JP2015229631A - 誘電体ガラス組成物 - Google Patents
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Abstract
Description
誘電体ガラス成分は、好ましくは、ガラスフリットの形態で提供される。ガラスフリットは、好ましくは、そのそれぞれがガラス組成物に特定の特徴を提供する様々な酸化物を含む。少なくとも、ガラスフリットは、好ましくは、二酸化ケイ素と1種以上のアルカリ金属酸化物とを含む。二酸化ケイ素は、ガラスが多湿環境(例えば、相対湿度が少なくとも85%の環境)に曝露されるときに十分な耐久性を有する誘電体ガラス組成物をもたらす。これは、屋外で使用されかつ様々な気象要素に曝露される電子デバイス中に誘電体ガラスが組み込まれる場合、重要である。アルカリ金属酸化物は、その熱膨張率(CTE)が有利に増大している組成物を提供する。誘電体ペースト組成物(本明細書で記載される誘電体ガラスを含む)を基板に直接適用するときは、前記組成物は、基板のCTE以下であるCTEを有することが好ましく、その結果、アセンブリが加熱され、次いで冷却されると、材料は、同程度の割合で膨張および収縮し、亀裂または反りが生じにくい。前記組成物のCTEは、基板のCTEを有意に下回るべきではなく、そうでなければ、亀裂あるいは反りを生じさせる過度なストレスが発生する場合がある。アルカリ金属酸化物は、ガラス組成物のCTEを増加させ、基板とさらに同程度のCTEを有するガラスを提供する。しかしながら、二酸化ケイ素の含量が高いとCTEを低下させ、アルカリ金属酸化物の含量が低いと耐久性に関して有害な影響を及ぼすので、二酸化ケイ素とアルカリ金属酸化物の成分は注意深くバランスさせるべきである。したがって、誘電体ガラス組成物は、好ましくは、ガラス組成物に耐久性を付与するのに十分な量の二酸化ケイ素を含む。一実施形態では、ガラス組成物は、ガラス組成物の100%総重量を基準として、二酸化ケイ素を少なくとも約30重量%、好ましくは少なくとも約40重量%含む。さらに、ガラス組成物の100%総重量を基準として、アルカリ金属酸化物の総含量が少なくとも約10重量%であるように、ガラス組成物は、好ましくは1種以上のアルカリ金属酸化物を含む。同時に、アルカリ金属酸化物の総含量は、ガラス組成物の100%総重量を基準として、好ましくは約35重量%以下、好ましくは約20重量%以下である。
本発明の誘電体ガラス組成物は、誘電体ペースト組成物を形成するのに有用である。そのような誘電体ペースト組成物を使用して、LEDなどの電子アセンブリにおいて誘電体層を形成することができる。誘電体ペースト組成物は、好ましくは、本明細書で考察される誘電体ガラス組成物、ならびに有機ビヒクルを含む。少なくとも一実施形態では、誘電体ペースト組成物は、ガラス成分または有機ビヒクル成分の外側に添加剤を含むこともできる。
有機ビヒクル
一実施形態によれば、誘電体ガラス組成物は、ガラス成分および有機ビヒクルとは異なる添加剤を含むこともできる。好ましい添加剤は、誘電体ガラス組成物の接着性能、電気性能、および耐久性に寄与する。当該技術分野で公知のすべての添加剤を、誘電体組成物における添加剤として使用することができる。好ましい添加剤としては、チキソトロープ剤、粘度調節剤、乳化剤、安定剤、またはpH調節剤、無機添加剤、増粘剤、および分散剤、またはそれらの少なくとも2種の組み合わせが挙げられるが、それらに限定されない。無機添加剤が最も好ましい。好ましい無機添加剤としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属、およびそれらの酸化物、遷移金属、例えばニッケル、ジルコニウム、チタン、マンガン、スズ、ルテニウム、コバルト、鉄、銅、クロム、タングステン、モリブデン、亜鉛、ポスト遷移金属、例えばホウ素、ケイ素、ゲルマニウム、テルル、ガドリニウム、鉛、ビスマス、およびアンチモン、希土類金属、例えばランタンおよびセリウム、酸化物、混合金属酸化物、錯化合物、それらの酸化物から形成されたアモルファスガラスまたは部分的に結晶化したガラス、または、それらのうちの少なくとも2種の任意の組み合わせが挙げられるが、それらに限定されない。
誘電体ペースト組成物を形成するために、有機ビヒクルを調製するための当該技術分野で公知の任意の方法を使用して、有機ビヒクルの成分を組み合わせる。その方法により、好ましくは、均一に分散された組成物が得られる。次いで、ガラスフリット粒子および添加剤(1種または複数種)(存在する場合)を、当該技術分野で公知の任意の方法、例えばミキサーで、有機ビヒクルと一緒に混合する。次いで、その組成物を、好ましくは、例えば3本ロールミルを通過させて、粉砕し、分散された均一なペースト組成物を形成する。
本明細書で記載されるように、本発明の誘電体ペースト組成物は、電子デバイスにおいて誘電体層を形成する際に有用である。電子デバイスは、一般的に、基板と、特定の電気特性/熱特性を有する基板に適用される様々な層とから成る。当業者に公知であってかつあらゆる特有の電気電子用途における使用に適する、任意の基板を使用することができる。適当な基板は、温度制限、電気的性質、または機械的性質などのファクターに基づいて選択することができる。上記したように、誘電体ガラス組成物のCTEは、加熱/冷却中の亀裂または反りを防止するために、基板のCTE以下であるべきである。一実施形態では、基板は、少なくとも約10ppm/KのCTEを有する。同時に、基板は、好ましくは約25ppm/K以下のCTEを有する。好ましくは、基板は、アルミニウムまたは鋼である。
焼成された誘電体層の接着性能および電気性能を測定して、誘電体層が、特定用途向け規格を満たすことを保証することができる。誘電体層の接着性能は、Zwick GmbH&Co.KGから市販されているZwick Roell Z25 Testing Station machineを使用して、標準引張力試験に従って測定する。試験片を作製するために、試験用リード(はんだめっき銅60/スズ40から形成された)を、まず超音波で清浄にする。試験用パッド(80ミル導電性接着パッド)をテストクーポン(test coupon)の上に付着させる。試験用リードを、2つの方法のうちの1つを使用して取り付ける。
5つの例示の誘電体ガラス組成物を調製した。ガラス組成物の重量%で下記表1に提供した個々の成分を、一緒に混合し、次いで、表1のパラメータに従って60分間加熱した。次いで、完全に溶解させたガラスを水で急冷した。次いで、ガラスを、5μm未満のメジアン粒径(d50)および10μm未満の粒径d90までボールミル粉砕した。粒径d90は、累積分布における粒子の約90%が、小さい直径を有する直径である。
表1 例示のガラス組成物G1〜G5
表3 例示のペースト組成物P1〜P5
表4 例示のペーストP1〜P5の電気性能
次いで、実施例1から得られる例示のペーストのうちの3つを、老化試験のために選択した。ペーストP1〜P3を有する基板を、高温多湿(85℃/85%相対湿度)に曝露し、本明細書記載のパラメータに従って、接着力および電気性能を、異なる時間間隔で試験した。そのデータを下記の表5に示す。
表5 多湿/熱老化中のP1〜P3の性能
Claims (27)
- 電子デバイスにおける使用に適した誘電体ガラス組成物であって、
多湿環境に曝露されるときに前記ガラス組成物に耐久性を付与するのに十分な量の二酸化ケイ素と、
1種以上のアルカリ金属酸化物と
を含み、
前記アルカリ金属酸化物の総含量が、前記ガラス組成物の100%総重量を基準として、少なくとも約10重量%であり、および約35重量%以下であり、
前記ガラス組成物のメジアン粒径(d50)が約5μm以下であり、前記ガラス組成物が少なくとも約10ppm/Kの熱膨張率および約25ppm/K以下の熱膨張率を有する、
誘電体ガラス組成物。 - 酸化ビスマス、酸化ホウ素、酸化バナジウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化バリウム、酸化アンチモン、酸化亜鉛、酸化マンガン、酸化テルル、および酸化銅から成る群より選択される1種以上の金属酸化物またはメタロイド酸化物をさらに含む、請求項1記載の誘電体ガラス組成物。
- 前記ガラス組成物の100%総重量を基準として、二酸化ケイ素を、少なくとも約30重量%、好ましくは少なくとも約40重量%含有する、請求項1または2記載の誘電体ガラス組成物。
- 酸化ナトリウム、酸化カリウム、酸化リチウム、および前記のいずれかの任意の組み合わせから選択される1種以上のアルカリ金属酸化物を、前記ガラス組成物の100%総重量を基準として、約20重量%以下含有する、請求項1〜3のいずれかに記載の誘電体ガラス組成物。
- 電子デバイスにおける使用に適した誘電体ガラス組成物であって、
前記ガラス組成物の100%総重量を基準として、
少なくとも約30重量%の二酸化ケイ素と、
少なくとも約10重量%かつ約35重量%以下の1種以上のアルカリ金属酸化物と、
約30重量%以下の酸化ビスマスと、
約5重量%以下の酸化ホウ素と、
少なくとも約1重量%かつ約10重量%以下の酸化バナジウムと、
少なくとも約0.1重量%かつ約5重量%以下の酸化アルミニウムと
を含み、
前記ガラス組成物のメジアン粒径(d50)が、少なくとも約2μmかつ約5μm以下である、
誘電体ガラス組成物。 - 少なくとも12ppm/Kの熱膨張率を有する、請求項1〜5のいずれかに記載の誘電体ガラス組成物。
- 470℃未満、好ましくは450℃未満のガラス転移温度を有する、請求項1〜6のいずれかに記載の誘電体ガラス組成物。
- 500℃未満、好ましくは470℃未満のガラス軟化点を有する、請求項1〜7のいずれかに記載の誘電体ガラス組成物。
- 前記ガラス組成物が無鉛である、請求項1〜8のいずれかに記載の誘電体ガラス組成物。
- 請求項1〜9のいずれかに記載の少なくとも1種の誘電体ガラス組成物と、
有機ビヒクルと
を含む、電子デバイスにおける使用に適した誘電体ペースト組成物。 - 前記少なくとも1種の誘電体ガラス組成物が、前記誘電体ペースト組成物の100%総重量を基準として、前記ペースト組成物の少なくとも約50重量%、好ましくは少なくとも約55重量%、最も好ましくは少なくとも約65重量%、かつ約80重量%以下、好ましくは約75重量%以下、最も好ましくは約70重量%以下である、請求項10記載の誘電体ペースト組成物。
- 前記誘電体ペースト組成物の100%総重量を基準として、前記ペースト組成物の少なくとも約1重量%、好ましくは少なくとも5重量%、好ましくは少なくとも約10重量%、かつ約25重量%以下、好ましくは約20重量%以下、最も好ましくは約15重量%以下の量で存在する、チタニア、セラミック顔料、遷移金属酸化物、またはそれらの組み合わせをさらに含む、請求項10または11記載の誘電体ペースト組成物。
- 前記有機ビヒクルが、前記誘電体ペースト組成物の100%総重量を基準として、前記ペースト組成物の少なくとも約10重量%、好ましくは少なくとも約15重量%、最も好ましくは少なくとも約20重量%、かつ約40重量%以下、好ましくは約35重量%以下、最も好ましくは約30重量%以下である、請求項10〜12のいずれか1項に記載の誘電体ペースト組成物。
- 前記有機ビヒクルが、バインダー、界面活性剤、チキソトロープ剤、および可塑剤のうちの少なくとも1種を含む、請求項10〜13のいずれか1項に記載の誘電体ペースト組成物。
- 前記少なくとも1種のガラス組成物が、少なくとも約1μm、好ましくは少なくとも約2μm、最も好ましくは少なくとも約3μmであり、かつ約10μm以下、好ましくは約7μm以下、最も好ましくは約5μm以下のメジアン粒径(d50)を有する粒子の形態で提供される、請求項10〜14のいずれか1項に記載の誘電体ペースト組成物。
- 請求項10〜15のいずれか1項に記載の誘電体ペースト組成物を、基板の少なくとも1つの表面に適用する工程を含む方法。
- 前記基板が、少なくとも10ppm/Kの熱膨張率および約25ppm/K以下の熱膨張率を有する、請求項16記載の方法。
- 前記基板がアルミニウムまたは鋼である、請求項16または17記載の方法。
- 前記誘電体組成物を、従来のオーブン乾燥、赤外線硬化または紫外線硬化、および/または焼成を含む1つ以上の熱処理工程に曝露する工程をさらに含む、請求項16〜18のいずれか1項に記載の方法。
- アルミニウム基板では600℃未満の温度で、鋼基板では1000℃未満の温度で、空気または窒素の雰囲気中で焼成を行う、請求項19記載の方法。
- 前記誘電体ペースト組成物を、スクリーン印刷、ステンシル印刷、タンポン印刷、インクジェット印刷、分配、スロットダイコーティング、カーテンコーティング、ローラーコーティング、浸漬コーティング、吹付け塗り、または刷毛塗りによって、少なくとも1つの表面に適用する、請求項16〜20のいずれか1項に記載の方法。
- 請求項16〜21のいずれか1項に記載の方法によって作製される電子デバイス。
- 少なくとも1つの表面を有する基板と、
少なくとも1つの表面の少なくとも一部分に適用される請求項10〜15のいずれか1項に記載の誘電体ペースト組成物と
を含み、
誘電体層を形成するために、前記誘電体ペースト組成物が1つ以上の熱処理工程に供される、
電子デバイス。 - 前記誘電体ペースト組成物が、
少なくとも約30重量%の酸化ケイ素と、
少なくとも約10重量%かつ約35重量%以下の1種以上のアルカリ金属酸化物と、
約30重量%以下の酸化ビスマスと、
約5重量%以下の酸化ホウ素と、
少なくとも約1重量%かつ約10重量%以下の酸化バナジウムと、
少なくとも約0.1重量%かつ約5重量%以下の酸化アルミニウムと
を含む少なくとも1種の誘電体ガラス組成物と、
有機ビヒクルと
を含む請求項23記載の電子デバイス。 - 前記基板がアルミニウムまたは鋼である、請求項23または24記載の電子デバイス。
- 前記電子デバイスが、電気回路、太陽電池、LED、ディスプレイ、コンデンサ、抵抗器、およびそれらの任意の組み合わせから選択される、請求項23〜25のいずれか1項に記載の電子デバイス。
- 前記誘電体層が前記電気回路から前記基板へと放熱させるように、電気回路を、前記誘電体層の表面に適用する、請求項23〜26のいずれか1項に記載の電子デバイス。
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