JP2017069175A - 導電性ペースト及び導電膜 - Google Patents
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Abstract
Description
近年、電子部品の高密度化が急速に進むと共に、その量産における作業性の向上及びコストダウンが重要な課題となってきており、前記導電性ペーストから作製される導電膜の導電性の向上が強く求められている。また、それと同時に、導電膜に電気を導通させた際に発生する熱を逃がすために、導電膜の熱伝導性の向上も求められている。
そこで、前記課題を解決するため、例えば、カーボン以外の導電性微粉末(A)、カーボン粉(B)、結合剤(C)、及び溶剤(D)を主成分とする導電性ペーストにおいて、前記導電性微粉末(A)と前記カーボン粉(B)との割合(A)/(B)が99.9/0.1〜93/7であることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
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、優れた導電性及び熱伝導性を兼ね備えた導電膜を形成できる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。
<1> 銀粉と黒鉛粉を含むフィラー、ポリマー、及び溶剤を含有する導電性ペーストであって、
前記黒鉛粉の熱重量・示差熱分析法による1%減量開始温度が、300℃以上640℃以下であることを特徴とする導電性ペーストである。
<2> 前記黒鉛粉の熱重量・示差熱分析法による1%減量開始温度が、500℃以上600℃以下である前記<1>に記載の導電性ペーストである。
<3> 前記黒鉛粉が、グラフェン、球状黒鉛、及び鱗片状黒鉛から選択される少なくとも1種である前記<1>から<2>のいずれかに記載の導電性ペーストである。
<4> 前記黒鉛粉の含有量が、前記フィラーの全量に対して、0.1質量%以上10質量%以下である前記<1>から<3>のいずれかに記載の導電性ペーストである。
<5> 前記銀粉が、フレーク状銀粉及び球状銀粉の混合物である前記<1>から<4>のいずれかに記載の導電性ペーストである。
<6> 前記ポリマーが、エポキシ樹脂である前記<1>から<5>のいずれかに記載の導電性ペーストである。
<7> 前記<1>から<6>のいずれかに記載の導電性ペーストから形成されたことを特徴とする導電膜である。
<8> 体積抵抗率が100μΩ・cm以下であり、かつ熱伝導率が10W/m・K以上である前記<7>に記載の導電膜である。
本発明の導電性ペーストは、フィラー、ポリマー、及び溶剤を含有し、更に必要に応じてその他の成分を含有してなる。
前記フィラーとしては、銀粉と黒鉛粉を含む。
前記フィラーの含有量は、導電性ペースト全量に対して、80質量%以上95質量%以下が好ましい。前記含有量が、80質量%未満であると、導電性ペーストからなる導電膜の熱伝導性及び導電性が低下してしまうことがあり、95質量%を超えると、導電性ペーストの塗布作業性が低下し、適切な導電膜を得ることができなくなることがある。
前記黒鉛粉は、熱重量・示差熱分析法(TG−DTA法)による1%減量開始温度が、300℃以上640℃以下であり、500℃以上600℃以下が好ましい。前記1%減量開始温度が640℃を超えると、銀との焼結性が悪化し、熱及び電気の伝達に悪影響を及ぼすことがある。
前記1%減量開始温度が、300℃以上640℃以下であると、優れた導電性及び熱伝導性を兼ね備えた導電膜を形成できる導電性ペーストが得られる。
ここで、前記1%減量開始温度は、窒素雰囲気下、昇温速度10℃/分間の条件で熱重量・示差熱分析法(TG−DTA法)により求めることができる。具体的には、株式会社リガク製の示差熱天秤TG8120を用いて、1%重量減少した温度を1%減量開始温度として求めることができる。
前記球状黒鉛及び前記鱗片状黒鉛は、炭素同士が共有結合で六角形に結合し、層間がファンデルワースル力で結合したものであり、熱伝導率は300W/m・K以上1,500W/m・K以下が好ましい。
前記グラフェンは、炭素原子1個分の厚さしかない平面状の物質であり、炭素原子のsp2結合によって形成されたハチの巣状の結晶格子で構成されており、他の全ての次元のグラファイト系材料の基本構成ブロックである。グラフェンを丸く包めばフラーレン、巻けばカーボンナノチューブ、積み重ねればグラファイトが得られる。前記グラフェンの熱伝導率は3,000W/m・K以上が好ましい。
前記黒鉛粉としては、適宜製造したものを使用してもよいし、市販品を使用してもよい。
前記黒鉛粉の市販品としては、例えば、グラフェン(GNH−X2、グラフェンプラットフォーム株式会社製)、球状黒鉛(WF−15C、株式会社中越黒鉛工業所製)、鱗状黒鉛(BF−15AK、株式会社中越黒鉛工業所製)などが挙げられる。
前記黒鉛粉の含有量は、フィラーの全量に対して、0.1質量%以上10質量%以下が好ましく、1質量%以上5質量%以下がより好ましい。前記含有量が、0.1質量%未満であると、黒鉛粉がその特性を発揮することができず、熱伝導率及び導電性の改善に繋がらない。一方、前記含有量が、10質量%を超えると、導電性ペースト中でのフィラーの分散性が著しく悪化し、その結果、導電膜を得ることが著しく困難な導電性ペーストが得られるため、本用途に適さない。
前記黒鉛粉のBET比表面積は、0.1m2/g以上5.0m2/g以下が好ましく、0.3m2/g以上2.0m2/g以下がより好ましい。
前記黒鉛粉のBET比表面積は、Macsorb HM−model 1210(MOUNTECH社製)を用いて窒素吸着によるBET1点法で測定することができる。なお、前記BET比表面積の測定において、測定前の脱気条件は60℃、10分間とした。
前記黒鉛粉の体積基準の粒子径分布における累積50%粒子径(D50)は、0.1μm以上30μm以下が好ましく、1μm以上25μm以下がより好ましい。
前記黒鉛粉の累積50%粒子径は、湿式レーザー回折式の粒度分布測定により行うことができる。即ち、湿式レーザー回折式の粒度分布測定は、黒鉛粉0.1gをイソプロピルアルコール40mLに加え、チップ径20mmの超音波ホモジナイザーにより2分間分散させ、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置(マイクロトラック・ベル株式会社製、MICROTORAC MT3300EXII)を用いて測定する。測定結果をグラフ化し、銀粉の粒度分布の頻度と累積を求める。そして、累積50%粒子径をD50と表記する。
前記銀粉としては、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、フレーク状銀粉、樹枝状銀粉、球状銀粉、又はこれらの混合物などが挙げられる。これらの中でも、フレーク状銀粉及び球状銀粉の混合物が好ましい。
前記銀粉としては、適宜製造したものを使用してもよいし、市販品を使用してもよい。
前記銀粉の製造方法としては、例えば、銀イオンを含有する水性反応系に還元剤含有水溶液を添加して銀粒子を還元析出させる方法などが挙げられる。また、銀粉は銀被覆銅粉のように、表面が銀であり内部が銀以外の材料からなる銀粉を用いてもよい。
前記銀粉の含有量は、フィラーの全量に対して、90質量%以上99.9質量%以下が好ましく、95質量%以上99質量%以下がより好ましい。前記含有量が90質量%未満であると、カーボン量が多くなり、導電性ペースト中でのフィラーの分散性が著しく悪化し、その結果、導電膜を得ることが著しく困難な導電性ペーストが得られるため、本用途に適さない。一方、前記含有量が99質量%を超えると、黒鉛粉がその特性を発揮することができず、熱伝導率及び導電性の改善に繋がらないことがある。
前記銀粉のBET比表面積は、0.1m2/g以上5.0m2/g以下が好ましく、0.3m2/g以上2.0m2/g以下がより好ましい。
前記銀粉のBET比表面積は、前記黒鉛粉のBET比表面積と同様にして測定することができる。
前記銀粉の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)は、0.05μm以上6.0μm以下が好ましく、0.1μm以上4.0μm以下がより好ましい。
前記銀粉の累積50%粒子径は、前記黒鉛粉の累積50%粒子径と同様にして測定することができる。
前記銀粉の強熱減量は、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、0.02質量%〜1質量%が好ましい。
前記銀粉の強熱減量は、銀粉試料2gを秤量(w1)して磁性るつぼに入れ、800℃で恒量になるまで30分間強熱した後、冷却し、秤量(w2)することにより、次式から求めることができる。
強熱減量(質量%)=[(w1−w2)/w1]×100
前記ポリマーとしては、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、メチルセルロース、エチルセルロース等のセルロース誘導体、アクリル樹脂、アルキド樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリウレタン樹脂、ロジン樹脂、テルペン樹脂、フェノール樹脂、脂肪族石油樹脂、アクリル酸エステル樹脂、キシレン樹脂、クマロンインデン樹脂、スチレン樹脂、ジシクロペンタジエン樹脂、ポリブテン樹脂、ポリエーテル樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、酢酸ビニル樹脂、ポリイソブチル樹脂、オレフィン系熱可塑性エラストマー(TPO)、エポキシ樹脂などが挙げられる。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。これらの中でも、硬化性、密着性、及び汎用性の点から、エポキシ樹脂が好ましい。
前記エポキシ樹脂としては、モノエポキシ化合物、多価エポキシ化合物のいずれか又はそれらの混合物が用いられる。前記エポキシ樹脂を用いる場合には、前記エポキシ樹脂の硬化剤を併用することが好ましい。
前記ポリマーの含有量は、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。
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、ジヒドロターピネオール、ジヒドロターピネオールアセテート、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、酢酸ジエチレングリコールモノ−n−エチルエーテルなどが挙げられる。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。
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、界面活性剤、分散剤、分散安定剤、粘度調整剤、レベリング剤、消泡剤などが挙げられる。
前記導電性ペーストの粘度は、前記フィラーの含有量、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。前記導電性ペーストの粘度は、例えば、BROOKFIELD社製の粘度計5XHBDV−IIIUCを用い、コーンスピンドルCP−52、ペースト温度25℃で測定することができる。
本発明の導電膜は、本発明の前記導電性ペーストから形成される。
前記導電膜の体積抵抗率は、100μΩ・cm以下が好ましく、50μΩ・cm以下がより好ましい。前記体積抵抗率が、100μΩ・cm以下であると、極めて低い体積抵抗率の導電膜が実現可能である。前記体積抵抗率が、100μΩ・cmを超えると、導電膜の導電性が不十分となることがある。
前記導電膜の体積抵抗率は、例えば、デジタルマルチメーター(ADVANTEST社製、R6551)を用いて、導電膜の長手方向の2点間の抵抗値を測定し、体積抵抗率=抵抗値×導電膜の厚み×導電膜の幅÷導電膜の長さを算出することにより測定することができる。
前記熱伝導率は、例えば、レーザーフラッシュ法などにより測定することができる。
フィラーのBET比表面積、タップ密度、粒度分布(D10、D50、及びD90)、1%減量開始温度、及び銀粉の強熱減量の測定方法は、以下に示す通りである。
銀粉のBET比表面積は、Macsorb HM−model 1210(MOUNTECH社製)で、He:70%、N2:30%のキャリアガスを用い、銀粉3gをセルに入れて脱気を60℃で10分間行った後、BET1点法により測定を行った。
タップ密度は、タップ密度測定装置(柴山科学株式会社製、カサ比重測定装置SS−DA−2)を使用し、銀粉15gを計量して、容器(20mL試験管)に入れ、落差20mmで1,000回タッピングし、タップ密度=試料重量(15g)/タッピング後の試料体積から算出した。
粒度分布は、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置(マイクロトラック・ベル株式会社製、MICROTORAC MT3300EXII)を用いて、銀粉0.1gをイソプロピルアルコール40mLに加え、チップ径20mmの超音波ホモジナイザーにより2分間分散させて試料を準備し、全反射モードで粒径の測定を行った。測定により得た体積基準の累積分布により、累積10%粒子径(D10)、累積50%粒子径(D50)、及び累積90%粒子径(D90)の値を求めた。
窒素雰囲気下、昇温速度10℃/分間の条件で熱重量・示差熱分析法(TG−DTA法)(株式会社リガク製の示差熱天秤TG8120)により、1%重量減少した温度を1%減量開始温度として求めた。
銀粉の強熱減量は、銀粉試料2gを秤量(w1)して磁性るつぼに入れ、800℃で恒量になるまで30分間強熱した後、冷却し、秤量(w2)することにより、次式から求めた。
強熱減量(質量%)=[(w1−w2)/w1]×100
−導電性ペーストの作製−
黒鉛粉としてのグラフェン1を2.76質量部、フレーク状銀粉(DOWAエレクトロニクス株式会社製)53.544質量部、球状銀粉(DOWAエレクトロニクス株式会社製)35.696質量部、エポキシ樹脂(EP4901E、株式会社ADEKA製)8質量部、硬化剤(BF3NH2EtOH、和光純薬工業株式会社製)0.4質量部、オレイン酸(和光純薬工業株式会社製)0.1質量部、及び溶剤としての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)2質量部を加え、プロペラレス自公転式攪拌脱泡装置(株式会社シンキー製、AR−250)を用い、混合した。その後、3本ロールミル(EXAKT社製、EXAKT80S)を用いて、ロールギャップを徐々に狭めながら通過させて導電性ペーストを得た。なお、用いた黒鉛粉の諸特性を表1に、用いたフレーク状銀粉及び球状銀粉の諸特性を表2に、用いたフレーク状銀粉及び球状銀粉の走査型電子顕微鏡写真を図6及び図7に示す。
得られた導電性ペーストの粘度は、BROOKFIELD社製の粘度計5XHBDV−IIIUCを用い、コーンスピンドルCP−52、ペースト温度25℃で測定した。1rpm(ずり速度2sec−1)で5分間の値を測定した。
導電性ペーストを用い、直径10mm、厚み1mmの成形体を200℃で20分間硬化させてサンプルを作製した。
得られたサンプルを四探針法(三菱化学株式会社製、Loresta HP MCP−T410)により、体積抵抗率1を測定した。
導電性ペーストを用い、直径10mm、厚み1mmの成形体を200℃で20分間硬化させてサンプルを作製した。
得られたサンプルをレーザーフラッシュ法(株式会社ULVAC製、TC−7000)により熱拡散率を測定し、比熱と密度から熱伝導率を求めた。
実施例1において、前記グラフェン1を、グラフェン2(GNH−X2、グラフェンプラットフォーム株式会社製)に代えた以外は、実施例1と同様にして、導電性ペーストを作製し、同様にして諸特性を評価した。結果を表3に示した。なお、用いた黒鉛粉の諸特性を表1に示す。
実施例1において、前記グラフェン1を、球状黒鉛(WF−15C、株式会社中越黒鉛工業所製)に代えた以外は、実施例1と同様にして、導電性ペーストを作製し、同様にして諸特性を評価した。結果を表3に示した。なお、用いた黒鉛粉の諸特性を表1に示す。
実施例1において、前記グラフェン1を、鱗状黒鉛(BF−15AK、株式会社中越黒鉛工業所製)に代えた以外は、実施例1と同様にして、導電性ペーストを作製し、同様にして諸特性を評価した。結果を表3に示した。なお、用いた黒鉛粉の諸特性を表1に示す。
実施例1において、前記グラフェン1を添加しない以外は、実施例1と同様にして、導電性ペーストを作製し、同様に諸特性を評価した。結果を表3に示した。なお、用いた黒鉛粉の諸特性を表1に示す。
実施例1において、前記グラフェン1を、黒鉛(ソニー株式会社)に代えた以外は、実施例1と同様にして、導電性ペーストを作製し、同様にして諸特性を評価した。結果を表3に示した。なお、用いた黒鉛粉の諸特性を表1に示す。
*黒鉛粉No.2(グラフェン2)の熱重量・示差熱分析法によるTG及びDTAの測定結果を図2に示した。
*黒鉛粉No.3(球状黒鉛)の熱重量・示差熱分析法によるTG及びDTAの測定結果を図3に示した。
*黒鉛粉No.4(鱗状黒鉛)の熱重量・示差熱分析法によるTG及びDTAの測定結果を図4に示した。
*黒鉛粉No.5(黒鉛)の熱重量・示差熱分析法によるTG及びDTAの測定結果を図5に示した。
*No.2の銀粉(球状銀粉)の走査型電子顕微鏡(SEM、日本電子工業株式会社製、JSM−6100)によるSEM写真(10,000倍)を図7に示した。
−導電性ペーストの作製−
黒鉛粉としての前記グラフェン1を3質量部、フレーク状銀粉(DOWAエレクトロニクス株式会社製)53.544質量部、球状銀粉(DOWAエレクトロニクス株式会社製)35.696質量部、エポキシ樹脂(EP4901E、株式会社ADEKA製)8質量部、硬化剤(BF3NH2EtOH、和光純薬工業株式会社製)0.4質量部、オレイン酸(和光純薬工業株式会社製)0.1質量部、及び溶剤としての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)5.24質量部を加え、プロペラレス自公転式攪拌脱泡装置(株式会社シンキー製、AR−250)を用い、混合した。その後、3本ロールミル(EXAKT社製、EXAKT80S)を通した後に粘度を確認しながら、溶剤としての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)を添加して粘度を500Pa・s〜600Pa・sに調整し、ロールギャップを徐々に狭めながら通過させて導電性ペーストを得た。
得られた導電性ペーストについて、実施例1と同様にして、粘度及び熱伝導率を測定した。
また、前記導電性ペーストを用いて、以下のようにして、導電膜を作製し、導電膜の平均厚み、及び体積抵抗率2を測定した。結果を表4に示した。
アルミナ基板上にスクリーン印刷で、作製した前記導電性ペーストの膜を形成した。スクリーン印刷条件は、下記のとおりであった。
・印刷装置:マイクロテック株式会社製 MT−320T
・版:線幅500μm、引き回し37.5mm、250メッシュ、線径23μm
・印刷条件:スキージ圧180Pa、印刷速度80mm/s、クリアランス1.3mm
得られた導電膜を、表面粗さ計(株式会社小坂研究所製、SE−30D)を用いて、アルミナ基板上で膜を印刷していない部分と導電膜の部分との段差を測定することにより、導電膜の平均厚みを測定した。
デジタルマルチメーター(ADVANTEST社製、R6551)を用いて、各導電膜の長さ(間隔)の位置の抵抗値を測定した。各導電膜のサイズ(膜厚、幅、長さ)より、導電膜の体積を求め、この体積と測定した抵抗値から、体積抵抗率2を求めた。
実施例5において、前記グラフェン1を、鱗状黒鉛(BF−15AK、株式会社中越黒鉛工業所製)に代えた以外は、実施例5と同様にして、導電性ペースト及び導電膜を作製し、同様にして諸特性を評価した。結果を表4に示した。
実施例5において、前記グラフェン1を、黒鉛(ソニー株式会社)に代えた以外は、実施例5と同様にして、導電性ペースト及び導電膜を作製し、同様にして諸特性を評価した。結果を表4に示した。
Claims (8)
- 銀粉と黒鉛粉を含むフィラー、ポリマー、及び溶剤を含有する導電性ペーストであって、
前記黒鉛粉の熱重量・示差熱分析法による1%減量開始温度が、300℃以上640℃以下であることを特徴とする導電性ペースト。 - 前記黒鉛粉の熱重量・示差熱分析法による1%減量開始温度が、500℃以上600℃以下である請求項1に記載の導電性ペースト。
- 前記黒鉛粉が、グラフェン、球状黒鉛、及び鱗片状黒鉛から選択される少なくとも1種である請求項1から2のいずれかに記載の導電性ペースト。
- 前記黒鉛粉の含有量が、前記フィラーの全量に対して、0.1質量%以上10質量%以下である請求項1から3のいずれかに記載の導電性ペースト。
- 前記銀粉が、フレーク状銀粉及び球状銀粉の混合物である請求項1から4のいずれかに記載の導電性ペースト。
- 前記ポリマーが、エポキシ樹脂である請求項1から5のいずれかに記載の導電性ペースト。
- 請求項1から6のいずれかに記載の導電性ペーストから形成されたことを特徴とする導電膜。
- 体積抵抗率が100μΩ・cm以下であり、かつ熱伝導率が10W/m・K以上である請求項7に記載の導電膜。
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