JP6377504B2

JP6377504B2 - 電極形成用の導電性ペースト

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Publication number: JP6377504B2
Application number: JP2014237364A
Authority: JP
Inventors: 伏谷　健司; 健司伏谷; 千万人佐藤
Original assignee: METALOR TECHNOLOGIES (JAPAN) CORPORATION; Denso Corp
Current assignee: METALOR TECHNOLOGIES (JAPAN) CORPORATION; Denso Corp
Priority date: 2014-11-25
Filing date: 2014-11-25
Publication date: 2018-08-22
Anticipated expiration: 2034-11-25
Also published as: JP2016100243A

Description

本発明は、電極形成用の導電性ペーストに関する。詳しくは、アルミナやジルコニア等からなる下地セラミックの表面に電極膜を形成する際に用いる導電性ペーストに関する。

ガスセンサーのセンサー電極、ヒーター電極、リード電極、端子電極等を形成する方法としては、白金等の導電性金属粉末とセラミック粉末とを含んで成る導電性ペーストを下地セラミックに塗布して電極パターンを形成し、これを焼成する方法が一般的である。セラミック粉末は、焼成時に下地セラミックと結合し、下地セラミックと電極との接合性を向上させることが知られている。このセラミック粉末としては、下地セラミックと同様にアルミナやジルコニア等が用いられている。

しかし、これらセラミック粉末が混合する導電性ペーストを用いて形成される電極は、導電性金属のみから形成される電極と比較して、抵抗値が大幅に高い。そのため、従来の導電性ペーストを用いて電極を形成する場合には、電極の膜厚を厚くしたり、電極の幅を広くしたりする必要があり、コストアップにつながる、微細なパターンの電極を形成できない等の問題がある。

特許文献１には、白金６０ｖｏｌ％と、アルミナが１．５ｗｔ％添加されたジルコニア粉末４０ｖｏｌ％と、を配合してなる導電性ペーストが開示されている。この導電性ペースト中のアルミナは、単にジルコニアの焼結助剤として用いているに過ぎない。

特開昭６１−１０９２８９号

本発明の課題は、下地セラミックとの接合性に優れ、低抵抗の電極を形成することができる導電性ペーストを提供することである。

本発明者は、上記課題を解決するために検討を行った結果、所定の粒子径を有するアルミナ粉末及びジルコニア粉末を所定の割合で配合する導電性ペーストは、低抵抗の電極を形成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。

上記課題を解決する本発明は、以下に記載するものである。

〔１〕（１）導電性金属粉末と、
（２）レーザー光散乱法による平均粒子径が０．０５〜２．５μｍのジルコニア粉末と、レーザー光散乱法による平均粒子径が０．１〜１．０μｍのアルミナ粉末と、から成る骨材と、
（３）樹脂と、
（４）有機溶媒と、
を含んで成る電極形成用の導電性ペーストであって、
２５℃における前記導電性金属粉末１００体積部に対し、前記骨材を２５〜８０体積部含み、
且つ前記骨材中における前記ジルコニア粉末の割合が８〜９４質量％であり、前記アルミナ粉末の割合が６〜９２質量％であることを特徴とする電極形成用の導電性ペースト。

〔２〕前記導電性金属粉末が白金又は白金合金である〔１〕に記載の導電性ペースト。

〔３〕前記ジルコニアが、イットリア安定化ジルコニアである〔１〕に記載の導電性ペースト。

本発明の導電性ペーストは、低抵抗の電極を形成することができる。その結果、電極の膜厚を薄くしてコストダウンを図ることができる。また、微細なパターンの電極を形成することができる。

以下、本発明について説明する。なお、本明細書において、平均粒子径はレーザー光散乱法により測定される体積平均値をいう。また、本明細書において、導電性金属、ジルコニア、アルミナの体積は、それぞれ２５℃における真の体積を意味する。各粉末の嵩比重を意味するものではなく、また各粉末粒子に内包された空隙等を考慮した見かけの体積を意味するものではない。即ち、導電性金属が白金の場合、１ｃｍ^３（２５℃）の白金は２１．４５ｇの質量を有する。

本発明の導電性ペースト（以下、「本導電性ペースト」ともいう）は、樹脂が溶解している有機溶媒中に、導電性金属粉末と、ジルコニア粉末及びアルミナ粉末から成る骨材と、が分散して成る。この導電性ペーストは焼成することにより、骨材が焼結されて形成される骨格部と、導電性金属粉末が焼結されて形成される導通部とが複合されて成る電極を形成する。

〔導電性金属粉末〕
本導電性ペーストに配合される導電性金属粉末は、本導電性ペーストを焼成することによって焼結される。本導電性ペーストに配合される導電性金属粉末は、導電性の金属であって、ともに配合されるジルコニア粉末及びアルミナ粉末（後述）よりも低い温度で焼結される金属であれば、どのような物でも利用できる。例えば、金、銀、白金、パラジウム、銅、ロジウム、ニッケル、これら金属の合金、これら金属と他の金属との合金が挙げられる。これらの導電性金属粉末は、単独で配合しても良いし、混合して配合しても良い。特に好ましいのは、白金又は白金合金である。白金合金の場合、合金元素の配合量は、０．１〜５０質量％であることが好ましい。

本導電性ペースト中における導電性金属粉末の配合量は、特に限定されないが、好ましくは４０質量％以上であり、特に好ましくは５０〜９０質量％である。この範囲にすることにより、本導電性ペーストを高い印刷精度でスクリーン印刷することができるとともに、十分な膜厚の電極を形成することができる。

導電性金属粉末の平均粒子径は、０．０１〜１０μｍであり、好ましくは０．１〜３μｍであり、特に好ましくは０．５〜２μｍである。平均粒子径が０．０１μｍ未満である場合、骨格部内で導電性金属粒子が十分に成長しない。平均粒子径が１０μｍを超える場合、骨格部内で導電性金属が偏在して、電極切れを起しやすくなる。その結果、得られる電極は抵抗値が高いものとなる。

〔骨材〕
本導電性ペーストに配合される骨材は、レーザー光散乱法による平均粒子径が０．０５〜２．５μｍのジルコニア粉末と、レーザー光散乱法による平均粒子径が０．１〜１．０μｍのアルミナ粉末と、から成る。ジルコニア粉末は、アルミナ粉末とともに焼結されることによって、過剰な焼結が抑制される。その結果、骨格部内に大きな空隙が形成されることが抑制される（以下、「焼結遅延効果」ともいう）。

本導電性ペースト中における骨材の配合量は、上記導電性金属粒子１００体積部に対して、２５〜８０体積部であり、好ましくは２５〜６７体積部であり、特に好ましくは２５〜５５体積部である。２５体積部未満である場合、下地セラミックと電極との接合性が低い。また、ジルコニアとアルミナとを所定の割合で混合しても、ジルコニア粉末に対する焼結遅延効果が顕在化し難い。８０体積部を超える場合、形成される電極の比抵抗値が高くなる。

骨材中におけるジルコニア粉末の割合は８〜９４質量％であり、好ましくは１５〜９０質量％であり、特に好ましくは３０〜８５質量％である。８質量％未満である場合、アルミナ粉末の焼結が不十分になり、骨格部内に空隙が多く残存する。その結果、得られる電極は、導電性金属粉末の粒子同士が十分に焼結しておらず、抵抗値が高いものとなる。９４質量％を超える場合、ジルコニア粉末の焼結が過剰となり、骨格部内で導電性金属が偏在して電極切れを起しやすくなる。その結果、得られる電極は抵抗値が高いものとなる。

また、骨材中におけるアルミナ粉末の割合は６〜９２質量％であり、好ましくは１０〜８５質量％であり、特に好ましくは１５〜７０質量％である。６質量％未満である場合、ジルコニア粉末に対する焼結遅延効果が不十分になる。その結果、焼結後に骨格部内に大きな空隙が残存し、骨格部内で導電性金属が偏在して電極切れを起しやすくなる。９２質量％を超える場合、アルミナ粉末の焼結が不十分になり、骨格部内に空隙が多く残存する。その結果、得られる電極は、導電性金属粒子同士が十分に焼結しておらず、抵抗値が高いものとなる。

〔ジルコニア粉末〕
本導電性ペーストに配合されるジルコニア粉末は、アルミナ粉末とともに焼結される。これにより、ジルコニアとアルミナとから構成される骨格部が形成される。この骨格部内で、前記導電性金属粉末は互いに焼結乃至融接されている。アルミナ粉末（後述）は、ジルコニア粉末が存在することにより十分に焼結され、骨格部を緻密化させる。

ジルコニア粉末の平均粒子径は、０．０５〜２．５μｍであり、好ましくは０．０６〜２．３μｍであり、より好ましくは０．１〜１．０μｍであり、特に好ましくは０．３〜０．６μｍである。平均粒子径が０．０５μｍ未満である場合、粒子の付着力（相互作用）が大きくなるため、ペースト中で十分に分散されず、空隙を多く含む凝集粒の状態で残り易くなり、焼成後においても骨格内部に多数の空隙が残存する。その結果、電極の比抵抗が高くなったり、ペーストの粘度が高くなり均一な膜を形成することが困難になったりする。また、そのようなジルコニア粉末は非常に高価であり、ペーストのコストアップを招く。平均粒子径が２．５μｍを超える場合、焼結後においても骨格部内に大きな空隙が残存する結果、骨格部内で導電性金属が偏在して電極切れを起しやすくなる。その結果、得られる電極は抵抗値が高いものとなる。また、形成される電極の表面が粗くなり接触抵抗を増加させる。

ジルコニア粉末としては、各種の安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアを使用することができる。特に、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）が１〜１０モル％添加されたイットリア安定化ジルコニアは、焼成時における相転移が抑制されるため好ましい。なお、ジルコニア（ＺｒＯ_２）の密度（２５℃）は、６．０ｇ／ｃｍ^３であり、イットリア安定化ジルコニアの密度（２５℃）は通常、５．９〜６．１ｇ／ｃｍ^３である。

〔アルミナ粉末〕
本導電性ペーストに配合されるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末は、ジルコニア粉末とともに焼結される。これにより、ジルコニアとアルミナとから構成される骨格部が形成される。この骨格部内で、前記導電性金属粉末は互いに焼結乃至融接されている。ジルコニア粉末は、アルミナ粉末とともに焼結されることによって、過剰な焼結が抑制される。その結果、骨格部内に大きな空隙が形成されることが抑制される。

アルミナ粉末の平均粒子径は、０．０５〜１．０μｍであり、好ましくは０．１〜１．０μｍであり、より好ましくは０．１〜０．５μｍであり、特に好ましくは０．１５〜０．２５μｍである。平均粒子径が０．０５μｍ未満である場合、粒子の付着力（相互作用）が大きくなるため、ペースト中で十分に分散されず、空隙を多く含む凝集粒の状態で残り易くなり、焼成後においても骨格内部に多数の空隙が残存する。その結果、電極の比抵抗が高くなる。平均粒子径が１．０μｍを超える場合、ジルコニア粉末の焼結遅延効果が不十分になる。なお、アルミナの密度（２５℃）は通常、３．９〜４．１ｇ／ｃｍ^３である。

〔樹脂〕
本導電性ペーストに配合される樹脂は、ともに配合される有機溶媒（後述）に一部又は全部が溶解して、本導電性ペーストの粘度を上昇させる。そして、本導電性ペーストによって下地セラミックに形成された電極パターンが焼成されるまでの間、その電極パターンを保持する。本導電性ペーストに配合される樹脂は、本導電性ペーストを焼成する温度以下の温度で分解して消失することを要する。このような樹脂としては、特に限定されないが、アミノ樹脂、ケトン樹脂、エチルセルロース、ニトロセルロースが例示される。

本導電性ペースト中における樹脂の配合量は、特に限定されないが、好ましくは０．５〜１０質量％であり、特に好ましくは１〜５質量％である。０．５質量％以上である場合、本導電性ペーストで形成された電極パターンを保持しやすい。１０質量％以下である場合、ジルコニア粉末、アルミナ粉末及び導電性金属粉末の焼結を阻害し難い。

〔有機溶媒〕
本導電性ペーストに配合される有機溶媒は、ともに配合される樹脂の一部又は全部を溶解するとともに、導電性金属粉末、ジルコニア粉末、アルミナ粉末と混練されてペーストを形成する。本導電性ペーストに配合される有機溶媒は、本導電性ペーストを焼成する温度以下の温度で揮散等されて消失することを要する。このような有機溶媒としては、特に限定されないが、エチレングリコール、グリセリン、ターピネオール、ブチルカルビトール、ブチルカルビトールアセテート、テキサノールが例示される。

本導電性ペースト中に配合される有機溶媒の配合量は、特に限定されないが、好ましくは５〜３０質量％であり、特に好ましくは１０〜２０質量％である。

〔本導電性ペーストの製造方法〕
本導電性ペーストは、有機溶媒、導電性金属粉末、ジルコニア粉末、アルミナ粉末を混練して製造される。混練は各原料を均一に混練できればどのような方法で行ってもよい。例えば、手撹拌、ボールミル、リボンミキサー、インターナルミキサー、スクリュー型ニーダ、ヘンシェルミキサー、マラー型ミル、ロールミル等を用いて行えばよい。有機溶媒には、混練前及び／又は後に、樹脂が添加され、粘度が調整される。

〔本導電性ペーストの使用方法〕
本導電性ペーストを用いて、下地セラミックに電極を形成する方法について以下に説明する。
先ず、必要に応じて本導電性ペーストに有機溶媒等を加えて粘度を調整し、次に、スクリーン印刷等の方法によって、導電性ペーストから成る電極パターンを下地セラミックに形成する。この電極パターンは必要に応じて乾燥された後に焼成される。これにより、下地セラミックに電極が形成される。

焼成温度は、導電性金属の種類、各粉末の粒子径等によって異なるが、一般に１２００〜２０００℃であり、好ましくは１３００〜１８００℃であり、特に好ましくは１４００〜１６００℃である。１２００℃未満である場合、ジルコニア粉末の焼結が不十分になりやすい。２０００℃を超えると、アルミナの融点（約２０７２℃）を超えるため、ジルコニアとアルミナとが焼結してなる骨格中に大きな空隙が形成されやすく、得られる電極の比抵抗値が大きくなりやすい。

焼成時間は、焼成温度や形成する電極の膜厚によって異なるが、一般に０．５〜５時間であり、好ましくは１〜３時間である。なお、一般に粉末粒子の平均粒子径が小さいほど、低温かつ短時間で焼結されやすい。

本導電性ペーストを用いて形成される電極の比抵抗値は、３７μΩ・ｃｍ以下であることが好ましく、３５μΩ・ｃｍ以下であることがより好ましく、３３μΩ・ｃｍ以下であることがさらに好ましく、３２μΩ・ｃｍ以下であることが特に好ましい。電極の比抵抗値の下限は特に限定されないが、一般に１７μΩ・ｃｍ以上である。

以下、実施例によって本発明を具体的に説明する。本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。また、以下の実施例において体積部とは２５℃における体積部をいう。

〔実施例１〕
平均粒子径１．３μｍの白金粉末を１００質量部、平均粒子径０．２μｍのアルミナ粉末を１４．１３質量部、平均粒子径０．５μｍのイットリア安定化ジルコニア粉末を１．２３質量部、エチルセルロースを１．７０質量部、分散剤としてポリカルボン酸系分散剤を０．５０質量部、及びターピネオールを１５質量部を混合し、３本ロールミルを用いて室温で１時間（ペースト１００ｇ当り）混練して導電性ペーストを得た。この導電性ペーストをアルミナ基板にスクリーン印刷によって塗布後、１２５℃で１０分間乾燥し、次いで１４５０℃で２時間焼成することによって、アルミナ基板上に電極を形成させた。この電極の抵抗値をデジタルマルチメーターを用いて４端子法で測定し、接触式表面形状測定器を用いて測定された電極の膜厚から比抵抗値を算出したところ、３５．５μΩ・ｃｍとなった。

なお、白金の密度を２１．４ｇ／ｃｍ^３、アルミナの密度を４．０ｇ／ｃｍ^３、ジルコニアの密度を６．０ｇ／ｃｍ^３として換算したこれら３成分の体積比は、白金粉末１００体積部に対して、アルミナ粉末が７５．６体積部、ジルコニア粉末が４．４体積部である。

〔実施例２−５、比較例１−２〕
白金粉末、アルミナ粉末、ジルコニア粉末の配合量を表１に記載するとおりに変更した他は、実施例１と同様に導電性ペーストを作成した。これを用いて形成した電極の比抵抗値は表１に記載した。なお、実施例１−５、及び比較例１−２においては、骨材の配合量は、白金１００体積部に対して８０体積部である。

〔実施例６−１０、比較例３−４〕
白金粉末、アルミナ粉末、ジルコニア粉末の配合量を表１に記載するとおりに変更した他は、実施例１と同様に導電性ペーストを作成した。これを用いて形成した電極膜の比抵抗値は表１に記載した。なお、実施例６−１０、及び比較例３−４においては、骨材の配合量は、白金１００体積部に対して６６．７体積部である。

〔実施例１１−１５、比較例５−６〕
白金粉末、アルミナ粉末、ジルコニア粉末の配合量を表１に記載するとおりに変更した他は、実施例１と同様に導電性ペーストを作成した。これを用いて形成した電極膜の比抵抗値は表１に記載した。なお、実施例１１−１５、及び比較例５−６においては、骨材の配合量は、白金１００体積部に対して５３．４体積部である。

〔実施例１６−２０、比較例７−８〕
白金粉末、アルミナ粉末、ジルコニア粉末の配合量を表１に記載するとおりに変更した他は、実施例１と同様に導電性ペーストを作成した。これを用いて形成した電極膜の比抵抗値は表１に記載した。なお、実施例１６−２０、及び比較例７−８においては、骨材の配合量は、白金１００体積部に対して４０．１体積部である。

〔実施例２１−２５、比較例９−１０〕
白金粉末、アルミナ粉末、ジルコニア粉末の配合量を表１に記載するとおりに変更した他は、実施例１と同様に導電性ペーストを作成した。これを用いて形成した電極膜の比抵抗値は表１に記載した。なお、実施例２１−２５、及び比較例９−１０においては、骨材の配合量は、白金１００体積部に対して２６．８体積部である。

実施例１−２５及び比較例１−１０から判るように、アルミナ粉末とジルコニア粉末とが所定割合で混合されてなる本導電性ペーストを用いて形成された電極は比抵抗値が小さい。本導電性ペーストを用いる場合、骨材の体積配合量が同量、即ち下地と電極との接合性が同程度であっても、比抵抗値が小さい電極を形成することができる。

〔比較例１１−１７〕
白金粉末、アルミナ粉末、ジルコニア粉末の配合量を表１に記載するとおりに変更した他は、実施例１と同様に導電性ペーストを作成した。これを用いて形成した電極膜の比抵抗値は表１に記載した。なお、比較例１１−１７においては、骨材の配合量は、白金１００体積部に対して１８．２体積部である。

比較例１１−１７から判るように、骨材の配合量（体積）が少ない場合、アルミナ粉末とジルコニア粉末とを所定割合で混合しても、ジルコニア粉末に対する焼結遅延効果が顕在化しない。

〔比較例１８−２４〕
白金粉末、アルミナ粉末、ジルコニア粉末の配合量を表１に記載するとおりに変更した他は、実施例１と同様に導電性ペーストを作成した。これを用いて形成した電極膜の比抵抗値は表１に記載した。なお、比較例１８−２４においては、骨材の配合量は、白金１００体積部に対して９０．０体積部である。

比較例１８−２４から判るように、骨材の配合量（体積）が多い場合、アルミナ粉末とジルコニア粉末とを所定割合で混合しても、比抵抗が小さい電極を製造することができない。

〔実施例２６−２９、比較例２５−２６〕
アルミナの平均粒子径を表２に記載するものに変更した他は、実施例１８と同様に導電性ペーストを作成した。これを用いて形成した電極膜の比抵抗値を測定した。結果は表２に示した。

〔実施例３０−３３、比較例２７−２８〕
ジルコニアの平均粒子径を表２に記載するものに変更した他は、実施例１８と同様に導電性ペーストを作成した。これを用いて形成した電極膜の比抵抗値を測定し、表２に記載した。

〔実施例３４−３７〕
アルミナ及びジルコニアの平均粒子径を表２に記載するものに変更した他は、実施例１８と同様に導電性ペーストを作成した。これを用いて形成した電極膜の比抵抗値を測定し、表２に記載した。

実施例２６−３７から判るように、アルミナ粉末及びジルコニア粉末の平均粒子径が所定範囲内である場合、焼結遅延効果が発揮され、比抵抗値が小さい電極を形成しやすい。一方、比較例２５−２８から判るように、アルミナ粉末及びジルコニア粉末の平均粒子径が所定範囲外である場合、焼結遅延効果が発揮されず、比抵抗値が小さい電極を形成し難い。

Claims

（１）導電性金属粉末と、
（２）レーザー光散乱法による平均粒子径が０．０５〜２．５μｍのジルコニア粉末と、レーザー光散乱法による平均粒子径が０．１〜１．０μｍのアルミナ粉末と、から成る骨材と、
（３）樹脂と、
（４）有機溶媒と、
を含んで成る電極形成用の導電性ペーストであって、
２５℃における前記導電性金属粉末１００体積部に対し、前記骨材を２５〜８０体積部含み、
且つ前記骨材中におけるジルコニアの割合が８〜９４質量％であり、アルミナの割合が６〜９２質量％であることを特徴とする電極形成用の導電性ペースト。
前記導電性金属粉末が白金又は白金合金である請求項１に記載の導電性ペースト。
前記ジルコニアが、イットリア安定化ジルコニアである請求項１に記載の導電性ペースト。