JP3984534B2

JP3984534B2 - 導電性ペースト用の銅粉及びその製造方法

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Publication number: JP3984534B2
Application number: JP2002334664A
Authority: JP
Inventors: 誠関口; 邦朗中原; 大前賢二; 宏之島村
Original assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Current assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2022-11-19
Also published as: JP2004169081A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スクリーン印刷アディティブ法による導体回路形成用や積層セラミックスコンデンサの外部電極用等の各種電気的接点部材用の導電性ペースト用の銅粉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
銅粉は、その取り扱いの容易性から、スクリーン印刷アディティブ法による導体回路形成用や、積層セラミックスコンデンサの外部電極用等の各種電気的接点部材用の導電性ペーストの導電材料として従来から広く利用されている。
【０００３】
上記導電性ペーストは、例えば、銅粉にエポキシ樹脂等の樹脂及びその硬化剤等の各種添加剤を配合して混練することにより得ることができる。このときに使用される銅粉は、銅塩を含む溶液等から還元剤により析出させる湿式還元法や、銅塩を加熱気化させて気相中で還元させる気相還元法や、溶融した銅地金を不活性ガスや水等の冷媒で急冷して粉末化するアトマイズ法等により、製造することができる。
【０００４】
上述したような金属粉の製造方法のうち、アトマイズ法は、一般的に広く利用されている湿式還元法に比べて、得られる金属粉中の不純物の残留濃度を小さくすることができると共に、得られる金属粉の粒子の表面から内部に至る細孔を少なくすることができるという利点を有している。このため、アトマイズ法により製造された金属粉は、導電性ペーストの導電材料に使用した場合、ペースト硬化時のガス発生量を少なくできると共に、酸化の進行を大幅に抑制できるという利点を有しているものの、平均粒径が大きくなってしまうことから、上記導体回路形成用に利用することが難しかった。
【０００５】
そこで、近年、アトマイズする際の冷媒を高圧で噴射することにより、平均粒径が小さい金属粉を製造するようにした高圧アトマイズ法が注目され始めている。この高圧アトマイズ法は、ガスアトマイズの場合には不活性ガスを最大で約３ＭＰａ、水アトマイズの場合には水を最大で約１５０ＭＰａの高圧力で噴射することにより、平均粒径が数μｍレベル程度の金属粉を製造することができる。
【０００６】
特に、冷媒に水を利用する高圧水アトマイズ法は、冷媒に不活性ガスを利用する高圧ガスアトマイズ法に比べて、溶湯流に対する冷媒の粉砕力が大きいことから、粒径がより小さい金属粉を製造することができる利点を有している。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−１５６３２１号公報
【特許文献２】
特開平９−２５６００５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような高圧アトマイズ法により製造された金属粉は、その形状が不定形になりやすいため、導電性ペーストの導電材料に使用した場合、ペースト中での分散性に難点を生じてしまっている。特に、高圧水アトマイズ法は、高圧ガスアトマイズ法に比べて、冷却速度が極めて速いことから、製造される金属粉の粒径がより不定形になりやすいだけでなく、製造される金属粉中の酸素濃度が高くなりやすく、導電性能の低下を招きやすかった。
【０００９】
このようなことから、本発明は、平均粒径が小さいながらも、形状のバラツキが少なくて含有酸素濃度が低い導電性ペースト用の銅粉及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、特定量のりん（Ｐ）を含有させると、平均粒径が小さいながらも、形状のバラツキが少なくて含有酸素濃度の低い導電性ペースト用の銅粉を得られることを見い出し、本発明を完成した。
【００１１】
すなわち、第一番目の発明による導電性ペースト用の銅粉は、りん（Ｐ）を１０〜３００ｐｐｍ含有することを特徴とする。
【００１２】
第二番目の発明による導電性ペースト用の銅粉は、第一番目の発明において、高圧アトマイズ法により製造されたものであることを特徴とする。
【００１３】
第三番目の発明による導電性ペースト用の銅粉は、第二番目の発明において、高圧アトマイズ法が、高圧水アトマイズ法であることを特徴とする。
【００１４】
また、第四番目の発明による導電性ペースト用の銅粉の製造方法は、第一番目の発明による導電性ペースト用の銅粉の製造方法であって、溶融した銅にりん（Ｐ）を添加した後、アトマイズ法により粉体化することを特徴とする。
【００１５】
第五番目の発明による導電性ペースト用の銅粉の製造方法は、第四番目の発明において、高圧アトマイズ法により粉体化することを特徴とする。
【００１６】
第六番目の発明による導電性ペースト用の銅粉の製造方法は、第五番目の発明において、高圧アトマイズ法が、高圧水アトマイズ法であることを特徴とする。
【００１７】
第七番目の発明による導電性ペースト用の銅粉の製造方法は、第四番目から第六番目の発明のいずれかにおいて、アトマイズした後、還元処理することを特徴とする。
【００１８】
第八番目の発明による導電性ペースト用の銅粉の製造方法は、第七番目の発明において、前記還元処理が、１５０〜３００℃の温度で還元することを特徴とする。
【００１９】
さらに、第九番目の発明による導電性ペーストは、第一番目から第三番目の発明のいずれかの導電性ペースト用の銅粉を含有することを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明による導電性ペースト用の銅粉及びその製造方法の実施の形態を説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。
【００２１】
本発明に係る導電性ペースト用の銅粉は、りん（Ｐ）を１０〜３００ｐｐｍ含有するものである。
【００２３】
なお、りんの含有量が１０ｐｐｍ未満であると、本発明の目的を達成することができず、りんの含有量が３００ｐｐｍを超えると、導電性を損なってしまうと共に、導電性ペーストの導電材料等に使用した場合、焼成の際の収縮が大きくなるおそれがあるため、適用することができない。他方、りんの含有量が１０〜１００ｐｐｍであると好ましく、２０〜５０ｐｐｍであるとより好ましい。この範囲であれば、平均粒径を小さくしながらも、形状のバラツキを少なくして含有酸素濃度を低くすることができ、導電性ペーストの導電材料等に使用した場合の安定性を損なうことがまったくない。なお、本発明に係る金属粉に含まれているりん（Ｐ）は、金属相中に一部合金成分として含有されているものと推測される。
【００２４】
また、上記金属粉は、高圧アトマイズ法により製造されたものであると好ましい。ここでいう高圧アトマイズ法とは、ガスアトマイズ法においては、１．５〜３ＭＰａ程度のガス圧力でアトマイズする方法であり、水アトマイズ法においては、５０〜１５０ＭＰａ程度の水圧力でアトマイズする方法である。このような高圧アトマイズ法によれば、平均粒径が数μｍレベル程度の金属粉を製造することが容易にできる。ここで、高圧アトマイズ法が、高圧水アトマイズ法であると、溶湯流に対する粉砕力がより大きく、粒径がより小さい金属粉を製造することができるので好ましい。
【００２５】
また、上記金属粉は、その形状が、粒状をなしていると好ましく、特に、球状をなしているとさらに好ましい。ここで、粒状とは、アスペクト比（平均長径を平均短径で除した値）が１〜１．２５程度で揃っている形状をいい、アスペクト比が１〜１．１程度で揃っている形状を特に球状という。なお、形状が揃っていない状態は、不定形状という。このような粒状をなす金属粉は、相互のからみが少なくなり、導電性ペーストの導電材料等に使用した場合、ペースト中での分散性が向上するので、非常に好ましい。
【００２６】
また、上記金属粉は、例えばレーザ回折散乱式粒度分布測定装置等により測定可能な、平均粒径Ｄ₅₀及び標準偏差値ＳＤとから求められる変動係数（ＳＤ／Ｄ₅₀）が０．２〜０．６であると、粒度分布のバラツキが少なく、導電性ペーストの導電材料等に使用した場合のペースト中での分散性を向上させることができるので、非常に好ましい。
【００２７】
なお、上記金属粉は、個数平均粒径を０．５〜５μｍにすることにより、微細な前記導体回路形成用の導電性ペーストの導電材料等に好適なものとなる。
【００２８】
さらに、上記金属粉は、含有酸素濃度を５００〜２５００ｐｐｍとすることにより、導電性を確実に確保することができ、導電性ペーストの導電材料等に好適なものとなる。
【００２９】
他方、本発明に係る導電性ペースト用の銅粉の製造方法は、上述した本発明に係る導電性ペースト用の銅粉の製造方法であって、溶融した銅にりん（Ｐ）を添加した後、アトマイズ法により粉体化するものである。
【００３０】
このような導電性ペースト用の銅粉の製造方法によれば、平均粒径が小さいながらも、形状のバラツキが少なくて含有酸素濃度の低い銅粉を製造することができる。この理由は定かではないが、溶融した銅にりん（Ｐ）を添加することにより、溶湯中の脱酸素を有効に行うことができると同時に、アトマイズ時の溶湯の表面張力を小さくすることができるからではないかと推測される。
【００３１】
また、上記製造方法においては、先に説明した理由から、高圧アトマイズ法により粉体化することが好ましく、さらに、高圧水アトマイズ法であるとより好ましい。
【００３２】
また、上記製造方法においては、アトマイズした後、還元処理すると好ましい。この還元処理により、酸化の進行しやすい金属粉の表面の酸素濃度をさらに低減することができる。ここで、上記還元処理は、作業性の観点から、ガスによる還元が好ましい。この還元処理用ガスは、特に限定されることはないが、例えば、水素ガス、アンモニアガス、ブタンガス等を挙げることができる。
【００３３】
さらに、上記還元処理は、１５０〜３００℃の温度で行うと好ましく、特に、１７０〜２１０℃の温度で行うとより好ましい。なぜなら、上記温度が１５０℃未満であると、還元速度が遅くなってしまい、処理効果を充分に発現することができず、上記温度が３００℃を超えると、金属粉の凝集や焼結を引き起こしてしまうおそれがあり、上記温度が１７０〜２１０℃であると、酸素濃度の効率のよい低減化を図りながらも、金属粉の凝集や焼結を確実に抑制することができるからである。
【００３４】
また、上記製造方法においては、粉体化した後、分級すると好ましい。この分級は、目的とする粒度が中心となるように、適切な分級装置を用いて、得られた金属粉から粗粉や微粉を分離することにより容易に実施することができる。ここで、先に説明した変動係数（ＳＤ／Ｄ₅₀）が０．２〜０．６となるように分級することが望ましい。
【００３５】
以上説明したような銅粉を含有した導電性ペーストは、当該銅粉の平均粒径が小さいながらも、当該銅粉の形状のバラツキが少なくて当該銅粉の含有酸素濃度が低いので、スクリーン印刷アディティブ法による導体回路形成用や、積層セラミックスコンデンサの外部電極用等の各種電気的接点部材用の導電性ペーストに極めて良好に適用することができる。
【００３６】
【実施例】
本発明による導電性ペースト用の銅粉及びその製造方法の効果を確認するため、以下のような実験を行った。
【００３７】
［Ａ．含有酸素濃度］
＜金属粉の製造＞
《実施例１：基礎条件》
銅を溶解した溶湯中に銅−りん（りん１５wt％）の母合金を添加して（溶湯中へのりん添加濃度：５００ｐｐｍ）、充分に攪拌混合することにより、りん含有銅の溶湯を製造した（１００ｋｇ）。
【００３８】
続いて、図１に示すような、タンディッシュ１１中に上記溶湯１を注入し（保持温度：１３００℃）、タンディッシュ１１の底部のノズル１１ａ（口径：５ｍｍ）から落下させながら（流量：５ｋｇ／ｍｉｎ．）、フルコーン型のノズル１２（口径：２６ｍｍ）の噴射孔１２ａから水３を逆円錐状の水流形状となるように上記溶湯１にジェット噴射して（水圧：１００ＭＰａ、水量：３５０リットル／ｍｉｎ．）アトマイズすることにより、りんを含有する銅からなる金属粉２を製造した。
【００３９】
次に、分級装置（日清エンジニアリング株式会社製「ターボクラシファイヤー（商品名）ＴＣ４０１（型番）」）により、上記金属粉２を分級した（回転数：１７００ｒｐｍ、ブロア風量：２０ｍ³／ｍｉｎ．）。
【００４０】
《実施例２：りん濃度変更（１）》
銅を溶解した溶湯中に銅−りん（りん１５wt％）の母合金を添加して（溶湯中へのりん添加濃度：４００ｐｐｍ）、充分に攪拌混合することにより、りん含有銅の溶湯を製造した。それ以外は、上述した実施例１の場合と同様な操作を行うことにより、りんを含有する銅からなる金属粉２を製造した。
【００４１】
《実施例３：りん濃度変更（２）》
銅を溶解した溶湯中に銅−りん（りん１５wt％）の母合金を添加して（溶湯中へのりん添加濃度：３００ｐｐｍ）、充分に攪拌混合することにより、りん含有銅の溶湯を製造した。それ以外は、上述した実施例１の場合と同様な操作を行うことにより、りんを含有する銅からなる金属粉２を製造した。
【００４２】
《実施例４：銅合金》
銅（８０wt％）と錫（２０wt％）とからなる銅合金の溶湯中に銅−りん（りん１５wt％）の母合金を添加して（溶湯中へのりん添加濃度：３００ｐｐｍ）、充分に攪拌混合することにより、りん含有銅合金の溶湯を製造した。それ以外は、上述した実施例１の場合と同様な操作を行うことにより、りんを含有する銅合金からなる金属粉２を製造した。
【００４３】
《実施例５：アトマイズ条件変更》
実施例１と同様に、りん含有銅の溶湯を製造した後、タンディッシュ１１中に上記溶湯１を注入して、タンディッシュ１１のノズル１１ａから落下させながら（但し、流量は１０ｋｇ／ｍｉｎ．）、ノズル１２の噴射孔１２ａから水３上記溶湯１にジェット噴射して（但し、水圧は２５ＭＰａ）アトマイズすることにより、りんを含有する銅からなる金属粉２を製造した。以下、実施例１と同様に操作することにより、粒度分布を整えた金属粉２を製造した。
【００４４】
《実施例６：ガスアトマイズ》
実施例１と同様に、りん含有銅の溶湯を製造した後、図２に示したような、タンディッシュ２１中に上記溶湯１を注入し（保持温度：１３００℃）、タンディッシュ２１の底部のノズル１１ａから落下させながら（流量：５ｋｇ／ｍｉｎ．）、ノズル２２の噴射孔２２ａからガス４を上記溶湯１に噴射して（ガス圧：２ＭＰａ、ガス量：１１Ｎｍ³／ｍｉｎ．）アトマイズすることにより、りんを含有する銅からなる金属粉２を製造した。以下、実施例１と同様に操作することにより、粒度分布を整えた金属粉２を製造した。
【００４５】
《実施例７：ガスアトマイズ条件変更》
実施例１と同様に、りん含有銅の溶湯を製造した後、実施例６と同様に、タンディッシュ２１中に上記溶湯１を注入し、タンディッシュ２１の底部のノズル１１ａから落下させながら、ノズル２２の噴射孔２２ａからガス４を上記溶湯１に噴射して（但し、ガス圧は０．８ＭＰａ、ガス量は２Ｎｍ³／ｍｉｎ．）アトマイズすることにより、りんを含有する銅からなる金属粉２を製造した。以下、実施例１と同様に操作することにより、粒度分布を整えた金属粉２を製造した。
【００４６】
《実施例８：基礎条件物の還元処理》
実施例１で得られた金属粉２を水素ガス雰囲気下で還元処理した（温度：２００℃、処理時間：０．５ｈ）。
【００４７】
《実施例９：りん濃度変更物（１）の還元処理》
実施例２で得られた金属粉２を実施例８の場合と同様にして還元処理した。
【００４８】
《実施例１０：りん濃度変更物（２）の還元処理》
実施例３で得られた金属粉２を実施例８の場合と同様にして還元処理した。
【００４９】
《実施例１１：銅合金物の還元処理》
実施例４で得られた金属粉２を実施例８の場合と同様にして還元処理した。
【００５０】
《実施例１２：アトマイズ条件変更物の還元処理》
実施例５で得られた金属粉２を実施例８の場合と同様にして還元処理した。
【００５１】
《実施例１３：ガスアトマイズ物の還元処理》
実施例６で得られた金属粉２を実施例８の場合と同様にして還元処理した。
【００５２】
《実施例１４：ガスアトマイズ条件変更物の還元処理》
実施例７で得られた金属粉２を実施例８の場合と同様にして還元処理した。
【００５３】
《比較例１：基礎条件》
銅−りんの母合金を添加することなく、銅を溶解した溶湯を用い、それ以外は実施例１の場合と同様に操作することにより、金属粉２を製造した。
【００５４】
《比較例２：アトマイズ条件変更》
銅−りんの母合金を添加することなく、銅を溶解した溶湯を用い、それ以外は実施例５の場合と同様に操作することにより、金属粉２を製造した。
【００５５】
《比較例３：ガスアトマイズ》
銅−りんの母合金を添加することなく、銅を溶解した溶湯を用い、それ以外は実施例６の場合と同様に操作することにより、金属粉２を製造した。
【００５６】
《比較例４：ガスアトマイズ条件変更》
銅−りんの母合金を添加することなく、銅を溶解した溶湯を用い、それ以外は実施例７の場合と同様に操作することにより、金属粉２を製造した。
【００５７】
《比較例５：基礎条件物の還元処理》
比較例１で得られた金属粉２を実施例８の場合と同様にして還元処理した。
【００５８】
《比較例６：アトマイズ条件変更物の還元処理》
比較例２で得られた金属粉２を実施例８の場合と同様にして還元処理した。
【００５９】
《比較例７：ガスアトマイズ物の還元処理》
比較例３で得られた金属粉２を実施例８の場合と同様にして還元処理した。
【００６０】
《比較例８：ガスアトマイズ条件変更物の還元処理》
比較例４で得られた金属粉２を実施例８の場合と同様にして還元処理した。
【００６１】
＜試験方法＞
《りん濃度》
実施例１〜１４及び比較例１〜８で得られた金属粉（１０ｇ）を硝酸で溶解し、鉄塩溶液（硝酸・過酸化水素性Ｆｅ濃度：５ｍｇ／ｍｌ溶解液）及びイットリウム塩溶液（硝酸性Ｙ濃度：５ｍｇ／ｍｌ溶解液）を加えた後（各４ｍｌ）、ｐＨ１０となるようにアンモニアを加え、析出した沈殿物を濾過分取して塩酸に溶解し、定容（２０ｍｌ）した溶液をＩＣＰ−ＡＥＳにより分析した。
【００６２】
《酸素濃度》
実施例１〜１４及び比較例１〜８で得られた金属粉中の酸素濃度を酸素・窒素分析装置（堀場製作所株式会社製「ＥＭＧＡ−５２０（型番）」）により分析した。
【００６３】
＜試験結果＞
上述したようにして行った試験結果を下記の表１に示す。
【００６４】
【表１】

【００６５】
表１からわかるように、本発明に基づく実施例の金属粉は、比較例の金属粉に比べて、含有酸素濃度が大幅に低減されることが確認できた。また、還元処理した方が還元処理しない場合よりも含有酸素濃度が大幅に低減されることが確認できた。
【００６６】
［Ｂ．変動係数（ＳＤ／Ｄ₅₀）］
前述した実施例３，１０及び比較例１で得られた金属粉（０．２ｇ）をメタノール（１００ｍｌ）中に入れて超音波を照射して（３分間）分散させた後、粒度分布測定装置（日機装株式会社製「マイクロトラック（商品名）ＦＲＡ（型番）」）により、平均粒径Ｄ₅₀及び標準偏差値ＳＤ並びに変動係数（ＳＤ／Ｄ₅₀）をそれぞれ求めた。その結果を下記の表２に示す。
【００６７】
【表２】

【００６８】
表２からわかるように、本発明に基づく実施例３，１０の金属粉は、比較例１の金属粉に比べて、変動係数（ＳＤ／Ｄ₅₀）が小さくなることが確認できた。また、実施例１０の結果から、還元処理を行っても、凝集を抑制できることが確認できた。
【００６９】
［Ｃ．アスペクト比］
前述した実施例３及び比較例１で得られた金属粉のＳＥＭ写真（５００倍及び２０００倍）をそれぞれ撮影し、当該写真（倍率が２０００倍のもの）中の粒子を任意に選択して粒径をそれぞれ測定し（４００個）、平均長径及び平均短径を求めることにより、アスペクト比をそれぞれ算出した。その結果を下記の表３に示す。また、このときの実施例３の金属粉のＳＥＭ写真を図３に示し、比較例１の金属粉のＳＥＭ写真を図４に示す（図中、（ａ）が５００倍、（ｂ）が２０００倍である。）
【００７０】
【表３】

【００７１】
表３からわかるように、本発明に基づく実施例３の金属粉は、比較例の金属粉に比べて、アスペクト比が小さく（１に非常に近い値）なっていることが確認できた。また、図３，４のＳＥＭ写真からも明らかなように、本発明に基づく実施例３の金属粉は、比較例１の金属粉に比べて、形状や粒径のバラツキが少なくなっていることが確認できた。その結果、本発明によれば、従来に比べて、分級後の歩留を向上させることができた（表１参照）。
【００７２】
【発明の効果】
本発明の導電性ペースト用の銅粉によれば、平均粒径を小さくしながらも、形状のバラツキを少なくして含有酸素濃度を低くすることができるので、スクリーン印刷アディティブ法による導体回路形成用や、積層セラミックスコンデンサの外部電極用等の各種電気的接点部材用の導電性ペーストの導電材料に極めて良好に適用することができる。
【００７３】
また、本発明の導電性ペースト用の銅粉の製造方法によれば、上記銅粉を効率よく安価に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による導電性ペースト用の銅粉の製造方法の実施に使用する水アトマイズ装置の一例の概略構成図である。
【図２】本発明による導電性ペースト用の銅粉の製造方法の実施に使用するガスアトマイズ装置の一例の概略構成図である。
【図３】実施例３の金属粉のＳＥＭ写真であり、（ａ）が５００倍、（ｂ）が２０００倍である。
【図４】比較例１の金属粉のＳＥＭ写真であり、（ａ）が５００倍、（ｂ）が２０００倍である。
【符号の説明】
１溶湯
２金属粉
３水
４ガス
１１，２１タンディッシュ
１１ａ，２１ａノズル
１２，２２ノズル
１２ａ，２２ａ噴射孔

Claims

りん（Ｐ）を１０〜３００ｐｐｍ含有する
ことを特徴とする導電性ペースト用の銅粉。
請求項１において、
高圧アトマイズ法により製造されたものである
ことを特徴とする導電性ペースト用の銅粉。
請求項２において、
高圧アトマイズ法が、高圧水アトマイズ法である
ことを特徴とする導電性ペースト用の銅粉。
請求項１の導電性ペースト用の銅粉の製造方法であって、
溶融した銅にりん（Ｐ）を添加した後、アトマイズ法により粉体化する
ことを特徴とする導電性ペースト用の銅粉の製造方法。
請求項４において、
高圧アトマイズ法により粉体化する
ことを特徴とする導電性ペースト用の銅粉の製造方法。
請求項５において、
高圧アトマイズ法が、高圧水アトマイズ法である
ことを特徴とする導電性ペースト用の銅粉の製造方法。
請求項４から請求項６のいずれかにおいて、
アトマイズした後、還元処理する
ことを特徴とする導電性ペースト用の銅粉の製造方法。
請求項７において、
前記還元処理が、１５０〜３００℃の温度で還元する
ことを特徴とする導電性ペースト用の銅粉の製造方法。
請求項１から請求項３のいずれかの導電性ペースト用の銅粉を含有する
ことを特徴とする導電性ペースト。