JP2000034501A

JP2000034501A - 導電性粉体及び導電インク

Info

Publication number: JP2000034501A
Application number: JP23219298A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Otsuka; 芳郎大塚; Kazuo Otsuka; 和郎大塚; Noritoshi Yamaguchi; 文紀山口
Original assignee: Otsuka Sangyo KK
Current assignee: Otsuka Sangyo KK
Priority date: 1998-07-15
Filing date: 1998-07-15
Publication date: 2000-02-02

Abstract

(57)【要約】【課題】電子・電気回路パターンや太陽電池をはじめと
する半導体用導電パターンの形成材料である導電性粉体
及び導電インクの機能向上とコストダウンを実現するこ
と。【解決手段】無機質粉体の外面に、メッキによる金属層
を被着して導電性粉体とすること。さらに、無機質粉体
が卑金属、金属層が貴金属であったり、無機質粉体がセ
ラミックスであってもよい。またこのような導電性粉体
と、有機バインダーとを混練した導電インク、あるいは
少なくとも、このような導電性粉体と、有機バインダー
と、粉末ガラスとを混練した導電インクとすること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子・電気回路パ
ターンや太陽電池をはじめとする半導体用導電パターン
の形成材料の分野に属し、その機能向上とコストダウン
を目的としたものである。

【０００２】

【従来の技術】電子・電気回路パターンや太陽電池をは
じめとする半導体用導電パターンの形成法の一つに、ス
クリーン印刷法がある。これは、金属粉体と有機バイン
ダー、必要に応じてその他の添加物を、３本ロールミル
等で分散混練して所定粘度のペースト状導電インクに
し、これをスクリーン印刷によって基板上に印刷塗布す
るものである。印刷塗布された印刷層は、乾燥の後、焼
成によって有機バインダーが分解焼失され、金属層を主
体とする導電パターンとして基板上に形成される。従っ
て、特にこのような焼成タイプのものは、焼成後の電気
抵抗を低く維持しつつ、焼成中における酸化を防止しな
ければならない。このような条件を満足させるため、通
常は金属粉体として貴金属が用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そして、コストダウン
競争が益々激化するエレクトロニクス業界にあっては、
このような導電パターン材料の原価比率引き下げが、最
も重要なテーマの一つとなっている。しかし、金属粉体
として貴金属を使用しているため、コストダウン努力は
限界に来ていると言える。この点を、結晶系太陽電池用
の導電インクを例に取って詳細に説明する。通常の結晶
系太陽電池は、ｐ型シリコン基板の光入射側にごく薄い
ｎ層を形成し、表裏に集電電極を形成したものである。
この集電電極は導電インクの印刷・焼成によって形成さ
れる。そして、導電インクの金属粉体としては、一般に
銀が用いられ、焼成後の強度維持のため、少量の粉末ガ
ラスが添加されている。コストダウン競争が特に激しい
太陽電池にあって銀を用いている主な理由は、以下のと
おりである。

【０００４】例えば銀の代替材として考えられるもの
に、銅があげられる。これは太陽電池の集電電極とし
て、まずその抵抗率が優先されるからである。ここで、
銀と銅の抵抗率はほぼ等しい。しかし、銅を材料にした
導電インクを焼成するには、以下のような大きく２つの
問題がある。先ず第一には、シリコンの物性に与える影
響である。一般に銅は、シリコンに対してライフタイム
キラーとなることが判っている。太陽電池の光電流は、
光照射によってｐ層内に発生する少数キャリアに依存し
ているため、ｐ層における空乏層内に銅のようなライフ
タイムキラーが存在すると、少数キャリアがｐ／ｎ接合
部まで到達できず、光電流が低下してしまう。また結晶
の品質自体も悪くなるので、ダイオードファクター（ｎ
値）も低下する。その結果、Ｖ−Ｉ特性における短絡電
流と曲線因子の低下となって現れる。そして、銅がｐ層
中に存在するか否かは、銅のシリコンに対する拡散の有
無によって決まるが、前述の焼成工程における温度上昇
によって、銅はシリコン中に容易に拡散してしまう。第
二には、焼成中における銅の酸化があげられる。銀は焼
成によって酸素を吐き出すのに対して、銅は容易に酸化
する。例え前述の拡散の問題が無かったとしても、酸化
によってシリコンと銅との間の接触抵抗が上昇し、曲線
因子の低下となって現れる。また後工程における取り出
し線のハンダ付けが困難になるといった問題も出てく
る。これを防止するには無酸素もしくは水素中の還元雰
囲気で焼成しなければならず、焼成炉の高額化を招いて
しまう。従って、他の電子・電気機器市場に比べてコス
トダウン競争が一層激しい太陽電池にあっては、電極材
料のコストダウンが手詰まりに状況にあると言える。こ
のような太陽電池における現況は、他の分野においても
多かれ少なかれ言えることであり、コストと機能の両面
を併せ持った新規な電極材料の出現が望まれているとこ
ろである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】このような問題点を解決
して低コストでかつ現行の材料と同等の機能を発揮する
には、無機質粉体の外面に、メッキによる金属層を被着
した導電性粉体を用いればよい。さらに、無機質粉体が
卑金属、金属層が貴金属であったり、無機質粉体がセラ
ミックスであるとより好ましいものとなる。また無機質
粉体の外面に、メッキによる金属層を被着した導電性粉
体、またはこの導電性粉体における無機質粉体が卑金
属、金属層が貴金属であるもの、またはこの導電性粉体
における無機質粉体がセラミックスであるもの、のいず
れかの導電性粉体と、有機バインダーとを混練した導電
インク、あるいは少なくとも、無機質粉体の外面に、メ
ッキによる金属層を被着した導電性粉体、またはこの導
電性粉体における無機質粉体が卑金属、金属層が貴金属
であるもの、またはこの導電性粉体における無機質粉体
がセラミックスであるもの、のいずれかの導電性粉体
と、有機バインダーと、粉末ガラスとを混練した導電イ
ンクとすればよい。以下に、本発明の作用を説明する。
無機質粉体が卑金属の場合は、アトマイズ法・電解法そ
の他の手法で作られた一般的な金属粉に対して、無電解
等の方法で貴金属のメッキ層をその外面全面に形成す
る。メッキによって貴金属層を形成することは、貴金属
層の未着部分を無くすことに対して効果的である。未着
部分が多く存在すると、核となっている無機質粉体（こ
こでは卑金属）の物性が発現するため、好ましくない。
無機質粉体がセラミックスの場合でも同様、適当な活性
剤や触媒を選択して無電解メッキ等の方法で、金属層を
形成すればよい。こうして作製された導電性粉体に、材
料の組み合わせによって必要な場合はシンターリング処
理等を施し、有機バインダーその他必要な添加剤ととも
に混合分散し、３本ロールミル等を用いて充分に混練す
る。このようにして導電インクとして調製し、従来の導
電インクと同等の手順によって使用に供する。例えば、
焼成をはじめとする種々の処理条件は、外面に被着形成
されている金属層の物性を基準に決定する。スプレー等
の方法で塗布する場合には、導電インクに調製すること
なく、本発明の導電性粉体を適当な分散基剤で分散させ
る等、従来と同一の方法でスプレー処理すればよい。本
発明の導電性粉体は、その構造からわかるように、物理
的性質は一般の金属粉体と何らかわらないので、現在用
いられている種々の方法をそのまま適用することができ
るのである。

【０００６】太陽電池のように、数アンペアクラスの直
流電流を流す場合には、その低抵抗値確保の観点から、
請求項２に記載した卑金属粉体と貴金属層の組み合わせ
た導電性粉体が好ましく、導電インクとしては、その焼
成温度がそれほど高くなくかつ下地との共晶反応もない
ため、請求項５記載のものが好ましい。また、高周波電
流を流す場合は、表皮効果を勘案すると導電層はごく表
面だけで充分であることから、導電性粉体としては、無
機質粉体にガラス等を用いた請求項１記載のものが好ま
しく、導電インクとしては、請求項４記載のものが好ま
しい。この場合に低温で強度を付加したい場合は、有機
バインダーをエポキシ樹脂等の熱硬化型の樹脂にすれば
よい。このうちセラミックス圧膜基板用などのように焼
成温度が特に高い場合は、導電性粉体としては、無機質
粉体にセラミックスを用いた請求項３記載のものが好ま
しく、導電インクとしては請求項４記載のものがよい。
この場合の有機バインダーとしては、焼失もしくは揮発
タイプのものを選定すればよい。さらに、直流電流であ
っても微弱な電流しか流さない場合にも、無機質粉体と
して、請求項１または３のような絶縁性のものを使用す
ることができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を、太陽
電池の電極形成用の導電インクを例に取り、詳細に説明
する。アトマイズ法によって作製した、平均粒径１０μ
ｍの銅粉に対して無電解メッキ法により銀を被着させ
た。この際、電子顕微鏡によって銀の未着部分の有無を
確認しながら、未着部分が無くなるメッキ条件を選定し
た。その結果、本実施例で使用したアトマイズ銅粉で
は、末着部分を無くすために必要となる銀の被着層は、
メッキ後の粉体に対する重量比で約１５％以上必要であ
った。この粉体は図１のように、核となる銅粉１の外面
全面に、銀のメッキ層２が未着部分が無い状態で形成さ
れた構造になっている。次に、エチルセルロースと酢酸
ジエチレングリコールモノｎブチルエーテル（ＢＣＡ；
ブチルカルビトールアセテート）を混合して調製した有
機バインダーに対して、上記銀を被着させた本発明の導
電性粉体と、アルカリ金属の含有量の少ない亜鉛系ガラ
スフリット（粉末ガラス；軟化点６３０℃）とを混合
し、３本ロールミルで充分に混練し、本発明の導電イン
クとした。粘度は、加えるＢＣＡの量によって調整し
た。最終的には、導電性粉体８８重量％，有機バインダ
ー９重量％，ガラスフリット３重量％とした。

【０００８】この導電インクを、２５０メッシュのテト
ロンスクリーンを用いて、予め必要な工程処理を施した
単結晶シリコン基板に印刷し、空気中１３０℃で３０分
間乾燥させてＢＣＡを揮発させ、雰囲気加熱式のトンネ
ル型焼成炉で焼成して太陽電池として完成させた。焼成
条件は、酸素濃度を１０％とし、ピーク温度／時間を７
００℃／５分、昇温から降温までのトータル時間を２０
分とした。焼成後、１％のフッ化水素酸水溶液でシリコ
ン基板と電極間の酸化膜除去を行った。この酸化膜除去
は、従来の銀粉による導電インクの場合でも行われてい
る通常の処理である。こうして作製した太陽電池に、Ａ
Ｍ１．５のスペクトル分布、照射強度が１００ｍＷ／ｃ
ｍ^２の疑似太陽光線を照射し、その電流電圧特性を測定
した。その結果、比較用として作製した、従来の銀粉に
よる導電インクを用いた太陽電池に対して、短絡電流・
開放電圧・曲線因子・変換効率ともに全く遜色のない特
性が得られた。

【０００９】本発明の導電性粉体を使った導電性インク
は、本実験の結果から明らかなように、従来の銀粉によ
る導電性インクと同等の性能を有しているが、より低コ
スト化のためには、貴金属層の膜厚をできるだけ薄くす
るのが望ましいことは勿論である。しかしながら、貴金
属層を薄くしていくと、貴金属層を酸素が透過し、下地
の卑金属層の表面が酸化されることが懸念される。これ
を防止するには、導電性インク中に、三酸化二硼素（Ｂ
_２Ｏ_３）を０．１〜５重量％添加すればよい。また金属
チタンと五酸化リン（Ｐ_２Ｏ_５）をそれぞれ０．１〜５
重量％ずつ添加してもよい。これらの添加剤は、高温下
で金属酸化膜を溶解する効果があり、焼成時の酸化膜生
成防止剤として機能する。上記範囲よりも少ないと十分
な効果が得られず、逆に多いと、電極の接着強度が低く
なるため、上記範囲が好ましい。三酸化二硼素や五酸化
リン・金属チタンを添加すると、前述の、焼成後におけ
るフッ化水素酸水溶液による処理を行うことなく、良好
な太陽電池特性の得られることが確認された。従って、
このような酸化膜生成防止剤を添加することで、より酸
化されやすい金属であっても、焼成用導電性インクの材
料として使用することができるのである。また、有機バ
インダーの溶剤としてＢＣＡ以外にも、ジエチレングリ
コールモノブチルエーテル（ＢＣ；ブチルカルビトー
ル）を用いてもよい。さらに、赤外線ランプを用いたフ
ラッシュファイアリング用の焼成炉を使用する場合に
は、有機バインダーを焼失させる時間を長く取れないた
め、エチルセルロースに代えてより低温で燃焼しやすい
ニトロセルロースを使用することも有効である。

【００１０】本発明は、上記のようなコスト面のみなら
ず、機能面においても優れた特徴を発現する。例えば、
印刷回路パターンにおけるスルホール用の導電性インク
は、通常の貴金属を用いる場合、スルホール壁面におけ
る「ダレ」が問題となる。これは、ＢＣＡ等の溶剤を揮
発させる乾燥工程においてインク自体が低粘・流動化
し、密度の大きい貴金属粉のみが、沈降するためであ
る。従って、核となる無機質粉体に、密度の小さい材料
を用いれば、このような現象を防止することができる。
密度の小さい材料としては、金属であれば銅のみならず
アルミニウム等、貴金属より密度の小さい材料が例示で
き、広く無機質粉体として考えるならば、アルミナや石
英ガラスの粉体が考えられる。

【００１１】

【発明の効果】以上のように本発明では、核になる無機
質粉体とその外面に形成される金属層それぞれの利点だ
けを引き出して組み合わすことができる。これより、導
電インクのコストダウンや、スルホールの印刷等におけ
る「ダレ」防止といった機能向上に大きく寄与できる。
また、粉体の機械的・物理的性質も金属単体の粉体と何
らかわらないため、導電性インクの製造工程や導電パタ
ーンの印刷工程においても、従来の導電インクと同一の
取り扱いが可能である。このように本発明によれば、従
来では考えられなかった材料を使用することができる。
よってコスト面及び機能面で、従来に無い新たな材料と
しての価値を創出する優れたものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の導電性粉体の断面構造説明図

【符号の説明】

１銅粉２メッキ層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】無機質粉体の外面に、メッキによる金属層
を被着した導電性粉体。
【請求項２】無機質粉体が卑金属、金属層が貴金属であ
る、請求項１記載の導電性粉体。
【請求項３】無機質粉体がセラミックスである、請求項
１記載の導電性粉体。
【請求項４】請求項１〜３のいずれか１項に記載の導電
性粉体と、有機バインダーとを混練した導電インク。
【請求項５】少なくとも、請求項１〜３のいずれか１項
に記載の導電性粉体と、有機バインダーと、粉末ガラス
とを混練した導電インク。