JP2009138162A - 導体パターン形成用インク、導体パターンおよび配線基板 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の導体パターン形成用インクは、液滴吐出法により、基板上に導体パターンを形成するための導体パターン形成用インクであって、金属粒子と、前記金属粒子が分散した水系分散媒と、キシリトールと、ポリグリセリン骨格を有するポリグリセリン化合物とを含み、下記式(I)で示されるHが0.10〜0.70であることを特徴とする。
(式中、OH(A)[個]、Mw(A)、X(A)[wt%]は、それぞれポリグリセリン化合物の1分子中の水酸基の平均の個数、重量平均分子量、導体パターン形成用インクにおける含有量を示し、OH(B)[個]X(B)、Mw(B)[wt%]は、それぞれキシリトールの1分子中の水酸基の個数、分子量、導体パターン形成用インクにおける含有量を示す。)
【選択図】なし
Description
セラミックス成形体上へのパターン形成の方法としては、スクリーン印刷法が広く用いられている。その一方で、近年、配線の微細化、狭ピッチ化による回路基板の高密度化が求められているが、スクリーン印刷法では、配線の微細化、狭ピッチ化に不利であり、上記のような要求に応えるのが困難である。
しかし、従来の導体パターン形成用インクでは、吐出待機時や長時間連続して吐出した際に、液滴吐出ヘッド(インクジェットヘッド)の液滴の吐出部付近において、導体パターン形成用インクの分散媒の揮発により導電性微粒子が析出してしまうといった問題があった。このように吐出部付近に導電性微粒子が析出すると、吐出された液滴の軌道が変化し(いわゆる、飛行曲がりが発生し)、目的に部位に液滴を着弾させることができなくなったり、液滴の吐出量が不安定化する等の問題を生じることがあった。また、このような場合、従来の導体パターン形成用インクによって基板上に形成されたパターンは、十分に均一な厚さ、幅を有することが困難であった。
本発明の導体パターン形成用インクは、液滴吐出法により、基板上に導体パターンを形成するための導体パターン形成用インクであって、
金属粒子と、前記金属粒子が分散した水系分散媒と、キシリトールと、ポリグリセリン骨格を有するポリグリセリン化合物とを含み、
下記式(I)で示されるHが0.10〜0.70であることを特徴とする。
これにより、液滴の吐出安定性に優れ、形成される導体パターンでのクラック、断線の発生を防止することができる導体パターン形成用インクを提供することができる。
これにより、導体パターン形成用インクの吐出安定性を長期にわたって特に優れたものとすることができ、導体パターン形成時におけるクラック、断線の発生をより確実に防止することができる。
これにより、導体パターンでのクラックの発生をより確実に防ぎつつ、導体パターン形成用インクの粘度を十分に低いものとすることができ、導体パターン形成用インクの吐出安定性を特に優れたものとすることができる。
これにより、導体パターン形成用インクの吐出安定性を特に優れたものとすることができ、導体パターン形成時において、導体パターン形成用インク中のキシリトールが結晶化し、形成された導体パターンに損傷を与えることを確実に防止することができる。
これにより、形成する導体パターンでの断線、クラックの発生をより確実に防止することができるとともに、キシリトールの結晶化をより確実に防止することができる。
本発明の導体パターン形成用インクでは、前記Mw(A)は、300〜3000であることが好ましい。
これにより、導体パターン形成用インクによって形成されたパターンを乾燥した際に、パターンにクラックが発生することをより確実に防止することができる。
これにより、導体パターン形成用インクの吐出安定性を特に優れたものとすることができ、導体パターン形成時におけるクラック、断線の発生をより確実に防止することができる。
導体パターン形成用インクは、液滴吐出法により、前記セラミックス成形体上に付与されるものであることが好ましい。
これにより、液滴吐出ヘッドの吐出部付近における水系分散媒の揮発をより効果的に抑制することができるとともに、導体パターン形成用インクの粘度をより適度なものとすることができ、吐出安定性がさらに向上する。
本発明の導体パターン形成用インクは、このようなセラミックス成形体上に微細な導体パターンを形成するのに好適に用いることができる。
これにより、クラックおよび断線が確実に防止された、より微細な導体パターンを形成することができる。
これにより、導体パターン形成用インク内での金属粒子の凝集が防止され、クラックおよび断線が確実に防止された、より微細な導体パターンを形成することができる。
これにより、導体パターン形成用インク内での金属粒子の凝集が防止され、クラックおよび断線が確実に防止された、より微細な導体パターンを形成することができる。
本発明の導体パターンは、本発明の導体パターン形成用インクによって形成されたことを特徴とする。
これにより、信頼性の高い導体パターンを提供することができる。
本発明の配線基板は、本発明の導体パターンが備えられてなることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い配線基板を提供することができる。
《導体パターン形成用インク》
本発明の導体パターン形成用インクは、基板上に導体パターンを形成するのに用いるインクであり、特に、液滴吐出法によって導体パターンを形成するのに用いるインクである。
導体パターン形成用インク(以下、単にインクともいう)は、水系分散媒と、水系分散媒に分散した銀粒子と、ポリグリセリン骨格を有するポリグリセリン化合物と、キシリトールとを含む。
まず、水系分散媒について説明する。
本発明において、「水系分散媒」とは、水および/または水との相溶性に優れる液体(例えば、25℃における水100gに対する溶解度が30g以上の液体)で構成されたもののことを指す。このように、水系分散媒は、水および/または水との相溶性に優れる液体で構成されたものであるが、主として水で構成されたものであるのが好ましく、特に、水の含有率が70wt%以上のものであるのが好ましく、90wt%以上のものであるのがより好ましい。
また、導体パターン形成用インク中における水系分散媒の含有量は、25〜60wt%であることが好ましく、30〜50wt%であることがより好ましい。これにより、インクの粘度を好適なものとしつつ、分散媒の揮発による粘度の変化を少ないものとすることができる。
次に、銀粒子(金属粒子)について説明する。
銀粒子は、形成される導体パターンの主成分であり、導体パターンに導電性を付与する成分である。
また、銀粒子は、インク中において分散している。
また、インク中に含まれる銀粒子(分散剤が表面に吸着していない銀粒子)の含有量は、0.5〜60wt%であるのが好ましく、10〜45wt%であるのがより好ましい。これにより、導体パターンの断線をより効果的に防止することができ、より信頼性の高い導体パターンを提供することができる。
また、銀粒子(金属粒子)は、その表面に分散剤が付着した銀コロイド粒子(金属コロイド粒子)として、水系分散媒中に分散していることが好ましい。これにより、銀粒子の水系分散媒への分散性が特に優れたものとなり、インクの液滴吐出性が特に優れたものとなる。
または、分散剤としては、COOH基とSH基とを合わせて2個以上有するメルカプト酸またはその塩を用いてもよい。これらの分散剤は、メルカプト基が銀微粒子の表面に吸着してコロイド粒子を形成し、分散剤中に存在するCOOH基の電気的反発力によってコロイド粒子を水溶液中に均一に分散させてコロイド液を安定化する働きを有する。このように、銀コロイド粒子が安定してインク中に存在することにより、インクの液滴の吐出安定性が特に優れたものとなり、より容易に微細な導体パターンを形成することができる。また、インクによって形成されたパターン(前駆体)において銀粒子が均一に分布し、クラック、断線等が発生しにくいものとなる。これに対して、分散剤中のCOOH基とSH基の数が2個未満すなわち片方のみであると、銀コロイド粒子の分散性が十分に得られない場合がある。
なお、銀コロイド粒子の形成については、後に詳述する。
本発明の導体パターン形成用インクには、キシリトールが含まれている。
キシリトールは、保湿性に優れた成分であり、導体パターン形成用インクの分散媒の揮発を防止することに寄与することのできる成分である。このため、導体パターン形成用インクに、キシリトールが含まれていることにより、所定期間保存した場合であっても、導体パターン形成用インク中に含まれる分散媒の揮発を防止することができ、インクの粘度が高くなることを防止できる。このため、導体パターン形成用インクは、長期にわたって、吐出安定性が優れたものとなる。
ポリグリセリン化合物は、導体パターン形成用インクによって形成されたパターン(後に詳述する導体パターンの前駆体)を乾燥(脱分散媒)した際に、パターンにクラックが発生するのを防止する機能を有するものである。これは、以下のように考えられる。導体パターン形成用インク中にポリグリセリン化合物が含まれることにより、銀粒子(金属粒子)の間に高分子鎖が存在することとなり、ポリグリセリン化合物が銀粒子同士の距離を保つことができる。さらに、ポリグリセリン化合物は比較的沸点が高いため、水系分散媒の除去時においては除去されず、銀粒子の周囲に付着する。以上により、水系分散媒除去時において、ポリグリセリン化合物が銀粒子を包み込んだ状態が長く続き、水系分散媒の揮発による急激な体積収縮が避けられるとともに銀の粒成長(凝集)が妨げられる結果、パターン中のクラックの発生が抑制されると考えられる。
また、ポリグリセリン化合物が蒸発或いは熱(酸化)分解するまでは、銀粒子の周囲にポリグリセリン化合物が存在し、銀粒子同士の接近と凝集とを抑制することができ、ポリグリセリン化合物が分解した後には、より均一に銀粒子同士を接合させることができる。
以上より、形成された導体パターンに断線が生じることを防止することができると考えられる。
また、このようなポリグリセリン化合物を含むことにより、インクの粘度をより適度なものとすることができ、インクジェットヘッドからインクの吐出安定性をより効果的に向上させることができる。また、成膜性も向上させることができる。
また、ポリグリセリン化合物としては、その重量平均分子量が300〜3000であるものを用いるのが好ましく、400〜600であるものを用いるのがより好ましい。これにより、導体パターン形成用インクによって形成されたパターンを乾燥した際に、クラックの発生をより確実に防止することができる。また、導体パターン形成時において、キシリトールが結晶化することをより確実に防止することができる。ポリグリセリン化合物の重量平均分子量が前記下限値未満であると、水系分散媒を除去する際にポリグリセリン化合物が分解しやすい傾向があり、クラック、キシリトールの結晶化の発生を防止する効果が小さくなる。また、ポリグリセリン化合物の重量平均分子量が前記上限値を超えると、排除体積効果等によりインク中への溶解性、分散性が低下する場合がある。
ところで、本発明では、導体パターン形成用インクは、下記式(I)で示されるHが0.10〜0.70となるようにキシリトールとポリグリセリンが含まれる点に特徴を有する。
これに対し、前記式(I)で示されるHが前記下限値未満だと、インク中に含まれる水酸基の量が低いものとなり、インク中の水系分散媒が揮発しやすいものとなる。この結果、インクを長期間吐出した場合や、インクジェット装置にインクを充てんした状態で長期間待機した場合に、吐出部付近にある導体パターン形成用インク中の分散媒が揮発しやすく、吐出部付近の導体パターン形成用インクの粘度が高くなる。このようにインクの粘度が高くなったり、吐出部付近に金属粒子が凝集すると、吐出された液滴の軌道が変化し(いわゆる、飛行曲がりが発生し)、目的の部位に液滴を着弾させることができなくなったり、液滴の吐出量が不安定化する等の問題を生じる。この結果、セラミックス成形体に吐出されたインクのパターンは、厚さおよび幅が不均一なものとなり、厚さが薄い部分および幅が狭い部分を起点にしてクラック、断線が発生しやすいものとなる。
なお、本明細書中において、OH(A)[個]は、ポリグリセリン化合物:1分子中の水酸基の平均の個数であり、水酸基の平均の個数は、ポリグリセリン化合物の含有量を基に加重平均で求めるものである。
インク中にキシリトールが含まれていない場合、インク中の水系分散媒が揮発しやすいものとなり、インクの液滴の吐出安定性が劣るものとなる。キシリトールの代わりに、ポリグリセリン化合物を大量にインク中に含ませた場合、インク中に含まれる有機物が多くなりすぎ、インクの粘度が、高いものとなってしまう。このため、インクの液滴の吐出安定性が劣るものとなってしまう。
また、導体パターン形成用インクには、上記成分の他、アセチレングリコール系化合物が含まれていてもよい。アセチレングリコール系化合物は、導体パターン形成用インクとセラミックス成形体との接触角を所定の範囲に調整する機能を有するものである。また、アセチレングリコール系化合物は、少ない添加量で、導体パターン形成用インクとセラミックス成形体との接触角を所定の範囲に調整することができる。また、吐出した液滴内に気泡が混入した場合であっても、速やかに気泡を除去することができる。
上記化合物は、具体的には、導体パターン形成用インクとセラミックス成形体との接触角が40〜80°(より好ましくは50〜80°)に調整する機能を有するものである。接触角が小さすぎると、微細な線幅の導体パターンを形成するのが困難となる場合がある。一方、接触角が大きすぎると、吐出条件等によっては、均一な線幅の導体パターンを形成するのが困難となる場合がある。また、着弾した液滴とセラミックス成形体との接触面積が小さくなりすぎてしまい、着弾した液滴が着弾位置からずれてしまう場合がある。
また、インク中には、HLB値が異なる2種以上のアセチレングリコール系化合物を含んでいるのが好ましい。導体パターン形成用インクとセラミックス成形体との接触角を所定の範囲により容易に調整することができる。
また、インク中に2種以上のアセチレングリコール系化合物を含むものを用いる場合、最もHLB値の低いアセチレングリコール系化合物のHLB値は、2〜7であるのが好ましく、3〜5であるのがより好ましい。
また、導体パターン形成用インクには、上記成分の他、1,3−プロパンジオールが含まれていてもよい。これにより、インクジェットヘッドの吐出部付近における水系分散媒の揮発をより効果的に抑制することができるとともに、インクの粘度をより適度なものとすることができ、吐出安定性がさらに向上する。また、導体パターン形成時におけるキシリトールの結晶化をより確実に防止することができる。
なお、導体パターン形成用インクの構成成分は、上記成分に限定されず、上記以外の成分を含んでいてもよい。
特に、糖アルコールとして、導体パターン形成用インクがマルチトール、ラクチトールの少なくともいずれか一方を含む場合、キシリトールの結晶化をより確実に防止することができる。
次に、上述したような導体パターン形成用インクの製造方法の一例について説明する。
本実施形態では導体パターン形成用インクは、銀コロイド粒子が水系分散媒中に分散したコロイド液であるとして説明する。
本実施形態のインクを製造する際には、まず、上記分散剤と、還元剤とを溶解した水溶液を調製する。
分散剤の配合量としては、出発物質である硝酸銀のような銀塩中の銀と分散剤とのモル比が1:1〜1:100程度となるように配合することが好ましい。銀塩に対する分散剤のモル比が大きくなると、銀粒子の粒径が小さくなって導体パターン形成後の粒子同士の接触点が増えるため、体積抵抗値の低い被膜を得ることができる。
還元剤としては、特に限定されず、例えば、ヒドラジン、ジメチルアミノエタノール、メチルジエタノールアミン、トリエタノールアミン等のアミン系;水酸化ホウ素ナトリウム、水素ガス、ヨウ化水素等の水素化合物系;一酸化炭素、亜硫酸次亜リン酸等の酸化物系、Fe(II)化合物、Sn(II)化合物等の低原子価金属塩系、D−グルコースのような糖類、ホルムアルデヒド等の有機化合物系、あるいは上記の分散剤として挙げたヒドロキシ酸であるクエン酸、りんご酸や、ヒドロキシ酸塩であるクエン酸三ナトリウム、クエン酸三カリウム、クエン酸三リチウム、クエン酸三アンモニウム、りんご酸二ナトリウムやタンニン酸等が挙げられる。中でも、タンニン酸や、ヒドロキシ酸は還元剤として機能すると同時に分散剤としての効果を発揮するため好適に用いることができる。あるいは、金属表面で安定した結合を形成する分散剤として上記に挙げたメルカプト酸であるメルカプト酢酸、メルカプトプロピオン酸、チオジプロピオン酸、メルカプトコハク酸、チオ酢酸やメルカプト酸塩であるメルカプト酢酸ナトリウム、メルカプトプロピオン酸ナトリウム、チオジプロピオン酸ナトリウム、メルカプトコハク酸ナトリウム、メルカプト酢酸カリウム、メルカプトプロピオン酸カリウム、チオジプロピオン酸カリウム、メルカプトコハク酸カリウム等を好適に用いることができる。これらの分散剤や還元剤は単独で用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。これらの化合物を使用する際には、光や熱を加えて還元反応を促進させてもよい。
また、還元剤の配合量としては、上記出発物質である銀塩を完全に還元できる量が必要であるが、過剰な還元剤は不純物として銀コロイド液中に残存してしまい、成膜後の導電性を悪化させる等の原因となるため、必要最小限の量が好ましい。具体的な配合量としては、上記銀塩と還元剤とのモル比が1:1〜1:3程度である。
これは、以下のような理由による。例えば、分散剤であるクエン酸三ナトリウムと還元剤である硫酸第一鉄とを混合した場合、全体の濃度にもよるがpHは大体4〜5程度と、上記したpH6を下回る。このとき存在する水素イオンは、下記反応式(1)で表される反応の平衡を右辺に移動させ、COOHの量が多くなる。したがって、その後、銀塩溶液を滴下して得られる銀粒子表面の電気的反発力が減少し、銀粒子(コロイド粒子)の分散性が低下してしまう。
−COO−+H+ → −COOH…(1)
添加するアルカリ性の化合物としては、特に限定されず、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、アンモニア水等を用いることができる。これらの中では、少量で容易にpHを調整できる水酸化ナトリウムが好ましい。
なお、アルカリ性の化合物の添加量が多すぎて、pHが12を超えると、鉄イオンのような残存している還元剤のイオンの水酸化物の沈殿が起こりやすくなる。
銀塩としては、特に限定されず、例えば、酢酸銀、炭酸銀、酸化銀、硫酸銀、亜硝酸銀、塩素酸銀、硫化銀、クロム酸銀、硝酸銀、二クロム酸銀等を用いることができる。これらの中では、水への溶解度が大きい硝酸銀が好ましい。
銀塩水溶液は、上記銀塩を純水に溶かすことにより調製し、調製した銀塩の水溶液を徐々に前述した分散剤と還元剤とが溶解した水溶液中に滴下する。
得られた溶液中には、コロイド粒子のほかに、還元剤の残留物や分散剤が存在しており、液全体のイオン濃度が高くなっている。このような状態の液は、凝析が起こり、沈殿しやすい。そこで、このような水溶液中の余分なイオンを取り除いてイオン濃度を低下させるために、洗浄を行うことが望ましい。
あるいは、次のような方法で洗浄を行ってもよい。溶液を製造した後に溶液のpHを5以下の酸性の領域に調整し、上記反応式(1)の反応の平衡を右辺に移動させることで銀粒子表面の電気的反発力を減少させ、積極的に金属コロイド粒子を凝集させた状態で洗浄を行い、塩類や溶媒を除去することができる。メルカプト酸のような低分子量の硫黄化合物を分散剤として粒子表面に有する金属コロイド粒子であれば金属表面で安定した結合を形成するため、凝集した金属コロイド粒子は、溶液のpHを6以上のアルカリ性の領域に再調整することにより、容易に再分散し、分散安定性に優れた金属コロイド液を得ることができる。
これは、還元後に洗浄を行ったため、電解質イオンであるナトリウム濃度が減少している場合があり、このような状態の溶液では、下記反応式(2)で表される反応の平衡が右辺へ移動する。このままでは、銀コロイドの電気的反発力が減少して銀粒子の分散性が低下するため、適当量の水酸化アルカリを添加することにより、反応式(2)の平衡を左辺に移動させ、銀コロイドを安定化させるのである。
−COO−Na++H2O → −COOH+Na++OH−…(2)
pHが6未満では、反応式(2)の平衡が右辺に移動するため、コロイド粒子が不安定化し、一方、pHが11を超えると、鉄イオンのような残存しているイオンの水酸化塩の沈殿が起こりやすくなるため好ましくない。ただし、予め鉄イオン等を取り除いておけば、pHが11を超えても大きな問題はない。
以上のようにして得られた銀コロイド粒子が分散した水溶液に、前述したようなキシリトール、ポリグリセリン化合物等の他の成分を添加することにより、導体パターン形成用インク(本発明の導体パターン形成用インク)を得る。
なお、キシリトール、ポリグリセリン化合物等の他の成分の添加時期は、特に限定されず、銀コロイド粒子の形成後ならいつでもよい。
次に、本実施形態の導体パターンについて説明する。
この導体パターンは、上記インクをセラミックス成形体上に塗布した後、加熱することにより形成される薄膜状の導体パターンであって、銀粒子が相互に結合されてなり、少なくとも導体パターン表面において前記銀粒子同士が隙間なく結合している。
本実施形態の導体パターンは、上記インクを液滴吐出法によりセラミックス成形体上に付与した後、乾燥(脱水系分散媒)させ、その後、焼結することにより形成される。
また、本実施形態の導体パターンを形成する際には、液滴吐出方法によりインクを付与してから予備加熱して水等の分散媒を蒸発させ、予備加熱後の膜の上に再度インクを付与する、といった工程を繰り返し行うことで、厚膜の導体パターンを形成することもできる。
また、上述したようなポリグリセリン化合物およびキシリトールは、化学的、物理的に安定な化合物であるので、インクを付与して乾燥してから長時間放置してもインクが変質するおそれがなく、再度インクを付与することが可能になり、均質なパターンを形成できる。これにより、導体パターン自体が多層構造になるおそれがなく、層間同士の間の比抵抗が上昇して導体パターン全体の比抵抗が増大するおそれがない。
なお、上記のような導体パターンは、携帯電話やPDA等の移動通話機器の高周波モジュール、インターポーザー、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)、加速度センサー、弾性表面波素子、アンテナや櫛歯電極等の異形電極、その他各種計測装置等の電子部品等に適用することができる。
次に、本発明の導体パターン形成用インクによって形成された導体パターンを有する配線基板(セラミックス回路基板)およびその製造方法の一例について説明する。
本発明に係る配線基板は、各種の電子機器に用いられる電子部品となるもので、各種配線や電極等からなる回路パターン、積層セラミックスコンデンサ、積層インダクター、LCフィルタ、複合高周波部品等を基板に形成してなるものである。
積層基板3は、積層されたセラミックス基板2、2間に、本発明の導体パターン形成用インク(以下、単にインクと記す)により形成された回路(導体パターン)5を備えている。
また、これら回路5には、これに接続するコンタクト(ビア)6が形成されている。このような構成によって回路5は、上下に配置された回路5、5間が、コンタクト6によって導通したものとなっている。なお、回路4も、回路5と同様に、本発明の導体パターン形成用インクにより形成されたものとなっている。
まず、原料粉体として、平均粒径が1〜2μm程度のアルミナ(Al2O3)や酸化チタン(TiO2)等からなるセラミックス粉末と、平均粒径が1〜2μm程度のホウ珪酸ガラス等からなるガラス粉末とを用意し、これらを適宜な混合比、例えば1:1の重量比で混合する。
次に、得られたスラリーを、ドクターブレード、リバースコーター等を用いてPETフィルム上にシート状に形成し、製品の製造条件に応じて数μm〜数百μm厚のシートに成形し、その後、ロールに巻き取る。
次に、必要に応じて所定の位置に、CO2レーザー、YAGレーザー、機械式パンチ等によって孔開けを行うことでスルーホールを形成する。
そして、このスルーホールに、金属粒子が分散した厚膜導電ペーストを充填することにより、コンタクト6となるべき部位を形成する。さらに、厚膜導電ペーストをスクリーン印刷によって所定の位置に端子部(図示せず)を形成する。このようにしてコンタクト、端子部までを形成することにより、セラミックグリーンシート(セラミックス成形体)7を得る。なお、厚膜導電ペーストとしては、本発明の導体パターン形成用インクを用いることができる。
図4は、インクジェット装置50の斜視図である。図4において、X方向はベース52の左右方向であり、Y方向は前後方向であり、Z方向は上下方向である。
基材Sを載置するテーブル46は、第1移動手段54によりY方向に移動および位置決め可能とされ、モータ44によりθz方向に揺動および位置決め可能とされている。
セラミックスグリーンシート7に着弾したインク10は、その表面側から水系分散媒の少なくとも一部が蒸発する。このとき、セラミックスグリーンシート7は加熱されているので、水系分散媒の蒸発が促進される。そして、セラミックスグリーンシート7に着弾したインク10は、乾燥とともにその表面の外縁から増粘し、つまり、中央部に比べて外周部における固形分(粒子)濃度が速く飽和濃度に達することから表面の外縁から増粘していく。外縁の増粘したインク10は、セラミックスグリーンシート7の面方向に沿う自身の濡れ広がりを停止するため、着弾径しいては線幅の制御が容易になる。
ヘッド70は、図5に示すように、インクジェット方式(液滴吐出方式)によってインク10をノズル(突出部)91から吐出するものである。
液滴吐出方式として、圧電体素子としてのピエゾ素子を用いてインクを吐出させるピエゾ方式や、インクを加熱して発生した泡(バブル)によりインクを吐出させる方式など、公知の種々の技術を適用することができる。このうちピエゾ方式は、インクに熱を加えないため、材料の組成に影響を与えないなどの利点を有する。そこで、図5に示すヘッド70には、前述したピエゾ方式が採用されている。
また、ヘッド本体90の下端面には、インク吐出面を構成するノズルプレート(図示せず)が装着されている。このノズルプレートには、インク10を吐出する複数のノズル91が、各インク室93に対応して開口されている。そして、各インク室93から対応するノズル91に向かって、インク流路が形成されている。一方、ヘッド本体90の上端面には、振動板94が装着されている。この振動板94は、各インク室93の壁面を構成している。その振動板94の外側には、各インク室93に対応してピエゾ素子92が設けられている。ピエゾ素子92は、水晶等の圧電材料を一対の電極(不図示)で挟持したものである。その一対の電極は、駆動回路99に接続されている。
次いで、これらセラミックスグリーンシートからPETフィルムを剥がし、図2に示すようにこれらを積層することにより、積層体12を得る。このとき、積層するセラミックスグリーンシート7については、上下に重ねられるセラミックスグリーンシート7間で、それぞれの前駆体11が必要に応じてコンタクト6を介して接続するように配置する。その後、セラミックスグリーンシート7を構成するバインダーのガラス転移点以上に加熱しつつ、各セラミックスグリーンシート7同士を圧着する。これにより、積層体12を得る。
ここで、セラミックスグリーンシート7上に配されたインク10中の金属は、加熱処理によって互いに融着し、連続することによって導電性を示すようになる。
このような加熱処理によって回路5は、セラミックス基板2中のコンタクト6に直接接続させられ、導通させられて形成されたものとなる。ここで、この回路5が単にセラミックス基板2上に載っているだけでは、セラミックス基板2に対する機械的な接続強度が確保されず、したがって衝撃等によって破損してしまうおそれがある。しかしながら、本実施形態では、前述したようにセラミックスグリーンシート7中のガラスを一旦軟化させ、その後硬化させることにより、回路5をセラミックス基板2に対し強固に固着させている。したがって、形成された回路5は、機械的にも高い強度を有するものとなる。
このようなセラミックス回路基板1の製造方法にあっては、特に積層基板3を構成する各セラミックス基板2の製造に際して、前述したようなインク10(本発明の導体パターン形成用インク)をセラミックスグリーンシート7に対して配しているので、この導体パターン形成用インク10をセラミックスグリーンシート7上に所望のパターン状で良好に配置することができ、したがって高精度の導体パターン(回路)5を形成することができる。
例えば、前述した実施形態では、金属粒子を溶媒に分散してなる分散液として、コロイド液を用いる場合について説明したが、コロイド液でなくてもよい。
また、前述した実施形態では、導体パターン形成用インクは、銀粒子が分散したものとして説明したが、銀以外のものであってもよい。金属粒子に含まれる金属としては、例えば、銀、銅、パラジウム、白金、金、または、これらの合金等が挙げられ、これらのうち1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。金属粒子が合金である場合、前記金属が主とするもので、多の金属を含む合金であってもよい。また、上記金属同士が任意の割合で混ざった合金であってもよい。また、混合粒子(例えば、銀粒子と銅粒子とパラジウム粒子とが任意の比率で存在するもの)が液中に分散したものであってもよい。これら金属は、抵抗率が小さく、かつ、加熱処理によって酸化されない安定なものであるから、これらの金属を用いることにより、低抵抗で安定な導体パターンを形成することが可能になる。
[1]導体パターン形成用インクの調製
各実施例および各比較例における導体パターン形成用インクは、以下のようにして製造した。
10N−NaOH水溶液を3mL添加してアルカリ性にした水50mLに、クエン酸3ナトリウム2水和物17g、タンニン酸0.36gを溶解した。得られた溶液に対して3.87mol/L硝酸銀水溶液3mLを添加し、2時間攪拌を行い銀コロイド液を得た。得られた銀コロイド液に対し、導電率が30μS/cm以下になるまで透析することで脱塩を行った。透析後、3000rpm、10分の条件で遠心分離を行うことで、粗大金属コロイド粒子を除去した。
50ミリモル/Lの濃度の硝酸銀水溶液:1000mLを撹拌しながら、低分子量の硫黄化合物としてメルカプト酢酸:3.0gを添加した後、アンモニア水(26wt%)にて水溶液のpHを10.0に調整した。室温下、この水溶液に還元剤として400mmol/Lの濃度の水素化ホウ素ナトリウム水溶液:50mLを急速に添加することにより還元反応を行いメルカプト酢酸を粒子表面に有する銀コロイド粒子を溶液中で生成させた。
この銀コロイド粒子の湿ケーキを濃度が10%になるように水に添加し、撹拌しながらアンモニア水(26wt%)にてpHを9.0に調整して再分散させて、さらに濃縮して、銀コロイド液を得た。
以下、実施例1と同様にして導体パターン形成用インクを調製した。
キシリトールを添加しなかった以外は、前記実施例1と同様にして導体パターン形成用インクを製造した。
(比較例2)
ポリグリセリン化合物を添加しなかった以外は、前記実施例1と同様にして導体パターン形成用インクを製造した。
ポリグリセリン化合物と、キシリトールとの含有量を表1に示すように変更した以外は、前記実施例1と同様にして導体パターン形成用インクを製造した。
(比較例5)
キシリトールを添加せず、ポリグリセリン化合物の含有量を表1に示すように変更した以外は、前記実施例1と同様にして導体パターン形成用インクを製造した。
(比較例6)
ポリグリセリン化合物を添加せず、キシリトールの含有量を表1に示すように変更した以外は、前記実施例1と同様にして導体パターン形成用インクを製造した。
まず、以下のようにしてセラミックスグリーンシート(セラミックス成形体)を用意した。
平均粒径が1〜2μm程度のアルミナ(Al2O3)と酸化チタン(TiO2)等からなるセラミックス粉末と、平均粒径が1〜2μm程度のホウ珪酸ガラス等からなるガラス粉末とを1:1の重量比で混合し、バインダー(結合剤)としてポリビニルブチラール、可塑剤としてジブチルフタレートを加え、混合・撹拌することにより得たスラリーを、ドクターブレードでPETフィルム上にシート状に形成したものをセラミックスグリーンシートとし、1辺の長さを200mmとする正方形状に裁断したものを使用した。
各実施例および各比較例で得られた導体パターン形成用インクを製造直後にガラス基板上にそれぞれ、一滴ずつ滴下し、温度:25℃、湿度:50%の雰囲気下に放置した。放置後、滴下した導体パターン形成用インクに対してガラス棒を挿し、導体パターン形成用インクが液状を保っているか否かを確認した。インクが放置されてから液状が保てなくなるまでの日数を各導体パターン形成用インクの液状保持期間として、下記の4段階の基準に従い評価した。
A:液状保持期間が、30日以上。
B:液状保持期間が、7日以上、30日未満。
C:液状保持期間が、3日以上、7日未満。
D:液状保持期間が、3日未満。
各実施例および比較例で得られた導体パターン形成用インクを製造直後にそれぞれ図4、5に示すようなインクジェット装置に投入した。まず、上記導体パターン形成用インクを搭載した上記インクジェット装置を用いて描画を行い、インクが安定して吐出されることを確認した。次に、インクジェット装置を、インクジェットヘッドを描画位置から外した待機状態で室温25℃、相対湿度50%、クラス100のクリーンルーム環境下に1週間放置した。次に、インクジェット装置の電源を入れて、上記のようにして得られたセラミックスグリーンシート20枚に対してベタパターンの描画を行った。インクの吐出が不安定になった場合は、インクジェット装置に搭載されている所定のクリーニング機能を用い、吐出の安定した状態に復帰させた。以上の操作を行い、下記評価基準により吐出安定性を評価した。
B:描画中に目詰まりが発生し、インクの吐出が安定するまでに2回以内のクリーニング動作を要する。(実用上問題なし。)
C:描画中に目詰まりが発生し、インクの吐出が安定するまでに3回以上のクリーニング動作を要する。(実用可能。)
D:描画中に目詰まりが発生し、クリーニング動作によっても回復しない。(実用不可。)
さらに、待機状態の期間を30日間として、上記と同様の操作を行い、上記と同様の評価を行った。
各実施例および比較例で得られた導体パターン形成用インクを、それぞれ図4、5に示すようなインクジェット装置に投入した。
次に、上記セラミックスグリーンシートを60℃に昇温保持した。各吐出ノズルからそれぞれ1滴当り15ngの液滴を順次吐出し、線幅が40μm、厚み15μm、長さが10.0cmのライン(前駆体)を20本描画した。各ライン間の距離は、5mmとした。そして、このラインが形成されたセラミックスグリーンシートを乾燥炉に入れ、60℃で30分間加熱して乾燥した。
次に、第2のセラミックスグリーンシートの下に第1のセラミックスグリーンシートを積層し、さらに無加工のセラミックスグリーンシートを補強層として2枚積層し、生の積層体を得た。この生の積層体を各インクにつき、第1のセラミックスグリーンシート20枚それぞれに作成し、各インクにつき20ブロックずつ作成した。
これらの結果を表2に示す。
また、表2に示すように、各比較例の導体パターン形成用インクで製造したセラミックス回路基板では、セラミックス回路基板製造の際における描画・乾燥後に、ラインに多くのクラックが発生し、ライン形状自体が崩れやすい状況であった。一方、各実施例の導体パターン形成用インクで製造したセラミックス回路基板では、ラインにほとんどクラックの発生が見られず、明らかに比較例の場合より、ライン形状も崩れることがなかった。
また、インク中における銀コロイド粒子の含有量を20wt%、30wt%に変更したところ、上記と同様の結果が得られた。
Claims (14)
- 液滴吐出法により、基板上に導体パターンを形成するための導体パターン形成用インクであって、
金属粒子と、前記金属粒子が分散した水系分散媒と、キシリトールと、ポリグリセリン骨格を有するポリグリセリン化合物とを含み、
下記式(I)で示されるHが0.10〜0.70であることを特徴とする導体パターン形成用インク。
- 前記X(A)および前記X(B)は、0.50≦X(A)/X(B)≦20の関係を満足するものである請求項1に記載の導体パターン形成用インク。
- 前記X(A)は、1.0〜20wt%である請求項1または2に記載の導体パターン形成用インク。
- 前記X(B)は、3.0〜20wt%である請求項1ないし3のいずれかに記載の導体パターン形成用インク。
- 前記ポリグリセリン化合物は、ポリグリセリンである請求項1ないし4のいずれかに記載の導体パターン形成用インク。
- 前記Mw(A)は、300〜3000である請求項1ないし5のいずれかに記載の導体パターン形成用インク。
- 導体パターン形成用インクにおける前記キシリトールと前記ポリグリセリン化合物との合計の含有量は、4.0〜40wt%である請求項1ないし6のいずれかに記載の導体パターン形成用インク。
- 前記基板は、セラミックス粒子と、バインダーとを含む材料で構成されたシート状のセラミックス成形体を脱脂、焼結を施されることにより形成されるものであり、
導体パターン形成用インクは、液滴吐出法により、前記セラミックス成形体上に付与されるものである請求項1ないし7のいずれかに記載の導体パターン形成用インク。 - 導体パターン形成用インクは、前記金属粒子と前記金属粒子の表面に付着した分散剤とで構成された金属コロイド粒子が前記水系分散媒に分散したコロイド液である請求項1ないし8のいずれかに記載の導体パターン形成用インク。
- 前記金属コロイド粒子は、COOH基とOH基とを合わせて3個以上有し、かつ、COOH基の数がOH基の数と同数またはCOOH基の数がOH基の数よりも多いヒドロキシ酸またはその塩からなる分散剤により分散されたものである請求項9に記載の導体パターン形成用インク。
- 前記金属コロイド粒子は、COOH基とSH基が合わせて2個以上有するメルカプト酸またはその塩からなる分散剤により分散されたものである請求項9または10に記載の導体パターン形成用インク。
- 前記コロイド液は、pHが6〜11に調整されたものである請求項9ないし11のいずれかに記載の導体パターン形成用インク。
- 請求項1ないし12のいずれかに記載の導体パターン形成用インクによって形成されたことを特徴とする導体パターン。
- 請求項13に記載の導体パターンが備えられてなることを特徴とする配線基板。
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