WO2019225335A1 - ガラス組成物及び封着材料 - Google Patents

Abstract

環境に有害な鉛を含有させることなく、低温で封着可能なガラス組成物と、それを用いた封着材料を提供する。　モル％で、ＣｕＯ　５～６０％、ＴｅＯ_２　１０～６０％、ＭｏＯ_３　１０～６０％を含有することを特徴とするガラス組成物。

Description

ガラス組成物及び封着材料

　本発明は、有害な鉛やハロゲンを含有することなく、４００℃以下の低温で気密封着することが可能なガラス組成物と、それを用いた封着材料に関するものである。

　半導体集積回路、水晶振動子、平面表示装置やＬＤ用ガラス端子等には、封着材料が使用される。

　上記の封着材料には、化学的耐久性および耐熱性が要求されるため、樹脂系の接着剤ではなくガラス系封着材料が用いられている。ガラス系封着材料には、機械的強度、流動性、耐候性等の特性が要求されるが、熱に弱い素子を搭載する電子部品の封着には、封着温度をできる限り低くすることが要求される。具体的には、４００℃以下での封着が要求される。それゆえ、上記特性を満足するガラスとして、融点を下げる効果が極めて大きいＰｂＯを多量に含有する鉛硼酸系ガラスが広く用いられてきた（例えば、特許文献１参照）。

特開昭６３－３１５５３６号公報 特開平６－２４７９７号公報

　近年、鉛硼酸系ガラスに含まれるＰｂＯに対して環境上の問題が指摘されており、鉛硼酸系ガラスからＰｂＯを含まないガラスに置き換えることが望まれている。そのため、鉛硼酸系ガラスの代替品として、様々な低融点ガラスが開発されている。中でも特許文献２に記載されているＢｉ_２Ｏ_３－Ｂ_２Ｏ_３系ガラスは、鉛硼酸系ガラスの代替候補として期待されているが、封止温度が４５０℃以上と高く、より低温での封止が必要な用途には用いることが出来ない。

以上に鑑み、本発明は、環境に有害な鉛を含有させることなく、低温で封着可能なガラス組成物と、それを用いた封着材料を提供することを目的とする。

　本発明のガラス組成物は、モル％で、ＣｕＯ　５～６０％、ＴｅＯ_２　１０～６０％、ＭｏＯ_３　１０～６０％を含有することを特徴とする。

　本発明のガラス組成物は、ＣｕＯを５％以上含有することにより、低軟化点を達成している。なお、一般に、ガラスの融点を低くすると、ガラス化しなかったり、分相が生じて均質なガラスが得られにくい傾向にあるが、本発明では、ＴｅＯ_２の含有量を１０％以上、ＭｏＯ_３の含有量を１０％以上と規定しているため、ガラスが安定化し、均質なガラスを得ることが出来る。

　本発明のガラス組成物は、さらに、モル％で、Ｂｉ_２Ｏ_３　０～１０％、ＴｉＯ_２　０～１０％、Ａｇ_２Ｏ　０～２０％、ＡｇＩ　０～１０％を含有することが好ましい。

　本発明のガラス組成物は、さらに、モル％で、Ｐ_２Ｏ_５　０～５％を含有することが好ましい。

　本発明の封着材料は、上記のガラス組成物からなるガラス粉末　４０～１００体積％と、耐火性フィラー粉末　０～６０体積％とを含有することを特徴とする。

　本発明の封着材料は、水晶振動子用途に使用されることが好ましい。

　本発明の封着材料ペーストは、上記の封着材料とビークルとを含有することを特徴とする。

　環境に有害な鉛を含有させることなく、低温で封着可能なガラス組成物と、それを用いた封着材料を提供することができる。

マクロ型示差熱分析装置により得られる測定曲線を示す模式図である。

　本発明のガラス組成物は、モル％で、ＣｕＯ　５～６０％、ＴｅＯ_２　１０～６０％、ＭｏＯ_３　１０～６０％を含有する。ガラス組成を上記のように限定した理由を以下に示す。なお、以下の各成分の含有量に関する説明において、特に断りのない限り、「％」は「モル％」を意味する。

　ＣｕＯは、ガラスの粘性（軟化点等）を低下させると共に、ガラスの熱膨張係数を低下させる成分である。ＣｕＯの含有量は５～６０％であり、１０～５５％、１５～５０％、特に２０～４５％であることが好ましい。ＣｕＯの含有量が少な過ぎると、ガラスの粘性（軟化点等）が高くなり、低温封着が困難になると共に、ガラスが熱的に不安定になり、溶融時又は焼成時にガラスが失透し易くなる。また、ガラスの熱膨張係数が高くなり過ぎる傾向にある。一方、ＣｕＯの含有量が多過ぎると、ガラスが熱的に不安定になり、溶融時又は焼成時にガラスが失透し易くなる。

　ＴｅＯ_２は、ガラスネットワークを形成すると共に、耐候性を向上させる成分である。ＴｅＯ_２の含有量は１０～６０％であり、１５～５７％、特に２５～５５％であることが好ましい。ＴｅＯ_２の含有量が少な過ぎると、ガラスが熱的に不安定になり、溶融時又は焼成時にガラスが失透し易くなると共に、耐候性が低下し易くなる。一方、ＴｅＯ_２の含有量が多過ぎると、ガラスの粘性（軟化点等）が高くなり、低温封着が困難になると共に、ガラスが熱的に不安定になり、溶融時又は焼成時にガラスが失透し易くなる。また、ガラスの熱膨張係数が高くなり過ぎる傾向にある。

　なお、ＣｕＯ／ＴｅＯ_２は０．０５～１０、０．１～８、特に０．２～６であることが好ましい。ＣｕＯ／ＴｅＯ_２が小さ過ぎても大き過ぎても、ガラスの粘性（軟化点等）が高くなり、低温封着が困難になると共に、ガラスが熱的に不安定になり、溶融時又は焼成時にガラスが失透し易くなる。ここで、「ＣｕＯ／ＴｅＯ_２」は、ＣｕＯの含有量をＴｅＯ_２の含有量で除した値である。

　ＭｏＯ_３は、ガラスネットワークを形成すると共に、耐候性を向上させる成分である。ＭｏＯ_３の含有量は１０～６０％であり、１５～５５％、特に２０～５０％であることが好ましい。ＭｏＯ_３の含有量が少な過ぎると、ガラスが熱的に不安定になり、溶融時又は焼成時にガラスが失透し易くなると共に、ガラスの粘性（軟化点等）が高くなり、低温封着が困難になる。一方、ＭｏＯ_３の含有量が多過ぎると、ガラスが熱的に不安定になり、溶融時又は焼成時にガラスが失透し易くなると共に、ガラスの熱膨張係数が高くなり過ぎる傾向にある。

　なお、ＴｅＯ_２＋ＭｏＯ_３（ＴｅＯ_２、及びＭｏＯ_３の合量）は２０～９５％、３０～９２％、特に４０～９０％であることが好ましい。ＴｅＯ_２、及びＭｏＯ_３の合量が少な過ぎると、ガラスが熱的に不安定になり、溶融時又は焼成時にガラスが失透し易くなる。一方、ＴｅＯ_２、及びＭｏＯ_３の合量が多過ぎると、ガラスが熱的に不安定になり、溶融時又は焼成時にガラスが失透し易くなると共に、ガラスの粘性（軟化点等）が高くなり、低温封着が困難になる。

　本発明のガラス組成物は、上記成分以外にも、ガラス組成中に下記の成分を含有してもよい。

　Ｂｉ_２Ｏ_３は、ガラスの粘性（軟化点等）を低下させると共に、ガラスの熱膨張係数を低下させる成分である。Ｂｉ_２Ｏ_３の含有量は０～１０％、０～６％、０．１～２％であることが好ましい。Ｂｉ_２Ｏ_３の含有量が多過ぎると、ガラスが熱的に不安定になり、溶融時又は焼成時にガラスが失透し易くなる。

　ＴｉＯ_２は、ガラスを熱的に安定化させると共に、ガラスの熱膨張係数を低下させる成分である。ＴｉＯ_２の含有量は０～１０％、０～６％、０．１～２％であることが好ましい。ＴｉＯ_２の含有量が多過ぎると、ガラスの粘性（軟化点等）が高くなり、低温封着が困難になり易い。

　Ａｇ_２Ｏは、ガラスの粘性（軟化点等）を低下させる成分である。Ａｇ_２Ｏの含有量は０～２０％、０～１０％、特に０．１～５％であることが好ましい。Ａｇ_２Ｏの含有量が多過ぎると、ガラスが熱的に不安定になり、溶融時又は焼成時にガラスが失透し易くなる。

　ＡｇＩは、ガラスの粘性（軟化点等）を低下させる成分である。ＡｇＩの含有量は０～１０％、０～５％、０．１～２％であることが好ましい。ＡｇＩの含有量が多過ぎると、ガラスの熱膨張係数が高くなり過ぎる傾向にある。

　Ｐ_２Ｏ_５は、ガラスネットワークを形成すると共に、ガラスを熱的に安定化させる成分である。Ｐ_２Ｏ_５の含有量は０～５％、０～２％、特に０．１～１％であることが好ましい。Ｐ_２Ｏ_５の含有量が多過ぎると、ガラスの粘性（軟化点等）が高くなり、低温封着が困難になると共に耐候性が低下し易くなる。

　Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏは、ガラスの粘性（軟化点等）を下げる効果があり、それらの含有量は合量で、０～２０％、特に０～１０％であることが好ましい。Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏの合量が多過ぎると、ガラスが熱的に不安定になり、溶融時又は焼成時にガラスが失透し易くなると共に、耐候性が低下し易くなる。なお、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏの含有量はそれぞれ、０～１０％、特に０～５％であることが好ましい。

　ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯは、ガラスを熱的に安定化させると共に、耐候性を向上させる効果があり、それらの含有量は合量で、０～２０％、特に０～１０％であることが好ましい。ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯの合量が多過ぎると、ガラスが熱的に不安定になり溶融時または焼成時にガラスが失透し易くなる。なお、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯの含有量はそれぞれ、０～１０％、特に０～５％であることが好ましい。

　ＺｎＯは、ガラスの粘性（軟化点等）を低下させると共に、耐候性を向上させる成分である。ＺｎＯの含有量は０～１０％、特に０～５％であることが好ましい。ＺｎＯの含有量が多過ぎると、ガラスが熱的に不安定になり溶融時または焼成時にガラスが失透し易くなる。

　ＷＯ_３は、ガラスを熱的に安定化させると共に、耐候性を向上させる成分である。ＷＯ_３の含有量は０～１０％、特に０～５％であることが好ましい。ＷＯ_３の含有量が多過ぎると、逆にガラスが熱的に不安定になる。

　Ｎｂ_２Ｏ_５は、ガラスを熱的に安定化させると共に、耐候性を向上させる成分である。Ｎｂ_２Ｏ_５の含有量は０～１０％、特に０～５％であることが好ましい。Ｎｂ_２Ｏ_５の含有量が多過ぎると、ガラスの粘性（軟化点等）が高くなり、低温封着が困難になり易い。

　Ｖ_２Ｏ_５は、ガラスネットワークを形成すると共に、ガラスの粘性（軟化点等）を低下させる成分である。Ｖ_２Ｏ_５の含有量は０～１０％、特に０～５％であることが好ましい。Ｖ_２Ｏ_５の含有量が多過ぎると、ガラスが熱的に不安定になり、溶融時又は焼成時にガラスが失透し易くなると共に、耐候性が低下し易くなる。

　Ｇａ_２Ｏ_３は、ガラスを熱的に安定化させると共に、耐候性を向上させる成分であるが、非常に高価であることから、その含有量は０．０１％未満、特に含有しないことが好ましい。

　ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＧｅＯ_２、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＮｉＯ、ＣｅＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ｓｂ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２はガラスを熱的に安定化させて、失透を抑制する成分であり、各々２％未満まで添加可能である。これらの含有量が多すぎると、ガラスが熱的に不安定になり、溶融時又は焼成時にガラスが失透し易くなる。

　本発明のガラス組成物は、環境上の理由から、実質的にＰｂＯを含有しないことが好ましい。ここで、本発明でいう「実質的にＰｂＯを含有しない」とは、ガラス組成中のＰｂＯの含有量が１０００ｐｐｍ以下の場合を指す。

　本発明の封着材料は、上記のガラス組成物からなるガラス粉末を含有する。本発明の封着材料は、機械的強度を向上、或いは熱膨張係数を調整するために、耐火性フィラー粉末を含有してもよい。その混合割合は、ガラス粉末４０～１００体積％、耐火性フィラー粉末０～６０体積％であり、ガラス粉末５０～９９体積％、耐火性フィラー粉末１～５０体積％、特にガラス粉末６０～９５体積％、耐火性フィラー粉末５～４０体積％であることが好ましい。耐火性フィラーの含有量が多過ぎると、相対的にガラス粉末の割合が少なくなるため、所望の流動性を確保し難くなる。

　耐火性フィラー粉末は、特に限定されず、種々の材料を選択することができるが、上記のガラス粉末と反応し難いものが好ましい。

　具体的には、耐火性フィラーとして、ＮｂＺｒ（ＰＯ_４）_３、Ｚｒ_２ＷＯ_４（ＰＯ_４）_２、Ｚｒ_２ＭｏＯ_４（ＰＯ_４）_２、Ｈｆ_２ＷＯ_４（ＰＯ_４）_２、Ｈｆ_２ＭｏＯ_４（ＰＯ_４）_２、リン酸ジルコニウム、ジルコン、ジルコニア、酸化錫、チタン酸アルミニウム、石英、β－スポジュメン、ムライト、チタニア、石英ガラス、β－ユークリプタイト、β－石英、ウィレマイト、コーディエライト、Ｓｒ_０．５Ｚｒ_２（ＰＯ_４）_３等のＮａＺｒ_２（ＰＯ_４）_３型固溶体等を、単独で又は２種以上を混合して使用することができる。なお、耐火性フィラーの粒径は平均粒子径Ｄ_５０が０．２～２０μｍ程度のものを使用することが好ましい。

　本発明のガラス組成物及び封着材料の軟化点は４００℃以下、３９０℃以下、３８０℃以下、特に３７０℃以下であることが好ましい。軟化点が高過ぎると、ガラスの粘性が高くなるため、封着温度が上昇して、封着時に素子を劣化させるおそれがある。なお、軟化点の下限は特に限定されないが、現実的には１８０℃以上である。ここで、「軟化点」とは、平均粒子径Ｄ_５０が０．５～２０μｍのガラス組成物及び封着材料を測定試料として、マクロ型示差熱分析装置で測定した値を指す。測定条件としては、室温から測定を開始し、昇温速度は１０℃／分とする。なお、マクロ型示差熱分析装置で測定した軟化点は、図１に示す測定曲線における第四屈曲点の温度（Ｔｓ）を指す。

　本発明のガラス組成物及び封着材料の熱膨張係数（３０～１５０℃）は２０×１０^－７／℃～１８０×１０^－７／℃、３０×１０^－７／℃～１６０×１０^－７／℃、特に４０×１０^－７／℃～１４０×１０^－７／℃であることが好ましい。熱膨張係数が低すぎても高すぎても、被封着材料との膨張差により封着時や封着後に封着部が破損し易くなる。

　上記の特性を有する本発明のガラス組成物及び封着材料は、特に低温での封着が要求される水晶振動子用途に好適である。

　次に本発明のガラス組成物を用いたガラス粉末の製造方法、及び本発明のガラス組成物を封着材料として使用する方法の一例について説明する。

　まず、上記組成を有するように調合した原料粉末を８００～１０００℃で１～２時間、均質なガラスが得られるまで溶融する。次いで、溶融ガラスをフィルム状等に成形した後、粉砕し、分級することにより、本発明のガラス組成物からなるガラス粉末を作製する。なお、ガラス粉末の平均粒子径Ｄ_５０は２～２０μｍ程度であることが好ましい。必要に応じて、ガラス粉末に各種耐火性フィラー粉末を添加する。

　次いでガラス粉末（あるいは封着材料）にビークルを添加して混練することによりガラスペースト（あるいは封着材料ペースト）を調製する。ビークルは、主に有機溶剤と樹脂とからなり、樹脂はペーストの粘性を調整する目的で添加される。また、必要に応じて、界面活性剤、増粘剤等を添加することもできる。

　有機溶剤は、沸点が低く（例えば、沸点が３００℃以下）、且つ焼成後の残渣が少ないことに加えて、ガラスを変質させないものが好ましく、その含有量は１０～４０質量％であることが好ましい。有機溶剤としては、プロピレンカーボネート、トルエン、Ｎ，Ｎ’－ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、１，３－ジメチル－２－イミダゾリジノン（ＤＭＩ）、炭酸ジメチル、ブチルカルビトールアセテート（ＢＣＡ）、酢酸イソアミル、ジメチルスルホキシド、アセトン、メチルエチルケトン等を使用することが好ましい。また、有機溶剤として、高級アルコールを使用することがさらに好ましい。高級アルコールは、それ自身が粘性を有しているために、ビークルに樹脂を添加しなくても、ペースト化することができる。また、ペンタンジオールとその誘導体、具体的にはジエチルペンタンジオール（Ｃ_９Ｈ_２０Ｏ_２）も粘性に優れるため、溶剤に使用することができる。

　樹脂は、分解温度が低く、焼成後の残渣が少ないことに加えて、ガラスを変質させ難いものが好ましく、その含有量は０．１～２０質量％であることが好ましい。樹脂として、ニトロセルロース、ポリエチレングリコール誘導体、ポリエチレンカーボネート、アクリル酸エステル（アクリル樹脂）等を使用することが好ましい。

　次いで、ペーストを金属、セラミック、または、ガラスからなる第一の部材と、金属、セラミック、または、ガラスからなる第二の部材との封着箇所にディスペンサーやスクリーン印刷機等の塗布機を用いて塗布し、乾燥させ、３００～４００℃で熱処理する。この熱処理により、ガラス粉末が軟化流動して第一と第二の部材を封着する。

　本発明のガラス組成物及び封着材料は、封着以外にも被覆、充填等の目的で使用できる。また、ペースト以外の形態、具体的には粉末、グリーンシート、タブレット等の状態で使用することもできる。

　実施例に基づいて、本発明を詳細に説明する。表１及び２は、本発明の実施例（試料Ｎｏ．１～１１）及び比較例（試料Ｎｏ．１２～１４）を示している。

　まず、表中に示したガラス組成となるように各種酸化物、炭酸塩等のガラス原料を調合し、ガラスバッチを準備した後、このガラスバッチを白金坩堝に入れ、８００～１０００℃で１～２時間溶融した。次に、溶融ガラスの一部をＴＭＡ（押棒式熱膨張係数測定）用サンプルとしてステンレス製の金型に流し出し、その他の溶融ガラスを水冷ローラーでフィルム状に成形した。なお、耐火性フィラーを含有しないＮｏ．２、８、９、１１、１２については、成形後に所定の徐冷処理（アニール）を行うことによりＴＭＡ用サンプルを得た。最後に、フィルム状のガラスをボールミルで粉砕した後、目開き７５μｍの篩を通過させて、平均粒子径Ｄ_５０が約１０μｍのガラス粉末を得た。

　その後、耐火性フィラーを混合するＮｏ．１、３～７、１０、１３の試料については、表中に示した通りに、得られたガラス粉末と耐火性フィラー粉末を混合し、混合粉末を得た。

　耐火性フィラー粉末には、Ｚｒ_２ＷＯ_４（ＰＯ_４）_２（表中ではＺＷＰと表記）、ＮｂＺｒ（ＰＯ_４）_３（表中ではＮＺＰと表記）を用いた。また、耐火性フィラー粉末の平均粒子径Ｄ_５０は約１０μｍであった。

　得られた混合粉末を４５０℃にて３０分間焼成し、焼成体を得た。得られた焼成体をＴＭＡ用サンプルとした。

　Ｎｏ．１～１３の試料について、ガラス転移点、熱膨張係数、軟化点、流動性を評価した。

　ガラス転移点及び熱膨張係数（３０～１５０℃）は、ＴＭＡ用サンプルをＴＭＡ装置により測定した。

　軟化点はマクロ型示差熱分析装置により測定した。測定雰囲気は大気中、昇温速度は１０℃／分とし、室温から測定を開始した。

　流動性は次のようにして評価した。粉末試料５ｇを、直径２０ｍｍの金型に入れプレス成型した後に、ガラス基板上で４５０℃にて３０分間焼成した。焼成体の流動径が１９ｍｍ以上であるものを「○」、１９ｍｍ未満のものを「×」として評価した。

　表から明らかなように、本発明の実施例であるＮｏ．１～１１の試料は、流動性に優れていた。一方、比較例であるＮｏ．１２の試料は、ＣｕＯの含有量が少なく、ＴｅＯ_２を過剰に含有しているため焼成時に失透した。Ｎｏ．１３の試料は、ＭｏＯ_３の含有量が少ないため流動性に劣っていた。Ｎｏ．１４の試料は、ＣｕＯを過剰に含有しているためガラス化しなかった。

　本発明のガラス組成物及び封着材料は、半導体集積回路、水晶振動子、平面表示装置やＬＤ用ガラス端子の封着に好適である。

Claims (6)

1. 　モル％で、ＣｕＯ　５～６０％、ＴｅＯ_２　１０～６０％、ＭｏＯ_３　１０～６０％を含有することを特徴とするガラス組成物。
2. 　さらに、モル％で、Ｂｉ_２Ｏ_３　０～１０％、ＴｉＯ_２　０～１０％、Ａｇ_２Ｏ　０～２０％、ＡｇＩ　０～１０％を含有することを特徴とする請求項１に記載のガラス組成物。
3. 　さらに、モル％で、Ｐ_２Ｏ_５　０～５％を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載のガラス組成物。
4. 　請求項１～３のいずれかに記載のガラス組成物からなるガラス粉末　４０～１００体積％と、耐火性フィラー粉末　０～６０体積％とを含有することを特徴とする封着材料。
5. 　水晶振動子用途に使用されることを特徴とする請求項４に記載の封着材料。
6. 　請求項４又は５に記載の封着材料とビークルとを含有することを特徴とする封着材料ペースト。

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