、ガラス粉末の含有量が相対的に少なくなり、所望の流動性及び熱的安定性を確保し難くなる。なお、セラミック粉末の含有量が少な過ぎると、セラミック粉末の添加効果が乏しくなる。 In the sealing material of the present invention, the content of the ceramic powder is 1-45% by volume, preferably 10-45% by volume, 15-40% by volume, particularly 20-35% by volume. If the content of the ceramic powder is too high, the content of the glass powder becomes relatively low, making it difficult to ensure desired fluidity and thermal stability. If the content of the ceramic powder is too small, the effect of adding the ceramic powder will be poor.

セラミック粉末として、本発明のセラミック粉末以外に、他のセラミック粉末を更に導入してもよく例えば、コーディエライト、ジルコン、アルミナ、ムライト、ウイレマイト、リン酸ジルコニウム、リン酸タングステン酸ジルコニウム、タングステン酸ジルコニウム等から選ばれる一種又は二種以上を含んでもよいが、その含有量は合量で0~15体積%、特に0~10体積%未満が好ましい。 As the ceramic powder, other ceramic powders may be introduced besides the ceramic powder of the present invention. etc., and the total content thereof is preferably 0 to 15% by volume, particularly preferably 0 to less than 10% by volume.

本発明の封着材料において、ガラス粉末として、種々のガラス粉末を用いることができる。例えば、Bi系ガラス、V系ガラス、SnO系ガラスが低融点特性の点で好適であり、Bi系ガラスが熱的安定性、耐水性の点で特に好ましい。ここで、「~系ガラス」とは、明示の成分を必須成分として含有し、且つ明示の成分の合量が25モル%以上、好ましくは30モル%以上、より好ましくは35モル%以上のガラスを指す。なお、ガラス粉末は、環境的観点から、ガラス組成中に実質的にPbOを含まないこと(0.1モル%未満)が好ましい。 Various glass powders can be used as the glass powder in the sealing material of the present invention. For example, Bi 2 O 3 -based glass, V 2 O 5 -based glass, and SnO-based glass are preferable in terms of low melting point characteristics, and Bi 2 O 3 -based glass is particularly preferable in terms of thermal stability and water resistance. Here, the term "--based glass" refers to a glass containing specified components as essential components and having a total amount of specified components of 25 mol% or more, preferably 30 mol% or more, more preferably 35 mol% or more. point to From an environmental point of view, the glass powder preferably does not substantially contain PbO (less than 0.1 mol %) in the glass composition.

Bi系ガラスは、ガラス組成として、モル%で、Bi 28~60%、B 15~37%、ZnO 1~30%含有することが好ましい。各成分の含有範囲を上記のように限定した理由を以下に説明する。なお、ガラス組成範囲の説明において、%表示はモル%を指す。 The Bi 2 O 3 -based glass preferably contains 28 to 60% Bi 2 O 3 , 15 to 37% B 2 O 3 , and 1 to 30% ZnO in mol % as the glass composition. The reason why the content range of each component is limited as described above will be explained below. In addition, in description of a glass composition range, % display points out mol%.

Biは、軟化点を低下させるための主要成分であり、その含有量は28~60%、33~55%、特に35~45%が好ましい。Biの含有量が少な過ぎると、軟化点が高くなり過ぎて、流動性が低下し易くなる。一方、Biの含有量が多過ぎると、焼成時にガラスが失透し易くなり、この失透に起因して、流動性が低下し易くなる。 Bi 2 O 3 is a main component for lowering the softening point, and its content is preferably 28-60%, 33-55%, particularly 35-45%. If the content of Bi 2 O 3 is too small, the softening point becomes too high and the fluidity tends to decrease. On the other hand, if the Bi 2 O 3 content is too high, the glass tends to devitrify during firing, and this devitrification tends to reduce fluidity.

は、ガラス形成成分として必須の成分であり、その含有量は15~37%、20~33%、特に25~30%が好ましい。Bの含有量が少な過ぎると、ガラスネットワークが形成され難くなるため、焼成時にガラスが失透し易くなる。一方、Bの含有量が多過ぎると、ガラスの粘性が高くなり、流動性が低下し易くなる。 B 2 O 3 is an essential component as a glass-forming component, and its content is preferably 15 to 37%, 20 to 33%, particularly 25 to 30%. If the content of B 2 O 3 is too small, it becomes difficult to form a glass network, and the glass tends to devitrify during firing. On the other hand, if the content of B 2 O 3 is too high, the viscosity of the glass increases, and the fluidity tends to decrease.

ZnOは、耐失透性を高める成分であり、その含有量は1~30%、3~25%、5~22%、特に9~20%が好ましい。その含有量が1%より少なく、或いは30%より多いと、ガラス組成の成分バランスが損なわれて、耐失透性が低下し易くなる。 ZnO is a component that enhances resistance to devitrification, and its content is preferably 1 to 30%, 3 to 25%, 5 to 22%, particularly 9 to 20%. If the content is less than 1% or more than 30%, the component balance of the glass composition is impaired, and devitrification resistance tends to decrease.

上記成分以外にも、例えば、以下の成分を添加してもよい。 In addition to the above components, for example, the following components may be added.

SiOは、耐水性を高める成分であるが、軟化点を上昇させる作用を有する。このため、SiOの含有量は0~5%、0~3%、0~2%、特に0~1%が好ましい。また、SiOの含有量が多過ぎると、焼成時にガラスが失透し易くなる。 SiO 2 is a component that increases water resistance, but it also has the effect of raising the softening point. Therefore, the content of SiO 2 is preferably 0-5%, 0-3%, 0-2%, particularly 0-1%. Also, if the content of SiO 2 is too high, the glass tends to devitrify during firing.

Alは、耐水性を高める成分であり、その含有量は0~10%、0~5%、特に0.1~2%が好ましい。Alの含有量が多過ぎると、軟化点が不当に上昇する虞がある。 Al 2 O 3 is a component that increases water resistance, and its content is preferably 0 to 10%, 0 to 5%, particularly 0.1 to 2%. If the content of Al 2 O 3 is too high, the softening point may increase unduly.

LiO、NaO及びKOは、耐失透性を低下させる成分である。よって、LiO、NaO及びKOの含有量は、それぞれ0~5%、0~3%、特に0~1%未満である。 Li 2 O, Na 2 O and K 2 O are components that reduce devitrification resistance. The content of Li 2 O, Na 2 O and K 2 O is thus respectively 0-5%, 0-3% and in particular 0-1%.

MgO、CaO、SrO及びBaOは、耐失透性を高める成分であるが、軟化点を上昇させる成分である。よって、MgO、CaO、SrO及びBaOの含有量は、それぞれ0~20%、0~10%、特に0~5%である。 MgO, CaO, SrO and BaO are components that increase devitrification resistance, but also components that increase the softening point. The contents of MgO, CaO, SrO and BaO are thus respectively 0-20%, 0-10% and especially 0-5%.

Bi系ガラスの軟化点を下げるためには、ガラス組成中にBiを多量に導入する必要があるが、Biの含有量を増加させると、焼成時にガラスが失透し易くなり、この失透に起因して流動性が低下し易くなる。特に、Biの含有量が30%以上になると、その傾向が顕著になる。この対策として、CuOを添加すれば、Biの含有量が30%以上であっても、ガラスの失透を効果的に抑制することができる。更にCuOを添加すれば、レーザー封着時のレーザー吸収特性を高めることができる。CuOの含有量は0~40%、5~35%、10~30%、特に15~25%が好ましい。CuOの含有量が多過ぎると、ガラス組成の成分バランスが損なわれて、逆に耐失透性が低下し易くなる。 In order to lower the softening point of the Bi 2 O 3 -based glass , it is necessary to introduce a large amount of Bi 2 O 3 into the glass composition. It becomes easy to permeate, and the fluidity tends to decrease due to this devitrification. In particular, when the content of Bi 2 O 3 is 30% or more, this tendency becomes remarkable. As a countermeasure against this, if CuO is added, devitrification of the glass can be effectively suppressed even if the content of Bi 2 O 3 is 30% or more. Furthermore, if CuO is added, the laser absorption characteristics during laser sealing can be enhanced. The CuO content is preferably 0 to 40%, 5 to 35%, 10 to 30%, especially 15 to 25%. If the CuO content is too high, the balance of components in the glass composition is impaired, and the devitrification resistance tends to decrease.

Feは、耐失透性とレーザー吸収特性を高める成分であり、その含有量は0~10%、0.1~5%、特に0.5~3%が好ましい。Feの含有量が多過ぎると、ガラス組成の成分バランスが損なわれて、逆に耐失透性が低下し易くなる。 Fe 2 O 3 is a component that enhances devitrification resistance and laser absorption characteristics, and its content is preferably 0 to 10%, 0.1 to 5%, particularly 0.5 to 3%. If the content of Fe 2 O 3 is too high, the component balance of the glass composition is impaired, and the devitrification resistance tends to decrease.

Sbは、耐失透性を高める成分であり、その含有量は0~5%、特に0~2%が好ましい。Sbの含有量が多過ぎると、ガラス組成の成分バランスが損なわれて、逆に耐失透性が低下し易くなる。 Sb 2 O 3 is a component that increases devitrification resistance, and its content is preferably 0 to 5%, particularly 0 to 2%. If the content of Sb 2 O 3 is too large, the component balance of the glass composition is impaired, and conversely, the devitrification resistance tends to decrease.

ガラス粉末の平均粒子径D50は15μm未満、0.5~10μm、特に1~5μmが好ましい。ガラス粉末の平均粒子径D50が小さい程、ガラス粉末の軟化点が低下する。 The average particle diameter D 50 of the glass powder is preferably less than 15 μm, preferably 0.5-10 μm, especially 1-5 μm. The softening point of the glass powder decreases as the average particle diameter D50 of the glass powder decreases.

本発明の封着材料は、ガラス粉末とセラミック粉末以外にも、他の粉末材料を導入してもよい。例えば、レーザー吸収特性を高めるために、Mn-Fe-Al系酸化物、カーボン、Mn-Fe-Cr系酸化物等のレーザー吸収剤を1~15体積%含んでいてもよい。またガラスビーズ、スペーサー等を導入してもよい。 The sealing material of the present invention may contain powder materials other than glass powder and ceramic powder. For example, 1 to 15% by volume of a laser absorber such as Mn--Fe--Al oxide, carbon, Mn--Fe--Cr oxide may be contained in order to enhance the laser absorption characteristics. Also, glass beads, spacers, etc. may be introduced.

本発明の封着材料は、粉末状態で使用に供してもよいが、ビークルと均一に混練し、ペースト化すると取り扱い易くなり、好ましい。ビークルは、通常、溶媒と樹脂を含む。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、被封着物の表面に塗布される。 Although the sealing material of the present invention may be used in a powder state, it is preferable to knead it uniformly with a vehicle to form a paste, which facilitates handling. A vehicle typically includes a solvent and a resin. Resin 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 applied to the surface of the object to be sealed using a dispenser, a screen printer, or other applicator.

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。 Usable resins include acrylic acid ester (acrylic resin), ethyl cellulose, polyethylene glycol derivatives, nitrocellulose, polymethylstyrene, polyethylene carbonate, methacrylic acid ester, and the like. In particular, acrylic acid esters and nitrocellulose are preferable because of their good thermal decomposability.

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。 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, water, 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, dimethylsulfoxide (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 in resins and the like.

本発明の封着材料は、レーザー封着時の流動性が高く、且つ熱膨張係数が低いため、気密パッケージのパッケージ基体とガラス蓋のレーザー封着に好適に使用可能である。本発明に係る気密パッケージは、パッケージ基体とガラス蓋とが封着材料層を介して気密封着された気密パッケージにおいて、該封着材料層が、封着材料の焼結体であり、該封着材料が、上記の封着材料であることを特徴とする。以下、本発明に係る気密パッケージについて、詳細に説明する。 The sealing material of the present invention has high fluidity and a low coefficient of thermal expansion during laser sealing, and therefore can be suitably used for laser sealing between a package substrate and a glass lid of an airtight package. An airtight package according to the present invention is an airtight package in which a package base and a glass lid are airtightly sealed via a sealing material layer, wherein the sealing material layer is a sintered body of a sealing material, and the sealing material layer is a sintered body of the sealing material. The bonding material is characterized by being the sealing material described above. Hereinafter, the airtight package according to the present invention will be described in detail.

パッケージ基体は、基部と基部上に設けられた枠部とを有することが好ましい。このようにすれば、パッケージ基体の枠部内にセンサー素子等の内部素子を収容し易くなる。パッケージ基体の枠部は、パッケージ基体の外側端縁領域に沿って、額縁状に形成されていることが好ましい。このようにすれば、デバイスとして機能する有効面積を拡大することができる。またセンサー素子等の内部素子をパッケージ基体内の空間に収容し易くなり、且つ配線接合等も行い易くなる。 The package base preferably has a base and a frame provided on the base. By doing so, it becomes easier to accommodate the internal elements such as the sensor element in the frame portion of the package base. The frame portion of the package base is preferably formed like a picture frame along the outer edge region of the package base. In this way, the effective area functioning as a device can be expanded. In addition, it becomes easy to accommodate an internal element such as a sensor element in the space inside the package substrate, and it becomes easy to perform wiring connection and the like.

枠部の頂部における封着材料層が配される領域の表面の表面粗さRaは1.0μm未満であることが好ましい。この表面の表面粗さRaが大きくなると、レーザー封着の精度が低下し易くなる。ここで、「表面粗さRa」は、例えば、触針式又は非接触式のレーザー膜厚計や表面粗さ計により測定することができる。 The surface roughness Ra of the region where the sealing material layer is arranged on the top of the frame is preferably less than 1.0 μm. As the surface roughness Ra of the surface increases, the accuracy of laser sealing tends to decrease. Here, the "surface roughness Ra" can be measured by, for example, a stylus type or non-contact type laser film thickness meter or surface roughness meter.

枠部の頂部の幅は、好ましくは100~7000μm、200~6000μm、特に300~5000μmである。枠部の頂部の幅が狭過ぎると、封着材料層と枠部の頂部との位置合わせが困難になる。一方、枠部の頂部の幅が広過ぎると、デバイスとして機能する有効面積が小さくなる。 The width of the top of the frame is preferably 100-7000 μm, 200-6000 μm, especially 300-5000 μm. If the width of the top of the frame is too narrow, it becomes difficult to align the sealing material layer and the top of the frame. On the other hand, if the width of the top of the frame is too wide, the effective area for functioning as a device becomes small.

パッケージ基体は、ガラスセラミック、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムの何れか、或いはこれらの複合材料(例えば、窒化アルミニウムとガラスセラミックを一体化したもの)であることが好ましい。ガラスセラミックは、封着材料層と反応層を形成し易いため、レーザー封着で強固な封着強度を確保することができる。更にサーマルビアを容易に形成し得るため、気密パッケージが過度に温度上昇する事態を適正に防止することができる。窒化アルミニウムと酸化アルミニウムは、放熱性が良好であるため、気密パッケージが過度に温度上昇する事態を適正に防止することができる。 The package substrate is preferably glass ceramic, aluminum nitride, aluminum oxide, or a composite material thereof (for example, aluminum nitride integrated with glass ceramic). Glass ceramics can easily form a sealing material layer and a reaction layer, so that strong sealing strength can be secured by laser sealing. Furthermore, since thermal vias can be easily formed, it is possible to appropriately prevent the hermetic package from excessively increasing in temperature. Since aluminum nitride and aluminum oxide have good heat dissipation properties, it is possible to properly prevent the situation in which the temperature of the airtight package rises excessively.

ガラスセラミック、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムは、黒色顔料が分散されている(黒色顔料が分散された状態で焼結されてなる)ことが好ましい。このようにすれば、パッケージ基体が、封着材料層を透過したレーザー光を吸収することができる。その結果レーザー封着の際にパッケージ基体の封着材料層と接触する箇所が加熱されるため、封着材料層とパッケージ基体の界面で反応層の形成を促進することができる。 Glass ceramic, aluminum nitride, and aluminum oxide preferably have a black pigment dispersed therein (sintered with the black pigment dispersed therein). In this way, the package base can absorb the laser light transmitted through the sealing material layer. As a result, the portion of the package base which is in contact with the sealing material layer is heated during laser sealing, thereby promoting the formation of a reaction layer at the interface between the sealing material layer and the package base.

黒色顔料が分散されているパッケージ基体は、照射すべきレーザー光を吸収する性質を有すること、例えば、厚み0.5mm、照射すべきレーザー光の波長(808nm)における全光線透過率が10%以下(望ましくは5%以下)であることが好ましい。このようにすれば、パッケージ基体と封着材料層の界面で封着材料層の温度が上がり易くなる。 The package substrate in which the black pigment is dispersed has the property of absorbing the laser light to be irradiated, for example, the thickness is 0.5 mm and the total light transmittance at the wavelength (808 nm) of the laser light to be irradiated is 10% or less. (preferably 5% or less). This makes it easier for the temperature of the sealing material layer to rise at the interface between the package base and the sealing material layer.

パッケージ基体の基部の厚みは0.1~2.5mm、特に0.2~1.5mmが好ましい。これにより、気密パッケージの薄型化を図ることができる。 The thickness of the base of the package substrate is preferably 0.1 to 2.5 mm, particularly 0.2 to 1.5 mm. This makes it possible to reduce the thickness of the hermetic package.

パッケージ基体の枠部の高さ、つまりパッケージ基体から基部の厚みを引いた高さは、好ましくは100~2500μm、特に200~1500μmである。このようにすれば、内部素子を適正に収容しつつ、気密パッケージの薄型化を図り易くなる。 The height of the frame portion of the package base, that is, the height obtained by subtracting the thickness of the base from the package base is preferably 100 to 2500 μm, particularly 200 to 1500 μm. By doing so, it becomes easy to achieve a thin airtight package while properly housing the internal elements.

ガラス蓋として、種々のガラスが使用可能である。例えば、無アルカリガラス、アルカリホウケイ酸ガラス、ソーダ石灰ガラスが使用可能である。なお、ガラス蓋は、複数枚のガラス板を貼り合わせた積層ガラスであってもよい。 Various glasses can be used as the glass lid. For example, alkali-free glass, alkali borosilicate glass, and soda-lime glass can be used. Note that the glass lid may be laminated glass obtained by bonding a plurality of glass plates together.

ガラス蓋の内部素子側の表面に機能膜を形成してもよく、ガラス蓋の外側の表面に機能膜を形成してもよい。特に機能膜として反射防止膜が好ましい。これにより、ガラス蓋の表面で反射する光を低減することができる。 The functional film may be formed on the inner element side surface of the glass lid, or may be formed on the outer surface of the glass lid. An antireflection film is particularly preferable as the functional film. Thereby, the light reflected on the surface of the glass lid can be reduced.

ガラス蓋の厚みは、好ましくは0.1mm以上、0.15~2.0mm、特に0.2~1.0mmである。ガラス蓋の厚みが小さいと、気密パッケージの強度が低下し易くなる。一方、ガラス蓋の厚みが大きいと、気密パッケージの薄型化を図り難くなる。 The thickness of the glass lid is preferably 0.1 mm or more, 0.15 to 2.0 mm, especially 0.2 to 1.0 mm. If the thickness of the glass lid is small, the strength of the hermetic package tends to decrease. On the other hand, if the thickness of the glass lid is large, it becomes difficult to reduce the thickness of the hermetic package.

封着材料層は、レーザー光を吸収することにより軟化変形して、パッケージ基体の表層に反応層を形成し、パッケージ基体とガラス蓋とを気密一体化する機能を有している。 The sealing material layer has the function of softening and deforming by absorbing laser light, forming a reaction layer on the surface layer of the package substrate, and hermetically integrating the package substrate and the glass lid.

ガラス蓋と封着材料層の熱膨張係数差は50×10-7/℃未満、40×10-7/℃未満、特に30×10-7/℃以下が好ましい。この熱膨張係数差が大き過ぎると、封着部分に残留する応力が不当に高くなり、気密パッケージの気密信頼性が低下し易くなる。 The difference in thermal expansion coefficient between the glass lid and the sealing material layer is preferably less than 50×10 −7 /°C, less than 40×10 −7 /°C, and particularly preferably 30×10 −7 /°C or less. If the thermal expansion coefficient difference is too large, the stress remaining in the sealed portion becomes unduly high, and the hermetic reliability of the hermetic package tends to decrease.

封着材料層は、枠部との接触位置が枠部の頂部の内側端縁から離間するように形成されると共に、枠部の頂部の外側端縁から離間するように形成することが好ましく、枠部の頂部の内側端縁から50μm以上、60μm以上、70~2000μm、特に80~1000μm離間した位置に形成されることが更に好ましい。枠部の頂部の内側端縁と封着材料層の離間距離が短過ぎると、レーザー封着の際に、局所加熱で発生した熱が逃げ難くなるため、冷却過程でガラス蓋が破損し易くなる。一方、枠部の頂部の内側端縁と封着材料層の離間距離が長過ぎると、気密パッケージの小型化が困難になる。また封着層は、枠部の頂部の外側端縁から50μm以上、60μm以上、70~2000μm、特に80~1000μm離間した位置に形成されていることが好ましい。枠部の頂部の外側端縁と封着材料層の離間距離が短過ぎると、レーザー封着の際に、局所加熱で発生した熱が逃げ難くなるため、冷却過程でガラス蓋が破損し易くなる。一方、枠部の頂部の外側端縁と封着材料層の離間距離が長過ぎると、気密パッケージの小型化が困難になる。 Preferably, the sealing material layer is formed so that the contact position with the frame is separated from the inner edge of the top of the frame and is separated from the outer edge of the top of the frame, More preferably, it is formed at a distance of 50 μm or more, 60 μm or more, 70 to 2000 μm, particularly 80 to 1000 μm from the inner edge of the top of the frame. If the distance between the inner edge of the top portion of the frame and the sealing material layer is too short, the heat generated by local heating during laser sealing will not easily escape, and the glass lid will easily break during the cooling process. . On the other hand, if the distance between the inner edge of the top of the frame and the sealing material layer is too long, it becomes difficult to miniaturize the hermetic package. The sealing layer is preferably formed at a position spaced apart from the outer edge of the top of the frame by 50 μm or more, 60 μm or more, 70 to 2000 μm, particularly 80 to 1000 μm. If the distance between the outer edge of the top part of the frame and the sealing material layer is too short, the heat generated by local heating during laser sealing will not easily escape, and the glass lid will easily break during the cooling process. . On the other hand, if the distance between the outer edge of the top of the frame and the sealing material layer is too long, it becomes difficult to miniaturize the hermetic package.

封着材料層は、ガラス蓋との接触位置がガラス蓋の端縁から50μm以上、60μm以上、70~1500μm、特に80~800μm離間するように形成されていることが好ましい。ガラス蓋の端縁と封着材料層の離間距離が短過ぎると、レーザー封着の際に、ガラス蓋の端縁領域において、ガラス蓋の内部素子側の表面と外側の表面の表面温度差が大きくなり、ガラス蓋が破損し易くなる。 The sealing material layer is preferably formed so that the contact position with the glass lid is separated from the edge of the glass lid by 50 μm or more, 60 μm or more, 70 to 1500 μm, particularly 80 to 800 μm. If the distance between the edge of the glass lid and the sealing material layer is too short, a surface temperature difference between the inner element side surface and the outer surface of the glass lid will occur in the edge region of the glass lid during laser sealing. It becomes large, and the glass lid becomes easy to break.

封着材料層は、枠部の頂部の幅方向の中心線上に形成されている、つまり枠部の頂部の中央領域に形成されていることが好ましい。このようにすれば、レーザー封着の際に、局所加熱で発生した熱が逃げ易くなるため、ガラス蓋が破損し難くなる。なお、枠部の頂部の幅が充分に大きい場合は、枠部の頂部の幅方向の中心線上に封着材料層を形成しなくてもよい。 The sealing material layer is preferably formed on the center line of the top of the frame in the width direction, that is, formed in the central region of the top of the frame. This makes it easier for the heat generated by localized heating to escape during laser sealing, so that the glass lid is less likely to break. If the width of the top portion of the frame portion is sufficiently large, the sealing material layer may not be formed on the center line of the top portion of the frame portion in the width direction.

封着材料層の平均厚みは、好ましくは8.0μm未満、特に1.0μm以上、且つ7.0μm未満である。封着材料層の平均厚みが小さい程、気密パッケージ内のα線放出率が少なくなるため、内部素子のソフトエラーを防止し易くなる。封着材料層の平均厚みが小さい程、レーザー封着の精度が向上する。更に封着材料層とガラス蓋の熱膨張係数が不整合である時に、レーザー封着後に封着部分に残留する応力を低減することもできる。なお、上記のように封着材料層の平均厚みを規制する方法としては、封着材料ペーストを薄く塗布する方法、封着材料層の表面を研磨処理する方法が挙げられる。 The average thickness of the sealing material layer is preferably less than 8.0 μm, especially greater than or equal to 1.0 μm and less than 7.0 μm. The smaller the average thickness of the sealing material layer, the smaller the alpha ray emission rate in the hermetic package, which makes it easier to prevent soft errors in internal elements. The accuracy of laser sealing improves as the average thickness of the sealing material layer decreases. It can also reduce the residual stress in the sealed area after laser sealing when the thermal expansion coefficients of the sealing material layer and the glass lid are mismatched. As a method for regulating the average thickness of the sealing material layer as described above, there are a method of thinly applying the sealing material paste and a method of polishing the surface of the sealing material layer.

封着材料層の最大幅は、好ましくは1μm以上、且つ2000μm以下、特に100μm以上、且つ1500μm以下である。封着材料層の最大幅を狭くすると、封着材料層を枠部の端縁から離間させ易くなるため、レーザー封着後に封着部分に残留する応力を低減し易くなる。更にパッケージ基体の枠部の幅を狭くすることができ、デバイスとして機能する有効面積を拡大することができる。一方、封着材料層の最大幅が狭過ぎると、封着材料層に大きなせん断応力がかかると、封着材料層がバルク破壊し易くなる。更にレーザー封着の精度が低下し易くなる。 The maximum width of the sealing material layer is preferably ≧1 μm and ≦2000 μm, especially ≧100 μm and ≦1500 μm. Reducing the maximum width of the sealing material layer makes it easier to separate the sealing material layer from the edge of the frame, which makes it easier to reduce the stress remaining in the sealing portion after laser sealing. Furthermore, the width of the frame portion of the package base can be narrowed, and the effective area functioning as a device can be expanded. On the other hand, if the maximum width of the sealing material layer is too narrow, bulk fracture of the sealing material layer is likely to occur when a large shear stress is applied to the sealing material layer. Furthermore, the accuracy of laser sealing tends to be lowered.

以下、図面を参照しながら、本発明を説明する。図1は、本発明に係る気密パッケージの一実施形態を説明するための概略断面図である。図1から分かるように、気密パッケージ1は、パッケージ基体10とガラス蓋11とを備えている。また、パッケージ基体10は、基部12と、基部12の外周端縁上に額縁状の枠部13とを有している。そして、パッケージ基体10の枠部13で囲まれた空間には、内部素子14が収容されている。なお、パッケージ基体10内には、内部素子14と外部を電気的に接続する電気配線(図示されていない)が形成されている。 The present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining one embodiment of an airtight package according to the present invention. As can be seen from FIG. 1, the hermetic package 1 comprises a package base 10 and a glass lid 11. As shown in FIG. The package base 10 also has a base portion 12 and a frame portion 13 in the shape of a picture frame on the outer peripheral edge of the base portion 12 . An internal element 14 is accommodated in a space surrounded by the frame portion 13 of the package base 10 . Electrical wiring (not shown) for electrically connecting the internal element 14 and the outside is formed in the package base 10 .

封着材料層15は、封着材料の焼結体であり、該封着材料は、ガラス粉末と本発明の耐火性フィラー粉末とを含むが、実質的にレーザー吸収材を含んでいない。また、封着材料層15は、パッケージ基体10の枠部13の頂部とガラス蓋11の内部素子14側の表面との間に、枠部13の頂部の全周に亘って配されている。封着材料層15の幅は、パッケージ基体10の枠部13の頂部の幅よりも小さく、更にガラス蓋11の端縁から離間している。更に封着材料層15の平均厚みは8.0μm未満になっている。 The sealing material layer 15 is a sintered body of sealing material, which contains glass powder and the refractory filler powder of the present invention, but does not substantially contain a laser absorber. Further, the sealing material layer 15 is arranged over the entire circumference of the top portion of the frame portion 13 between the top portion of the frame portion 13 of the package base 10 and the surface of the glass lid 11 on the internal element 14 side. The width of the sealing material layer 15 is smaller than the width of the top portion of the frame portion 13 of the package base 10 and further away from the edge of the glass lid 11 . Furthermore, the average thickness of the sealing material layer 15 is less than 8.0 μm.

上記気密パッケージ1は、次のようにして作製することができる。まず封着材料層15と枠部13の頂部が接するように、封着材料層15が予め形成されたガラス蓋11をパッケージ基体10上に載置する。続いて、押圧治具を用いてガラス蓋11を押圧しながら、ガラス蓋11側から封着材料層15に沿って、レーザー照射装置から出射したレーザー光Lを照射する。これにより、封着材料層15が軟化流動し、パッケージ基体10の枠部13の頂部の表層と反応することで、パッケージ基体10とガラス蓋11が気密一体化されて、気密パッケージ1の気密構造が形成される。 The airtight package 1 can be manufactured as follows. First, the glass lid 11 with the sealing material layer 15 formed in advance is placed on the package substrate 10 so that the sealing material layer 15 and the top of the frame portion 13 are in contact with each other. Subsequently, while pressing the glass lid 11 using a pressing jig, a laser beam L emitted from a laser irradiation device is irradiated along the sealing material layer 15 from the glass lid 11 side. As a result, the sealing material layer 15 softens and flows and reacts with the surface layer of the top portion of the frame portion 13 of the package base 10, whereby the package base 10 and the glass lid 11 are hermetically integrated, and the hermetic structure of the hermetic package 1 is achieved. is formed.

本発明のセラミック粉末は、以下の製造方法で作製されることが好ましい。すなわち、本発明のセラミック粉末の製造方法は、原料バッチを焼成して、固相反応により、主結晶相としてβ-ユークリプタイト又はβ-石英固溶体が析出した焼結体を得る工程と、焼結体を粉砕して、セラミック粉末を得る工程と、を有することが好ましい。 The ceramic powder of the present invention is preferably produced by the following production method. That is, the method for producing a ceramic powder of the present invention includes the steps of firing a raw material batch to obtain a sintered body in which β-eucryptite or β-quartz solid solution is precipitated as a main crystal phase by a solid phase reaction; and pulverizing the aggregate to obtain a ceramic powder.

本発明のセラミック粉末の製造方法は、原料バッチを焼成して、固相反応により焼結体を得る工程を有するが、固相反応で焼結体を作製すると、焼結体にガラス相が残留しなくなる。結果として、封着時にセラミック粉末(特にLiO)がガラス中に溶け込み難くなるため、封着材料が失透し難くなり、また封着材料の熱膨張係数を維持し易くなる。 The method for producing a ceramic powder of the present invention has a step of firing a raw material batch and obtaining a sintered body by solid phase reaction. When a sintered body is produced by solid phase reaction, a glass phase remains in the sintered body. no longer. As a result, the ceramic powder (especially Li 2 O) is less likely to melt into the glass during sealing, so that the sealing material is less likely to devitrify and the thermal expansion coefficient of the sealing material is more easily maintained.

Li、Al及びSiの導入原料として、種々の原料を用いることができるが、その中でも、Li、Al及びSiを含む予備焼結体の粉砕物を用いることが好ましい。導入原料の全部又は一部について予備焼結を行うと、析出結晶の均質化が可能になり、セラミック粉末の特性変動を低減することができる。また、Li、Al及びSiを含む予備焼結体の粉砕物以外にも、酸化物原料、水酸化物原料、炭酸塩原料等を用いてもよい。 Various raw materials can be used as raw materials for introducing Li, Al and Si, but among them, it is preferable to use pulverized pre-sintered bodies containing Li, Al and Si. By pre-sintering all or part of the introduced raw material, it is possible to homogenize the precipitated crystals and reduce variations in the properties of the ceramic powder. In addition to the pulverized presintered body containing Li, Al and Si, an oxide raw material, a hydroxide raw material, a carbonate raw material, and the like may be used.

LAS系結晶中にTiO及び/又はZrOを固溶させる場合、Ti及びZrの導入原料として、種々の原料を用いることができるが、例えば、Ti及びZrを含む予備焼結体の粉砕物、酸化物原料、水酸化物原料、炭酸塩原料等を用いることができる。 When TiO 2 and/or ZrO 2 are dissolved in the LAS-based crystal, various raw materials can be used as raw materials for introducing Ti and Zr. , oxide raw materials, hydroxide raw materials, carbonate raw materials, and the like can be used.

原料バッチの焼成は、電気炉、ガス炉等で行うことができる。原料バッチの焼成温度は、好ましくは1000~1450℃、特に1250~1400℃である。焼成温度が低過ぎると、セラミック粉末の析出結晶量が少なくなり易い。一方、焼成温度が高過ぎると、焼結体の一部がガラス化し、焼結体中にガラス相が残存し易くなる。また焼結体の焼結度が高くなるため、焼結体の粉砕が困難になる。原料バッチの焼成時間は15~40時間が好ましい。焼成時間が短過ぎると、セラミック粉末の析出結晶量が少なくなり易い。一方、焼成時間が長過ぎると、焼結体の焼結度が高くなるため、焼結体の粉砕が困難になる。 Firing of the raw material batch can be performed in an electric furnace, a gas furnace, or the like. The calcination temperature of the raw material batch is preferably 1000-1450°C, especially 1250-1400°C. If the firing temperature is too low, the amount of precipitated crystals in the ceramic powder tends to decrease. On the other hand, if the firing temperature is too high, part of the sintered body will be vitrified and the glass phase will tend to remain in the sintered body. Moreover, since the degree of sintering of the sintered body increases, it becomes difficult to pulverize the sintered body. The firing time of the raw material batch is preferably 15 to 40 hours. If the sintering time is too short, the amount of precipitated crystals in the ceramic powder tends to decrease. On the other hand, if the firing time is too long, the degree of sintering of the sintered body increases, making it difficult to pulverize the sintered body.

原料バッチは、ボールミル等を用いて、湿式で粉砕混合されることが好ましい。このようにすれば、原料バッチの均質性が向上するため、固相反応を促進することができる。 The raw material batch is preferably wet pulverized and mixed using a ball mill or the like. By doing so, the homogeneity of the raw material batch is improved, so that the solid-phase reaction can be promoted.

焼結体の粉砕は、ボールミル、ジョークラッシャー、ジェットミル、ディスクミル、スペクトロミル、グラインダー、ミキサーミル等で行うことができるが、ランニングコスト及び粉砕効率の観点から、ボールミルを用いて、湿式又は乾式で行うことが好ましい。焼結体の粉砕粒度は、析出した結晶粒子のサイズより小さいことが好ましく、また結晶粒子同士の粒界に実質的にマイクロクラックが含まれない程度に調整することが好ましい。このようにすれば、セラミック粉末の粒子径が小さくなるため、封着層の厚みが小さい気密パッケージに好適に適用可能になる。なお、セラミック粉末の平均粒子径D50が10μm未満になると、析出した結晶粒子同士の粒界に実質的にマイクロクラックが含まれない状態になる。 The pulverization of the sintered body can be performed with a ball mill, jaw crusher, jet mill, disc mill, spectromill, grinder, mixer mill, etc. However, from the viewpoint of running cost and pulverization efficiency, a ball mill may be used in a wet or dry process. It is preferable to use The pulverized grain size of the sintered body is preferably smaller than the size of the precipitated crystal grains, and is preferably adjusted to such an extent that grain boundaries between crystal grains do not substantially contain microcracks. By doing so, the particle size of the ceramic powder becomes small, so that it can be suitably applied to an airtight package having a thin sealing layer. When the average particle diameter D50 of the ceramic powder is less than 10 μm, the grain boundaries between the precipitated crystal grains are substantially free of microcracks.

焼結体を粉砕した後、必要に応じて、篩分級又は空気分級を行い、粒子径を調整することが好ましい。 After pulverizing the sintered body, it is preferable to perform sieve classification or air classification as necessary to adjust the particle size.

以下、実施例に基づいて、本発明を詳細に説明する。なお、以下の実施例は単なる例示である。本発明は、以下の実施例に何ら限定されない。 The present invention will be described in detail below based on examples. It should be noted that the following examples are merely illustrative. The present invention is by no means limited to the following examples.

(予備焼結体の粉砕物の作製)
表1に記載の原料を内容積3.6Lのアルミナ製ポットに入れて、湿式で12時間粉砕混合し、原料バッチを作製した。なお、粉砕混合に当たり、粉砕ボールとしてφ3.0mm、3000gのジルコニア、分散媒として600mlのアルコールを使用した。
(Preparation of pulverized pre-sintered body)
The raw materials shown in Table 1 were placed in an alumina pot having an internal volume of 3.6 L, and wet pulverized and mixed for 12 hours to prepare a raw material batch. For the pulverization and mixing, 3000 g of zirconia with a diameter of 3.0 mm was used as a pulverizing ball, and 600 ml of alcohol was used as a dispersion medium.

Figure 0007148877000001
Figure 0007148877000001

次に、原料バッチを乾燥、解砕し、電気炉にて800℃で8時間保持した後、1350℃で16時間焼成した。なお、室温から800℃までの昇温速度を5℃/分、800℃から1350℃までの昇温速度を1℃/分、1350℃からの降温速度を1℃/分とした。 Next, the raw material batch was dried, pulverized, held in an electric furnace at 800° C. for 8 hours, and then fired at 1350° C. for 16 hours. The rate of temperature increase from room temperature to 800° C. was 5° C./min, the rate of temperature increase from 800° C. to 1350° C. was 1° C./min, and the rate of temperature drop from 1350° C. was 1° C./min.

更に、乾式粉砕及び湿式粉砕にて、得られた焼結体を平均粒子径D50=1.0μmになるまで粉砕し、予備焼結体の粉砕物を作製した。 Furthermore, by dry pulverization and wet pulverization, the obtained sintered body was pulverized to an average particle diameter D 50 of 1.0 μm to prepare a pre-sintered pulverized product.

(セラミック粉末の作製)
表2に記載の原料バッチを内容積3.6Lのアルミナ製ポットに入れて、湿式で12時間粉砕混合した。なお、粉砕混合に当たり、粉砕ボールとしてφ3.0mm、3000gのジルコニア、分散媒として600mlのアルコールを使用した。
(Production of ceramic powder)
The raw material batches shown in Table 2 were placed in an alumina pot having an internal volume of 3.6 L, and wet pulverized and mixed for 12 hours. For the pulverization and mixing, 3000 g of zirconia with a diameter of 3.0 mm was used as a pulverizing ball, and 600 ml of alcohol was used as a dispersion medium.

Figure 0007148877000002
Figure 0007148877000002

次に、原料バッチを乾燥、解砕し、電気炉にて800℃で8時間保持した後、1350℃で16時間焼成した。なお、室温から800℃までの昇温速度を5℃/分、800℃から1350℃までの昇温速度を1℃/分、1350℃からの降温速度を1℃/分とした。 Next, the raw material batch was dried, pulverized, held in an electric furnace at 800° C. for 8 hours, and then fired at 1350° C. for 16 hours. The rate of temperature increase from room temperature to 800° C. was 5° C./min, the rate of temperature increase from 800° C. to 1350° C. was 1° C./min, and the rate of temperature drop from 1350° C. was 1° C./min.

更に、乾式粉砕及び湿式粉砕にて、得られた焼結体を平均粒子径D50=1.0μmになるまで粉砕し、試料No.1~3を得た。試料No.1~3の組成を表3に示す。なお、試料No.1、2の主結晶はβ-ユークリプタイトであり、試料No.3の主結晶はβ-スポジュメン固溶体であった。 Furthermore, by dry pulverization and wet pulverization, the obtained sintered body was pulverized to an average particle diameter D 50 of 1.0 μm. 1-3 were obtained. Sample no. The compositions of 1 to 3 are shown in Table 3. In addition, sample no. The main crystals of samples Nos. 1 and 2 are β-eucryptite. The main crystal of 3 was β-spodumene solid solution.

Figure 0007148877000003
Figure 0007148877000003

(Bi系ガラス粉末の作製)
ガラス組成として、モル%で、Bi 36%、B 28%、ZnO 4%、BaO 4%、CuO 25%、Fe 1%、Al 1%を含有するガラス粉末が得られるように、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1000~1100℃で2時間溶融した。次に、得られた溶融ガラスを水冷ローラーにより薄片状に成形した。最後に、薄片状のガラスをボールミルにて粉砕後、空気分級し、Bi系ガラス粉末を得た。なお、Bi系ガラス粉末の平均粒子径D50は2.5μm、最大粒子径Dmaxは10μm、30~300℃における熱膨張係数は104×10-7/℃であった。
(Preparation of Bi 2 O 3 -based glass powder)
The glass composition contains 36% Bi 2 O 3 , 28% B 2 O 3 , 4% ZnO, 4% BaO, 25% CuO, 1% Fe 2 O 3 and 1% Al 2 O 3 in mol %. In order to obtain glass powder, a glass batch was prepared by mixing raw materials such as various oxides and carbonates. Next, the obtained molten glass was formed into flakes using a water-cooled roller. Finally, the flaky glass was pulverized with a ball mill and then air-classified to obtain a Bi 2 O 3 -based glass powder. The Bi 2 O 3 -based glass powder had an average particle diameter D50 of 2.5 μm, a maximum particle diameter D max of 10 μm, and a thermal expansion coefficient of 104×10 −7 /°C at 30 to 300°C.

(封着材料の作製)
上記Bi系ガラス粉末と表3に記載のセラミック粉末を体積比で75:25になるように混合し、封着材料を得た。
(Production of sealing material)
The Bi 2 O 3 -based glass powder and the ceramic powder shown in Table 3 were mixed at a volume ratio of 75:25 to obtain a sealing material.

得られた封着材料を500℃で焼成することにより、緻密な焼成体を得た後、この焼成体を所定形状に加工して、TMA(押棒式熱膨張係数測定)用の測定試料を作製した。この測定試料を用いて、30~300℃の温度範囲でTMAを行った。得られた封着材料の熱膨張係数に基づき、表3に記載のセラミック粉末の熱膨張係数αを算出した。 The resulting sealing material is sintered at 500° C. to obtain a dense sintered body, and then the sintered body is processed into a predetermined shape to prepare a measurement sample for TMA (push bar type thermal expansion coefficient measurement). did. Using this measurement sample, TMA was performed in the temperature range of 30 to 300°C. The coefficient of thermal expansion α of the ceramic powder shown in Table 3 was calculated based on the coefficient of thermal expansion of the obtained sealing material.

図2は、表2、3に記載の試料No.1(粉砕前)の電子顕微鏡写真である。図3は、表2、3に記載の試料No.1(粉砕後)の電子顕微鏡写真である。図4は、表2、3に記載の試料No.2(粉砕前)の電子顕微鏡写真である。図5は、表2、3に記載の試料No.2(粉砕後)の電子顕微鏡写真である。図2~5を見ると、試料No.1、2の粉砕前の結晶粒子のサイズは10μm程度であり、粉砕により、試料No.1、2の粒子径は結晶粒子のサイズより小さくなっていることが分かる。そして、試料No.1、2の結晶粒子同士の粒界にマイクロクラックが実質的に含まれないことも分かる。 FIG. 2 shows sample Nos. listed in Tables 2 and 3. 1 (before pulverization) is an electron micrograph. FIG. 3 shows sample Nos. listed in Tables 2 and 3. 1 (after pulverization) is an electron micrograph. FIG. 4 shows sample Nos. listed in Tables 2 and 3. 2 (before pulverization) is an electron micrograph. FIG. 5 shows sample Nos. listed in Tables 2 and 3. 2 (after pulverization) is an electron micrograph. 2-5, sample no. The size of the crystal grains of samples 1 and 2 before pulverization was about 10 μm, and the pulverization resulted in sample Nos. It can be seen that the particle diameters of 1 and 2 are smaller than the size of the crystal grains. And sample no. It can also be seen that substantially no microcracks are included in the grain boundaries between crystal grains 1 and 2.

表3から分かるように、試料No.1、2は、粒子径が小さいものの、負膨張であった。一方、試料No.3は、正膨張であった。 As can be seen from Table 3, sample no. Nos. 1 and 2 had a negative expansion although the particle size was small. On the other hand, sample no. 3 was positive expansion.

1 気密パッケージ
10 パッケージ基体
11 ガラス蓋
12 基部
13 枠部
14 内部素子
15 封着材料層
L レーザー光
1 airtight package 10 package base 11 glass lid 12 base 13 frame 14 internal element 15 sealing material layer L laser light

Claims (3)

ガラス粉末とセラミック粉末とを含有する封着材料において、ガラス粉末が、ガラス組成として、モル%で、Bi 28~60%、B 15~37%、ZnO 1~30%、CuO 10~40%含有し、且つ、セラミック粉末が、主結晶相として、β-ユークリプタイト又はβ-石英固溶体が析出しており、平均粒子径D50が20μm以下であり、且つ30~300℃における熱膨張係数が負であり、実質的にガラス相を含まず、組成中にTiO及び/又はZrOを合量で0.005~5モル%含むことを特徴とする封着材料。 In the sealing material containing the glass powder and the ceramic powder, the glass powder has, as a glass composition, Bi 2 O 3 28 to 60%, B 2 O 3 15 to 37%, ZnO 1 to 30% , The ceramic powder contains 10 to 40% CuO , has β-eucryptite or β-quartz solid solution precipitated as the main crystal phase, has an average particle diameter D50 of 20 μm or less, and is 30 to 300 A sealing material having a negative coefficient of thermal expansion at °C, substantially free of a glass phase, and containing 0.005 to 5 mol% of TiO 2 and/or ZrO 2 in total in its composition. セラミック粉末が、組成として、モル%でLiO 16~30%、Al 10~35%、SiO 30~68%を含有することを特徴とする請求項1に記載の封着材料。 2. The sealing material according to claim 1, wherein the ceramic powder contains 16 to 30% Li 2 O, 10 to 35% Al 2 O 3 and 30 to 68% SiO 2 in terms of mol %. . レーザー封着に用いることを特徴とする請求項1又は2に記載の封着材料。 3. The sealing material according to claim 1, which is used for laser sealing.
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