JP2006294325A

JP2006294325A - ペースト材料

Info

Publication number: JP2006294325A
Application number: JP2005110757A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Hazeyama; 一郎枦山
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2005-04-07
Filing date: 2005-04-07
Publication date: 2006-10-26

Abstract

【課題】低温処理で良好な導電性を発現するとともに被印刷体への良好な接着性を発現し、かつ、微細パターンを有するスクリーン印刷に適するチキソトロピーを有するペースト材料を提供する。
【解決手段】金属粒子、有機バインダー、溶剤および微量の添加剤からなるペースト材料であって、前記金属粒子は少なくとも１種類以上の元素からなる、若しくは１種類以上の合金からなる、若しくは１種類以上の合金を含有しており、前記金属粒子は少なくとも１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の粒度分布を有する微粉体を含有しており、前記微粉体が表面を極性物質で被覆された粒子を含有することを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、パターンを形成した後、熱処理することで導電性を発現するペースト材料であって、パターン形成対象として有機物を選択可能にする低温での熱処理で導電性を発現できるものであって、特にスクリーン印刷法等に適したペースト材料に関する。

一般に導電性ペーストは導電機能を担う金属フィラー乃至は黒鉛などの導電性フィラーと、有機バインダー（接着樹脂）、および少量の溶剤、添加剤からなる。スクリーン印刷やディスペンスなどの方法により対象物に塗布したのち、熱処理することによって対象物との固着や導電性発現などを行うのが一般である。特に低温で処理するものは導電機能を担うフィラーと接着機能を担う熱硬化樹脂が主な成分となり、熱硬化樹脂が熱処理により硬化収縮することで導電性フィラーが接触して導電経路を形成することが知られている。

このような低温硬化型の導電性ペーストについては、導電機能が金属フィラーの接触経路で形成されることから抵抗値が大きいという課題があった。この課題の解決方法として、導電性フィラーにりん片形状のフィラーを導入し、フィラー同士の接触点数を増やし、導電率を向上させる手法が実用化されている。しかしながら、りん片状フィラーは流動性が悪く、微細なニードル径によるディスペンスや、微細パターンを有するスクリーンマスクによるスクリーン印刷では、微細部での目詰まりを起こし、容易に印刷できないという課題があった。

また、りん片状フィラーを用いずに低抵抗化する方法として、粒径１００ｎｍ以下の超微粒子の導電性フィラーを含有させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。粒径１００ｎｍ以下の金属超微粒子は低温での焼結が進行する。例えば同様の粒径の銀超微粒子は２５０℃以下の温度で焼結可能になることが知られており、通常のμｍオーダの粒子状態では１０００℃前後の焼成温度を必要とすることに比べると大幅な低温焼結を実現できている。

特開２００２−２９９８３３号公報

従来の低温硬化型導電性ペーストが導電フィラーの点接触により導電性を発現していたことに比べると、このような焼結によって形成された導電経路は接触抵抗を小さくすることができ、導電率を向上することが可能になっている。また、粒子にりん片状フィラーを用いなくて良いため、ニードルやスクリーンマスクの紗に目詰まり要因を大幅に減らすことが出来ている。しかしながら、このようなペースト材料は微細なニードルやスクリーンマスクからの吐出は可能になっているが、スクリーン印刷によって微細なパターンを形成するには適当な粘度とチキソトロピーを実現する必要があり、特に最適なチキソトロピーを有するペースト材料が望まれている。

本発明の目的は、低温処理で良好な導電性を発現するとともに被印刷体への良好な接着性を発現し、かつ、微細パターンを有するスクリーン印刷に適するチキソトロピーを有するペースト材料を提供することにある。

発明者は、低温処理で良好な導電性を発現すると共に、被印刷体への良好な接着性を有する特徴を維持しつつ、スクリーン印刷に最適なチキソトロピーを発現する方法を種々検討した結果、極性物質を有する金属微粒子、無極性金属微粒子、無極性金属粒子、および種々の有機成分を適当な比率で配合することにより、粘度、チキソトロピーを調整可能であることを見出した。

すなわち、本発明のペースト材料は、金属粒子、有機バインダー、溶剤および微量の添加剤からなるペースト材料であって、前記金属粒子が少なくとも１種類以上の元素からなる、若しくは１種類以上の合金からなる、若しくは１種類以上の合金を含有しており、前記金属粒子は少なくとも１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の粒度分布を有する微粉体を含有しており、前記微粉体が表面を極性物質で被覆された粒子を含有することを特徴とする。

本発明のペースト材料によれば、適度な粘度とチキソトロピーを実現でき、スクリーン印刷により微細なパターンを形成することが可能となる。

以下、本発明のペースト材料ついて詳細を説明する。本発明のペースト材料は、金属粒子、有機バインダー、溶剤および微量の添加剤からなる。金属粒子は１種類以上の元素からなり、金、銀、銅、白金、パラジウム、錫、ニッケル、クロム、コバルト、タングステン、チタンなどから選ばれる１種類の金属粒子で構成されてもよく、また、２種類以上の元素の金属粒子の複合でもよい。更には銀−白金、銀−パラジウム、金−白金やニッケル−コバルトといった合金を含んでもよい。この複合については後述するμｍオーダの粒度分布の金属粒子と１ｎｍから１００ｎｍの粒度分布を有する微粉体とを別々の元素にする組み合わせでもよく、また、複数の元素で構成されるμｍオーダの粒度分布を有する金属粒子と重複する元素で１ｎｍから１００ｎｍの粒度分布を有する微粉体を構成してもよい。同様に、複数の元素で構成される１ｎｍから１００ｎｍの粒度分布を有する微粉体と重複する元素でμｍオーダの粒度分布を有する金属粒子を構成してもよい。

金属粒子は１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の粒度分布を有する微粉体を含んでいることを特徴とし、この含有量は全金属粒子に対して１重量％以上１００重量％の範囲にあることが望ましい。１重量％以下ではチキソトロピー性を発現することが困難になる。前記微粉体の占める比率が高くなると、ペースト材料として熱処理後の収縮が大きくなる。収縮を抑える観点から、前記微粉体の含有量は全金属粒子に対して１重量％以上１０重量％以下が望ましい。また、前記微粉体以外の金属粒子は２０μｍ以下の範囲に入る粒度分布を有することが望ましい。これ以上の粒径の金属粒子を含有すると印刷後の平坦性に与える影響が大きく、またスクリーン紗への目詰まりの原因となり好ましくない。更に５μｍ以下であることが印刷パターンを平滑にするために望ましい。金属粒子は球状のものが望ましく、りん片状の粒子は印刷性を著しく低下させるため好ましくない。

前記微粉体の一部は表面が極性物質で被覆されていることを特徴としている。極性物質は末端に水酸基を有する分子構造などでよく、シラノール基を有すると更に好適である。直鎖状の分子構造であってよいが、分子鎖は短いほうが好適である。このような極性分子に被覆された微粉体は、全金属粒子に対して１重量％以上５０重量％以下であることが望ましい。極性の強度にも依存するがシラノール基による極性分子に被覆された場合、１重量％以上５重量％以下であることが好適である。１重量％以下ではチキソトロピー性を発現することが出来ず、５重量％以上の添加はチキソトロピー性が強くスクリーンマスクからの吐出性が悪くなり不適である。

有機バインダーは熱硬化性樹脂が望ましく、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂などが好適である。添加量は金属粒子に対して３０体積％以上７０体積％以下が望ましい。３０体積％以下とすると被印刷体との密着性が著しく低下し、剥離等が発生し好ましくない。７０体積％以上とすると硬化後の導電性が著しく低下し好ましくない。また、必要に応じて熱可塑性樹脂を添加してもよい。

以下に本発明をより更に具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。平均粒径１μｍ、最大粒径５μｍの粒度分布を有する銀粒子（粒子Ａ）、平均粒径１０ｎｍの単分散銀粒子（粒子Ｂ）、および粒子Ｂの表面処理を行った粒子Ｃで構成される金属粒子とエポキシ樹脂からなる樹脂を試作した。金属粒子とエポキシ樹脂との比率は、エポキシ樹脂の比率を７０体積％以上にするとペースト化は可能であったが、基材に塗布後２５０℃以上の温度で熱処理を実施しても５×１０^−５Ω・ｃｍ以下の導電率が得られなかった。また、３０体積％以下にすると、やはりペースト化は可能であったが、基材に塗布後１５０℃から２５０℃の温度で１時間以上の熱処理を行って硬化させて密着強度の評価を実施したところ、１０ｋＰａ以下となり十分な強度が得られなかった。

以上よりエポキシ樹脂の比率は３０体積％以上７０体積％以下とし、本試作においては５０体積％とした。粒子Ａ、ＢおよびＣの混合体と前記エポキシ樹脂とを混合し、微量の溶剤を添加して粘度を調整した。溶剤には例えばテルピネオールを使用し、粘度は室温における回転粘度計（ブルックフィールド社製ＨＢ型）の回転数１０ｒｐｍの値として３００Ｐａ・ｓに調整した。粒子Ｃは銀錯体を還元して平均粒径１０ｎｍの銀微粒子を作製した後シリコーンを付加反応させる、乃至は銀錯体とアルコキシシラン（ＣＨ_３Ｓｉ（ＯＣＨ_３）_３）の混合物を還元することで得る。前記アルコキシシランはアルコキシシラン系（（ＣＨ_３）ｘＳｉ（ＯＣＨ_３）_４−ｘ）やその誘導体であっても良い。表１に示した比率で金属粒子を混合し、エポキシ樹脂、および微量の溶剤と混練してペースト材料を得た。

得られたペースト材料それぞれのチキソトロピーを測定した。測定は回転粘度計の回転数１０ｒｐｍにおける粘度と回転数５０ｒｐｍにおける粘度との比をＴＩ値とし、それぞれのペースト材料のＴＩ値を比較した。番号１、２の組成についてはＴＩ値がそれぞれ４．５、５．０であり、ライン幅およびスペース幅をそれぞれ２５μｍ、２５μｍとしたスクリーンマスクで印刷したところ、断線なく良好な印刷が可能であった。

ただし、番号１の組成については熱硬化による収縮が非常に大きいことが確認された。一方、番号３の組成については非常にチキソトロピー性が強い性状を示し、同様のスクリーンマスクで印刷したところ、全体に吐出は可能であったがマスク開口と紗の組み合わせによっては吐出出来ない部分が発生し、断線が見受けられた。また、番号４、５および６について同様に印刷評価を実施したところ良好な結果が得られた。一方、番号７の組成についてはチキソトロピー性が非常に弱い性状を示し、全体に吐出が悪くなった。

以上のことからＴＩ値は２．５以上５以下の範囲が印刷性良好であり、実施例に示した範囲の混合比率にて前記のペースト性状を実現できることが確認された。尚、粒子Ａに本実施例では銀粒子を用いたが、これを金、銅、白金、パラジウム、ニッケルなど、他の金属に置き換えても同様である。また、銀−白金、銀−パラジウムなどの合金としても同様である。粒子ＢやＣについても同様であり銀粒子以下の金属粒子でも同等の結果が得られる。また、粒子Ｂ、Ｃについて粒径を１００ｎｍおよび０．５μｍとした銀粒子を用意し、番号５と同様の組成のペースト材料を試作した。ＴＩ値はそれぞれ２．５、１．５となり、粒径を大きくすることでチキソトロピー性が弱くなる傾向が見られた。以上より良好な印刷性を得るには１００ｎｍ以下の粒子を使用することが望ましいことが確認された。

Claims

金属粒子、有機バインダー、溶剤および微量の添加剤からなるペースト材料であって、前記金属粒子は少なくとも１種類以上の元素からなる、若しくは１種類以上の合金からなる、若しくは１種類以上の合金を含有しており、前記金属粒子は少なくとも１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の粒度分布を有する微粉体を含有しており、前記微粉体が表面を極性物質で被覆された粒子を含有することを特徴とするペースト材料。
前記極性物質が水酸基乃至はシラノール基を含有することを特徴とする請求項１に記載のペースト材料。
表面を極性物質で被覆された前記粒子が、ペースト材料に含まれる前記金属粒子全体に対して１重量％以上５０重量％以下であることを特徴とする請求項１乃至２に記載のペースト材料。