JP2017190483A - 銀被覆銅粉およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】体積抵抗率が低く且つ保存安定性(信頼性)に優れた導電膜の製造に適した導電性ペーストを製造することができる、銀被覆銅粉およびその製造方法を提供する。
【解決手段】銅を加熱して溶解した溶湯を落下させながら高圧水を吹き付けて急冷凝固して得られた銅粉のスラリーを窒素ガスなどの非酸化性ガスの存在下で保持した後、固液分離して得られた銅粉を銀含有層(銀または銀化合物からなる層)で被覆して銀被覆銅粉を得る。
【選択図】なし

Description

本発明は、銀被覆銅粉およびその製造方法に関し、特に、導電性ペーストなどに使用する銀被覆銅粉およびその製造方法に関する。
従来、印刷法などにより電子部品の電極や配線を形成するために、銀粉や銅粉などの導電性の金属粉末に溶剤、樹脂、分散剤などを配合して作製した導電性ペーストが使用されている。
しかし、銀粉は、体積抵抗率が極めて小さく、良好な導電性物質であるが、貴金属の粉末であるため、コストが高くなる。一方、銅粉は、体積抵抗率が低く、良好な導電性物質であり、安価であるが、酸化され易いため、銀粉に比べて保存安定性(信頼性)に劣っている。
これらの問題を解消するために、導電性ペーストに使用する金属粉末として、銅粉の表面を銀で被覆した銀被覆銅粉が提案されている(例えば、特許文献1〜2参照)。
特開2010−174311号公報(段落番号0003) 特開2010−077495号公報(段落番号0006)
しかし、特許文献1〜2の銀被覆銅粉では、導電性ペーストに使用して導電膜を作製したときに、導電膜の体積抵抗率が高くなったり、保存安定性(信頼性)が不十分な場合があった。
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、体積抵抗率が低く且つ保存安定性(信頼性)に優れた導電膜の製造に適した導電性ペーストを製造することができる、銀被覆銅粉およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、銅を加熱して溶解した溶湯を落下させながら高圧水を吹き付けて急冷凝固して得られた銅粉のスラリーを非酸化性ガスの存在下で保持した後、固液分離して得られた銅粉を銀含有層で被覆することにより、体積抵抗率が低く且つ保存安定性(信頼性)に優れた導電膜の製造に適した導電性ペーストを製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明による銀被覆銅粉は、銅を加熱して溶解した溶湯を落下させながら高圧水を吹き付けて急冷凝固して得られた銅粉のスラリーを非酸化性ガスの存在下で保持した後、固液分離して得られた銅粉を銀含有層で被覆することを特徴とする。
この銀被覆銅粉の製造方法において、スラリー中とスラリーを収容する容器内との少なくとも一方に非酸化性ガスを吹き込みながら保持することによって、スラリーを非酸化性ガスの存在下で保持するのが好ましい。また、銅粉のレーザー回折式粒度分布装置により測定した体積基準の累積50%粒子径(D50径)が0.1〜15μmであるのが好ましい。また、高圧水がアルカリ水溶液であるのが好ましく、溶湯にリンを添加するのが好ましい。
また、本発明による銀被覆銅粉は、銅粉の表面が銀含有層で被覆された銀被覆銅粉であって、Cuの(200)面における結晶子径D(200)に対するCuの(111)面における結晶子径D(111)の比D(111)/D(200)が1.8以上であり且つCuの(220)面における結晶子径D(220)に対するCuの(200)面における結晶子径D(200)の比D(200)/D(220)が1.095以下であることを特徴とする。
この銀被覆銅粉において、銀被覆銅粉のCuの(220)面における結晶子径D(220)に対するCuの(111)面における結晶子径D(111)の比D(111)/D(220)が1.90以上であるのが好ましい。また、銀被覆銅粉のレーザー回折式粒度分布装置により測定した体積基準の累積50%粒子径(D50径)が0.1〜15μmであるのが好ましい。また、銀被覆銅粉中のリン含有量が10〜1000ppmであるのが好ましい。
さらに、本発明による導電性ペーストは、導電性粉末として上記の銀被覆銅粉を含むことを特徴とする。
なお、本明細書中において、「銀被覆銅粉のCuの(hkl)面における結晶子径D(hkl)」とは、銀被覆銅粉のX線回折パターンのCuの(hkl)ピークの半価幅からシェラーの式を用いて算出した結晶子径をいう。
本発明によれば、体積抵抗率が低く且つ保存安定性(信頼性)に優れた導電膜の製造に適した導電性ペーストを製造することができる、銀被覆銅粉およびその製造方法を提供することができる。
実施例および比較例の銀被覆銅粉のCuの(200)面における結晶子径D(200)に対するCuの(111)面における結晶子径D(111)の比D(111)/D(200)と、その銀被覆銅粉を使用して作製した導電膜を150℃で6週間保存した後の体積抵抗率の変化率(%)との関係を示す図である。 実施例および比較例の銀被覆銅粉のCuの(220)面における結晶子径D(220)に対するCuの(200)面における結晶子径D(200)の比D(200)/D(220)と、その銀被覆銅粉を使用して作製した導電膜を150℃で6週間保存した後の体積抵抗率の変化率(%)との関係を示す図である。 実施例および比較例の銀被覆銅粉の銀被覆層の厚さと、その銀被覆銅粉を使用して作製した導電膜を150℃で6週間保存した後の体積抵抗率の変化率(%)との関係を示す図である。
本発明による銀被覆銅粉の製造方法の実施の形態では、銅を加熱して溶解した溶湯を落下させながら高圧水を吹き付けて急冷凝固して得られた銅粉のスラリーを非酸化性ガスの存在下で保持した後、固液分離して得られた銅粉を銀含有層(銀または銀化合物からなる層)で被覆する。なお、固液分離して得られた銅粉は、必要に応じて、乾燥したり、解砕したり、篩別してもよく、水洗してもよい。
銅粉は、銅を溶解温度以上の温度(1100〜1600℃)に加熱して溶解した溶湯をタンディッシュ下部から落下させながら高圧水を吹き付けて急冷凝固させることにより微粉末とする、所謂水アトマイズ法により製造する。水アトマイズ法により銅粉を製造すると、粒子径が小さい銅粉を得ることができるので、そのような銅粉を銀含有層で被覆した銀被覆銅粉を導電性ペーストに使用した際に粒子間の接触点の増加による導電性の向上を図ることができる。また、高圧水として、pHを高くして銅の腐食を防止するために、アルカリ水を使用するのが好ましく、pH8〜12のアルカリ水を5〜50℃の温度で使用するのがさらに好ましい。このアルカリ水として、純水に水酸化ナトリウムなどのアルカリを溶解したアルカリ水溶液を使用することができる。このように(好ましくはアルカリ水からなる)高圧水を吹き付けて急冷凝固して得られた銅粉のスラリーを非酸化性ガスの存在下で保持した後、固液分離して得られた銅粉を使用することにより、体積抵抗率が低く且つ保存安定性(信頼性)に優れた導電膜の製造に適した導電性ペーストを製造することができる、銀被覆銅粉を製造することができる。また、高圧水は、水圧30〜150MPaで吹き付けられるのが好ましい。
非酸化性ガスとして、窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガス、水素や一酸化炭素などの還元性ガスを使用することができる。これらのガスは、単独で使用してもよいし、所定の割合で混合した混合ガスとして使用してもよい。この非酸化性ガスは、スラリー中に直接吹き込むのが好ましいが、スラリー中に直接吹き込まないでスラリーを収容する(タンクや配管などの)容器内(のスラリー上方の空間)に吹き込んでもよい。このように吹き込む非酸化性ガスの流量は、スラリー中の酸素濃度を十分に低減することができる流量にすればよく、スラリーを収容する(タンクや配管などの)容器内(のスラリー上方の空間)に吹き込む場合には、その(タンクや配管などの)容器内の雰囲気中の酸素濃度を好ましくは1質量%未満(さらに好ましくは0.1質量%未満)にすることができる流量にすればよい。このようにスラリー中の酸素含有量を低減すると、銅粉の酸化(CuOやCuOの生成)を抑制することができる。このように銅粉の酸化を抑制すると、Cuの結晶構造が歪められるのを抑制することができると考えられ、このようにして得られた銅粉を銀被覆層で被覆して銀被覆銅粉を製造すると、銀被覆銅粉のCuの所定の結晶面における結晶子径を所望の結晶子径にすることができる。このような銅粉の酸化を抑制するために、非酸化性ガスの流量は、10〜1000L/分であるのが好ましく、その吹き込みを保持する時間(スラリー中やスラリーを収容する(タンクや配管などの)容器内に非酸化性ガスを吹き込む時間)は、5〜360分間であるのが好ましい。
銀含有層の被覆量は、銀被覆銅粉に対して1〜50質量%であるのが好ましく、7〜50質量%であるのがさらに好ましく、8〜45質量%であるのがさらに好ましく、9〜40質量%であるのが最も好ましい。銀含有層の被覆量が1質量%未満では、銀被覆銅粉の導電性に悪影響を及ぼすので好ましくない。一方、50質量%を超えると、銀の使用量の増加によってコストが高くなるので好ましくない。
銅粉の粒子径は、(ヘロス法によって)レーザー回折式粒度分布装置により測定した体積基準の累積50%粒子径(D50径)が0.1〜15μmであるのが好ましく、0.3〜10μmであるのがさらに好ましく、1〜5μmであるのが最も好ましい。累積50%粒子径(D50径)が0.1μm未満では、銀被覆銅粉の導電性に悪影響を及ぼすので好ましくない。一方、15μmを超えると、銀被覆銅粉を含む導電性ペーストにより微細な配線を形成するのが困難になるので好ましくない。
また、銅粉中の酸素含有量を低下させるために、溶湯にリンを添加してもよい。このリンの添加量は、溶湯中のリンの濃度が10〜2000ppmになる量であるのが好ましく、400〜2000ppmになる量であるのがさらに好ましい。溶湯にリンを添加するために、溶湯にリン銅合金を添加してもよい。このように溶湯にリンを添加すると、スラリー中の酸素含有量を低減することができ、銅粉の酸化(CuOやCuOの生成)を抑制することができる。このように銅粉の酸化を抑制すると、Cuの結晶構造が歪められるのを抑制することができると考えられ、このようにして得られた銅粉を銀被覆層で被覆して銀被覆銅粉を製造すると、銀被覆銅粉のCuの所定の結晶面における結晶子径を所望の結晶子径にすることができる。
銅粉を銀含有層で被覆する方法として、銅と銀の置換反応を利用した置換法や、還元剤を用いる還元法により、銅粉の表面に銀または銀化合物を析出させる方法を使用することができ、例えば、溶媒中に銅粉と銀または銀化合物を含む溶液を攪拌しながら銅粉の表面に銀または銀化合物を析出させる方法や、溶媒中に銅粉および有機物を含む溶液と溶媒中に銀または銀化合物および有機物を含む溶液とを混合して攪拌しながら銅粉の表面に銀または銀化合物を析出させる方法などを使用することができる。なお、このように銅粉を銀含有層で被覆する工程は、銅粉の酸化を抑制するために、窒素雰囲気などの非酸化性雰囲気で行うのが好ましい。
この溶媒としては、水、有機溶媒またはこれらを混合した溶媒を使用することができる。水と有機溶媒を混合した溶媒を使用する場合には、室温(20〜30℃)において液体になる有機溶媒を使用する必要があるが、水と有機溶媒の混合比率は、使用する有機溶媒により適宜調整することができる。また、溶媒として使用する水は、不純物が混入するおそれがなければ、蒸留水、イオン交換水、工業用水などを使用することができる。
銀含有層の原料として、銀イオンを溶液中に存在させる必要があるため、水や多くの有機溶媒に対して高い溶解度を有する硝酸銀を使用するのが好ましい。また、銅粉を銀含有層で被覆する反応(銀被覆反応)をできるだけ均一に行うために、固体の硝酸銀ではなく、硝酸銀を溶媒(水、有機溶媒またはこれらを混合した溶媒)に溶解した硝酸銀溶液を使用するのが好ましい。なお、使用する硝酸銀溶液の量、硝酸銀溶液中の硝酸銀の濃度および有機溶媒の量は、目的とする銀含有層の量に応じて決定することができる。
銀含有層をより均一に形成するために、溶液中にキレート化剤を添加してもよい。キレート化剤としては、銀イオンと金属銅との置換反応により副生する銅イオンなどが再析出しないように、銅イオンなどに対して錯安定度定数が高いキレート化剤を使用するのが好ましい。特に、銀被覆銅粉のコアとなる銅粉は主構成要素が銅であるので、銅との錯安定度定数に留意してキレート化剤を選択するのが好ましい。具体的には、キレート化剤として、エチレンジアミン四酢酸(EDTA)、イミノジ酢酸、ジエチレントリアミン、トリエチレンジアミンおよびこれらの塩からなる群から選ばれたキレート化剤を使用することができる。
銀被覆反応を安定かつ安全に行うために、溶液中にpH緩衝剤を添加してもよい。このpH緩衝剤として、炭酸アンモニウム、炭酸水素アンモニウム、アンモニア水、炭酸水素ナトリウムなどを使用することができる。
銀被覆反応の際には、銀塩を添加する前に溶液中に銅粉を入れて攪拌し、銅粉が溶液中に十分に分散している状態で、銀塩を含む溶液を添加するのが好ましい。この銀被覆反応の際の反応温度は、反応液が凝固または蒸発する温度でなければよいが、好ましくは10〜40℃、さらに好ましくは15〜35℃の範囲で設定する。また、反応時間は、銀または銀化合物の被覆量や反応温度によって異なるが、1分〜5時間の範囲で設定することができる。
また、銀含有層で被覆した銅粉を表面処理剤で表面処理するのが好ましく、この表面処理剤が脂肪酸であるのが好ましい。この脂肪酸として、酪酸、吉草酸、カプロン酸、エナント酸、カプリル酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、ペンタデシル酸、パルミチン酸、パルミトレイン酸、マルガリン酸、ステアリン酸、オレイン酸、バクセン酸、リノール酸、リノレン酸、アラキジン酸、エイコサジエン酸、エイコサトリエン酸、エイコサテトラエン酸、アラキドン酸、ベヘン酸、リグノセリン酸、ネルボン酸、セロチン酸、モンタン酸、メリシン酸などを使用することができるが、パルミチン酸、ステアリン酸またはオレイン酸を使用するのが好ましい。
上述した銀被覆銅粉の製造方法の実施の形態により、本発明による銀被覆銅粉を製造することができる。
本発明による銀被覆銅粉では、銅粉の表面が銀含有層で被覆され、Cuの(200)面における結晶子径D(200)に対するCuの(111)面における結晶子径D(111)の比D(111)/D(200)が1.8以上であり且つCuの(220)面における結晶子径D(220)に対するCuの(200)面における結晶子径D(200)の比D(200)/D(220)が1.095以下(好ましくは1.09以下)である。このような銀被覆銅粉により、体積抵抗率が低く且つ保存安定性(信頼性)に優れた導電膜の製造に適した導電性ペーストを製造することができる。
また、銀被覆銅粉を含む導電性ペーストから製造される導電膜の体積抵抗率および信頼性の観点から、上記の銀被覆銅粉のCuの(220)面における結晶子径D(220)に対するCuの(111)面における結晶子径D(111)の比D(111)/D(220)が1.90以上であるのが好ましい。
なお、銀被覆銅粉のCuの(111)面における結晶子径D(111)は、100〜160nmであるのが好ましく、110〜150nmであるのがさらに好ましい。また、銀被覆銅粉のCuの(200)面における結晶子径D(200)は、40〜90nmであるのが好ましく、50〜80nmであるのがさらに好ましい。さらに、銀被覆銅粉のCuの(220)面における結晶子径D(220)は、40〜90nmであるのが好ましく、50〜80nmであるのがさらに好ましい。
また、銀含有層が銀または銀化合物からなる層であるのが好ましく、銀含有層の被覆量は、銀被覆銅粉に対して1〜50質量%であるのが好ましく、7〜50質量%であるのがさらに好ましく、8〜45質量%であるのがさらに好ましく、9〜40質量%であるのが最も好ましい。銀含有層の被覆量が1質量%未満では、銀被覆銅粉の導電性に悪影響を及ぼすので好ましくない。一方、50質量%を超えると、銀の使用量の増加によってコストが高くなるので好ましくない。なお、必ずしも銅粉の表面全体が銀含有層で被覆されている必要はない。
銀被覆銅粉の粒子径は、(ヘロス法によって)レーザー回折式粒度分布装置により測定した体積基準の累積50%粒子径(D50径)が0.1〜15μmであるのが好ましく、0.3〜10μmであるのがさらに好ましく、1〜5μmであるのが最も好ましい。累積50%粒子径(D50径)が0.1μm未満では、銀被覆銅粉の導電性に悪影響を及ぼすので好ましくない。一方、15μmを超えると、銀被覆銅粉を含む導電性ペーストにより微細な配線を形成するのが困難になるので好ましくない。
銀被覆銅粉のBET比表面積は、銀被覆銅粉の導電性の観点から、0.1〜4m/gであるのが好ましく、0.2〜3m/gであるのがさらに好ましい。銀被覆銅粉のタップ密度は、銀被覆銅粉の充填性の観点から、4〜7.5g/cmであるのが好ましく、4.5〜7g/cmであるのがさらに好ましい。銀被覆銅粉中の酸素含有量は、銀被覆銅粉の導電性の観点から、0.4質量%以下であるのが好ましく、0.3質量%以下であるのがさらに好ましい。銀被覆銅粉中の炭素含有量は、銀被覆銅粉を含む導電性ペーストとその導電性ペーストを塗布する基板との密着性の観点から、0.3質量%以下であるのが好ましく、0.2質量%以下であるのが好ましい。銀被覆銅粉中のリン含有量は、銀被覆銅粉を含む導電性ペーストから製造される導電膜の体積抵抗率および信頼性の観点から、10〜1000ppmであるのが好ましく、200〜500ppmであるのがさらに好ましい。銀被覆銅粉の形状は、水アトマイズ法により製造された形状である略球状でもよいが、機械的に変形させてフレーク状にしてもよい。
本発明による銀被覆銅粉の実施の形態は、(銀被覆銅粉を有機成分中に分散させた)導電性ペーストの材料などに使用することができる。導電性ペーストの構成要素として、銀被覆銅粉、(エチルセルロース樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ブチラール樹脂などの)バインダー樹脂またはこのバインダー樹脂を有機溶剤に溶解したビヒクル、ガラスフリット、無機酸化物、(飽和または不飽和脂肪族炭化水素類、ケトン類、芳香族炭化水素類、グリコールエーテル類、エステル類、アルコール類などの)有機溶剤、分散剤、硬化剤などが含まれる。このような導電性ペーストは、各構成要素を計量して所定の容器に入れ、らいかい機、万能攪拌機、ニーダーなどを用いて予備混練した後、3本ロールで本混練することによって作製することができる。また、必要に応じて、その後、溶剤を添加して、粘度調整を行ってもよい。また、ガラスフリットや無機酸化物とビヒクルのみを本混練して粒度を下げた後、最後に銀被覆銅粉を追加して本混練してもよい。なお、導電性ペーストの導電性粉末として、他の金属粉末を配合してもよい。この導電性ペーストをディッピングや印刷などにより所定パターンに形成した後に焼成して導電膜を形成することができる。
本発明による銀被覆銅粉の実施の形態を含む導電性ペーストから得られた導電膜の体積抵抗率は、20〜55μΩ・cmであるのが好ましく、20〜45μΩ・cmであるのがさらに好ましい。また、この導電膜を一定温度(150℃)に保たれた(大気雰囲気の)試験室内において6週間保存した後の導電膜の体積抵抗率の変化率は、120%以下であるのが好ましく、100%以下であるのがさらに好ましい。
以下、本発明による銀被覆銅粉およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。
[実施例1]
無酸素銅15kgを加熱して溶解した1300℃の溶湯中に(15質量%のリンを含む)リン銅合金を(溶湯中の)リン濃度が930ppmになるように添加して撹拌し、混合することにより作製したリン含有銅溶湯をタンディッシュ下部から落下させながら、水アトマイズ装置により大気中において水圧150MPaで高圧水を吹き付けて急冷凝固させ、得られたスラリーをタンク内に収容し、スラリー中に500L/分の流量で窒素ガスを吹き込んで30分間保持した後、固液分離し、固形物を水洗し、110℃で10時間乾燥し、解砕し、風力分級して、少量のリンを含む銅粉を得た。なお、窒素ガスを吹き込んで保持したときのタンク内の雰囲気中の酸素濃度は0.1質量%未満であった。また、高圧水として、高圧ポンプに給水するタンク中の純水に水酸化ナトリウムを添加して得られたpH10.3のアルカリ水溶液を使用した。
また、EDTA−2Na二水和物167gと炭酸アンモニウム167gを純水1936gに溶解した溶液(溶液1)と、EDTA−2Na二水和物367gと炭酸アンモニウム184gを純水1464gに溶解した溶液に、硝酸銀61gを純水189gに溶解した溶液を加えて得られた溶液(溶液2)を用意した。
次に、窒素雰囲気下において、得られた銅粉350gを溶液1に加えて、攪拌しながら25℃まで昇温させた。この銅粉が分散した溶液に溶液2を加えて20分間撹拌することにより、銀により被覆された銅粉を含むスラリーを得た。
次に、得られたスラリーに、表面処理剤としてパルミチン酸をアルコールに溶解させて得られた(3質量%のパルミチン酸を含む)溶液35gを添加し、40分間撹拌した後、濾過し、水洗し、真空雰囲気中において70℃で乾燥し、得られた乾燥粉末80gをミル(メリタジャパン株式会社製のセレクトグラインドMJ−518)に入れ、20秒間の粉砕処理を2回行って解砕し、篩別して、銀被覆銅粉末を得た。
このようにして得られた銀被覆銅粉のBET比表面積、タップ密度(TAP)、銀の被覆量、銀被覆層の厚さ、酸素含有量、炭素含有量、リン含有量および粒度分布を求めた。また、銀被覆前の銅粉の平均粒径、BET比表面積、酸素含有量およびリン含有量を求めた。
銀被覆前の銅粉の平均粒径として、レーザー回折式粒度分布装置(SYMPATEC社製のへロス粒度分布測定装置(HELOS&RODOS(気流式の乾燥モジュール)))により分散圧5barで測定した体積基準の累積50%粒子径(D50径)を求めたところ、2.0μmであった。
銀被覆前の銅粉のBET比表面積は、測定器内に105℃で20分間窒素ガスを流して脱気した後、BET比表面積測定器(ユアサアイオニクス株式会社製の4ソーブUS)を使用してBET1点法により測定した。その結果、BET比表面積は0.58m/gであった。
銀被覆前の銅粉中の酸素含有量は、酸素・窒素分析装置(株式会社堀場製作所製のEMGA−920)により測定した。その結果、酸素含有量は0.24質量%であった。
銀被覆前の銅粉中のリン含有量は、ICP発光分光分析装置(株式会社日立ハイテクサイエンス製のSPS3520V)により測定した。その結果、リン含有量は470ppmであった。
銀被覆銅粉のBET比表面積は、銀被覆前の銅粉のBET比表面積と同様の方法により求めた。その結果、BET比表面積は0.43m/gであった。
銀被覆銅粉のタップ密度(TAP)は、特開2007−263860号公報に記載された方法と同様に、銀被覆銅粉0.5gを内径6mmの有底円筒形のダイに充填して銀被覆銅粉層を形成し、この銀被覆銅粉層の上面に0.160N/mの圧力を均一に加えた後、銀被覆銅粉層の高さを測定し、この銀被覆銅粉層の高さの測定値と、充填された銀被覆銅粉の重量とから、銀被覆銅粉の密度を求めて、銀被覆銅粉のタップ密度とした。その結果、タップ密度は5.8g/cmであった。
銀被覆銅粉の銀の被覆量は、銀被覆銅粉(約2.5g)を塩化ビニル製リング(内径3.2cm×厚さ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の型番BRE−50)により100kNの荷重をかけて銀被覆銅粉のペレットを作製し、この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(株式会社リガク製の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求めた。その結果、銀被覆銅粉中の銀の被覆量は10.3質量%であった。
銀被覆層の厚さは、銀被覆層の厚さ(nm)={銀の被覆量(質量%)×10}/{BET比表面積(m/g)×10.49}から求めた。その結果、銀被覆層の厚さは30nmであった。
銀被覆銅粉中の酸素含有量は、酸素・窒素分析装置(株式会社堀場製作所製のEMGA−920)により測定した。その結果、酸素含有量は0.13質量%であった。
銀被覆銅粉中の炭素含有量は、炭素・硫黄分析装置(株式会社堀場製作所製のEMIA−220V)により測定した。その結果、炭素含有量は0.18質量%であった。
銀被覆銅粉中のリン含有量は、銀被覆前の銅粉のリン含有量と同様の方法により求めた。その結果、リン含有量は380ppmであった。
銀被覆銅粉の粒度分布として、銅被覆前の銅粉の平均粒径を測定したレーザー回折式粒度分布装置と同様のレーザー回折式粒度分布装置により測定した体積基準の累積10%粒子径(D10径)、累積50%粒子径(D50径)および累積90%粒子径(D90径)を求めた。その結果、累積10%粒子径(D10径)は0.6μm、累積50%粒子径(D50径)は2.0μm、累積90%粒子径(D90径)は3.9μmであった。
また、得られた銀被覆銅粉について、X線回折装置(株式会社リガク製のRINT Ultima III)によりCo線源(40kV/30mA)で、Cuの(111)面については49〜53°/2θの範囲、Cuの(200)面については58〜61°/2θの範囲、Cuの(220)面については87〜91°/2θの範囲を測定して、X線回折(XRD)の評価を行った。このX線回折パターンから得られたCuの(111)面の半価幅βを用いて、Scherrerの式D=(K・λ)/(β・cosθ)からCuの(111)面における結晶子径D(111)を算出したところ、結晶子径D(111)は142nmであった。なお、Scherrerの式において、Dは結晶子径(nm)、λは測定X線波長(nm)、βは結晶子による回折幅の広がり、θは回折角のブラッグ角、KはScherrer定数を示し、この式中の測定X線波長λを0.179nm、Scherrer定数Kを0.90とした。同様に、X線回折パターンから得られたCuの(200)面および(220)面のそれぞれの半値幅βを用いて、Scherrerの式からCuの(200)面および(220)面における結晶子径D(200)およびD(220)を算出したところ、結晶子径D(200)は76nmであり、結晶子径D(220)は70nmであった。これらの結果から、結晶子径D(200)に対する結晶子径D(111)の比D(111)/D(200)は1.87、結晶子径D(220)に対する結晶子径D(111)の比D(111)/D(220)は2.03、結晶子径D(220)に対する結晶子径D(200)の比D(200)/D(220)は1.09になる。
次に、得られた銀被覆銅粉9.3gと、熱硬化型樹脂としてビスフェノールF型エポキシ樹脂(株式会社ADEKA製のアデカレジンEP−4901E)0.82gと、硬化剤として三フッ化ホウ素モノエチルアミン0.041gと、溶剤としてブチルカルビトールアセテート0.25gと、分散剤としてオレイン酸0.01gとを混練脱泡機で混合した後、三本ロールを5回パスして均一に分散させることによって導電性ペーストを得た。
この導電性ペーストをスクリーン印刷法によってアルミナ基板上に(線幅500μm、線長37.5mmのパターンに)印刷した後、大気中において200℃で40分間加熱して硬化させることによって導電膜を形成し、得られた導電膜の体積抵抗率の算出と保存安定性(信頼性)の評価を行った。
導電膜の体積抵抗率は、得られた導電膜のライン抵抗をデジタルマルチメーター(株式会社エーディーシー製のAD7451A)により測定し、膜厚を表面粗さ形状測定機(株式会社東京精密製のサーフコム1500DX型)により測定して、体積抵抗率(Ω・cm)=ライン抵抗(Ω)×膜厚(cm)×線幅(cm)/線長(cm)により算出した。その結果、導電膜の初期の)体積抵抗率は35μΩ・cmであった。
導電膜の保存安定性(信頼性)は、一定温度(150℃)に保たれた(大気雰囲気の)試験室内において6週間保存した導電膜の体積抵抗率(6週間保存後の体積抵抗率)を算出し、体積抵抗率の変化率(%)={(6週間保存後の体積抵抗率)−(初期の体積抵抗率)}×100/(初期の体積抵抗率)によって評価した。その結果、6週間保存後の体積抵抗率は54μΩ・cmであり、体積抵抗率の変化率は54%であった。
[実施例2]
EDTA−2Na二水和物143gと炭酸アンモニウム143gを純水1662gに溶解した溶液(溶液1)と、EDTA−2Na二水和物405gと炭酸アンモニウム202gを純水1613gに溶解した溶液に、硝酸銀67gを純水209gに溶解した溶液を加えて得られた溶液(溶液2)を用意した。
次に、窒素雰囲気下において、実施例1と同様の方法により得られた銅粉300gを溶液1に加えて、攪拌しながら25℃まで昇温させた。この銅粉が分散した溶液に溶液2を加えて20分間撹拌することにより、銀により被覆された銅粉を含むスラリーを得た。
次に、得られたスラリーに、表面処理剤としてオレイン酸をアルコールに溶解させて得られた(3質量%のオレイン酸を含む)溶液30gを添加し、40分間撹拌した後、濾過し、水洗し、真空雰囲気中において70℃で乾燥し、得られた乾燥粉末80gをミル(メリタジャパン株式会社製のセレクトグラインドMJ−518)に入れ、20秒間の粉砕処理を2回行って解砕し、篩別して、銀被覆銅粉末を得た。
このようにして得られた銀被覆銅粉について、実施例1と同様の方法により、BET比表面積、タップ密度(TAP)、銀の被覆量、銀被覆層の厚さ、酸素含有量、炭素含有量、リン含有量および粒度分布を求めるとともに、X線回折の評価を行った。また、銀被覆前の銅粉について、実施例1と同様の方法により、平均粒径、BET比表面積、酸素含有量およびリン含有量を求めた。
その結果、銀被覆前の銅粉の平均粒径は2.0μm、BET比表面積は0.58m/g、酸素含有量は0.24質量%、リン含有量は470ppmであった。また、銀被覆銅粉のBET比表面積は0.40m/g、タップ密度は5.7g/cm、銀の被覆量は13.2質量%、銀被覆層の厚さは40nm、酸素含有量は0.14質量%、炭素含有量は0.15質量%、リン含有量は450ppmであった。また、銀被覆銅粉の累積10%粒子径(D10径)は0.7μm、累積50%粒子径(D50径)は2.1μm、累積90%粒子径(D90径)は4.0μmであった。また、結晶子径D(111)は124nm、結晶子径D(200)は62nm、結晶子径D(220)は64nmであり、D(111)/D(200)は2.00、D(111)/D(220)は1.94、D(200)/D(220)は0.97であった。
また、得られた銀被覆銅粉を使用して、実施例1と同様の方法により、導電性ペーストを作製して導電膜を形成し、得られた導電膜の体積抵抗率の算出と保存安定性(信頼性)の評価を行った。その結果、導電膜の初期の体積抵抗率は27μΩ・cm、6週間保存後の体積抵抗率は41μΩ・cmであり、体積抵抗率の変化率は52%であった。
[実施例3]
溶湯中のリン濃度が950ppmになるようにリン銅合金を添加し、溶湯の温度を1600℃とし、高圧水として、高圧ポンプに給水するタンク中の純水に水酸化ナトリウムを添加して得られたpH10.7のアルカリ水溶液を使用した以外は、実施例1と同様の方法により、少量のリンを含む銅粉を得た。
また、EDTA−2Na二水和物119gと炭酸アンモニウム119gを純水1385gに溶解した溶液(溶液1)と、EDTA−2Na二水和物591gと炭酸アンモニウム295gを純水2352gに溶解した溶液に、硝酸銀98gを純水304gに溶解した溶液を加えて得られた溶液(溶液2)を用意した。
次に、窒素雰囲気下において、得られた銅粉250gを溶液1に加えて、攪拌しながら25℃まで昇温させた。この銅粉が分散した溶液に溶液2を加えて20分間撹拌することにより、銀により被覆された銅粉を含むスラリーを得た。
次に、得られたスラリーに、表面処理剤としてパルミチン酸をアルコールに溶解させて得られた(3質量%のパルミチン酸を含む)溶液25gを添加し、40分間撹拌した後、濾過し、水洗し、真空雰囲気中において70℃で乾燥し、得られた乾燥粉末80gをミル(メリタジャパン株式会社製のセレクトグラインドMJ−518)に入れ、20秒間の粉砕処理を2回行って解砕し、篩別して、銀被覆銅粉末を得た。
このようにして得られた銀被覆銅粉について、実施例1と同様の方法により、BET比表面積、タップ密度(TAP)、銀の被覆量、銀被覆層の厚さ、酸素含有量、炭素含有量、リン含有量および粒度分布を求めるとともに、X線回折の評価を行った。また、銀被覆前の銅粉について、実施例1と同様の方法により、平均粒径、BET比表面積、酸素含有量およびリン含有量を求めた。
その結果、銀被覆前の銅粉の平均粒径は2.1μm、BET比表面積は0.59m/g、酸素含有量は0.36質量%、リン含有量は320ppmであった。また、銀被覆銅粉のBET比表面積は0.45m/g、タップ密度は5.6g/cm、銀の被覆量は21.6質量%、銀被覆層の厚さは72nm、酸素含有量は0.21質量%、炭素含有量は0.19質量%、リン含有量は250ppmであった。また、銀被覆銅粉の累積10%粒子径(D10径)は0.8μm、累積50%粒子径(D50径)は2.3μm、累積90%粒子径(D90径)は4.3μmであった。また、結晶子径D(111)は145nm、結晶子径D(200)は69nm、結晶子径D(220)は68nmであり、D(111)/D(200)は2.10、D(111)/D(220)は2.13、D(200)/D(220)は1.01であった。
また、得られた銀被覆銅粉を使用して、実施例1と同様の方法により、導電性ペーストを作製して導電膜を形成し、得られた導電膜の体積抵抗率の算出と保存安定性(信頼性)の評価を行った。その結果、導電膜の初期の体積抵抗率は37μΩ・cm、6週間保存後の体積抵抗率は47μΩ・cmであり、体積抵抗率の変化率は27%であった。
[実施例4]
高圧水の水圧を100MPaとした以外は、実施例1と同様の方法により、少量のリンを含む銅粉を得た。
また、EDTA−2Na二水和物167gと炭酸アンモニウム167gを純水1939gに溶解した溶液(溶液1)と、EDTA−2Na二水和物367gと炭酸アンモニウム184gを純水1464gに溶解した溶液に、硝酸銀61gを純水189gに溶解した溶液を加えて得られた溶液(溶液2)を用意した。
次に、窒素雰囲気下において、得られた銅粉350gを溶液1に加えて、攪拌しながら25℃まで昇温させた。この銅粉が分散した溶液に溶液2を加えて20分間撹拌することにより、銀により被覆された銅粉を含むスラリーを得た。
次に、得られたスラリーに、表面処理剤としてオレイン酸をアルコールに溶解させて得られた(3質量%のオレイン酸を含む)溶液35gを添加し、40分間撹拌した後、濾過し、水洗し、真空雰囲気中において70℃で乾燥し、得られた乾燥粉末80gをミル(メリタジャパン株式会社製のセレクトグラインドMJ−518)に入れ、20秒間の粉砕処理を2回行って解砕し、篩別して、銀被覆銅粉末を得た。
このようにして得られた銀被覆銅粉について、実施例1と同様の方法により、BET比表面積、タップ密度(TAP)、銀の被覆量、銀被覆層の厚さ、酸素含有量、炭素含有量、リン含有量および粒度分布を求めるとともに、X線回折の評価を行った。また、銀被覆前の銅粉について、実施例1と同様の方法により、平均粒径、BET比表面積、酸素含有量およびリン含有量を求めた。
その結果、銀被覆前の銅粉の平均粒径は3.8μm、BET比表面積は0.34m/g、酸素含有量は0.19質量%、リン含有量は470ppmであった。また、銀被覆銅粉のBET比表面積は0.22m/g、タップ密度は6.4g/cm、銀の被覆量は10.0質量%、銀被覆層の厚さは54nm、酸素含有量は0.11質量%、炭素含有量は0.12質量%、リン含有量は390ppmであった。また、銀被覆銅粉の累積10%粒子径(D10径)は1.3μm、累積50%粒子径(D50径)は3.7μm、累積90%粒子径(D90径)は7.5μmであった。また、結晶子径D(111)は115nm、結晶子径D(200)は52nm、結晶子径D(220)は60nmであり、D(111)/D(200)は2.21、D(111)/D(220)は1.92、D(200)/D(220)は0.87であった。
また、得られた銀被覆銅粉を使用して、実施例1と同様の方法により、導電性ペーストを作製して導電膜を形成し、得られた導電膜の体積抵抗率の算出と保存安定性(信頼性)の評価を行った。その結果、初期の体積抵抗率は35μΩ・cm、6週間保存後の体積抵抗率は46μΩ・cmであり、体積抵抗率の変化率は31%であった。
[実施例5]
銅を加熱して溶解した溶湯中にリン銅合金を添加しなかった以外は、実施例4と同様の方法により、銀被覆銅粉末を得た。
このようにして得られた銀被覆銅粉について、実施例1と同様の方法により、BET比表面積、タップ密度(TAP)、銀の被覆量、銀被覆層の厚さ、酸素含有量、炭素含有量、リン含有量および粒度分布を求めるとともに、X線回折の評価を行った。また、銀被覆前の銅粉について、実施例1と同様の方法により、平均粒径、BET比表面積、酸素含有量およびリン含有量を求めた。
その結果、銀被覆前の銅粉の平均粒径は3.7μm、BET比表面積は0.26m/g、酸素含有量は0.29質量%、リン含有量は10ppm未満であった。また、銀被覆銅粉のBET比表面積は0.25m/g、タップ密度は5.5g/cm、銀の被覆量は10.4質量%、銀被覆層の厚さは56nm、酸素含有量は0.14質量%、炭素含有量は0.13質量%、リン含有量は10ppm未満であった。また、銀被覆銅粉の累積10%粒子径(D10径)は1.4μm、累積50%粒子径(D50径)は3.7μm、累積90%粒子径(D90径)は6.5μmであった。また、結晶子径D(111)は107nm、結晶子径D(200)は57nm、結晶子径D(220)は60nmであり、D(111)/D(200)は1.88、D(111)/D(220)は1.78、D(200)/D(220)は0.95であった。
また、得られた銀被覆銅粉を使用して、実施例1と同様の方法により、導電性ペーストを作製して導電膜を形成し、得られた導電膜の体積抵抗率の算出と保存安定性(信頼性)の評価を行った。その結果、導電膜の初期の体積抵抗率は41μΩ・cm、6週間保存後の体積抵抗率は79μΩ・cmであり、体積抵抗率の変化率は93%であった。
[比較例1]
銅を加熱して溶解した溶湯中にリン銅合金を添加せず、高圧水としてpH5.8の水を使用し、窒素ガスの吹き込みを行わなかった以外は、実施例1と同様の方法により、銀被覆銅粉末を得た。
このようにして得られた銀被覆銅粉について、実施例1と同様の方法により、BET比表面積、タップ密度(TAP)、銀の被覆量、銀被覆層の厚さ、酸素含有量、炭素含有量、リン含有量および粒度分布を求めるとともに、X線回折の評価を行った。また、銀被覆前の銅粉について、実施例1と同様の方法により、平均粒径、BET比表面積、酸素含有量およびリン含有量を求めた。
その結果、銀被覆前の銅粉の平均粒径は2.3μm、BET比表面積は0.60m/g、酸素含有量は0.22質量%、リン含有量は10ppm未満であった。また、銀被覆銅粉のBET比表面積は0.45m/g、タップ密度は5.8g/cm、銀の被覆量は10.6質量%、銀被覆層の厚さは35nm、酸素含有量は0.22質量%、炭素含有量は0.18質量%、リン含有量は10ppm未満であった。また、銀被覆銅粉の累積10%粒子径(D10径)は0.9μm、累積50%粒子径(D50径)は2.3μm、累積90%粒子径(D90径)は3.9μmであった。また、結晶子径D(111)は113nm、結晶子径D(200)は66nm、結晶子径D(220)は60nmであり、D(111)/D(200)は1.71、D(111)/D(220)は1.88、D(200)/D(220)は1.10であった。
また、得られた銀被覆銅粉を使用して、実施例1と同様の方法により、導電性ペーストを作製して導電膜を形成し、得られた導電膜の体積抵抗率の算出と保存安定性(信頼性)の評価を行った。その結果、初期の体積抵抗率は47μΩ・cm、6週間保存後の体積抵抗率は131μΩ・cmであり、体積抵抗率の変化率は178%であった。
[比較例2]
銅を加熱して溶解した溶湯中にリン銅合金を添加せず、窒素ガスの吹き込みを行わなかった以外は、実施例1と同様の方法により、銀被覆銅粉末を得た。
このようにして得られた銀被覆銅粉について、実施例1と同様の方法により、BET比表面積、タップ密度(TAP)、銀の被覆量、銀被覆層の厚さ、酸素含有量、炭素含有量、リン含有量および粒度分布を求めるとともに、X線回折の評価を行った。また、銀被覆前の銅粉について、実施例1と同様の方法により、平均粒径、BET比表面積、酸素含有量およびリン含有量を求めた。
その結果、銀被覆前の銅粉の平均粒径は2.1μm、BET比表面積は0.61m/g、酸素含有量は0.21質量%、リン含有量は10ppm未満であった。また、銀被覆銅粉のBET比表面積は0.45m/g、タップ密度は5.7g/cm、銀の被覆量は10.5質量%、銀被覆層の厚さは31nm、酸素含有量は0.21質量%、炭素含有量は0.15質量%、リン含有量は10ppm未満であった。また、銀被覆銅粉の累積10%粒子径(D10径)は0.8μm、累積50%粒子径(D50径)は2.1μm、累積90%粒子径(D90径)は3.8μmであった。また、結晶子径D(111)は106nm、結晶子径D(200)は69nm、結晶子径D(220)は61nmであり、D(111)/D(200)は1.54、D(111)/D(220)は1.74、D(200)/D(220)は1.13であった。
また、得られた銀被覆銅粉を使用して、実施例1と同様の方法により、導電性ペーストを作製して導電膜を形成し、得られた導電膜の体積抵抗率の算出と保存安定性(信頼性)の評価を行った。その結果、導電膜の初期の体積抵抗率は48μΩ・cm、6週間保存後の体積抵抗率は158μΩ・cmであり、体積抵抗率の変化率は229%であった。
これらの実施例および比較例の銀被覆銅粉の製造条件および特性を表1〜表3に示す。
Figure 2017190483
Figure 2017190483
Figure 2017190483
これらの表からわかるように、実施例の銀被覆銅粉を使用して作製した導電膜は、比較例の銀被覆銅粉を使用して作製した導電膜と比べて、初期の体積抵抗率が低く、150℃で6週間保存した後の体積抵抗率の変化率(%)が低くなり、導電膜の保存安定性(信頼性)に優れている。
また、実施例および比較例の銀被覆銅粉のCuの(200)面における結晶子径D(200)に対するCuの(111)面における結晶子径D(111)の比D(111)/D(200)と、その銀被覆銅粉を使用して作製した導電膜を150℃で6週間保存した後の体積抵抗率の変化率(%)との関係を図1に示し、実施例および比較例の銀被覆銅粉のCuの(220)面における結晶子径D(220)に対するCuの(200)面における結晶子径D(200)の比D(200)/D(220)と、その銀被覆銅粉を使用して作製した導電膜を150℃で6週間保存した後の体積抵抗率の変化率(%)との関係を図2に示す。また、実施例および比較例の銀被覆銅粉の銀被覆層の厚さと、その銀被覆銅粉を使用して作製した導電膜を150℃で6週間保存した後の体積抵抗率の変化率(%)との関係を図3に示す。
図1からわかるように、Cuの(200)面における結晶子径D(200)に対するCuの(111)面における結晶子径D(111)の比D(111)/D(200)が1.8以上の銀被覆銅粉(実施例の銀被覆銅粉)は、その比が1.8より低い比較例の銀被覆銅粉と比べて、作製した導電膜を150℃で6週間保存した後の体積抵抗率の変化率(%)が低くなり、導電膜の保存安定性(信頼性)に優れている。また、図2からわかるように、Cuの(220)面における結晶子径D(220)に対するCuの(200)面における結晶子径D(200)の比D(200)/D(220)が1.1より低い銀被覆銅粉(実施例の銀被覆銅粉)は、その比が1.1以上の比較例の銀被覆銅粉と比べて、作製した導電膜を150℃で6週間保存した後の体積抵抗率の変化率(%)が低くなり、導電膜の保存安定性(信頼性)に優れている。さらに、図3からわかるように、実施例の銀被覆銅粉を使用して作製した導電膜は、比較例の銀被覆銅粉を使用して作製した導電膜と比べて、同じ銀被覆層の厚さでも、導電膜を150℃で6週間保存した後の体積抵抗率の変化率(%)が大幅に低くなり、導電膜の保存安定性(信頼性)を大幅に向上させることができる。
本発明による銀被覆銅粉は、回路基板の導体パターン、太陽電池などの基板の電極や回路などの電子部品に使用する導電性ペーストの作製に利用することができる。

Claims (10)

  1. 銅を加熱して溶解した溶湯を落下させながら高圧水を吹き付けて急冷凝固して得られた銅粉のスラリーを非酸化性ガスの存在下で保持した後、固液分離して得られた銅粉を銀含有層で被覆することを特徴とする、銀被覆銅粉の製造方法。
  2. 前記スラリー中と前記スラリーを収容する容器内との少なくとも一方に前記非酸化性ガスを吹き込みながら保持することによって、前記スラリーを非酸化性ガスの存在下で保持することを特徴とする、請求項1に記載の銀被覆銅粉の製造方法。
  3. 前記銅粉のレーザー回折式粒度分布装置により測定した体積基準の累積50%粒子径(D50径)が0.1〜15μmであることを特徴とする、請求項1または2に記載の銀被覆銅粉の製造方法。
  4. 前記高圧水がアルカリ水溶液であることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれかに記載の銀被覆銅粉の製造方法。
  5. 前記溶湯にリンを添加することを特徴とする、請求項1乃至4のいずれかに記載の銀被覆銅粉の製造方法。
  6. 銅粉の表面が銀含有層で被覆された銀被覆銅粉であって、Cuの(200)面における結晶子径D(200)に対するCuの(111)面における結晶子径D(111)の比D(111)/D(200)が1.8以上であり且つCuの(220)面における結晶子径D(220)に対するCuの(200)面における結晶子径D(200)の比D(200)/D(220)が1.095以下であることを特徴とする、銀被覆銅粉。
  7. 前記銀被覆銅粉のCuの(220)面における結晶子径D(220)に対するCuの(111)面における結晶子径D(111)の比D(111)/D(220)が1.90以上であることを特徴とする、請求項6に記載の銀被覆銅粉。
  8. 前記銀被覆銅粉のレーザー回折式粒度分布装置により測定した体積基準の累積50%粒子径(D50径)が0.1〜15μmであることを特徴とする、請求項6または7に記載の銀被覆銅粉。
  9. 前記銀被覆銅粉中のリン含有量が10〜1000ppmであることを特徴とする、請求項6乃至8のいずれかに記載の銀被覆銅粉。
  10. 導電性粉末として請求項6乃至9のいずれかに記載の銀被覆銅粉を含むことを特徴とする、導電性ペースト。
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