JPH0476337B2 - - Google Patents

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JPH0476337B2
JPH0476337B2 JP62501625A JP50162587A JPH0476337B2 JP H0476337 B2 JPH0476337 B2 JP H0476337B2 JP 62501625 A JP62501625 A JP 62501625A JP 50162587 A JP50162587 A JP 50162587A JP H0476337 B2 JPH0476337 B2 JP H0476337B2
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JP
Japan
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glass
oxide
weight
lead
mixture
Prior art date
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JP62501625A
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Japanese (ja)
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JPS63502583A (en
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Moorisu Ii Doyumusuniru
Reo Fuinkerusutain
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BI ERU ESU AI PATSUKEEJINGU MATERIARUZU Inc
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BI ERU ESU AI PATSUKEEJINGU MATERIARUZU Inc
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請求の範囲 1 酸化物を基準にして計算された重量%で以下
の成分を含有する低温融解ガラス組成物: (a)Pbo 30〜35%, (b)V2O5 30〜55%, (c)Bi2O3 0.1〜18%, (d)P2O5,Nb2O5,Ta2O5,または これらの組み合わせ 0.1〜10%, (e)ZnO,BaO,SrO,または これらの組み合わせ 0.1〜10%, ここで、(c)+(d)+(e)の合計の重量%は、0.3%
と20%の範囲内にあり、また(a)は部分的に25重量
%までを酸化セシウムで置き換え得るという条件
付きである。 2 前記組成物が以下のものでなる群から選択さ
れた少なくとも1つの添加剤を含有する、請求の
範囲第1項に記載の低温融解ガラス組成物: 3重量%までのCu2O 5重量%までのMoO3 3重量%までのAg2O 5重量%までのWO3 3重量%までのF 3 前記成分を以下の重量%で含有する、請求の
範囲第1項に記載の低温融解ガラス組成物: (a)Pbo 35〜45%, (b)V2O5 35〜45%, (c)Bi2O3 3〜8%, (d)ZnO 2〜7% (e)P2O5 0〜5%, (f)Nb2O5 0〜5%, (g)Ta2O5 0〜8%, ここで、(e)+(f)+(g)の合計の重量%は、0.1%
〜10%の範囲内にある。 4 熱膨張率が小さいセラミツクの微粒子状充填
剤が、混合物の重量を基準にして、約1〜50重量
%で混合された、請求の範囲第1項、第2項、ま
たは第3項に記載のガラス組成物。 5 前記充填剤がV族金属酸化物である、請求の
範囲第4項に記載のガラス組成物。 6 前記充填剤がニオブ含有酸化物、リン酸ジル
コニウム、または酸化タンタルである、請求の範
囲第4項に記載のガラス組成物。 7 前記充填剤が五酸化ニオブである、請求の範
囲第4項に記載のガラス組成物。 8 銀または金の粉末が、混合物を基準にして、
90重量%まで混合された、請求の範囲第1項、第
2項、第3項、第4項、第5項、第6項、または
第7項に記載のガラス組成物。 9 電子部品を溶封する際に用いられる製造物品
であつて、該製造物品は、酸化物を基準にして計
算された重量%で以下の成分を含有する低温融解
ガラス組成物のパターンを被覆された、金属、ガ
ラス、またはセラミツクの本体を含む: (a)PbO 30〜55%, (b)V2O5 30〜55%, (c)Bi2O3 0.1〜18%, (d)P2O5,Nb2O5,Ta2O5,または これらの組み合わせ 0.1〜10%, (e)ZnO,BaO,SrO,または これらの組み合わせ 0.1〜10%, ここで、(c)+(d)+(e)の合計の重量%は、0.3%
と20%の範囲内にあり、また(a)は部分的に25重量
%までを酸化セシウムで置き換え得るという条件
付きである。 10 前記低温融解ガラス組成物が以下のもので
なる群から選択された少なくとも1つの添加剤を
含有する、請求の範囲第9項に記載の製造物品: 3重量%までのCu2O 5重量%までのMoO3 3重量%までのAg2O 5重量%までのWO3 3重量%までのF 11 前記低温融解ガラス組成物が、前記成分を
以下の重量%で含有する、請求の範囲第9項に記
載の製造物品: (a)PbO 35〜45%, (b)V2O5 35〜45%, (c)Bi2O3 3〜 8%, (d)ZnO 2〜 7% (e)P2O5 0〜 5%, (f)Nb2O5 0〜 5%, (g)Ta2O5 0〜 8%, ここで、(e)+(f)+(g)の合計の重量%は、0.1%
〜10%の範囲内にある。 12 前記低温融解ガラス組成物が、さらに熱膨
張率の小さいセラミツクの微粒子状充填剤を、混
合物の重量を基準にして約1〜50重量%含有す
る、請求の範囲第9項、第10項、または第11
項に記載の製造物品。 13 前記充填剤がV族金属酸化物である、請求
の範囲第12項に記載の製造物品。 14 前記充填剤がニオブ含有酸化物、リン酸ジ
ルコニウム、または酸化タンタルである、請求の
範囲第12項に記載の製造物品。 15 前記充填剤が五酸化ニオブである、請求の
範囲第12項に記載の製造物品。 技術分野 本発明は新規な低温溶封ガラスに関する。本発
明は、特に非常に低温度で溶融するガラスに関す
る。該ガラスは、セラミツク充填剤が添加される
か、あるいは添加されず、アルミナおよびベリリ
アのような電子セラミツク部品を300℃領域で気
密封止し得る。 背景技術 本発明は、約300℃を越える溶封サイクルに耐
久性を有さないタイプの半導体素子、およびハイ
ブリツド回路をガラスで溶封する問題に取り組む
ものである。このような半導体素子には、例えば
ガリウムヒ素や多くの他の−族化合物(すな
わち、周期律表の族元素と族元素からなる化
合物)がある。 テレビ受像管や半導体セラミツクパツケージの
ようなセラミツクとガラスの構成部品を溶封し得
る市販のハンダガラスが、420〜500℃の温度領域
で有用であることは、当該技術分野でよく知られ
ている。これらのハンダガラスは、シリカおよび
アルミナとの組み合せで広範囲なガラス形成領域
を生じる鉛−ホウ素の酸化物二成分系から誘導さ
れる。 酸化鉛−酸化ホウ素の共晶は、13重量%の酸化
ホウ素と87重量%の酸化鉛を含有しており、この
ような二成分系では最も流動性の高いガラスであ
る。市販されているたいていのハンダガラスが誘
導される出発点である。ある特定の金属酸化物、
例えばシリカ、アルミナ、酸化スズおよび酸化バ
リウムをガラス溶融物に添加すると、得られたガ
ラスがより複合的になり、安定性と耐薬品性およ
び耐熱水性が向上する。 ホウ酸鉛ガラスは、膨張率の小さい微粒子状の
セラミツク充填剤を添加して溶封ガラス全体の線
熱膨張率を調整することによつて、過去20年間、
半導体パツケージ産業における機械的強度と気密
性に関する要求を満たすことに非常に成功してき
た。しかしながら、ホウ酸鉛ガラスやホウケイ酸
鉛ガラスを用いた場合には、固有の下限温度が存
在し、400〜420℃より低い温度における溶封を妨
げる。 ある種の先進の半導体素子(例えば、ガリウム
ヒ素)および関連する−族化合物多層半導体
素子(例えば、レーザーダイオード)の出現によ
つて、300℃またはそれ以下で処理することがで
き、かつ合衆国陸軍の仕様(MIL−SPECS 883)
をさらに満足し得る実用的な溶封ガラスが必要に
迫られている。 300℃またはそれ以下における溶封に実用的な
低温溶封ガラスを開発するために、従来から各種
の試みがなされているが、これらの試みは、可能
性のある材料の選択の余地が少ないために著しく
制限されていた。特に、期待されているのは、以
下の特性を一意的に兼ね備えたものである:融点
が低く、真の溶液となる金属酸化物の混合物であ
つて、ガラスを形成し(過冷却液体)、液相にお
ける粘度が低く、そして小さな線熱膨張率を有
し、ガラス相で安定であるような、金属酸化物の
混合物。 候補になり得るものとして、鉛−バナジウムの
酸化物二成分系があるが、この二成分系は、鉛−
ホウ素の酸化物共晶より低い温度で共晶を形成す
る。この系は、急速に冷却している間にガラスを
形成する傾向があるが、再加熱すると、あまりに
も急速に再結晶するために実用にはならない。 Dumesnilらは、米国特許第3408212号におい
て、多量のフツ化鉛を鉛−バナジウムの酸化物の
混合物に添加する効果を述べている。狭いガラス
形成領域が、PbO−PbF2−V2O5の三成分図の中
央に存在し、改善されたガラス寿命の安定性を有
することが見い出されている。これらの軟質ガラ
スは、線熱膨張率が非常に大きい(135〜155×
10-7/℃)が、実用的なガラスシール材と見なさ
れるガラス形態では十分に安定ではない。 MalmendierおよびSojka(米国特許第3837866
号)は、As2O3とAs2O5をPbO−V2O5共晶と、
Cs2O−V2O5共晶の両方に添加して、再結晶を早
期に防止し、安定なガラスを製造し得る組成領域
を拡大することを述べている。しかしながら、酸
化ヒ素を添加すると、得られたガラスの粘度が急
速に上昇する傾向があり、従つて300℃またはそ
れ以下で流動性を有する、安定なハンダガラスと
しての有用性を妨げる。 Dumesnilらは、米国特許第3650778号におい
て、10〜60重量%のZnO、13〜60重量%のV2O5
7.5〜13重量%のB2O3,および10〜25重量%の
P2O5,を含有する鉛非含有ガラス組成物を記載
している。 英国特許第1552648号は、50%までのリン酸ジ
ルコニウム(ZrO2・P2O5)粉末と混合したPbO
−V2O5−P2O5ガラス混合物を記載している。 Busdiecker(米国特許第3454408号)は、BaO
とZnOをバナジウム酸銅に添加して、膨張率の大
きな低温ハンダガラスを製造することを記載して
いる。彼は、本発明に必要であり、必須成分であ
るBi2O3を添加することは述べていない。この発
明は、Nb2O5とTa2O5のいずれについても言及し
ていないが、これらの両者は、本発明の溶封ガラ
スにおいて非常に望ましい成分である。 発明の開示 本発明は、鉛−バナジウムの酸化物二成分系
に、(i)酸化ビスマス;(ii)亜鉛,バリウム,または
ストロンチウムの酸化物;および(iii)リン,ニオ
ブ,またはタンタルの酸化物を共に添加すること
によつて、非常に流動性が高く安定なガラスを調
製し得る、という発見に基づいている。これら3
つの酸化物は、共に鉛とバナジウムの酸化物に添
加した場合、流動性で安定なガラスを形成する広
い領域を生じ、このような領域からは、低温溶封
材としての応用に非常に実用的な五成分ガラスが
得られる。 本発明の新規な低温溶融ガラス組成物は、酸化
物を基準にして計算された重量%で以下の成分を
含有する: (a)PbO 30〜35%, (b)V2O5 30〜55%, (c)Bi2O3 0.1〜18%, (d)P2O5,Nb2O5,Ta2O5,または これらの組み合わせ 0.1〜10%, (e)ZnO,BaO,SrO,または これらの組み合わせ 0.1〜10%, ここで、(c)+(d)+(e)の合計の重量%は、0.3%
と20%の範囲内にあり、また(a)は部分的に25重量
%までを酸化セシウムで置き換え得るという条件
付きである。 この新規なガラス組成物は、溶封温度が約300
℃であり、溶封時間とも短く、高温かつ高湿度
(85℃/85%相対温度)であるような環境下で優
れた耐熱衝撃性と高い耐薬品性を有する。 本発明の好ましいガラス組成物は、酸化物を基
準にして計算された重量%で実質的に以下の成分
からなる: (a)PbO 35〜45%, (b)V2O5 35〜45%, (c)Bi2O3 3〜8%, (d)ZnO 2〜7% (e)P2O5 0〜5%, (f)Nb2O5 0〜5%, (g)Ta2O5 0〜8%, ここで、(e)+(f)+(g)の合計の重量%は、0.1%
〜10%の範囲内にある。 上述の新規なガラス組成物に、熱膨張率が小さ
いセラミツクの微粒子状充填材、好ましくはV族
金属酸化物を、混合物を基準にして約1〜約50重
量%で混合した混合物は、本発明の別の様相であ
る。 上述の新規なガラス組成物またはガラス組成
物・充填材混合物に、銀または金の粉末を、混合
物全体を基準にして、90重量%まで混合した混合
物は、本発明の別の様相である。 族金属酸化物である充填材が約1〜約50重量
%で混合されたハンダガラスは、本発明のさらに
別の様相である。 本発明実施の様式 本発明のガラスを溶封材として用いる特定の応
用に依存して、添加剤または充填剤を、このガラ
スの基本的な五成分と組み合わせ得る。このよう
な添加剤の例として、酸化銅,酸化銀,およびフ
ツ素は、典型的に3重量%の量でガラス組成物中
に混合され、WO3およびMoO3は、典型的に5重
量%までの量でガラス組成物中に混合される。 このような量の酸化銅をガラス組成物に添加す
ると、金のような金属の表面とガラスとの接着性
が向上する。必要に応じて、酸化銀を添加して、
ガラスの流動性を向上させ得る。この組成物にフ
ツ素を添加すると、得られたガラスの線熱膨張率
が増大する。これにより、例えば軟鋼,銅,銅合
金,アルミニウム,およびアルミニウム合金のよ
うな熱膨張係数が大きい金属(熱膨張率>155×
10-7/℃)を溶封する際の使用に適した組成物が
与えられる。フツ素の存在によつてガラスの不安
定性が増大することを補償するために、酸化ビス
マスおよび/または五酸化ニオブの量を増加させ
得る。 微粒子状のセラミツク充填材は、本発明のガラ
ス粉末に、得られた溶封ガラス混合物の全体的な
熱膨張および熱収縮を調節する手段として添加し
得る。熱膨張率が小さいセラミツク充填材の量を
増加すると、溶封ガラスの線膨張率は相応して低
下するが、この低下は、実際にはガラス/充填剤
の体積比の1次関数である。このような充填材
は、通常、膨張率の小さいセラミツク,ガラスま
たは金属を溶封するのに適したガラスを製造する
ために用いられる。溶封ガラスの熱膨張率が、接
合されるべきセラミツク部品(例えば、アルミ
ナ,ベリリアまたはステアタイトの部品)と厳密
に適合することは、シールの接合部において応力
が存在しないように維持するのに決定的である。
これは熱サイクルおよび熱衝撃の極端な条件下で
強度および気密性を保証する。ガラスに第2の結
晶相が存在することは、ガラスシールが伸縮する
際に有利であることも知られている。微粒子状の
充填剤を添加することは、クラツクがガラス全体
に伝播するのを最小限に抑える。 鉛ハンダガラスと共に用いられる、従来の耐火
性ケイ酸塩(例えば、β−ユークリプタイト,ケ
イ酸ジルコニウム,ケイ酸亜鉛鉱,コージエライ
ト)およびチタン酸塩(例えば、チタン酸塩)を
用い得るが、本発明の低温溶封ガラスは、このよ
うな充填剤の表面を十分に湿潤させない。しかし
ながら、V族金属(P,As,Sb,V,Nb,Ta)
の酸化物から製造される耐火性充填材は、本発明
のガラスと完全に適合することができ、従来の充
填材に比較して優れた湿潤性を示し、そして優れ
たハーメチツクシールを提供することが見い出さ
れる。これらの新しいV族金属充填材は、本発明
のハンダガラス以外のハンダガラスにも有用であ
る。以下の表1には、この新しい部類の耐火性充
填材の例を、既知であれば線熱膨張率の値と共に
掲げる。
Claim 1: A low melting glass composition containing the following components in weight percent calculated on oxide: (a) Pbo 30-35%, (b) V 2 O 5 30-55%, ( c) Bi 2 O 3 0.1-18%, (d) P 2 O 5 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , or a combination thereof 0.1-10%, (e) ZnO, BaO, SrO, or these Combination 0.1-10%, where the total weight% of (c) + (d) + (e) is 0.3%
and 20%, with the proviso that (a) may be partially replaced by up to 25% by weight of cesium oxide. 2. A low melting glass composition according to claim 1, wherein the composition contains at least one additive selected from the group consisting of: up to 3% by weight of Cu 2 O 5% by weight. A low-melting glass composition according to claim 1 containing the following components by weight: MoO 3 up to 3 wt. % Ag 2 O up to 5 wt. % WO 3 up to 3 wt. % F 3 Materials: (a) Pbo 35-45%, (b) V 2 O 5 35-45%, (c) Bi 2 O 3 3-8%, (d) ZnO 2-7% (e) P 2 O 5 0-5%, (f) Nb 2 O 5 0-5%, (g) Ta 2 O 5 0-8%, where the total weight % of (e) + (f) + (g) is: 0.1%
Within the range of ~10%. 4. According to claim 1, 2, or 3, the ceramic particulate filler having a low coefficient of thermal expansion is mixed in an amount of about 1 to 50% by weight based on the weight of the mixture. glass composition. 5. The glass composition according to claim 4, wherein the filler is a Group V metal oxide. 6. The glass composition according to claim 4, wherein the filler is a niobium-containing oxide, zirconium phosphate, or tantalum oxide. 7. The glass composition according to claim 4, wherein the filler is niobium pentoxide. 8 Silver or gold powder, based on the mixture,
A glass composition according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, or 7, mixed up to 90% by weight. 9. An article of manufacture used in melt sealing electronic components, the article of manufacture being coated with a pattern of a low melting glass composition containing the following components in weight percentages calculated on an oxide basis: (a) PbO 30-55%, (b) V 2 O 5 30-55%, (c) Bi 2 O 3 0.1-18%, (d) P 2 O 5 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , or a combination of these 0.1 to 10%, (e) ZnO, BaO, SrO, or a combination of these 0.1 to 10%, where (c) + (d ) + (e) total weight% is 0.3%
and 20%, with the proviso that (a) may be partially replaced by up to 25% by weight of cesium oxide. 10. The article of manufacture of claim 9, wherein the low melting glass composition contains at least one additive selected from the group consisting of: up to 3% Cu 2 O 5% by weight. MoO 3 up to 3% Ag 2 O up to 5% WO 3 up to 3% F 11 The low melting glass composition contains the following components in weight %: Articles manufactured as described in paragraphs: (a) PbO 35-45%, (b) V 2 O 5 35-45%, (c) Bi 2 O 3 3-8%, (d) ZnO 2-7% (e )P 2 O 5 0-5%, (f) Nb 2 O 5 0-5%, (g) Ta 2 O 5 0-8%, where the sum of (e) + (f) + (g) Weight% is 0.1%
Within the range of ~10%. 12. Claims 9 and 10, wherein the low melting glass composition further contains about 1 to 50% by weight, based on the weight of the mixture, of a ceramic particulate filler having a low coefficient of thermal expansion. or the 11th
Articles of manufacture described in Section. 13. The article of manufacture of claim 12, wherein the filler is a Group V metal oxide. 14. The article of manufacture of claim 12, wherein the filler is a niobium-containing oxide, zirconium phosphate, or tantalum oxide. 15. The article of manufacture of claim 12, wherein the filler is niobium pentoxide. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a novel low temperature melting glass. The present invention particularly relates to glasses that melt at very low temperatures. The glass, with or without added ceramic fillers, can hermetically seal electronic ceramic components such as alumina and beryllia in the 300°C range. BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention addresses the problem of glass sealing semiconductor devices and hybrid circuits that do not withstand sealing cycles above about 300°C. Such semiconductor devices include, for example, gallium arsenide and many other group-group compounds (ie, compounds of group elements of the periodic table). It is well known in the art that commercially available solder glasses capable of sealing ceramic and glass components such as television picture tubes and semiconductor ceramic packages are useful in the temperature range of 420 to 500 degrees Celsius. . These solder glasses are derived from lead-boron oxide binary systems that in combination with silica and alumina produce extensive glass-forming areas. The lead oxide-boron oxide eutectic contains 13% by weight boron oxide and 87% by weight lead oxide, and is the most fluid glass in such a binary system. It is the starting point from which most commercially available solder glasses are derived. certain metal oxides,
For example, the addition of silica, alumina, tin oxide and barium oxide to the glass melt makes the resulting glass more complex and improves its stability and resistance to chemicals and hot water. Lead borate glass has been developed over the past 20 years by adding fine-particle ceramic filler with a small expansion coefficient to adjust the linear thermal expansion coefficient of the entire fused glass.
It has been very successful in meeting the requirements for mechanical strength and hermeticity in the semiconductor packaging industry. However, when lead borate glass or lead borosilicate glass is used, there is a specific lower temperature limit, which prevents sealing at temperatures lower than 400 to 420°C. With the advent of certain advanced semiconductor devices (e.g., gallium arsenide) and related compound multilayer semiconductor devices (e.g., laser diodes), which can be processed at or below 300°C and Specifications (MIL-SPECS 883)
There is an urgent need for a practical melt-sealed glass that can further satisfy the following requirements. Various attempts have been made to develop low-temperature melting glasses that are practical for melting at temperatures of 300°C or lower, but these attempts have been limited due to the limited selection of possible materials. was severely limited. In particular, what is expected are mixtures of metal oxides with a unique combination of the following properties: low melting points, true solutions, forming glasses (supercooled liquids); A mixture of metal oxides that has a low viscosity in the liquid phase and a small coefficient of linear thermal expansion and is stable in the glass phase. A possible candidate is a lead-vanadium oxide binary system;
Forms a eutectic at a lower temperature than the boron oxide eutectic. This system tends to form a glass during rapid cooling, but upon reheating, it recrystallizes too quickly to be practical. Dumesnil et al., in U.S. Pat. No. 3,408,212, describe the effect of adding large amounts of lead fluoride to a lead-vanadium oxide mixture. A narrow glass-forming region is found to exist in the center of the PbO- PbF2 - V2O5 ternary diagram with improved glass lifetime stability. These soft glasses have a very large coefficient of linear thermal expansion (135-155×
10 -7 /°C), but is not stable enough in glass form to be considered a practical glass sealant. Malmendier and Sojka (U.S. Patent No. 3837866)
), As 2 O 3 and As 2 O 5 are combined with PbO−V 2 O 5 eutectic,
It is stated that Cs 2 O−V 2 O 5 is added to both eutectics to prevent recrystallization at an early stage and to expand the compositional range in which stable glass can be produced. However, the addition of arsenic oxide tends to rapidly increase the viscosity of the resulting glass, thus precluding its usefulness as a stable solder glass with flowability at or below 300°C. Dumesnil et al., in U.S. Pat . No. 3,650,778, described 10 to 60 wt.
7.5-13 wt% B2O3 , and 10-25 wt%
A lead-free glass composition containing P 2 O 5 is described. British Patent No. 1552648 describes PbO mixed with up to 50% zirconium phosphate (ZrO 2 P 2 O 5 ) powder.
-V2O5 - P2O5 glass mixtures are described . Busdiecker (U.S. Patent No. 3,454,408)
The paper describes the production of low-temperature solder glass with a large expansion coefficient by adding ZnO to copper vanadate. He did not mention adding Bi 2 O 3 , which is a necessary and essential component of the present invention. Although this invention does not mention either Nb 2 O 5 or Ta 2 O 5 , both of these are highly desirable components in the melt-sealed glass of the present invention. DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention provides a lead-vanadium oxide binary system containing (i) bismuth oxide; (ii) an oxide of zinc, barium, or strontium; and (iii) an oxide of phosphorus, niobium, or tantalum. It is based on the discovery that very fluid and stable glasses can be prepared by adding together These 3
The two oxides, when added together to the oxides of lead and vanadium, yield a large region that forms a free-flowing and stable glass, which makes them very practical for applications as low-temperature sealants. A five-component glass is obtained. The novel low melting glass composition of the present invention contains the following components in weight percent calculated on oxides: (a) PbO 30-35%, (b) V2O5 30-55 %, (c) Bi 2 O 3 0.1-18%, (d) P 2 O 5 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , or a combination thereof 0.1-10%, (e) ZnO, BaO, SrO, or a combination of these 0.1-10%, where the total weight% of (c) + (d) + (e) is 0.3%
and 20%, with the proviso that (a) may be partially replaced by up to 25% by weight of cesium oxide. This new glass composition has a melting temperature of approximately 300
℃, has a short melting time, and has excellent thermal shock resistance and high chemical resistance under high temperature and high humidity environments (85℃/85% relative temperature). Preferred glass compositions of the invention consist essentially of the following components in weight percent calculated on oxide: (a) 35-45% PbO, (b) 35-45 % V2O5 . , (c) Bi 2 O 3 3-8%, (d) ZnO 2-7%, (e) P 2 O 5 0-5%, (f) Nb 2 O 5 0-5%, (g) Ta 2 O 5 0-8%, where the total weight percent of (e) + (f) + (g) is 0.1%
Within the range of ~10%. A mixture of the novel glass composition described above with a ceramic particulate filler having a low coefficient of thermal expansion, preferably a Group V metal oxide, in an amount of from about 1 to about 50% by weight, based on the mixture, is provided by the present invention. This is another aspect of A mixture of the novel glass composition or glass composition/filler mixture described above with up to 90% by weight of silver or gold powder, based on the total mixture, is another aspect of the invention. Solder glasses mixed with about 1 to about 50 weight percent fillers that are group metal oxides are yet another aspect of the invention. Modes of Carrying Out the Invention Depending on the particular application in which the glass of the invention is used as a sealant, additives or fillers may be combined with the five basic components of the glass. As examples of such additives, copper oxide, silver oxide, and fluorine are typically mixed into the glass composition in an amount of 3% by weight, and WO3 and MoO3 are typically mixed in an amount of 5% by weight. mixed into the glass composition in amounts up to Adding such amounts of copper oxide to a glass composition improves the adhesion between the glass and the surface of a metal such as gold. If necessary, add silver oxide,
It can improve the fluidity of glass. Adding fluorine to this composition increases the coefficient of linear thermal expansion of the resulting glass. This allows for metals with high thermal expansion coefficients such as mild steel, copper, copper alloys, aluminum, and aluminum alloys (thermal expansion coefficient > 155×
10 -7 /°C) is provided. The amount of bismuth oxide and/or niobium pentoxide may be increased to compensate for the increased instability of the glass due to the presence of fluorine. Particulate ceramic fillers may be added to the glass powder of the present invention as a means of controlling the overall thermal expansion and contraction of the resulting fused glass mixture. Increasing the amount of ceramic filler with a low coefficient of thermal expansion causes a corresponding decrease in the coefficient of linear expansion of the fused glass, but this decrease is actually a linear function of the glass/filler volume ratio. Such fillers are typically used to produce glasses suitable for sealing low expansion ceramics, glasses or metals. A close match of the coefficient of thermal expansion of the fused glass to the ceramic parts to be joined (e.g., alumina, beryllia or steatite parts) is essential to maintain the absence of stress at the seal joint. Decisive.
This ensures strength and tightness under extreme conditions of thermal cycling and thermal shock. It is also known that the presence of a second crystalline phase in the glass is advantageous when the glass seal expands and contracts. Adding particulate filler minimizes the propagation of cracks throughout the glass. Conventional refractory silicates (e.g., β-eucryptite, zirconium silicate, zinc silicate, cordierite) and titanates (e.g., titanates) used with lead solder glasses may be used; The low-temperature sealing glass of the present invention does not sufficiently wet the surface of such fillers. However, group V metals (P, As, Sb, V, Nb, Ta)
Refractory fillers made from oxides of the invention can be perfectly compatible with the glasses of the invention, exhibit superior wetting properties compared to conventional fillers, and provide excellent hermetic seals. It is found that These new Group V metal fillers are also useful in solder glasses other than the solder glasses of the present invention. Table 1 below lists examples of this new class of refractory fillers, along with values for the coefficient of linear thermal expansion, if known.

【表】【table】

【表】 表1に例示されているように、“V族金属酸化
物”という用語は、V族金属と酸素を含有し、他
の金属を含むかまたは含まない化合物を表す。こ
の新しい部類の充填材のうち、五酸化ニオブが好
ましい(線熱膨張率は、ほぼ零である)。放射能
レベルが非常に低いもの(α線の放射線量<0.1
カウント/cm2/時)が市販されており、シリコン
メモリーチツプのような放射線に対して感受性を
有する半導体素子を外装するため非常に望まし
い。他のニオブ含有酸化物、例えばニオブ酸鉛チ
タンおよびニオブ酸鉛ビスマスチタンも優れた充
填材である。 充填材は、従来のタイプであつても新しいV族
酸化物タイプであつても、典型的には混合物に基
づいて1〜50重量%の範囲の量でガラス組成物と
混合される。これらの混合物は、ガラス破片と耐
火性粉末をボールミルに入れ、従来の方法で粉砕
し、大部分の成分を均一に混合された微細な粒子
とすることによつて調製される。 得られたガラスの耐火性混合物は、それ自体を
製作品に塗布するか、あるいは有機溶剤と混合し
てペーストを形成させ、製作品を被覆するために
用い得る。次いで、この製作品を加熱してガラス
を溶融させ、シール被覆を作る。有機溶剤は、好
ましくは150〜220℃の範囲内で沸騰する合成溶
媒、例えばブチルカルビトール,酢酸カルビトー
ル,または類似の溶媒である。 銀または金のような金属粉末充填材は、半導体
チツプを外装する際にダイを接着する応用に対し
て、本発明のガラス粉末と、混合物を基準にして
90重量%まで、通常は70〜80重量%の量で混合さ
れ得る。金属−ガラス混合物は、上述のような有
機溶剤と処方することによつて、ダイに塗布する
ためのペーストにし得る。上述のような耐火性充
填材は、金属−ガラス混合物に添加して、電子部
品と、金属、ガラス、またはセラミツク基板との
間の結合境界面における応力を制御し得る。 ガラス組成物中の酸化鉛が部分的に25重量%ま
で酸化セシウムで置き換え得ることも見い出され
ている。このような置き換えは、ガラスをより流
動性にするために行い得る。 本発明のこれらのガラス、およびガラス−充填
剤混合物の使用における第1の目的は、300℃領
域の低い溶封ガラス温度であるが、より高い温度
を必要とする特殊な応用もあり得ることを理解す
べきである。従つて、温度に上限がないことは、
本発明のガラス材料の応用に固有のものである。 酸化第二銅,酸化第一銅,リサージ(Pb3O4),
二酸化鉛(PbO2)、または本出願で述べる組成物
における酸化物のいかなる化学的前駆体も、ガラ
スを処方するために用い得ることは、ガラス製造
分野における当業者が容易に理解し得ることであ
る。従つて、五酸化リンも、リン酸鉛,リン酸ビ
スマス,またはリン酸亜鉛のような不揮発性の形
でガラスバツチ中に混合し得る。同様に、フツ素
はフツ化亜鉛またはフツ化鉛としてガラスバツチ
中に混合し得る。 必要に応じて、他の通常のガラス添加剤をガラ
スの処方に全重量の5%より少ない量で追加し得
る。これらは、TiO2,SnO2,CdO,TeO2
As2O3,B2O3,Sb2O3,FeO,および他の遷移金
属酸化物,酸化セリウム,および他の希土類酸化
物である。 本発明の溶封ガラスは、金属,ガラス,または
セラミツクの部品上に、約100〜700ミクロンの範
囲の厚さで被覆される。これらの金属,ガラス,
またはセラミツクの部品は、通常、一辺が約6〜
25mmの範囲の正方形または長方形で、厚さが200
〜2500ミクロンの平板状、あるいは凹所を有する
立体の形で製造される。表面全体または同縁部の
溶封ガラスのパターン(被覆)は、印刷およびグ
レージングによつて形成される。これらの部品
は、サイド−ブレイズド(side−brazed)パツケ
ージ,チツプキヤリア,およびピングリツドアレ
イとして商業的に知られている、電子部品のセラ
ミツクパツケージ、および金属パツケージによ
り、低温で封止し得る。 以下の実施例は、本発明の溶封ガラスの調製お
よび組成を記述する。これらの実施例は、本発明
をいかなる様式にも限定することを意図したもの
ではない。 実施例 1 基本ガラスは、250gの酸化鉛、250gの五酸化
バナジウム、24gの酸化亜鉛、61.5gのリン酸ア
ンモニウム、および30gの三酸化ビスマスを混合
することによつて調製した。この混合物を磁製る
つぼ中で700℃にて20分間加熱した後、溶融物を
冷たい鋼製圧延機に注いで通し、続いて粉砕する
ことを容易にした。得られたガラス破片は、重量
%で以下のような組成を有した: PbO 43.5% V2O5 43.5% ZnO 4.2% P2O5 3.6% Bi2O3 5.2% このガラスの線熱膨張率(25℃〜200℃)は106
×10-7/℃であり、DTA(示差熱分析)による軟
化点は225℃である。このガラスは、高倍率の顕
微鏡(400×)下で観察されるように、280℃にて
アルミナと化学結合を形成する。 実施例 2 基本ガラスは、250gの酸化鉛、250gの酸化バ
ナジウム、24gの酸化亜鉛、61.5gのリン酸アン
モニウム、30gの酸化ビスマス、および2gの酸
化第一銅を混合することによつて調製した。この
混合物を磁製るつぼ中で700℃にて数分間加熱し
た後、溶融物を冷たい鋼製圧延機に注いで通し、
続いて粉砕することを容易にするためにガラス破
片を形成させた。得られたガラス破片は、重量%
で以下のような組成を有した: PbO 43.3% V2O5 43.3% ZnO 4.2% P2O5 3.7% Bi2O3 5.2% Cu2O 0.35% このガラスの線熱膨張率(25℃〜200℃)は102
×10-7/℃であり、DTAによる軟化点は220℃で
ある。 本発明の溶封ガラスに関する他の実例は、実施
例1および2に記載した手順に従つて調製した。
これらの他の実例(D,E,F,G,およびHと
呼ぶ)は、比較例のガラス組成物(A,B,およ
びCと呼ぶ)と共に以下の表2に示す。これら比
較例のガラス組成物は、本発明のガラスにおける
5つの必須成分のうちの1またはそれ以上を欠い
ている。
TABLE As illustrated in Table 1, the term "Group V metal oxide" refers to a compound containing a Group V metal and oxygen, with or without other metals. Of this new class of fillers, niobium pentoxide is preferred (its coefficient of linear thermal expansion is approximately zero). Items with very low radioactivity levels (alpha radiation dose <0.1
(counts/cm 2 /hour) are commercially available and are highly desirable for packaging semiconductor devices sensitive to radiation, such as silicon memory chips. Other niobium-containing oxides, such as lead titanium niobate and lead bismuth titanium niobate, are also excellent fillers. Fillers, whether conventional or new Group V oxide types, are typically mixed with the glass composition in amounts ranging from 1 to 50% by weight based on the mixture. These mixtures are prepared by placing the glass shards and refractory powder in a ball mill and grinding in a conventional manner to obtain fine particles that are homogeneously mixed with the majority of the ingredients. The resulting glass refractory mixture can be applied to a workpiece by itself or mixed with an organic solvent to form a paste and used to coat a workpiece. The workpiece is then heated to melt the glass and create a seal coating. The organic solvent is preferably a synthetic solvent boiling in the range 150-220°C, such as butyl carbitol, carbitol acetate, or similar solvents. Metal powder fillers such as silver or gold can be used on the basis of the glass powder of the present invention and mixtures for die bonding applications in packaging semiconductor chips.
It can be mixed in amounts up to 90% by weight, usually 70-80% by weight. The metal-glass mixture can be made into a paste for application to a die by formulating with an organic solvent as described above. Refractory fillers, such as those described above, may be added to metal-glass mixtures to control stress at the bond interface between an electronic component and a metal, glass, or ceramic substrate. It has also been found that lead oxide in glass compositions can be partially replaced by up to 25% by weight of cesium oxide. Such substitutions may be made to make the glass more fluid. Although the primary objective in the use of these glasses and glass-filler mixtures of the present invention is low fused glass temperatures in the 300°C range, it is recognized that there may be special applications requiring higher temperatures. You should understand. Therefore, the fact that there is no upper limit on temperature means that
This is unique to the application of the glass material of the present invention. Cupric oxide, cuprous oxide, litharge (Pb 3 O 4 ),
It will be readily appreciated by those skilled in the art of glass manufacturing that lead dioxide (PbO 2 ), or any chemical precursor of the oxide in the compositions described in this application, may be used to formulate the glass. be. Thus, phosphorus pentoxide may also be mixed into the glass batch in a non-volatile form such as lead phosphate, bismuth phosphate, or zinc phosphate. Similarly, fluorine can be mixed into the glass batch as zinc fluoride or lead fluoride. If desired, other conventional glass additives may be added to the glass formulation in amounts less than 5% of the total weight. These include TiO 2 , SnO 2 , CdO, TeO 2 ,
As 2 O 3 , B 2 O 3 , Sb 2 O 3 , FeO, and other transition metal oxides, cerium oxide, and other rare earth oxides. The fused glass of the present invention is coated onto metal, glass, or ceramic components to a thickness ranging from about 100 to 700 microns. These metals, glass,
Or ceramic parts usually have a side of about 6~
Square or rectangular in the range of 25mm with a thickness of 200
It is manufactured in the form of a flat plate of ~2500 microns or a three-dimensional shape with a recess. The pattern (coating) of the fused glass on the entire surface or on the same edge is formed by printing and glazing. These components may be encapsulated at low temperatures by ceramic and metal packaging of electronic components, commercially known as side-brazed packages, chip carriers, and pin grid arrays. The following examples describe the preparation and composition of the fused glass of the present invention. These examples are not intended to limit the invention in any way. Example 1 A base glass was prepared by mixing 250 g lead oxide, 250 g vanadium pentoxide, 24 g zinc oxide, 61.5 g ammonium phosphate, and 30 g bismuth trioxide. After heating the mixture at 700° C. for 20 minutes in a porcelain crucible, the melt was poured through a cold steel rolling mill to facilitate subsequent milling. The glass fragments obtained had the following composition in weight percent: PbO 43.5% V 2 O 5 43.5% ZnO 4.2% P 2 O 5 3.6% Bi 2 O 3 5.2% Coefficient of linear thermal expansion of this glass (25℃~200℃) is 106
×10 -7 /°C, and the softening point according to DTA (differential thermal analysis) is 225°C. This glass forms chemical bonds with alumina at 280°C, as observed under a high magnification microscope (400x). Example 2 A base glass was prepared by mixing 250 g lead oxide, 250 g vanadium oxide, 24 g zinc oxide, 61.5 g ammonium phosphate, 30 g bismuth oxide, and 2 g cuprous oxide. . After heating this mixture in a porcelain crucible at 700°C for several minutes, the melt was poured into a cold steel rolling mill and passed through.
Glass shards were formed to facilitate subsequent shredding. The obtained glass shards are expressed in weight%
It had the following composition: PbO 43.3% V 2 O 5 43.3% ZnO 4.2% P 2 O 5 3.7% Bi 2 O 3 5.2% Cu 2 O 0.35% The coefficient of linear thermal expansion of this glass (25℃~ 200℃) is 102
×10 -7 /°C, and the softening point by DTA is 220°C. Other examples of melt-sealed glasses of the invention were prepared according to the procedures described in Examples 1 and 2.
These other examples (designated D, E, F, G, and H) are shown in Table 2 below, along with comparative glass compositions (designated A, B, and C). These comparative glass compositions lack one or more of the five essential components in the glasses of the invention.

【表】 表2において、実例Aは、酸化鉛と酸化バナジ
ウムからなる、最も低温で溶解する組成物を表す
(二成分共晶)。均質な溶融物の形態であるこの材
料は、700℃から室温に急激に冷却すると、不安
定なガラスを形成する。この材料を軟化点より高
い温度に再加熱すると、急速に再結晶が起こり、
溶封ガラスとして実用的でなくなる。ガラスBお
よびCは、それぞれ酸化ビスマスおよびリン/ニ
オブ/タンタルの酸化物を欠いており、同様に不
安定である。最初の酸化鉛と酸化バナジウムの溶
融物に亜鉛、リン、およびビスマスの酸化物を次
第に添加してゆくと、得られたガラスが増々より
安定になる。ガラスD,E,F,G,およびH
が、約320℃で保持された場合に長時間にわたつ
てガラス状態であり、非常に流動性であるような
程度まで安定になる。 上の表におけるガラスの安定性(またはガラス
の寿命)は、ガラス組成物が流動点またはそれよ
りわずかに高い温度で望ましい無定形および流動
相を保持する能力として定義される。実例D,
E,F,G,およびHでは、これらのガラスは
300℃にて最低10分間は流動性を維持している。
これとは対照的に、ガラスAは数秒以内にほとん
ど瞬間的に再結晶する。ZnO,Bi2O3,および
P2O5を共に添加すると、実用的な溶封ガラスに
要求される最低限のガラス寿命が得られることは
明らかであある。同様に、実例E,F,G,およ
びHから明らかなように、五酸化リンは、その一
部または全部を五酸化ニオブまたは五酸化タンタ
ルで置き換え得る。 さらに、安定なガラスの実例(I〜Nと呼ぶ)
を以下の表3に示す。表3から明らかなように、
溶封材としての応用に非常に適した軟質ガラス
は、酸化鉛と酸化バナジウムの混合物に、酸化ビ
スマス,酸化亜鉛,およびリン/ニオブ/タンタ
ルの五酸化物を共に添加することによつて製造し
得る。
[Table] In Table 2, Example A represents a composition consisting of lead oxide and vanadium oxide that melts at the lowest temperature (binary eutectic). This material, in the form of a homogeneous melt, forms an unstable glass when cooled rapidly from 700 °C to room temperature. When this material is reheated above its softening point, rapid recrystallization occurs;
It becomes impractical as a melt-sealed glass. Glasses B and C lack bismuth oxide and phosphorus/niobium/tantalum oxides, respectively, and are similarly unstable. As zinc, phosphorus, and bismuth oxides are gradually added to the initial lead oxide and vanadium oxide melt, the resulting glass becomes increasingly stable. Glass D, E, F, G, and H
becomes stable to the extent that it is glassy and very fluid for extended periods of time when held at about 320°C. Glass stability (or glass life) in the table above is defined as the ability of the glass composition to retain the desired amorphous and fluid phase at or slightly above the pour point. Example D,
In E, F, G, and H, these glasses
Remains fluid for at least 10 minutes at 300°C.
In contrast, Glass A recrystallizes almost instantaneously within a few seconds. ZnO, Bi 2 O 3 , and
It is clear that the co-addition of P 2 O 5 provides the minimum glass life required for a practical fused glass. Similarly, as is clear from Examples E, F, G, and H, phosphorus pentoxide may be partially or completely replaced with niobium pentoxide or tantalum pentoxide. Furthermore, examples of stable glasses (referred to as I to N)
are shown in Table 3 below. As is clear from Table 3,
A soft glass very suitable for application as a sealant is produced by adding bismuth oxide, zinc oxide, and phosphorus/niobium/tantalum pentoxide to a mixture of lead oxide and vanadium oxide. obtain.

【表】【table】

【表】 実施例 3 表3の実例Lに従つて調製したガラス破片をボ
ールミルで粉砕し、得られた粉末をメツシユ150
のふるいにかけた。この細かなガラス粉末は、ケ
イ酸ジルコニウム粉末を、混合物を基準にして、
20重量%で混合し、10重量%のブチルカルビトー
ル溶媒を用いてペーストにした。得られたペース
トを、あらかじめ酸化された銅合金を部品(少量
のケイ素を含有する銅合金)上にスクリーン印刷
し、乾燥させ、そして加熱して溶封ガラス材料を
溶融させた。溶融したガラス層の厚さは、200ミ
クロン程度であつた。 ガラス層を形成させた部品を裏返し、金属クリ
ツプの圧力によつて、そのままの状態で別の銅合
金製の超小型電子回路パツケージ上に取り付け
た。この構造物を1分間あたり75℃の割合で320
℃の最高温度まで5分間加熱し、次いで室温に冷
却して堅く強固なガラスシールを作製した。 この構造物は、まず漏洩試験を行い、次いで一
連の熱衝撃試験を行つた。この熱衝撃試験は、
MIL−SPECS 883、方法1014、条件Cと呼ばれ、
150〜−65℃の温度変化を15回繰り返す試験であ
る。このように試験したところ、この構造物は、
1×10-8c.c./sec Heより低いレベルの一定の気
密性を示した。これは本発明の溶封ガラスの著し
く強固な性質を示している。 実施例 4 表3のガラスLを粉砕して細かな粉末とし、75
重量%の銀の金属粉末と混合した。次いで、約10
重量%の酢酸ブチルカルビトール溶媒をこの粉末
混合物に添加して、ダイ接着ペーストを形成させ
た。このペーストをロールミルにかけて、十分に
分散した懸濁液を調製した後、この銀ガラスペー
ストの少量でセラミツクの表面を被覆した。次い
で、このペースト中にシリコン半導体チツプを埋
包した。調節して乾燥させた後、この構造物を約
300℃に徐々に加熱すると、シリコンチツプと基
板の間に強い結合が生じた。 実施例 5 表3のガラスLを20重量%の五酸化ニオブ粉末
と共に粉砕した。次いで、この混合物25gを75g
の銀粉末と混合した。実施例4と同様に処理する
と、銅合金、サフアイア、またはガラス基板との
非常に強い結合が生じた。 実施例 6 酸化亜鉛を酸化バリウムに置き換えることによ
つて、組成が実施例1と類似したガラスを調製し
た。安定性が良好なガラスが得られたが、実施例
1のガラスのような流動性は有さなかつた。酸化
亜鉛に代えて酸化ストロンチウムを用いて、同様
のガラスを調製したが、本質的に同様の結果が得
られた。これらの例から明らかなように、酸化ス
トロンチウムと酸化バリウムは酸化亜鉛の代わり
となり得るが、依然として酸化亜鉛が好ましい添
加剤である。 実施例 7 本発明の範囲内にある他の溶封ガラスを調製し
た。これらは表4に示す。これらのガラスは、
T,U,およびVと呼ばれ、酸化鉛が次第に酸化
セシウムで置き換えられており、従つて流動性が
増加している。
[Table] Example 3 Glass fragments prepared according to Example L in Table 3 were ground in a ball mill, and the resulting powder was milled on a mesh of 150
sifted. This fine glass powder is based on a mixture of zirconium silicate powder,
It was mixed at 20% by weight and made into a paste using 10% by weight butyl carbitol solvent. The resulting paste was screen printed with pre-oxidized copper alloy onto the part (copper alloy containing a small amount of silicon), dried and heated to melt the fused glass material. The thickness of the molten glass layer was approximately 200 microns. The part with the glass layer formed thereon was turned over and mounted intact onto another copper alloy microelectronic circuit package by the pressure of metal clips. This structure was heated at a rate of 320 degrees Celsius per minute.
It was heated to a maximum temperature of 0.degree. C. for 5 minutes and then cooled to room temperature to create a hard, strong glass seal. The structure was first leak tested and then subjected to a series of thermal shock tests. This thermal shock test
MIL-SPECS 883, Method 1014, referred to as Condition C,
This is a test in which temperature changes from 150 to -65°C are repeated 15 times. When tested in this way, this structure:
It showed a certain level of airtightness lower than 1×10 -8 cc/sec He. This shows the extremely strong properties of the melt-sealed glass of the present invention. Example 4 Glass L in Table 3 was crushed into a fine powder, and 75
% by weight of silver metal powder. Then about 10
A weight percent of butyl carbitol acetate solvent was added to this powder mixture to form a die attach paste. The paste was roll milled to form a well-dispersed suspension, and then a small amount of the silver glass paste was coated onto the ceramic surface. Next, a silicon semiconductor chip was embedded in this paste. After conditioning and drying, this structure is approximately
Gradual heating to 300°C created a strong bond between the silicon chip and the substrate. Example 5 Glass L from Table 3 was ground with 20% by weight of niobium pentoxide powder. Then, add 25g of this mixture to 75g
of silver powder. Processing as in Example 4 resulted in very strong bonding with copper alloy, sapphire, or glass substrates. Example 6 A glass similar in composition to Example 1 was prepared by replacing zinc oxide with barium oxide. Although a glass with good stability was obtained, it did not have fluidity like the glass of Example 1. Similar glasses were prepared using strontium oxide in place of zinc oxide with essentially similar results. As is clear from these examples, strontium oxide and barium oxide can be substituted for zinc oxide, but zinc oxide remains the preferred additive. Example 7 Other fused glasses within the scope of the present invention were prepared. These are shown in Table 4. These glasses are
Called T, U, and V, lead oxide is increasingly replaced by cesium oxide, thus increasing flowability.

【表】【table】

【表】 実施例 8 基本ガラスは、以下の成分を混合することによ
つて調節した: 250gの酸化物鉛 250gの酸化バナジウム 24gの酸化亜鉛 30gの三酸化ビスマス 10gの五酸化タンタル この混合物を磁製るつぼ中で700℃にて20分間
加熱した後、得られた溶融溶液を冷たい鋼製圧延
機に注いで通し、続いて粉砕することを容易にし
た。ガラス状の破片は、線熱膨張率が106×
10-7/℃(25〜200℃)であり、DTA軟化点が
225℃であることによつて特徴付けられる。得ら
れたガラス破片は、重量%で以下のような組成を
有する: PbO 44.3% V2O5 44.3% ZnO 4.3% Bi2O3 5.3% Ta2O5 1.8% このガラス破片に五酸化ニオブ(五酸化コルン
ビウムとしても知られている)の粉末を32重量%
(混合物を基準にして)で添加して、ボールミル
に数時間かけた。 ガラス/酸化ニオブ粉末の混合物は、少量の粉
末混合物をサフアイア(単結晶アルミナ)上で約
300℃にて数秒間溶融させることによつて試験し
た。得られたガラスを冷却して1時間後に調べた
ところ、ガラスが隆起した形跡はなく、ガラス/
サフアイアの境界面で生じる色の干渉も示さなか
つた。そして、このことは本発明の溶封ガラス混
合物がアルミナセラミツクの熱膨張率と完全に適
合することを表している。 ガラス/酸化ニオブ粉末充填剤の溶融混合物の
表面を詳しく調べると、酸化ニオブ粉末が溶融ガ
ラスによつて、著しくかつ急速に湿潤する傾向の
あることを示している。このような特性は、伝統
的なケイ酸塩やチタン酸塩の粉末では容易に得ら
れないものであり、従つて半導体セラミツク部品
にあらかじめガラス層を形成させる工程が非常に
容易となる。 溶封ガラス混合物は、約10重量%のブチルカル
ビトール溶媒を添加することによつて、ペースト
にした。得られたペーストは、ステンレス鋼の遮
蔽スクリーンを用いてアルミナの部品上にスクリ
ーン印刷した。この部品を十分に乾燥させ、ヒー
ターブロツク上で約290℃に加熱して溶融させ、
溶封ガラスのパターンをセラミツク表面に結合さ
せた。溶融ガラスのパターンの厚さは、200〜250
ミクロン程度であつた。 ガラス層を形成させたアルミナの部品を裏返
し、金属クリツプの圧力によつて、そのままの状
態で通常の超小型電子回路用の基材に取り付け
た。この構造物を1分間あたり75〜100℃の割合
で約330℃の最高温度まで5分間加熱し、次いで
室温に冷却して堅く強固なガラスシールを作製し
た。 この構造物は、まず漏洩試験を行い、次いで一
連の熱衝撃試験を行つた。この熱衝撃試験は、
MIL−SPECS 883、方法1014、条件Cと呼ばれ、
150〜−65℃の温度変化を15回繰り返す試験であ
る。このように試験したところ、この構造物は、
1×10-8c.c./sec Heより低いレベルの一定の気
密性を示した。 実施例 9 実施例8の基本ガラスを、1%のTiO2と共に
1150℃で焼結したPbO・Nb2O5粉末の30重量%と
混合する。このニオブ酸鉛材料は、25℃と500℃
の間で負の熱膨張率を有する。得られたガラス/
充填剤混合物をアルミナセラミツクの部品に被覆
すると、実施例8と同様の強度および気密性の結
果が得られる。 実施例 10 実施例8の基本ガラスを35%のリン酸ジルコニ
ウム(ZrO2・P2O5)と混合する。このリン酸ジ
ルコニウムの線熱膨張率は5×10-7/℃である。
得られたガラス/充填剤混合物をアルミナセラミ
ツクの部品に被覆すると、実施例8と同様の強度
および気密性の結果が得られる。 実施例 11 実施例8の基本ガラスを40〜50重量%のチタン
酸鉛(PbO・TiO2)と混合する。これらのチタ
ン酸鉛は、−60×10-7℃に等しい線膨張率を有し
ており、600〜800℃にて、それぞれ10重量%の
V2O5(膨張率=6.3×10-7/℃)、As2O5、および
Sb2O5と共に焼結されている。これら3つの粉末
は、実施例6に従つて試験された。これら3つの
粉末は、ガラスによつて容易に湿潤し、元のガラ
スの熱膨張率を実質的に低下させた。 実施例 12 Nb2O5に代えて45重量%のTa2O5粉末(膨張係
数=20×10-7/℃)ガラスに添加したこと以外
は、実施例8を繰り返した。強度および気密性は
実施例8で得られたものと同様であつた。 以下の実施例13〜17は、五酸化ニオブ、酸化タ
ンタル、およびV族元素から誘導される他の耐火
性充填剤の粉末と、本発明のハンダガラス以外の
ハンダガラスとの適合性を説明するものである。 実施例 13 一連のホウ酸鉛ガラスおよびホウケイ酸鉛ガラ
ス(以下の表5)を通常の方法で調製した。ガラ
スEが、より高い温度(1100℃)を必要としたこ
と以外は、これらの調製は、バツチ成分をプラチ
ナのるつぼ中で900℃にて30分間溶融させること
によつて行つた。溶融物をステンレス鋼製の圧延
機に注いで通して、ガラス破片を作製した。次い
で、これらのガラス破片をボールミルにかけてメ
ツシユ150のふるいにかけた。
Table Example 8 A basic glass was prepared by mixing the following ingredients: 250 g lead oxide 250 g vanadium oxide 24 g zinc oxide 30 g bismuth trioxide 10 g tantalum pentoxide This mixture was After heating at 700° C. for 20 minutes in a crucible, the resulting molten solution was poured through a cold steel rolling mill to facilitate subsequent milling. Glass-like fragments have a coefficient of linear thermal expansion of 106×
10 -7 /℃ (25~200℃), and the DTA softening point is
It is characterized by a temperature of 225°C. The resulting glass shards have the following composition in weight percent: PbO 44.3% V 2 O 5 44.3% ZnO 4.3% Bi 2 O 3 5.3% Ta 2 O 5 1.8% Niobium pentoxide ( 32% by weight powder of columbium pentoxide)
(based on the mixture) and ball milled for several hours. The glass/niobium oxide powder mixture is prepared by depositing a small amount of the powder mixture on saphire (single crystal alumina) at approx.
Tested by melting for a few seconds at 300°C. When the resulting glass was cooled and examined one hour later, there was no evidence of any ridges on the glass.
There was also no evidence of color interference occurring at the saphire interface. This indicates that the fused glass mixture of the present invention perfectly matches the coefficient of thermal expansion of alumina ceramic. Close inspection of the surface of the glass/niobium oxide powder filler molten mixture shows that the niobium oxide powder tends to be significantly and rapidly wetted by the molten glass. Such properties are not easily obtained with traditional silicate and titanate powders and therefore greatly facilitate the process of pre-forming glass layers on semiconductor ceramic parts. The fused glass mixture was made into a paste by adding about 10% by weight of butyl carbitol solvent. The resulting paste was screen printed onto alumina parts using a stainless steel shielding screen. Dry this part thoroughly and heat it to about 290℃ on a heater block to melt it.
A pattern of fused glass was bonded to the ceramic surface. The thickness of the molten glass pattern is 200~250
It was about microns in size. The glass-coated alumina component was turned over and attached intact to a typical microelectronic circuit substrate using the pressure of a metal clip. The structure was heated at a rate of 75-100°C per minute to a maximum temperature of about 330°C for 5 minutes and then cooled to room temperature to create a tight, strong glass seal. The structure was first leak tested and then subjected to a series of thermal shock tests. This thermal shock test
MIL-SPECS 883, Method 1014, referred to as Condition C,
This is a test in which temperature changes from 150 to -65°C are repeated 15 times. When tested in this way, this structure:
It showed a certain level of airtightness lower than 1×10 -8 cc/sec He. Example 9 The basic glass of Example 8 with 1% TiO2
Mix with 30% by weight of PbO.Nb2O5 powder sintered at 1150℃. This lead niobate material can be used at 25℃ and 500℃
It has a negative coefficient of thermal expansion between . Obtained glass/
Coating the filler mixture onto alumina ceramic parts provides strength and tightness results similar to Example 8. Example 10 The basic glass of Example 8 is mixed with 35% zirconium phosphate (ZrO 2 .P 2 O 5 ). The coefficient of linear thermal expansion of this zirconium phosphate is 5×10 -7 /°C.
When the resulting glass/filler mixture is coated onto alumina ceramic parts, similar strength and tightness results as in Example 8 are obtained. Example 11 The basic glass of Example 8 is mixed with 40-50% by weight of lead titanate (PbO.TiO2 ) . These lead titanates have a coefficient of linear expansion equal to -60 × 10 -7 °C, and at 600 to 800 °C, 10% by weight each
V 2 O 5 (expansion rate = 6.3×10 -7 /℃), As 2 O 5 , and
Sintered with Sb 2 O 5 . These three powders were tested according to Example 6. These three powders were easily wetted by the glass and substantially reduced the coefficient of thermal expansion of the original glass. Example 12 Example 8 was repeated, except that instead of Nb 2 O 5 45% by weight of Ta 2 O 5 powder (expansion coefficient = 20×10 −7 /° C.) was added to the glass. The strength and tightness were similar to those obtained in Example 8. Examples 13-17 below illustrate the compatibility of powders of niobium pentoxide, tantalum oxide, and other refractory fillers derived from Group V elements with solder glasses other than the solder glasses of the present invention. It is something. Example 13 A series of lead borate and lead borosilicate glasses (Table 5 below) were prepared in a conventional manner. These preparations were carried out by melting the batch components in a platinum crucible at 900°C for 30 minutes, except that Glass E required higher temperatures (1100°C). The melt was poured through a stainless steel rolling mill to produce glass shards. These glass fragments were then ball milled and passed through a 150 mesh sieve.

【表】 得られたガラス粉末A〜Fをメツシユ325の五
酸化ニオブ粉末と混合した。この五酸化ニオブの
α線放射線量は、0.1カウント/cm2/時より低か
つた。ガラスと酸化ニオブ粉末の重量%は、以下
の表6に示されている。熱膨張率を測定するため
に、溶封ガラスの棒状試料を調製した(データは
表6に示す)。容易にわかるように、元の各ガラ
スの熱膨張率は、五酸化ニオブの添加量を調節す
ることによつて、50〜120×10-7/℃の範囲でア
ルミナまたは他のいかなる基板にも適合するよう
に変化させ得る。
[Table] The obtained glass powders A to F were mixed with mesh 325 niobium pentoxide powder. The alpha radiation dose of this niobium pentoxide was lower than 0.1 counts/cm 2 /hour. The weight percentages of glass and niobium oxide powder are shown in Table 6 below. To measure the coefficient of thermal expansion, rod samples of fused glass were prepared (data shown in Table 6). As can be easily seen, the coefficient of thermal expansion of each original glass can be varied from 50 to 120 x 10 -7 /°C to alumina or any other substrate by adjusting the amount of niobium pentoxide added. Can be changed to suit.

【表】 アルミナセラミツクのパツケージを表6の溶封
ガラス組成物2,3,5,および6でシールし、
150℃から−65℃、そして150℃への熱衝撃を15回
繰り返して与えたが、気密性は失われなかつた。 実施例 14 ホウケイ酸ガラスの粉末B(表5)を五酸化ニ
オブ粉末と次第に増加する量で混合した。得られ
たガラス/充填剤混合物を円筒容器中に圧入して
焼結した。得られた試料の線熱膨張率を測定した
ところ、膨張率が純粋なガラスに対する110×
10-7/℃から46重量%の五酸化ニオブを含有する
混合物に対する56×10-7/℃まで、ほぼ直線的に
低下するという結果が得られた。 実施例 15 ホウケイ酸鉛ガラスの粉末B(表5)を20重量
%のAl2O3・Nb2O5および表1に示した複合酸化
物と混合し、実施例14のように焼結させた。線熱
膨張率は、それぞれの充填剤の特定の熱膨張率の
関数として低下した。 実施例 16 一連のホウ酸亜鉛ガラスおよびホウケイ酸亜鉛
ガラスを実施例13のように1100℃で調製し、ガラ
ス破片を作製した(以下の表7)。
[Table] An alumina ceramic package was sealed with fused glass compositions 2, 3, 5, and 6 of Table 6,
Thermal shock from 150°C to -65°C to 150°C was repeated 15 times, but the airtightness remained. Example 14 Borosilicate glass powder B (Table 5) was mixed with niobium pentoxide powder in increasing amounts. The resulting glass/filler mixture was pressed into a cylindrical container and sintered. When the linear thermal expansion coefficient of the obtained sample was measured, the expansion coefficient was 110 × that of pure glass.
An approximately linear decrease from 10 -7 /°C to 56 x 10 -7 /°C for a mixture containing 46% by weight niobium pentoxide was obtained. Example 15 Lead borosilicate glass powder B (Table 5) was mixed with 20% by weight of Al 2 O 3 Nb 2 O 5 and the composite oxide shown in Table 1, and sintered as in Example 14. Ta. The coefficient of linear thermal expansion decreased as a function of the specific coefficient of thermal expansion of each filler. Example 16 A series of zinc borate and zinc borosilicate glasses were prepared at 1100°C as in Example 13 and glass shards were made (Table 7 below).

【表】【table】

【表】 これらの破片を高純度のアルミナ製ボールミル
中でイソプロピルアルコールと共に細かく粉砕
し、粒子サイズが5ミクロンより小さな粉末の懸
濁液を調製した。五酸化ニオブ(20重量%)を各
ガラス懸濁液に添加し、得られたスラリーをドタ
ターブレードでシリコンウエハーの表面に塗布
し、乾燥させ、拡散円筒炉中で750〜800℃に加熱
した。厚さが25〜50ミクロンの得られたガラス薄
膜は、シリコンウエハーの熱膨張率と適合した。
これらの薄膜は、シリコン素子の表面保護、およ
び高電圧用のシリコン電力素子の絶縁に極めて有
用である。 実施例 17 五酸化ニオブの代わりに25重量%の五酸化タン
タル粉末を用いて実施例16を繰り返した。同様の
結果が得られた。五酸化タンタルは、シリコン表
面上に被覆したガラス組成物の誘電定数を低下さ
せる。 本発明を実施する上記様式の変更は、ガラス製
造、半導体または他の電子部品のパツケージに関
する分野、および関連分野の当業者に明らかであ
るが、以下の請求の範囲内にあると意図される。
[Table] These fragments were finely ground with isopropyl alcohol in a high purity alumina ball mill to prepare a suspension of powder with a particle size of less than 5 microns. Niobium pentoxide (20 wt%) was added to each glass suspension, and the resulting slurry was applied to the surface of silicon wafers with a dotter blade, dried, and heated to 750–800 °C in a diffusion cylindrical furnace. . The resulting glass thin film, with a thickness of 25-50 microns, was compatible with the coefficient of thermal expansion of silicon wafers.
These thin films are extremely useful for surface protection of silicon devices and insulation of high voltage silicon power devices. Example 17 Example 16 was repeated using 25% by weight tantalum pentoxide powder instead of niobium pentoxide. Similar results were obtained. Tantalum pentoxide lowers the dielectric constant of glass compositions coated onto silicon surfaces. Modifications of the above-described modes of carrying out the invention, which will be apparent to those skilled in the art of glass manufacturing, packaging of semiconductors or other electronic components, and related fields, are intended to be within the scope of the following claims.

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