JP3773870B2 - 導電性分散組成物及び導電性セラミックス基材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導電性分散組成物に係り、更に詳細には、基材、特にセラミックス基材上に塗布、焼成することで導電性金属膜を形成する導電性分散組成物及び導電性セラミックス基材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、導電性ペーストなどの導電性分散組成物は、金属粉末と、フリット材としてのガラス粉末と、樹脂とを溶剤中に分散して成る。一般に、かかる導電性ペーストは、セラミックス基材上に導電膜を形成するのに使用され、セラミックス基材上に塗布された後、７００〜１０００℃の温度域、多くの場合は８００〜９００℃の温度域で焼成されることで、導電膜をセラミックス基材表面に固着させる。
ここで、フリット材は、上記焼成温度で融解し、主要分がその後に冷却されることにより固化して導電膜と基材との間にフリット層を形成し、このフリット層を介して導電膜を基材へ強固に付着させる一方で、残余分が金属導電膜内部において金属粉末同士の付着を助けることで導電膜の機械的強度の向上に寄与する。
【０００３】
一方、特開平１０−１０６３６０号公報には、フリット材を含まない導電性ペーストを用いる導電膜の作製方法が開示されており、例えば白金のような比較的融点が高く化学的に安定な金属粉末とＡｇのような比較的融点が低い金属粉末とを、重量比で７０：３０〜９５：５の割合で、樹脂が溶解した溶剤中に分散させた組成物を焼成することにより、導電膜を成膜することが記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のようなフリット材を含む導電性ペーストにおいては、その焼成中に、基材を構成するセラミックス材とフリット材のガラス分とが化合した生成物が生成することがある。かかる化合物の生成は、多くの場合、基材や導電膜の経年劣化を促進することがあり、好ましくない。この一方、フリット材を含まない導電性組成物を用いて、基材上に強度に付着する導電膜を形成するには、１５００〜１６００℃と極めて高温での焼成が必要となり、一般的には困難であった。
【０００５】
また、特開平１０−１０６３６０号公報記載の方法にあっては、たとえ主体となる金属として化学的に安定な白金を用いたとしても、化学的安定性が白金よりも劣る銀などの金属が少なくとも５％以上添加されているので、作製された導電膜を硝酸中へ浸漬するなどの過酷な条件下においては、導電膜中の金属成分が溶出し出すことがあった。
更に、焼成温度を比較的高めに設定すると、焼成中に導電膜の結晶粒が粗大化することがあり、このように結晶粒が粗大化した導電膜では、歪みが加わった場合、少ない結晶粒界に応力が集中することになり、脆くなることが予測される。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、比較的高温で焼成した場合にも結晶粒が粗大化し難く、白金膜とほぼ同等の化学的安定性を有する導電膜を、基材に強固に固着形成せしめる導電性分散組成物、及びこれを用いて成る導電性セラミックス基材を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、特定の高融点金属と低融点金属とを所定の割合で配合することにより、上記目的が達成されることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
即ち、本発明の導電性分散組成物は、パラジウム、白金、ロジウム及びルテニウムから成る群より選ばれた少なくとも１種の高融点金属粉末を９５％超、金、銀及び銅から成る群より選ばれた少なくとも１種の低融点金属粉末を５％未満の割合で含有する導電性成分を、分散媒に分散させて成り、ガラス質フリット材を含有しないことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の導電性分散組成物の好適形態は、上記高融点金属粉末が白金であり、上記低融点金属粉末が銀と銅の混合物から成ることを特徴とし、この場合、上記導電性成分中に銀を３％未満の割合で含有することが好ましい。
【００１０】
また、本発明の導電性セラミックス基材は、上述の如き導電性分散組成物を、ジルコニア及び／又はアルミナから成る基材上に被覆し焼成して得られた導電膜を有することを特徴とする。
【００１１】
更に、本発明の導電性セラミックス基材の好適形態は、上記導電膜における金属結晶粒の粒径が５〜１００μｍであることを特徴とし、上記焼成は１１００〜１５００℃の温度で行われたことが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の導電性分散組成物について詳細に説明する。
上述の如く、本発明の導電性分散組成物は、９５％超の高融点金属粉末と５％未満の低融点金属粉末を含有する導電性成分を、分散媒に分散させて成り、ガラス質フリット材を含有しない。
なお、本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を示す。
【００１３】
ここで、高融点金属としては、融点が１１００℃以上の金属を用いることができるが、具体的には、パラジウム（Ｐｄ：融点１５５０℃）、白金（Ｐｔ：融点１７７０℃）、ロジウム（Ｒｈ：融点１９７０℃）又はルテニウム（Ｒｕ：融点２３１０℃）、及びこれらの任意の混合物が用いられる。かかる高融点金属は、得られる導電膜の主体金属として機能する。
一方、低融点金属としては、融点が１１００℃未満の金属、具体的には、金（Ａｕ：融点１０６４℃）、銀（Ａｇ：融点９６１℃）又は銅（Ｃｕ：融点１０８３℃）、及びこれらの任意の混合物が用いられる。なお、かかる低融点金属は、得られる導電膜の添加金属として機能する。
本発明においては、高融点金属としてＰｔを選択し、低融点金属としてＡｇとＣｕとの混合物を選択することが好ましい。
【００１４】
なお、上述した高融点金属と低融点金属との分類において、融点１１００℃は一つの目安であり、必ずしも１１００℃に限定されることはない。
即ち、本発明では、代表的に１１００〜１５００℃で焼成を行うため、融点が１１００℃未満の金属を用いれば、焼成の際に金属原子を十分に拡散させることができ有利であるが、１１００℃以上、即ち焼成温度以上の融点を有する金属であっても焼成を行うことは可能であり、従って、低融点金属として１１００℃以上の融点を持つ金属を用いることも可能である。
【００１５】
また、上記分散媒としては、上記高融点金属と低融点金属を含む導電性成分を均一に分散でき、セラミックス基材への被覆を促進し、焼成により消失するようなものがよいが、各種樹脂、溶剤及び界面活性剤などの混合液を挙げることができ、樹脂としては有機系樹脂、溶剤としては有機系溶剤を好適に使用することができる。
なお、上記各金属粉末の粒径は、得られる導電膜の用途や使用する分散媒に応じて適宜変更でき、特に限定されるものではないが、０．１〜２μｍとすることが好ましい。
【００１６】
本発明の導電性分散組成物においては、上記導電性成分における高融点金属の配合量を９５％超、低融点金属の配合量を５％未満とするが、この理由は、低融点金属の配合量が５％以上では、焼成温度を比較的高めに設定すると導電膜の結晶粒が焼成中に粗大になるからである。
なお、かかる導電性成分と分散媒との配合比は、特に限定されるものではないが、セラミックス基材への塗布の容易性や保管性を考慮して、導電性成分１００重量部に対して分散媒を５〜２５重量部とすることが好ましい。
【００１７】
次に、本発明の導電性分散組成物を用いた導電膜の成膜方法、及び本発明の導電性セラミックス基材について説明する。
上述の如く、本発明の導電性セラミックス基材は、本発明の導電性分散組成物を用いて作製されるが、この場合、この導電性分散組成物をセラミックス基材表面に被覆して乾燥させ、その後、好ましくは１１００〜１５００℃、更に好ましくは１２００〜１４００℃の温度で焼成することにより、セラミックス基材表面に導電膜を固着・形成して得られる。
【００１８】
ここで、セラミックス基材としては、上記焼成温度に耐えうる耐熱性があれば十分であるが、代表的には、ジルコニア（ＺｒＯ_２）又はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）及び両者の混合物を構成成分とするセラミックス基材を例示することができる。
なお、本発明においては、機械的強度の観点から、セラミックス基材として、特にジルコニアや部分安定化ジルコニアを好適に使用することができる。
【００１９】
以下、本発明の導電性分散組成物を用いた導電膜の成膜メカニズムや、本発明の利点につき説明する。
本発明によれば、１１００℃以上の温度で焼成を行うので、導電性分散組成物中の金属粒子以外の構成成分、例えば分散媒は完全に熱分解して消失するため、目的とする導電性成分に極めて近い組成の金属導電膜が形成される。
【００２０】
また、１１００℃以上の焼成により、主体成分たる高融点金属粉末同士の間、又はそれらとセラミックス基材との間に位置する添加成分たる低融点金属は、軟化して濡れ、これらと面接触することになり、この軟化した添加成分中へ、周囲の主体成分が拡散固溶してくる。かかる拡散固溶に伴い、添加成分を主とする部分の平均的な融点が上昇し、次第に固化して行き、最終的には、得られる金属導電膜全体が比較的融点の高い均一な固溶体（合金）となり、セラミックス基材に強固に付着した機械的強度が高い膜が形成される。
【００２１】
なお、主体成分に対する添加成分量が５％未満と少ないことから、最終的な金属導電膜の融点は、主体成分とほぼ同様の比較的高いものとなる。
従って、仮に焼成温度が比較的高めであったとしても、最終的な組成となった金属導電膜自体が軟化したり、急激な粒成長をすることがないことから、焼成された導電膜の結晶粒は粗大化しない。
【００２２】
また、本発明では、添加成分たる低融点金属としてＣｕとＡｇの混合物を用いることが好ましいのは、上述の通りであるが、例えば、主体成分をＰｔとし、添加成分としてＣｕやＡｇを単独で添加した場合には、以下のようになる。
Ｐｔ単独では、融点が１７７０℃と高く、焼成温度では軟化しない。一方、Ｃｕ及びＡｇは、融点がそれぞれ１０８３℃及び９６１℃と十分に低いので、焼成温度においても軟化する。軟化したＣｕ又はＡｇは、Ｐｔ粉末とセラミックス基材とに面接合する。そして、このＣｕ又はＡｇの融体中へＰｔが固溶して行くことにより、徐々に高い融点を持つ固溶体組成へと変化して行き、基材へ強固に付着した機械的強度が高い金属導電膜が形成される。
【００２３】
この際、低融点を有することで軟化して付着強度の向上に寄与する部分の体積は、Ｃｕ若しくはＡｇの添加量又はその中へ極少量のＰｔが固溶した分の体積にしか過ぎない。従って、主体であるＰｔ粉末同士を全て強固に固着させたり、あるいはそれらをセラミックス基材へ強固に固着させるには、少なくとも５％相当以上の添加成分量が必要である。
【００２４】
ところが、添加成分としてＣｕとＡｇの混合物を用い、典型的には、９８％のＰｔと０．５６％のＣｕと１．４４％のＡｇとの三種類の金属粉末を配合した導電性分散組成物の場合には、以下のようになる。
即ち、ＣｕとＡｇとは共晶により約７８０℃にて融体となる。このように、融点がＣｕやＡｇの単体よりも低くなったことにより、これらは焼成温度において十分な融体となっており、Ｐｔが容易に固溶するので、Ｐｔ同士の固着やセラミックス基材への固着が促進される。
そして、この現象を利用すれば、相対的にＰｔ配合量を増大しても、上述のような固着に必要とされる軟化状態を実現することができ、この結果、主体成分に対する添加成分の比率を低減することが可能になる。
【００２５】
図１は、本発明の導電性セラミックス基材の一例を示しており、上述のようにして形成された金属導電膜を有するセラミックス基材の模式断面図である。また、図２は、焼成昇温時の３００℃前後での状態を示す模式断面図であり、図３は、８００℃前後での状態を示す模式断面図である。
【００２６】
これらの図を用いて本発明に係る導電膜の形成過程を説明すると、３００℃近傍では、図２に示すように、セラミックス基材１上の主体金属２、添加金属３は、金属２と３同士及び金属２、３と基材とが点接触した状態にある。また、分散媒に起因する残留物４は、その後更に昇温されることで熱分解により消失するため、８００℃近傍の図３の状態では存在しなくなる。
そして、図３の状態では、添加金属３が融解し、主体金属２同士又は主体金属２と基材１との界面に、添加金属３が面接触した状態となる。この時点で、融解又は軟化した添加金属中へ主体のＰｔが固溶し始める。その後、１１００℃以上の高温になると、膜全体の均一化が進み、図１に示すような状態になり、導電性セラミックス基材が製造される。
【００２７】
図１に示すような構造を有する本発明の導電性セラミックス基材においては、導電膜５中の金属同士、あるいは金属と基材とは、面接触していることによる界面エネルギーにより、また、基材表面の凹凸に沿って膜が延在することによるアンカー効果により、強固に固着した状態を保つようになる。
また、代表的には１１００℃〜１５００℃で焼成されるとはいえ、導電膜の平均組成が有する融点よりも遥かに低温で焼成されることから、導電膜全体が軟化したり、非常な速さで拡散が生ずることはないので、通常は、融解した添加金属で囲まれるＰｔクラスター６（図３参照）を大きく超えたサイズまで金属結晶粒が成長することはなく、金属結晶粒の粒径は約５〜１００μｍとなる。
【００２８】
本発明の導電性セラミックス基材は、上述したように、図１に示すような構造を有し、導電膜上に更に圧電体を積層することなどにより、アクチュエータなどの各種用途に用いられる。
また、本発明の導電性セラミックス基材は、上述の如く、導電膜とセラミックス基材との固着強度も良好であり、代表的には、２０Ｎ以上の剥離強度を有する。
【００２９】
【実施例】
以下、本発明を若干の実施例及び比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００３０】
（実施例１）
比表面積が１ｍ^２／ｇであるＰｔ粉末９８重量部と、比表面積が１．４１ｍ^２／ｇであるＡｇ粉末１．４４重量部と、比表面積が２ｍ^２／ｇであるＣｕ粉末０．５６重量部と、Ｎ−アルキルトリメチレンジアミンを混合した界面活性剤０．５重量部と、ターピネオール、アルケン及びブチルカルビトールアセテートを混合した有機溶剤１０重量部と、エチルセルローズから成る樹脂３重量部とを混合して、本例の導電性ペーストを得た。
得られた導電性ペーストをジルコニア基材上へ４００メッシュのスクリーンを用いて印刷塗布した後、オーブン中１２０℃で乾燥後、１３５０℃で焼成し、本例の導電性セラミックス基材を得た。
【００３１】
得られた導電性セラミックス基材を冷却し、基材表面上の２ｍｍ角の金属導電膜に軟銅線をハンダ付けし、垂直ピール試験によって、ジルコニア基材への金属導電膜の固着強度を測定した。その結果、導電膜を剥離するのに要する力は、３０Ｎであった。また、導電膜中の平均的な結晶粒の大きさは、約３０μｍであった。
【００３２】
（実施例２）
実施例１と同一性状のＰｔ粉末、Ａｇ粉末及びＣｕ粉末を、それぞれＰｔ粉末９８重量部、Ａｇ粉末１重量部、Ｃｕ粉末１重量部の割合で配合した以外は、実施例１と同様の操作を繰り返し、本例の導電性ペースト及び導電性セラミックス基材を得た。
上記同様に垂直ピール試験を行ったところ、導電膜剥離に要する力は、２５Ｎであった。また、導電膜中の平均的な結晶粒の大きさは、おおよそ３０μｍであった。
【００３３】
（実施例３）
実施例１と同一性状のＰｔ粉末、Ａｇ粉末及びＣｕ粉末を、それぞれＰｔ粉末９６重量部、Ａｇ粉末２．９重量部、Ｃｕ粉末１．１重量部の割合で配合した以外は、実施例１と同様の操作を繰り返し、本例の導電性ペースト及び導電性セラミックス基材を得た。
上記同様に垂直ピール試験を行ったところ、導電膜剥離に要する力は、３５Ｎであった。また、導電膜中の平均的な結晶粒の大きさは、おおよそ６０μｍであった。
【００３４】
（比較例１）
実施例１と同一性状のＰｔ粉末、Ａｇ粉末及びＣｕ粉末を、それぞれＰｔ粉末９０重量部、Ａｇ粉末７．２重量部、Ｃｕ粉末２．８重量部の割合で配合した以外は、実施例１と同様の操作を繰り返し、本例の導電性ペースト及び導電性セラミックス基材を得た。
上記同様に垂直ピール試験を行ったところ、導電膜剥離に要する力は、３０Ｎであった。また、導電膜中の平均的な結晶粒の大きさは、おおよそ１０００μｍであった。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、特定の高融点金属と低融点金属とを所定の割合で配合することとしたため、比較的高温で焼成した場合にも結晶粒が粗大化し難く、白金膜とほぼ同等の化学的安定性を有する導電膜を、基材に強固に固着形成せしめる導電性分散組成物、及びこれを用いて成る導電性セラミックス基材を提供することができる。
即ち、本発明の導電性分散組成物は、セラミックス基材上へ塗布され、焼成されて金属導電膜を形成するフリットレスの導電性組成物であることから、基材との化合副生物や付着物がなく、基材へ強固に固着し、膜中の結晶粒が小さく、緻密で機械的強度に優れ、化学的に安定な金属導電膜を形成する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の導電性セラミックス基材の一例を示す模式断面図である。
【図２】本発明の導電性分散組成物を用いた金属導電膜の形成過程（３００℃近傍）を示す模式断面図である。
【図３】本発明の導電性分散組成物を用いた金属導電膜の形成過程（８００℃近傍）を示す模式断面図である。
【符号の説明】
１ セラミックス基材
２ 主体金属粒子
３ 添加金属粒子
４ 残留物
５ 金属導電膜
６ Ｐｔクラスター

Claims (6)

1. パラジウム、白金、ロジウム及びルテニウムから成る群より選ばれた少なくとも１種の高融点金属粉末を９５％超、金、銀及び銅から成る群より選ばれた少なくとも１種の低融点金属粉末を５％未満の割合で含有する導電性成分を、分散媒に分散させて成り、ガラス質フリット材を含有しないことを特徴とする導電性分散組成物。
2. 上記高融点金属粉末が白金であり、上記低融点金属粉末が銀と銅の混合物から成ることを特徴とする請求項１記載の導電性分散組成物。
3. 上記導電性成分中に銀を３％未満の割合で含有することを特徴とする請求項１又は２記載の導電性分散組成物。
4. 請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の導電性分散組成物を、ジルコニア及び／又はアルミナから成る基材上に被覆し焼成して得られた導電膜を有することを特徴とする導電性セラミックス基材。
5. 上記導電膜における金属結晶粒の粒径が５〜１００μｍであることを特徴とする請求項４記載の導電性セラミックス基材。
6. 上記焼成が１１００〜１５００℃の温度で行われたことを特徴とする請求項４又は５記載の導電性セラミックス基材。

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