JP3151794B2 - 低融点封着用組成物 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は低融点封着用組成物に関
し、より詳しくはＩＣパッケージ、表示デバイス、磁気
ヘッド等の電子部品を封着するのに好適な低融点封着用
組成物に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣパッケージや表示デバイス等の電子
部品の封着に使用される封着用組成物には、ＩＣや水晶
振動子に悪影響を及ぼさないように低温で封着できるこ
と、熱膨張係数が被封着物のそれに適合していること、
機械的強度が高いこと、信号電流がリークしないように
絶縁特性が良好であること等の条件を満たすことが必要
である。またＩＣパッケージ用の封着用組成物には、こ
れ以外にもα線を放出する物質を極力含まないことや、
パッケージの耐熱性を高めるために封着時に生じる残留
応力ができるだけ小さいことが要求される。

【０００３】上記諸条件を満たすものとして、従来Ｐｂ
Ｏ−Ｂ２ Ｏ３ 系、ＰｂＯ−Ｂ２Ｏ３ −ＺｎＯ系、Ｐ
ｂＯ−Ｂ２ Ｏ３ −Ｂｉ２ Ｏ３ 系等の低融点ガラス粉
末や、これらのガラス粉末に耐火性フィラー粉末を添加
してなる封着用組成物が広く用いられている。

【０００４】ところでＰｂＯ−Ｂ２ Ｏ３ 系、ＰｂＯ−
Ｂ２ Ｏ３ −ＺｎＯ系、ＰｂＯ−Ｂ２ Ｏ３ −Ｂｉ２
Ｏ３ 系等のガラスにおいて、Ｂ２ Ｏ３ の含有量が少
ないほど軟化点が下がることが知られている。しかしな
がらＢ２ Ｏ３ はガラスの安定化のために一定量以上含
有させる必要があるため、低融点化には限度があり、こ
れらのガラスを使用した従来の封着用組成物は、４００
℃以下の温度で封着することが困難である。それゆえ熱
に非常に敏感な素子、例えば集積度の高いＩＣを搭載し
たパッケージの封着には使用することができないという
問題を有している。

【０００５】このような事情から、４００℃以下の温度
で封着できる封着用組成物の開発が進められている。例
えば本発明者等は特願平３−１５９９８２号において、
ＰｂＯ−Ｂ２ Ｏ３ −Ｂｉ２ Ｏ３ 系ガラスのＢ２ Ｏ
３ の一部をＦｅ２ Ｏ３ で置換した低融点ガラス粉末
と、低膨張の耐火性フィラー粉末とを混合してなる低融
点封着用組成物を提案している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一般に、封着用組成物
を用いてパッケージを封着する場合、両者の間に残留応
力が生じるが、この残留応力は固着点（残留応力が生じ
始める温度）と室温との温度差に比例する。

【０００７】上記特願平３−１５９９８２号の封着用組
成物は、固着点が高いために封着時に大きな残留応力が
生じる。このため該封着用組成物を用いて気密封着され
たパッケージは耐熱性が十分でなく、その後の回路基板
の組み立て工程等における熱衝撃によって気密不良が生
じ易いという問題を有している。

【０００８】本発明の目的は、封着用組成物に要求され
る諸特性を満足し、特に４００℃以下の温度で封着で
き、しかも封着時の残留応力が小さい低融点封着用組成
物を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者等は種々の研究
を行った結果、ＰｂＯ−Ｂ２ Ｏ３ −Ｂｉ２ Ｏ３ 系ガ
ラスにおいて、ＣｕＯを必須成分として含有し、且つ、
Ｆｅ２ Ｏ３ の含有量を０．１％以下に抑えることによ
って上記目的が達成できることを見いだし、本発明とし
て提案するものである。

【００１０】即ち、本発明の低融点封着用組成物は、重
量百分率で、ＰｂＯ ６５．０〜８５．０％、Ｂ２ Ｏ
３ １．０〜７．５％、Ｂｉ２ Ｏ３ ７．２〜２０．０
％、ＣｕＯ ０．２〜５．０％、ＺｎＯ ０〜１１．０
％、ＳｉＯ２ ＋Ａｌ２ Ｏ３０〜３．０％、Ｆｅ２ Ｏ
３ ０〜０．１％、Ｖ２ Ｏ５ ０〜４．０％、ＳｎＯ２
０〜５．０％、Ｆ２ ０〜６．０％の組成を有するガラ
スからなることを特徴とする。

【００１１】また本発明の低融点封着用組成物は、重量
百分率で、ＰｂＯ ６５．０〜８５．０％、Ｂ２ Ｏ３
１．０〜７．５％、Ｂｉ２ Ｏ３ ７．２〜２０．０％、
ＣｕＯ ０．２〜５．０％、ＺｎＯ ０〜１１．０％、
ＳｉＯ２ ＋Ａｌ２ Ｏ３ ０〜３．０％、Ｆｅ２ Ｏ３
０〜０．１％、Ｖ２ Ｏ５ ０〜４．０％、ＳｎＯ２０〜
５．０％、Ｆ２ ０〜６．０％の組成を有するガラス粉
末と、１種又は２種以上の耐火性フィラー粉末を混合し
てなり、これらの割合が体積百分率で、ガラス粉末４５
〜８０％、耐火性フィラー粉末２０〜５５％の範囲にあ
ることを特徴とする。

【００１２】

【作用】本発明の低融点封着用組成物は、ＰｂＯ−Ｂ２
Ｏ３ −Ｂｉ２ Ｏ３ 系ガラスにおいて、Ｂ２ Ｏ３ の
一部を、固着点を上げることなくガラスを安定化させる
効果のあるＣｕＯで置換したものである。

【００１３】本発明の低融点封着用組成物において、ガ
ラスの組成を上記のように限定した理由を以下に述べ
る。

【００１４】ＰｂＯの含有量は６５．０〜８５．０％、
好ましくは６７．０〜８２．０％である。ＰｂＯが６
５．０％より少ないとガラスの粘度が高くなって、ガラ
スが十分に流動せず、８５．０％より多いと封着時に結
晶化を起こして流動しなくなる。

【００１５】Ｂ２ Ｏ３ の含有量は１．０〜７．５％、
好ましくは２．０〜７．５％である。Ｂ２ Ｏ３ が１．
０％より少ないと封着時に結晶化を起こして流動せず、
７．５％より多いと４００℃以下の温度では流動し難く
なる。

【００１６】Ｂｉ２ Ｏ３ はガラスの粘性を上げずに安
定化させる効果があり、その含有量は７．２〜２０．０
％、好ましくは７．２〜１６．０％である。Ｂｉ２ Ｏ
３ が７．２％より少ないと上記した効果がなく、封着
時に結晶化が起こって流動しなくなる。一方２０．０％
より多いとガラスの粘性が高くなって４００℃以下の温
度で十分に流動しなくなる。

【００１７】ＣｕＯはＰｂＯ−Ｂ２ Ｏ３ −Ｂｉ２ Ｏ
３ 系ガラスにおいて、固着点を上げずにガラスを安定
化させ、失透を防止する効果があり、その含有量は０．
２〜５．０％、好ましくは０．２〜４．５％である。Ｃ
ｕＯが０．２％より少ないと上記した効果がなく、固着
点が高くなって残留応力が大きくなり、またガラスが安
定しないために封着時に結晶化が起こって流動し難くな
る。一方５．０％より多い場合もガラスの粘性が高くな
って４００℃以下の温度で流動し難くなる。

【００１８】ＺｎＯの含有量は０〜１１．０％、好まし
くは０〜１０．０％である。ＺｎＯはガラスを安定化さ
せ、且つ、耐水性を向上させる効果があるが、その含有
量が１１．０％より多いとガラスが結晶化して十分に流
動しなくなる。

【００１９】ＳｉＯ２ とＡｌ２ Ｏ３ の含有量は合量
で０〜３．０％、好ましくは０〜１．６％である。これ
らの成分は結晶化を防止する効果があるが、合量で３．
０％より多いとガラスの粘性が高くなって、４００℃以
下の温度で十分流動しなくなる。

【００２０】Ｆｅ２ Ｏ３ の含有量は０〜０．１％であ
る。Ｆｅ２ Ｏ３ はガラスを安定化させる効果が大きい
が、その含有量が０．１％より多いと固着点が高くなっ
て残留応力が大きくなる。

【００２１】Ｖ２ Ｏ５ の含有量は０〜４．０％、好ま
しくは０〜１．５％である。Ｖ２Ｏ５ はガラスの表面
張力を下げる効果があり、流動性を向上させるものであ
るが、その含有量が４．０％より多いと結晶化傾向が著
しくなって流動しなくなる。

【００２２】ＳｎＯ２ の含有量は０〜５．０％、好ま
しくは０〜１．５％である。ＳｎＯ２ はガラスの結晶
化を防止する効果があるが、その含有量が５．０％より
多いとガラスの粘度が高くなって４００℃以下の温度で
十分流動しなくなる。

【００２３】Ｆ２ の含有量は０〜６．０％、好ましく
は０〜４．０％である。Ｆ２ はガラスの低融点化に効
果があるが、６．０％より多いと封着時に結晶化を起こ
して流動しなくなる。

【００２４】なお、本発明の低融点封着用組成物は、上
記成分以外にも５．０％以下のＡｇＯ、ＳｒＯ、Ｂａ
Ｏ、Ｐ２ Ｏ５ 、Ｃｏ２ Ｏ３ 、３．０％以下のＭｏ２
Ｏ３、Ｒｂ２ Ｏ、Ｃｓ２ Ｏ、Ｎｂ２ Ｏ５ 、Ｔａ２
Ｏ３ 、ＺｒＯ２ 、ＮｉＯ、Ｃｒ２ Ｏ３ 、Ａｓ２ Ｏ
３ 、Ｓｂ２ Ｏ３ やＬａ２ Ｏ３ 、ＣｅＯ２ 等の希土
類酸化物を他成分として含有することができる。

【００２５】以上の組成を有するガラスは非晶質であ
り、封着時に結晶を析出する傾向がないため流動性が良
く、またガラス転移点が約２４０〜２８０℃と低く、ガ
ラスの粘性も低いために、低温での封着に適した封着用
組成物である。しかし熱膨張係数が１１０〜１４０×１
０−７／℃であり、アルミナ（熱膨張係数７０×１０−
７／℃）、窒化アルミニウム（同４５×１０−７／℃）
に比べて高いため、これらの材料からなるセラミックパ
ッケージの封着を行うには熱膨張係数を低下させる必要
がある。一方、Ａｌ−Ｓｉ合金（熱膨張係数１６０×１
０−７／℃）等の材料からなる金属製パッケージの封着
を行うには熱膨張係数を高くする必要がある。

【００２６】本発明の低融点封着用組成物は、先記した
範囲で１種以上の低膨張あるいは高膨張の耐火性フィラ
ーを使用することにより、所望の熱膨張係数に調整する
ことが可能である。

【００２７】低膨張の耐火性フィラーとしては、ウイレ
マイト系、酸化錫系、ジルコン系、チタン酸鉛系、及び
ムライト系のセラミック粉末や、β−ユークリプタイト
粉末、コーディエライト粉末を使用することが好まし
く、またこれらのフィラーの他にも石英ガラス粉末、ア
ルミナ粉末、酸化チタン粉末、五酸化ニオブ粉末等を使
用することができる。

【００２８】高膨張の耐火性フィラーとしては、錫酸亜
鉛粉末、クリストバライト粉末、立方晶ジルコニア粉末
等を使用することが好ましい。

【００２９】次に、本発明においてガラス粉末と耐火性
フィラー粉末の混合割合を先記のように限定した理由を
以下に述べる。

【００３０】ガラス粉末が４５％より少ない場合、即ち
耐火性フィラー粉末が５５％より多い場合は流動性が悪
くなり、４００℃以下の温度での封着が困難になる。一
方、ガラス粉末が８０％より多い場合、即ち耐火性フィ
ラー粉末が２０％より少ない場合は上記した効果が得ら
れなくなる。

【００３１】

【実施例】以下、実施例及び比較例に基づいて本発明の
低融点封着用組成物を説明する。

【００３２】（実施例１） 表１は、ガラス粉末からなる本発明の実施例を示すもの
である。

【００３３】

【表１】

【００３４】表１の各試料は次のようにして調製した。

【００３５】表中の組成になるように原料粉末を調合、
混合し、白金坩堝に入れて９００℃で１時間溶融し、薄
板状に成形した後、粉砕し、３５０メッシュのステンレ
ス製篩を通過させて平均粒径が４μｍの試料を得た。

【００３６】表１から明らかなように、試料Ｎｏ．Ａ〜
Ｅは、ガラス転移点が２４８〜２８０℃、熱膨張係数が
１１２〜１３４×１０−７／℃であり、すべて良好な流
動性を示した。

【００３７】なお、転移点は示差熱分析計（ＤＴＡ）に
より求め、熱膨張係数は押棒式熱膨張測定装置を用いて
測定した。また流動性は、１ｃｍ３ に相当する重量の
試料を外径１７ｍｍ、高さ５ｍｍのボタンに成形した
後、３８０℃、１０分の条件で加熱し、このときのボタ
ンの直径が２３ｍｍを超えるものを良、２０〜２３ｍｍ
のものを可、２０ｍｍ未満のものを不可とした。

【００３８】表２は、表１の各試料に耐火性フィラー粉
末を混合して作製したアルミナパッケージ封着用の試料
を示すものである。

【００３９】

【表２】

【００４０】表２から明らかなように、試料Ｎｏ．１〜
５は、封着温度が３６０〜３９０℃、抗折強度が５７０
〜６１０ｋｇ／ｃｍ２ 、絶縁抵抗が１２．８〜１４．
３Ω・ｃｍ、α線放出量が０．１１〜０．１７ｃｏｕｎ
ｔ／ｃｍ２ ・ｈｒ、残留応力が１５００〜１８００ｐ
ｓｉ、固着点が２５３〜２９０℃であり、パッケージ耐
熱試験では各試料とも気密不良が生じたパッケージは０
個であった。また熱膨張係数は６５〜７０×１０−７／
℃であり、アルミナ（７０×１０−７／℃）に近似した
値を示した。

【００４１】（比較例１） 試料Ｎｏ．Ｅのガラス組成においてＣｕＯをＦｅ２ Ｏ
３ に置換した組成になるように、即ち重量百分率でＰ
ｂＯ ７８．９％、Ｂ２ Ｏ３ ６．５％、Ｂｉ２Ｏ３
８．７％、ＺｎＯ ２．８％、ＳｉＯ２ １．０％、Ａ
ｌ２ Ｏ３ ０．６％、Ｆｅ２ Ｏ３ １．５％の組成にな
るように原料粉末を調合、混合し、実施例と同様にして
平均粒径が４μｍのガラス粉末を得た。このようにして
得られたガラス粉末は、転移点が２７２℃、熱膨張係数
が１２３×１０−７／℃であり、流動性が良好であっ
た。

【００４２】次いでこのガラス粉末と、ウイレマイト系
セラミック粉末及びジルコン系セラミック粉末を実施例
１の試料Ｎｏ．５と同じ割合になるように混合して試料
を得た。この試料について各特性を測定したところ、封
着温度が３９０℃、抗折強度が６１０ｋｇ／ｃｍ２ 、
絶縁抵抗が１３．６Ω・ｃｍ、α線放出量が０．１８ｃ
ｏｕｎｔ／ｃｍ２ ・ｈｒ、熱膨張係数が６９×１０−
７／℃であり、試料Ｎｏ．５とほぼ同等の値を示した。
しかしながら残留応力が２４００ｐｓｉ、固着点が２８
２℃であり、試料Ｎｏ．５と比べてそれぞれ９００ｐｓ
ｉ、及び１６℃も高かった。またパッケージ耐熱試験で
は、４０個のパッケージのうち８個が気密不良であっ
た。

【００４３】（実施例２） 表３は、表１の各試料に耐火性フィラー粉末を混合して
作製した窒化アルミニウムパッケージ封着用の試料を示
すものである。

【００４４】

【表３】

【００４５】表３から明らかなように、試料Ｎｏ．６〜
９は、封着温度が３８０〜４００℃、抗折強度が６１０
〜６７０ｋｇ／ｃｍ２ 、絶縁抵抗が１２．９〜１３．
７Ω・ｃｍ、α線放出量が０．０９〜０．１３ｃｏｕｎ
ｔ／ｃｍ２ ・ｈｒ、残留応力が１９００〜２８００ｐ
ｓｉ、固着点が２５５〜２８３℃であり、パッケージ耐
熱試験では各試料とも気密不良のパッケージは０個であ
った。また熱膨張係数は５１〜５５×１０−７／℃であ
り、窒化アルミニウム（４５×１０−７／℃）に近似し
た値を示した。

【００４６】（比較例２） 比較例１で作製したガラス粉末と、ウイレマイト系セラ
ミック粉末、酸化錫系セラミック粉末、及びチタン酸鉛
系セラミック粉末を、実施例２の試料Ｎｏ．９と同じ割
合になるように混合して試料を得た。このようにして得
られた試料は封着温度が４００℃、抗折強度が６４０ｋ
ｇ／ｃｍ２ 、絶縁抵抗が１３．８Ω・ｃｍ、α線放出
量が０．１３ｃｏｕｎｔ／ｃｍ２ ・ｈｒ、熱膨張係数
が５４×１０−７／℃であり、試料Ｎｏ．９とほぼ同等
の値を示した。しかしながら残留応力が３６００ｐｓ
ｉ、固着点が２８２℃であり、試料Ｎｏ．９に比べてそ
れぞれ１２００ｐｓｉ、及び１４℃も高かった。またパ
ッケージ耐熱試験では、４０個のパッケージのうち５個
が気密不良であった。

【００４７】なお、封着温度は各試料を通常行われてい
るようにビークルを添加してペースト状にし、試料Ｎ
ｏ．１〜５をアルミナに、試料Ｎｏ．６〜９を窒化アル
ミニウムにそれぞれ印刷して測定した。抗折強度は試料
を焼結した後、１０×１０×５０ｍｍの角柱に成形し、
３点荷重測定法によって求めた。絶縁抵抗はメガオーム
メーターを用いて１５０℃における値を測定し、α線放
出量はＺｎＳシンチレーションカウンターを用いて測定
した。残留応力は各試料をボタン状に成形し、先記流動
性試験と同様にして板ガラス上に流動させた後、光弾性
法によって測定した（なお板ガラスは、試料Ｎｏ．１〜
５には７０×１０−７／℃、試料Ｎｏ．６〜９には４０
×１０−７／℃の熱膨張係数をもつものをそれぞれ使用
した）。また残留応力を光弾性法により測定しながら加
熱して、試料から残留応力が消えた温度を固着点とし
た。パッケージ耐熱試験は、各試料を用いてアルミナま
たは窒化アルミニウム製のパッケージを４０個ずつ作製
し、次いで各パッケージを２８０℃の半田槽に３回完全
に沈めた後、気密不良が生じた個数を示したもので、Ｍ
ＩＬ−ＳＴＤ−８８３Ｃに基づいて評価した。

【００４８】また表２乃至表３に示した耐火性フィラー
粉末は次のようにして作製した。ウイレマイト系セラミ
ック粉末は、重量％でＺｎＯ ７０％、ＳｉＯ２ ２５
％、Ａｌ２ Ｏ３ ５％の組成になるように原料粉末を調
合し、混合後、１４４０℃で１５時間焼成し、次いでこ
の焼成物を粉砕し、２５０メッシュのステンレス製篩を
通過したものを使用した。

【００４９】酸化錫系セラミック粉末は、重量％でＳｎ
Ｏ２ ９３％、ＴｉＯ２ ２％、ＭｎＯ２ ５％の組成に
なるように原料粉末を調合し、混合後、１４００℃で１
６時間焼成し、次いでこの焼成物を粉砕し、２５０メッ
シュのステンレス篩を通過したものを使用した。

【００５０】ジルコン系セラミック粉末は次のようにし
て作製した。まず、天然ジルコンサンドを一旦ソーダ分
解し、塩酸に溶解した後、濃縮結晶化を繰り返すことに
よって、α線放出物質であるＵ、Ｔｈの極めて少ないオ
キシ塩化ジルコニウムにし、アルカリ中和後、加熱して
精製ＺｒＯ２ を得た。さらにこの精製ＺｒＯ２ に高純
度珪石粉、酸化第二鉄を重量％でＺｒＯ２ ６６％、Ｓ
ｉＯ２ ３２％、Ｆｅ２Ｏ３ ２％の組成になるように調
合し、混合後、１４００℃で１６時間焼成し、次いでこ
の焼成物を粉砕し、２５０メッシュのステンレス製篩を
通過したものを使用した。

【００５１】チタン酸鉛系セラミック粉末は、重量％で
ＰｂＯ ７０％、ＴｉＯ２ ２０％、ＣａＯ １０％の
組成になるように原料粉末を調合し、混合後、１１００
℃で５時間焼成し、次いでこの焼成物を粉砕し、３５０
メッシュのステンレス製篩を通過したものを使用した。

【００５２】β−ユークリプタイト粉末は、Ｌｉ２ Ｏ
・Ａｌ２ Ｏ３ ・２ＳｉＯ２ の組成になるように原料
粉末を調合し、混合後、１２５０℃で５時間焼成し、次
いでこの焼成物を粉砕し、２５０メッシュのステンレス
製篩を通過したものを使用した 。

【００５３】コーディエライト粉末は、２ＭｇＯ・２Ａ
ｌ２ Ｏ３ ・５ＳｉＯ２ の割合になるように原料粉末
を調合し、混合後、１４００℃で１０時間焼成し、次い
でこの焼成物を粉砕し、２５０メッシュのステンレス製
篩を通過したものを使用した。

【００５４】

【発明の効果】 以上説明したように、本発明の低融点封
着用組成物は固着点が低いために残留応力が小さく、そ
れゆえこれを用いて封着したＩＣパッケージは耐熱性に
優れている。しかも封着用組成物に要求される諸特性を
満足し、特に４００℃以下の温度で封着でき、また耐火
性フィラー粉末を使用することによって所望の熱膨張係
数が得られるために、ＩＣパッケージ等の電子部品の封
着に好適である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C03C 8/10 C03C 3/14 C03C 8/24

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量百分率で、ＰｂＯ ６５．０〜８
   ５．０％、Ｂ２ Ｏ３１．０〜７．５％、Ｂｉ２ Ｏ３
   ７．２〜２０．０％、ＣｕＯ ０．２〜５．０％、Ｚｎ
   Ｏ ０〜１１．０％、ＳｉＯ２ ＋Ａｌ２ Ｏ３ ０〜
   ３．０％、Ｆｅ２Ｏ３ ０〜０．１％、Ｖ２ Ｏ５ ０〜
   ４．０％、ＳｎＯ２ ０〜５．０％、Ｆ２０〜６．０％
   の組成を有するガラスからなることを特徴とする低融点
   封着用組成物。
2. 【請求項２】 重量百分率で、ＰｂＯ ６５．０〜８
   ５．０％、Ｂ２ Ｏ３１．０〜７．５％、Ｂｉ２ Ｏ３
   ７．２〜２０．０％、ＣｕＯ ０．２〜５．０％、Ｚｎ
   Ｏ ０〜１１．０％、ＳｉＯ２ ＋Ａｌ２ Ｏ３ ０〜
   ３．０％、Ｆｅ２Ｏ３ ０〜０．１％、Ｖ２ Ｏ５ ０〜
   ４．０％、ＳｎＯ２ ０〜５．０％、Ｆ２０〜６．０％
   の組成を有するガラス粉末と、１種又は２種以上の耐火
   性フィラー粉末を混合してなり、これらの割合が体積百
   分率で、ガラス粉末４５〜８０％、耐火性フィラー粉末
   ２０〜５５％の範囲にあることを特徴とする低融点封着
   用組成物。