(57)【要約】【課題】被着体を封着する際に発生する反りを抑制することができ、被着体を確実に封着することを可能とする封着材を提供すること。【解決手段】ガラス及び無機フィラーを含む複数の層が積層されてなる封着材１であって、複数の層が、第１の層２と、第１の層２よりガラスの含有量が多い第２の層３とを備え、第２の層３の空隙率が、第１の層２の空隙率より小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス及び無機フィラーを含む複数の層が積層されてなり、熱膨張係数の異なる材料の封着に用いられるタブレット状封着材であって、
前記複数の層が、第１の層と、前記第１の層より空隙率が小さい第２の層とを備え、
前記第１の層及び前記第２の層がそれぞれ熱膨張係数の異なる材料と接合される、タブレット状封着材。
【請求項２】
前記第２の層の熱膨張係数が、前記第１の層の熱膨張係数より大きい、請求項１に記載のタブレット状封着材。
【請求項３】
前記第２の層のガラス含有量が、前記第１の層のガラス含有量より多い、請求項１又は２に記載のタブレット状封着材。
【請求項４】
ガラス及び無機フィラーを含む複数の層が積層されてなり、熱膨張係数の異なる材料の封着に用いられるタブレット状封着材であって、前記複数の層が、第１の層と、前記第１の層より空隙率が小さい第２の層とを備える、タブレット状封着材の製造方法であって、
前記第１の層を形成するための第１のグリーンシートと、前記第２の層を形成するための第２のグリーンシートとを用意する工程と、
前記第２の層の空隙率を低下させるように、前記第２のグリーンシートに処理を施す工程と、
前記第１，第２のグリーンシートを含む積層体を作製する工程と、
前記積層体を金型で打ち抜いてタブレット状とする工程と、
を備える、タブレット状封着材の製造方法。
【請求項５】
前記積層体を前記タブレット状とする工程の後、前記タブレット状の前記積層体を仮焼成する工程をさらに備える、請求項４に記載のタブレット状封着材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス及び無機フィラーを含む封着材及び該封着材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子部品などを封着することを目的として、ガラス及び無機フィラーを含む封着材が広く用いられている。
【０００３】
例えば、下記特許文献１には、ガラスと、アルミナなどの無機フィラーとを含む気密端子用の封着材が記載されている。特許文献１では、上記封着材は、ガラス及び無機フィラーの含有比率が異なる複数の層を積層して形成することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２０７３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者は、特許文献１のように、ガラス及び無機フィラーの含有比率が異なる複数の層が積層されてなる封着材においては、被着体を封着する際の昇温により、ガラスの含有量が多い層の収縮が他の層の収縮より大きくなるという知見を得た。そして、この理由で被着体を封着する際の昇温により封着材に反りが生じ、被着体を十分に封着できないという課題があることを、本発明者は見出した。
【０００６】
本発明の目的は、被着体を封着する際に発生する反りを抑制することができ、被着体を確実に封着することを可能とする、封着材及び該封着材の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る封着材は、ガラス及び無機フィラーを含む複数の層が積層されてなる封着材であって、上記複数の層が、第１の層と、上記第１の層より上記ガラスの含有量が多い第２の層とを備え、上記第２の層の空隙率が、上記第１の層の空隙率より小さい。
【０００８】
本発明に係る封着材は、上記第１の層が積層方向における一方側の最外層であり、上記第２の層が積層方向における他方側の最外層であってもよい。
【０００９】
本発明に係る封着材は、好ましくは、上記第２の層の熱膨張係数が、上記第１の層の熱膨張係数より大きい。
【００１０】
本発明に係る封着材は、上記第１の層と上記第２の層との間に、第３の層を設けてもよい。
【００１１】
本発明に係る封着材は、好ましくは、上記第３の層のガラス含有量が、上記第１の層のガラス含有量より多く、上記第２の層のガラス含有量より少ない。
【００１２】
本発明に係る封着材は、好ましくは、上記第３の層の空隙率が、上記第１の層の空隙率より小さく、上記第２の層の空隙率より大きい。
【００１３】
本発明に係る封着材は、好ましくは、上記第３の層の熱膨張係数が、上記第１の層の熱膨張係数より大きく、第２の層の熱膨張係数より小さい。
【００１４】
本発明に係る封着材の製造方法は、上記第１の層を形成するための第１のグリーンシートと、上記第２の層を形成するための第２のグリーンシートとを用意する工程と、上記第２の層の空隙率を低下させるように、上記第２のグリーンシートに処理を施す工程と、上記第１，第２のグリーンシートを含む積層体を作製する工程とを備える。
【００１５】
本発明に係る封着材の製造方法は、上記第２のグリーンシートに処理を施す工程が、上記第２のグリーンシートを熱プレスにより加圧する工程であってもよい。
【００１６】
本発明に係る封着材の製造方法は、上記第１，第２のグリーンシートを含む積層体を作製する工程が、上記熱プレスの圧力よりも低い圧力で圧着することにより上記積層体を作製する工程であってもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る封着材は、複数の層が積層されてなる封着材であって、複数の層が、第１の層と、第１の層よりガラスの含有量が多い第２の層とを備える。また、第２の層の空隙率は、第１の層の空隙率より小さい。そのため、第２の層は、第１の層よりガラスの含有量が多いにもかかわらず、収縮量を小さくすることができる。従って、被着体を封着する際に発生する反りが抑制され、被着体を確実に封着することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る封着材を示す模式的斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る封着材を用いて互いに熱膨張係数が異なる異種材料を封着した構造を示す模式的斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。
【００２０】
（封着材）
図１は、本発明の一実施形態に係る封着材を示す模式的斜視図である。図１に示すように、封着材１はタブレット状である。より詳細には、封着材１は円板状である。封着材１は、リング状や矩形板状であってもよい。
【００２１】
封着材１は、第１の層２、第２の層３及び第３の層４を備える。第２の層３上には、第３の層４が積層されている。第３の層４上には、第１の層２が積層されている。このように封着材１は、３層の積層構造を有している。なお、本発明においては、複数の層が積層される限り、積層数は特に限定されない。
【００２２】
第１の層２は、積層方向における一方側の最外層である。第２の層３は、積層方向における他方側の最外層である。第１の層２と第２の層３との間に、第３の層４が設けられている。
【００２３】
封着材１は、ガラスと、無機フィラーとを含む。より詳細には、第１〜第３の層２〜４の各層が、ガラスと無機フィラーとを含む。上記ガラスとしては、特に限定されないが、例えば、鉛やビスマスを多く含む低融点ガラスなどを用いることができる。
【００２４】
上記無機フィラーとしても、特に限定されず、例えば、コージェライト、ムライト、シリカ、チタン酸鉛、ウィレマイト、β−スポジュメン、ジルコン、リン酸ジルコニウム、アルミナなどが挙げられる。
【００２５】
第２の層３のガラスの含有量は、第１の層２のガラスの含有量より多い。また、第３の層４のガラスの含有量は、第１の層２のガラスの含有量より多く、第２の層３のガラスの含有量より少ない。
【００２６】
本実施形態において、ガラスの熱膨張係数は、無機フィラーの熱膨張係数より大きい。そのため、ガラスの含有量がより多い第２の層３の熱膨張係数は、第１の層２の熱膨張係数より大きいこととなる。また、第３の層４の熱膨張係数は、第１の層２の熱膨張係数より大きく、第２の層３の熱膨張係数より小さいこととなる。もっとも、本発明においては、無機フィラーの熱膨張係数が、ガラスの熱膨張係数より大きくてもよい。
【００２７】
第２の層３の空隙率は、第１の層２の空隙率より小さい。第２の層３の空隙率が第１の層２の空隙率より小さい場合、空隙率が同じ場合に比べ、第２の層３の収縮の量を小さくすることができる。その結果、被着体を封着する際に発生する反りを抑制することができる。これを以下、より詳細に説明する。
【００２８】
ガラスは、無機フィラーと比較して、封着過程における昇温により溶融しやすく、しかも溶融したガラスは、粒子間の隙間を埋めるように流動する。そのため、ガラスの含有量が多い層は、封着過程における昇温により収縮しやすく、これが封着材の反りの原因となる。
【００２９】
この収縮量を小さくするために、本実施形態においては、ガラスの含有量が多い第２の層３の空隙率を、ガラス含有量の少ない第１の層２の空隙率より小さくしている。空隙率が小さくなると、第２の層３の収縮量が小さくなり、封着過程における昇温により発生する反りを抑制することができる。従って、封着材１は、被着体を確実に封着することができる。第１の層２の空隙率と第２の層３の空隙率の差は、１体積％以上であることが好ましく、２体積％以上であることがさらに好ましく、４体積％以上であることが特に好ましい。これにより、さらに反りを抑制することができ、被着体をさらに確実に封着することができる。
【００３０】
また、第３の層４の空隙率は、第１の層２の空隙率より小さく、第２の層３の空隙率より大きい。本実施形態のように、第３の層４の空隙率が、第１の層２の空隙率よりも小さい場合、第１の層２と第３の層４の間で発生する反り及び第２の層３と第３の層４の間で発生する反りを抑制することができる。従って、より一層効果的に封着材１の反りを抑制することができ、より一層確実に被着体を封着することができる。
【００３１】
本実施形態のように、第１の層２と第２の層３の間に第３の層４を設ける場合、第１の層２の空隙率と第３の層４の空隙率の差、及び第３の層４の空隙率と第２の層３の空隙率の差は、それぞれ１体積％以上であることが好ましく、２体積％以上であることがさらに好ましい。これにより、さらに反りを抑制することができ、被着体をさらに確実に封着することができる。
【００３２】
第１の層２、第２の層３及び第３の層４のそれぞれの空隙率は、２５〜５０体積％の範囲内であることが好ましく、２７〜４０体積％の範囲内であることがさらに好ましい。これらの範囲内で、上記のように各層間に空隙率の差を設けることにより、さらに反りを抑制することができ、被着体をさらに確実に封着することができる。
【００３３】
封着材１の厚みとしては、特に限定されないが、好ましくは、２００μｍ〜１ｍｍ以下である。封着材１の厚みが２００μｍより小さいと、被着体の熱膨張係数の差を吸収することが困難となり、いずれかの被着体との界面で剥離が生じ易くなる。封着材１の厚みが、１ｍｍより大きいと、封着材内部で凝集破壊を生じ易くなり、異種材料間を封着することが困難となる場合がある。
【００３４】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る封着材を用いて互いに熱膨張係数の異なる異種材料を封着した構造を示す模式的斜視図である。
【００３５】
図２に示すように、熱膨張係数の小さい材料１０と、熱膨張係数の大きい材料２０との間に封着材１が設けられている。すなわち、熱膨張係数の小さい材料１０と熱膨張係数の大きい材料２０は、封着材１により封着されている。より詳細には、熱膨張係数の小さい材料１０は、封着材１の第１の層２側に設けられており、熱膨張係数の大きい材料２０は、封着材１の第２の層３側に設けられている。
【００３６】
ここで、例えば、シリコン（熱膨張係数が４０×１０−７／℃程度）、アルミナ（熱膨張係数が７０〜８０×１０−７／℃）、ＳＵＳ（熱膨張係数が１１０〜１５０×１０−７／℃）のいずれか２種を封着する場合、各材料間で熱膨張係数が大きく異なる。そのため、ガラス及び無機フィラーが均一に分散されている封着材を用いて封着しようとすると、熱膨張係数の小さい材料１０と熱膨張係数の大きい材料２０のいずれかとの界面で剥離が生じることとなる。
【００３７】
しかしながら、本実施形態では、熱膨張係数の小さい封着材１の第１の層２側が、熱膨張係数の小さい材料１０に接している。また、熱膨張係数の大きい封着材１の第２の層３が、熱膨張係数の大きい材料２０に接している。すなわち、封着材１は、熱膨張係数の異なる異種材料１０及び２０のいずれと接する側の面においても、これらの材料１０及び２０との熱膨張係数の差が小さくなっている。従って、封着材１は、熱膨張係数の異なる異種材料１０及び２０のいずれと接する側の界面においても、剥離が生じ難い。よって、封着材１を用いることにより、互いに熱膨張係数の異なる異種材料間を封着することができる。
【００３８】
本発明に係る封着材は、上記のように、互いに熱膨張係数の異なる異種材料を封着することができる。従って、本発明に係る封着材は、圧力センサー等の用途に好適に用いることができる。
【００３９】
（封着材の製造方法）
本発明に係る封着材の製造方法としては、特に限定されないが、例えば、第１の層を形成するための第１のグリーンシートと、第２の層を形成するための第２のグリーンシートとを用意する工程（工程１）と、第２の層の空隙率を低下させるように、第２のグリーンシートに処理を施す工程（工程２）と、第１，第２のグリーンシートを含む積層体を作製する工程（工程３）とを備える製造方法により製造することができる。以下、工程１〜工程３について、より詳細に説明する。
【００４０】
（工程１）
まず、ガラス粉末及び無機フィラー粉末を、バインダー樹脂を含む溶剤に分散させスラリーを作製する。次に、得られたスラリーをシート形状となるように塗布し、乾燥させる。それによって、第１の層を形成するための第１のグリーンシートと、第２の層を形成するための第２のグリーンシートとを含む、複数枚のグリーンシートを用意する。
【００４１】
上記スラリーを作製する際には、第２のグリーンシートのガラスの含有量が、第１のグリーンシートのガラスの含有量より多くなるように、第１，第２のグリーンシートで、それぞれ、ガラスと無機フィラーの配合比率（ガラス粉末／無機フィラー粉末）の異なるスラリーを作製する。それによって、第１の層及び第２の層を形成したときに、第２の層の熱膨張係数を第１の層の熱膨張係数より大きくすることができる。
【００４２】
第１のグリーンシートを作製するためのガラス粉末と無機フィラー粉末の配合比率（ガラス粉末／無機フィラー粉末）としては、質量比で、４５／５５〜９０／１０の範囲にあることが好ましい。
【００４３】
他方、第２のグリーンシートを作製するためのガラス粉末と無機フィラー粉末の配合比率（ガラス粉末／無機フィラー粉末）としては、質量比で、４７／５３〜９５／５の範囲にあることが好ましい。
【００４４】
第１のグリーンシートの配合比率（ガラス粉末／無機フィラー粉末）と、第２のグリーンシートの配合比率（ガラス粉末／無機フィラー粉末）が、それぞれ上記範囲内にある場合、第１，第２の層の熱膨張係数の差をより適切な範囲とすることができることから、互いに熱膨張係数の異なる異種材料間をより一層確実に封着することができる。
【００４５】
また、用意するグリーンシートの枚数は、特に限定されない。例えば、上述した封着材１を作成する場合には、第３の層４を作製するための第３のグリーンシートを用意する。その場合においては、スラリーを作製する際に、第３のグリーンシートのガラスの含有量が、第１のグリーンシートのガラスの含有量より多く、第２のグリーンシートの含有量より少なくなるように、第３のグリーンシートの配合比率を調整することが好ましい。
【００４６】
（工程２）
次に、第２のグリーンシートを仮焼成することにより形成される第２の層の空隙率を低下させるように、用意した第２のグリーンシートに処理を施す。第２のグリーンシートに処理を施す方法としては、特に限定されないが、例えば、第２のグリーンシートを熱プレスにより加圧することにより、第２のグリーンシートの空隙率を低下させることができる。
【００４７】
上記熱プレスは、温度８０〜１００℃、圧力１０〜３００ＭＰａで、６０〜３００秒間行うことが望ましい。上記の条件下で熱プレスを行う場合、より一層空隙率を低下させることができる。
【００４８】
上記第２のグリーンシートに施す処理は、ガラスの含有量が最も少ないグリーンシートである第２のグリーンシート以外の他のグリーンシートに施してもよい。例えば、上述した第３のグリーンシートを仮焼成することにより形成される第３の層の空隙率を低下させるように、第３のグリーンシートに処理を施してもよい。
【００４９】
（工程３）
次に、第１，第２のグリーンシートを含む複数枚のグリーンシートの積層体を作製する。より詳細には、上記処理を施していない第１のグリーンシートと、上記処理を施した第２のグリーンシートとを含む複数枚のグリーンシートの積層体を作製する。
【００５０】
しかる後、得られた積層体に熱プレスを施す。この際、上記第２の層の空隙率を低下させるために、第２のグリーンシートに施す熱プレスの圧力よりも低い圧力で圧着することが好ましい。具体的には、温度８０〜１００℃、圧力５〜２００ＭＰａで、６０〜３００秒間行うことが望ましい。
【００５１】
次に、圧着した積層体を金型で打ち抜き、所望の形状とする。最後に、打ち抜いた積層体をガラス粉末の軟化点より低い温度で仮焼成し、封着材を得る。
【００５２】
本発明に係る製造方法においては、上記のように、第１の層と比較してガラスの含有量の多い第２の層を形成するための第２のグリーンシートに、空隙率を低下させる処理が施される。従って、第２の層の空隙率が、上記第１の層の空隙率より小さい封着材を得ることができる。そのため、得られた封着材では、第２の層の収縮量が小さくなり、被着体を封着する際に発生する反りを抑制することができる。従って、本発明に係る製造方法によれば、被着体を確実に封着することが可能な封着材を得ることができる。
【００５３】
以下、本発明の具体的な実施例を挙げることにより、本発明を明らかにする。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００５４】
（実施例１）
ガラス粉末としてＢｉ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＺｎＯ系ガラス７０質量％及び無機フィラー粉末としてコーディエライト３０質量％を含む第１のグリーンシートと、ガラス粉末としてＢｉ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＺｎＯ系ガラス８０質量％及び無機フィラー粉末としてコーディエライト２０質量％を含む第２のグリーンシートとを用意した。
【００５５】
次に、用意した第２のグリーンシートに温度９０℃、圧力２００ＭＰａで、１２０秒間、第１の熱プレスを施した。しかる後、第１，第２のグリーンシートを積層させて積層体を作製し、得られた積層体に、温度９０℃、圧力７０ＭＰａで、６０秒間、第２の熱プレスを施した。圧着した積層体を、金型で打ち抜いて円板状とし、温度４７０℃で仮焼成することにより、直径１０ｍｍの円板状の封着材を得た。
【００５６】
（実施例２）
第１，第２のグリーンシートのガラス粉末及び無機フィラー粉末の含有量を下記の表１に示すように設定したこと以外は、実施例１と同様にして、直径１０ｍｍの円板状の封着材を得た。
【００５７】
（実施例３）
ガラス粉末としてＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系ガラス８５質量％及び無機フィラー粉末として非晶質シリカ１５質量％を含む第１のグリーンシートと、ガラス粉末としてＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系ガラス９３質量％及び無機フィラー粉末として非晶質シリカ７質量％を含む第２のグリーンシートと、ガラス粉末としてＰｂＯ−ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系ガラス８９質量％及び無機フィラー粉末として非晶質シリカ１１質量％を含む第３のグリーンシートとを用意した。
【００５８】
次に、用意した第２のグリーンシートに温度１００℃、圧力１２０Ｍｐａで、１８０秒間、また、第３のグリーンシートに温度１００℃、圧力９０ＭＰａで、１８０秒間第１の熱プレスを施した。しかる後、第２のグリーンシート上に第３のグリーンシート及び第１のグリーンシートをこの順に積層させて積層体を作製し、得られた積層体に、温度８５℃、圧力５０ＭＰａで、９０秒間、第２の熱プレスを施した。圧着した積層体を、金型で打ち抜いて円板状とし、温度４２０℃で仮焼成することにより、直径１０ｍｍの円板状の封着材を得た。
【００５９】
（実施例４）
第１〜第３のグリーンシートのガラス粉末及び無機フィラー粉末の含有量を下記の表１に示すように設定したこと以外は、実施例３と同様にして、直径１０ｍｍの円板状の封着材を得た。
【００６０】
（比較例１）
第２のグリーンシートに、第１の熱プレスを施さなかったこと以外は、実施例１と同様にして、直径１０ｍｍの円板状の封着材を得た。
【００６１】
（比較例２）
第２，第３のグリーンシートに、第１の熱プレスを施さなかったこと以外は、実施例３と同様にして、直径１０ｍｍの円板状の封着材を得た。
【００６２】
（評価）
空隙率及び熱膨張係数；
まず、第２の熱プレスを行う前の第１，第２，第３の各グリーンシートを準備し、それぞれ５０ｃｍ２に切断する。切断した各グリーンシートを仮焼成することにより、上記の仮焼成温度で仮焼成体（第１，第２，第３の層）を作製する。作製した各仮焼成体の厚みおよび質量を測定し、体積Ｖおよび質量Ｍを求める。次に、ガラスと無機フィラーの配合比率に合わせた混合粉末の合成密度ρを計算により求め、ε＝１−Ｍ／（Ｖ・ρ）より空隙率εを求めた。同様にして、第１，第２，第３の各グリーンシートの仮焼成体（第１，第２，第３の層）を作製し、熱膨張係数を測定した。
【００６３】
反り量の評価；
実施例１〜４及び比較例１，２で得られた封着材を、仮焼成温度＋２０℃で、１０分間焼成した。焼成後、封着材を２枚の平板で挟み込み、封着材が挟み込まれた２枚の平板間の距離を測定した。測定した２枚の平板間の距離と、封着材そのものの厚みの差を、反り量とした。
【００６４】
【表１】
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【００６５】
表１より、ガラス粉末の含有量の多いグリーンシートに、第１の熱プレスを施した（ガラス粉末の含有量が多いグリーンシートの空隙率が小さい）実施例１〜４で得られた封着材の反り量は、比較例１，２の封着材の反り量より、小さいことが確認できた。
【符号の説明】
【００６６】
１…封着材
２…第１の層
３…第２の層
４…第３の層
１０…熱膨張係数の小さい材料
２０…熱膨張係数の大きい材料
【図１】
2018197187.tif 000004
【図２】
2018197187.tif 000005