JP2014214340A - 銀−ビスマス粉末、導電性ペースト及び導電膜 - Google Patents

Abstract

【課題】半田濡れ性が良好であり、体積抵抗率が低く、比較的高温（５００℃以上）の酸化雰囲気で焼成される用途でも優れた導電性を有する銀−ビスマス粉末、導電性ペースト及び導電膜の提供。【解決手段】銀とビスマスとを含み、前記銀と前記ビスマスとの質量比率（銀：ビスマス）が９５：５〜４０：６０であり、レーザー回折式粒度分布測定法による体積基準の粒子径分布における累積５０％粒子径（Ｄ５０）が０．１μｍ〜１０μｍであり、酸素含有量が５．５質量％以下である銀−ビスマス粉末である。【選択図】図１

Description

本発明は、銀−ビスマス粉末、導電性ペースト及び導電膜に関する。

従来より、配線材料及び電極材料として銅の使用が検討されており、比較的低温（２００℃以下）で硬化又は乾燥されるプリント配線板用途等の導電性ペーストに使用されている。しかし、比較的高温（５００℃以上）で焼成される用途では、銅の酸化に起因して導電性の低下が生じるので、酸化雰囲気では使用できず、窒素雰囲気、還元雰囲気等の特殊な雰囲気下でしか適用できない。このため、比較的高温の酸化雰囲気での焼成用途には銀が使用されることが多いが、銀は銅と比較してコストが高いのでコストアップを招くという問題がある。また、銅と銀との間の特性とコストを狙って銀めっき銅粉を用いることも検討されており、銅より耐酸化性は改善されるが、依然として比較的高温の酸化雰囲気での焼成用途には使用できないという課題がある。

前記課題を解決するため、例えば、銀及び少なくとも２種の非銀含有元素を含有する多元素合金粉末が提案されている（特許文献１参照）。しかし、この提案は、セラミック圧電装置用の合金粉末用途であるため、パラジウムや白金等の貴金属を含有し、高融点であることに加えて、製法がエアロゾル分解法であるため、生産性が悪く、低コスト化は困難である。

また、ビスマスを基礎とする合金からなる無鉛ろう材が提案されている（特許文献２参照）。しかし、この提案では、比較的高温で焼成される用途での使用を意図したものではないのに加えて、ビスマス含有量が８０質量％以上と多いため、比較的高温の酸化雰囲気での焼成される用途では、導電性が低下するという問題がある。

また、Ａｇ及び／又はＣｕを合計で２０質量％以上８０質量％以下含み、残部Ｂｉ及び不可避的不純物からなり、粒径が０．０３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の球状に凝固されてなる配線基板用金属球であって、該金属球の真円度が粒径の５％以下である配線基板用金属球が提案されている（特許文献３参照）。しかし、この提案では、金属球の粒径が大きいため、導電性ペーストのフィラーとしては使用できないという問題がある。

したがって、半田濡れ性が良好であり、体積抵抗率が低く、比較的高温（５００℃以上）の酸化雰囲気で焼成される用途でも優れた導電性を有する銀−ビスマス粉末、導電性ペースト及び導電膜の提供が望まれている。

特表２０１１−５１４４３２号公報 特表２００４−５２８９９２号公報 特開２０１０−１２３６８１号公報

本発明は、従来における前記諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、半田濡れ性が良好であり、体積抵抗率が低く、比較的高温（５００℃以上）の酸化雰囲気で焼成される用途でも優れた導電性を有する銀−ビスマス粉末、導電性ペースト及び導電膜を提供することを目的とする。

前記課題を解決するための手段としての本発明の銀−ビスマス粉末は、銀とビスマスとを含み、前記銀と前記ビスマスとの質量比率（銀：ビスマス）が９５：５〜４０：６０であり、
レーザー回折式粒度分布測定法による体積基準の粒子径分布における累積５０％粒子径（Ｄ５０）が０．１μｍ〜１０μｍであり、
酸素含有量が５．５質量％以下である。

本発明によると、従来における前記諸問題を解決し、前記目的を達成することができ、半田濡れ性が良好であり、体積抵抗率が低く、比較的高温（５００℃以上）の酸化雰囲気で焼成される用途でも優れた導電性を有する銀−ビスマス粉末、導電性ペースト及び導電膜を提供することができる。

図１は、実施例における粉末中の銀の質量比率と体積抵抗率との関係を示すグラフである。 図２は、実施例における粉末中の銀の質量比率と半田濡れ性との関係を示すグラフである。

（銀−ビスマス粉末）
本発明の銀−ビスマス粉末は、銀とビスマスとを含む。
前記銀と前記ビスマスとの質量比率（銀：ビスマス）は、９５：５〜４０：６０であり、９５：５〜７０：３０が好ましく、低体積抵抗率、半田濡れ性、及び低コスト化の点から、９０：１０〜８０：２０がより好ましい。前記数値範囲において、半田濡れ性が良好で、体積抵抗率が低くなる。

前記銀−ビスマス粉末は、貴金属である銀の一部を卑金属のビスマスに置き換えることにより低コスト化が図れ、前記質量比率（銀：ビスマス）範囲とすることにより、銀−ビスマス粉末は酸化雰囲気での焼成でも導電性を有する。これは、（１）銀とビスマスは溶融すると２層に分離し、銀焼成膜の界面にビスマスが偏在しにくいこと、（２）導電性に劣る金属間化合物を生成しにくいこと、（３）溶融したビスマス中で銀が液相焼結を起こすため焼結が促進されること、などから、銀−ビスマス粉末を用いた場合には、比較的高温（５００℃以上）の酸化雰囲気で焼成される用途でも導電性が発現すると推測される。

前記銀−ビスマス粉末は、レーザー回折式粒度分布測定法による体積基準の粒子径分布における累積５０％粒子径（Ｄ５０）が、０．１μｍ〜１０μｍであり、０．５μｍ〜４μｍが好ましい。この数値範囲において、コスト的に有利な導電性ペースト用のフィラーとして好適に用いることができる。
前記累積５０％粒子径（Ｄ５０）が、０．１μｍ未満であると、銀−ビスマス粉末を用いて作製した導電膜の体積抵抗率が高くなってしまうことがあり、１０μｍを超えると、スクリーン印刷で目詰まりが生じ、微細化が困難となることがある。
前記銀−ビスマス粉末の累積５０％粒子径（Ｄ５０）は、例えば、レーザー回折式粒度分布測定装置（ＳＹＭＰＡＴＥＣ社製、ヘロス粒度分布測定装置）を用いて、体積基準の粒子径分布より算出される値を用いて測定した。

前記銀−ビスマス粉末の酸素含有量は、５．５質量％以下であり、２質量％以下が好ましい。前記酸素含有量が、５．５質量％を超えると、銀−ビスマス粉末を用いて作製した導電膜の体積抵抗率が高くなってしまうことがある。
前記酸素含有量は、例えば、酸素・窒素分析装置（ＬＥＣＯ社製、ＴＣ−４３６型）などを用いて測定することができる。

前記銀−ビスマス粉末のＢＥＴ比表面積は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、０．１ｍ^２／ｇ〜５ｍ^２／ｇが好ましい。
前記ＢＥＴ比表面積は、例えば、ＢＥＴ比表面積測定装置（ユアサイオニクス株式会社製、４ソーブＵＳ）などを用いて測定することができる。

前記銀−ビスマス粉末のタップ密度は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、１．０ｇ／ｃｍ^３〜１０．０ｇ／ｃｍ^３が好ましい。
前記タップ密度は、例えば、特開２００７−２６３８６０号公報に記載された方法などにより測定することができる。

＜銀−ビスマス粉末の製造方法＞
前記銀−ビスマス粉末の製造方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、湿式還元法、気相還元法、アトマイズ法、などが挙げられる。これらの中でも、低コストで大量に生産できる点から、アトマイズ法が好ましく、生産性、合金化、微粒子化が容易である点から、水アトマイズ法がより好ましい。

前記アトマイズ法とは、銀−ビスマスの溶湯に高圧のガス又は水を粉砕媒体として噴射して銀−ビスマスの溶湯を粉砕し、冷却し、凝固させて銀−ビスマス粉末を製造する方法である。
前記粉砕媒体に水を用いる水アトマイズ法は、ガスと同じ流速でせん断しても、水の質量がガスよりも重いことより、せん断エネルギーが大きく、粒径の小さなものが製造できる。

水アトマイズ法により得られた粉末をろ過し、水洗した後、乾燥し、解砕、分級し、篩分することにより、銀−ビスマス粉末を製造することができる。
前記乾燥は、窒素雰囲気下で行うことが好ましく、６０℃〜１５０℃で５時間〜５０時間乾燥した後、酸素濃度を２段階に上げて、徐酸化を行うことが好ましい。酸化による発熱が大きいため、徐酸化により安定化を図ることができる。前記徐酸化は、例えば、酸素濃度２％で３０分間処理した後、酸素濃度１５％で１２．５時間処理する方法、などが挙げられる。
前記分級は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、風力分級が好ましい。

（導電性ペースト）
本発明の導電性ペーストは、銀−ビスマス粉末と、ガラスフリットと、樹脂と、溶剤とを含有し、更に必要に応じてその他の成分を含有してなる。

＜銀−ビスマス粉末＞
前記銀−ビスマス粉末としては、本発明の前記銀−ビスマス粉末が用いられる。
前記銀−ビスマス粉末の含有量は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、導電性ペースト全量に対して、４０質量％〜９０質量％が好ましい。

＜ガラスフリット＞
前記ガラスフリットは、焼成した際に前記銀−ビスマス粉末を基板に接着させるための成分である。
前記ガラスフリットとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ホウケイ酸ビスマス系、ホウケイ酸アルカリ金属系、ホウケイ酸アルカリ土類金属系、ホウケイ酸亜鉛系、ホウケイ酸鉛系、ホウ酸鉛系、ケイ酸鉛系、などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。なお、環境に与える影響から、鉛を含まないものが好ましい。

前記ガラスフリットの軟化点は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、４００℃〜６００℃が好ましい。前記軟化点が、４００℃未満では、導電ペースト中の樹脂成分が蒸発する前にガラスの焼結が始まるため脱バインダー処理が良好に進行せず、その結果、焼成後に残留炭素となって導電膜剥がれの原因になる場合があり、６００℃を超えると、６００℃程度以下の温度で焼成したときに、十分な接着強度を有する緻密な導電膜が得られないことがある。
前記軟化点は、例えば、熱重量測定装置を用いて測定したＤＴＡ曲線の第２吸熱部の裾の温度から求めることができる。
前記ガラスフリットの含有量は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記銀−ビスマス粉末に対して、０．１質量％〜１０質量％が好ましい。

＜樹脂＞
前記樹脂としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、アクリル樹脂、エチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、ニトロセルロース、などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。

前記溶剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、トルエン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、テトラデカン、テトラリン、プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、テルピネオール、エチルカルビトール、ブチルカルビトール、エチルカルビトールアセテート、ブチルカルビトールアセテート、２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオールモノイソブチレート、などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。

前記その他の成分としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、分散剤、粘度調整剤、などが挙げられる。

前記導電性ペーストの製造方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記銀−ビスマス粉末、前記ガラスフリット、前記樹脂、前記溶剤、及び必要に応じてその他の成分を、例えば、超音波分散、ディスパー、三本ロールミル、ボールミル、ビーズミル、二軸ニーダー、自公転式攪拌機などを用い、混合することにより作製することができる。

前記導電性ペーストの粘度は、２５℃で、１０Ｐａ・ｓ〜１，０００Ｐａ・ｓが好ましい。
前記導電性ペーストの粘度が、１０Ｐａ・ｓ未満であると、低粘度の領域では「にじみ」が発生することがあり、１，０００Ｐａ・ｓを超えると、高粘度の領域では「かすれ」、と言った印刷の不具合が発生することがある。
前記導電性ペーストの粘度は、銀−ビスマス粉末の含有量、粘度調整剤の添加や溶剤の種類により調整することができる。

本発明の導電性ペーストは、焼成型導電性ペーストとして用いられ、以下に説明する本発明の導電膜の形成に好適に用いられる。

（導電膜）
本発明の導電膜は、本発明の前記導電性ペーストを焼成して得られる。
前記導電膜は、本発明の前記導電性ペーストを基板上に塗布し、乾燥させた後、乾燥した塗膜を焼成して得られる。
前記塗布は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、スクリーン印刷法、グラビア印刷法、ワイヤーバーコーティング法、ドクターブレードコーティング法、ロールコーティング法、などが挙げられる。これらの中でも、スクリーン印刷法が好ましい。
前記塗膜の焼成温度は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記導電性ペーストに含まれるガラスフリットの軟化点以上であることが好ましく、具体的には、５００℃〜７００℃がより好ましい。前記焼成温度がガラスフリットの軟化点未満であると、ガラスフリットの流動が不十分となり十分な強度を有する導電膜が得られないことがある。
前記塗膜の焼成時間は、前記焼成温度により異なり、一概には規定できないが、１分間〜１２０分間が好ましい。
前記塗膜の焼成は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、大気中で行うことが好ましい。

本発明の導電性ペーストを焼成して得られる本発明の導電膜は、例えば、太陽電池、チップ部品、ハイブリッドＩＣ、デフォッガー、サーミスタ、バリスタ、サーマルヘッド、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ）、電界放出表示装置（ＦＥＤ）種々の電子部品の電極や回路、電磁波シールド材、などに好適に用いられる。

以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。

（実施例１）
＜水アトマイズ法による粉末の作製＞
表１に示す配合割合の銀とビスマスとを加熱溶融した溶湯を、タンディッシュ下部から落下させ、高圧水を吹付けて急冷凝固させた。得られた粉末をろ過し、水洗した後、乾燥（１２０℃で７時間）し、解砕、風力分級処理により、Ｎｏ．１〜１２の粉末を作製した。
なお、例えば、Ｎｏ．２の粉末は、銀３．８ｋｇとビスマス０．２ｋｇとを配合した。

次に、作製した各粉末について、以下のようにして、諸特性を評価した。結果を表１に示した。

＜粒度分布＞
作製した各粉末の粒度分布は、レーザー回折式粒度分布測定装置（ＳＹＭＰＡＴＥＣ社製、ヘロス粒度分布測定装置）を用い、測定条件はｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ＝２０ｍｍ、分散圧が５．０ｂａｒで、累積１０％粒子径（Ｄ１０）、累積２５％粒子径（Ｄ２５）、累積５０％粒子径（Ｄ５０）、累積７５％粒子径（Ｄ７５）、累積９０％粒子径（Ｄ９０）、及び累積９９％粒子径（Ｄ９９）を測定した。

＜ＢＥＴ比表面積＞
作製した各粉末のＢＥＴ比表面積は、ＢＥＴ比表面積測定装置（ユアサイオニクス株式会社製、４ソーブＵＳ）を用いてＢＥＴ法により求めた。

＜タップ密度＞
作製した各粉末のタップ密度（ＴＡＰ）は、特開２００７−２６３８６０号公報に記載された方法により求めた。

＜酸素含有量＞
作製した各粉末の酸素含有量は、酸素・窒素分析装置（ＬＥＣＯ社製、ＴＣ−４３６型）により測定した。

＜組成分析＞
作製した各粉末中の銀及びビスマスの含有量は、粉末（約２．５ｇ）を塩化ビニル製リング（内径３．２ｍｍ×厚み４ｍｍ）内に敷き詰めた後、錠剤型成型圧縮機（株式会社前川試験製作所製、型番ＢＲＥ−５０）により１００ｋＮの荷重をかけて、各粉末のペレットを作製した。
作製した各ペレットをサンプルホルダー（開口径３．０ｃｍ）に入れて、蛍光Ｘ線分析装置（株式会社リガク製、ＲＩＸ２０００）内の測定位置にセットし、測定雰囲気を減圧下（８．０Ｐａ）とし、Ｘ線出力を５０ｋＶ、５０ｍＡとした条件で測定した。測定結果から、装置に付属のソフトウェアで自動計算することによって、各粉末中の銀及びビスマスの含有量を求めた。

（実施例２）
＜導電性ペーストの作製＞
アクリル樹脂４ｇ（三菱レイヨン株式会社製、ＢＲ−１０５）をブチルカルビトールアセテート（和光純薬工業株式会社製、試薬）１２ｇに溶解させたビヒクルと、前記作製した各粉末８２ｇと、ガラスフリット（旭硝子株式会社製、ＡＳＦ−１１００、軟化点４４０℃）２ｇとを混練脱泡機で混合し、三本ロールで５回パスすることで均一に分散させた。以上により、Ｎｏ．１〜１２の導電性ペーストを作製した。

＜導電膜の作製＞
得られた各導電性ペーストをスクリーン印刷にてアルミナ基板上に線幅５００μｍ、線長３７．５ｍｍのパターンで塗布し、乾燥機（ヤマト科学株式会社製、ＤＫ−４３）を用い、大気下、１５０℃で１０分間の条件で乾燥させた。その後、焼成炉（光洋サーモシステム株式会社製、小型コンベア炉８１０Ａ）を用い、大気下、６００℃で３．３分間の条件で焼成し、Ｎｏ．１〜１２の導電膜を作製した。
次に、作製した各導電膜について、以下のようにして、体積抵抗率及び半田濡れ性を評価した。結果を表２、図１、及び図２に示した。

＜＜体積抵抗率＞＞
得られた各導電膜のライン抵抗を二端子型抵抗率計（日置電機株式会社製、３５４０ ミリオームハイテスタ）で測定し、膜厚を表面粗さ形状測定機（株式会社東京精密製、サーフコム１５００ＤＸ）にて測定し、下記式より体積抵抗率を算出した。
体積抵抗率（μΩ・ｃｍ）
＝ライン抵抗（μΩ）×膜厚（ｃｍ）×線幅（ｃｍ）÷線長（ｃｍ）

＜＜半田濡れ性＞＞
パッド部（各導電膜の矩形パターン部（２ｍｍ×２ｍｍ））にフラックス（千住金属工業株式会社製、ＥＳＲ−２５０Ｔ４）を漬けた後、２６０℃に設定した半田槽に２秒間半田ディップした。半田ディップ後の矩形パターン部の半田濡れ面積を目視で確認し、半田が盛り上がった部分の面積をパッド部の面積で除して１００倍することにより、半田濡れ性（％）を求めた。なお、半田濡れ性は７０％以上が好ましい。

表２、図１、及び図２の結果から、粉末中における銀の質量比率が７０％以上であると、体積抵抗率が低く、半田濡れ性が良好であることがわかった。

本発明の態様としては、例えば、以下のとおりである。
＜１＞ 銀とビスマスとを含み、前記銀と前記ビスマスとの質量比率（銀：ビスマス）が９５：５〜４０：６０であり、
レーザー回折式粒度分布測定法による体積基準の粒子径分布における累積５０％粒子径（Ｄ５０）が０．１μｍ〜１０μｍであり、
酸素含有量が５．５質量％以下であることを特徴とする銀−ビスマス粉末である。
＜２＞ レーザー回折式粒度分布測定法による体積基準の粒子径分布における累積５０％粒子径（Ｄ５０）が、０．５μｍ〜４μｍである前記＜１＞に記載の銀−ビスマス粉末である。
＜３＞ 銀とビスマスとの質量比率（銀：ビスマス）が９５：５〜７０：３０である前記＜１＞から＜２＞のいずれかに記載の銀−ビスマス粉末である。
＜４＞ 水アトマイズ法により製造される前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の銀−ビスマス粉末である。
＜５＞ 前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の銀−ビスマス粉末と、樹脂と、ガラスフリットと、溶剤とを含有することを特徴とする導電性ペーストである。
＜６＞ ガラスフリットの軟化点が４００℃〜６００℃である前記＜５＞に記載の導電性ペーストである。
＜７＞ 前記＜５＞から＜６＞のいずれかに記載の導電性ペーストを焼成して得られることを特徴とする導電膜である。
＜８＞ ガラスフリットの軟化点以上の温度で焼成する前記＜７＞に記載の導電膜である。

Claims (8)

1. 銀とビスマスとを含み、前記銀と前記ビスマスとの質量比率（銀：ビスマス）が９５：５〜４０：６０であり、
   レーザー回折式粒度分布測定法による体積基準の粒子径分布における累積５０％粒子径（Ｄ５０）が０．１μｍ〜１０μｍであり、
   酸素含有量が５．５質量％以下であることを特徴とする銀−ビスマス粉末。
2. レーザー回折式粒度分布測定法による体積基準の粒子径分布における累積５０％粒子径（Ｄ５０）が、０．５μｍ〜４μｍである請求項１に記載の銀−ビスマス粉末。
3. 銀とビスマスとの質量比率（銀：ビスマス）が９５：５〜７０：３０である請求項１から２のいずれかに記載の銀−ビスマス粉末。
4. 水アトマイズ法により製造される請求項１から３のいずれかに記載の銀−ビスマス粉末。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の銀−ビスマス粉末と、樹脂と、ガラスフリットと、溶剤とを含有することを特徴とする導電性ペースト。
6. ガラスフリットの軟化点が４００℃〜６００℃である請求項５に記載の導電性ペースト。
7. 請求項５から６のいずれかに記載の導電性ペーストを焼成して得られることを特徴とする導電膜。
8. ガラスフリットの軟化点以上の温度で焼成する請求項７に記載の導電膜。

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