JP6517915B2 - 逆硬化プロファイル挙動を有するポリマー厚膜銀導体 - Google Patents

Description

本発明は、典型的なＰＴＦ導体と対比して、１３０℃で乾燥される場合よりも８０℃で乾燥される場合により良く機能するポリマー厚膜（ＰＴＦ）導体組成物に関する。より具体的には、このポリマー厚膜導体組成物は、低温硬化が必要とされる用途で使用されてもよい。

導電性ＰＴＦ回路は、低電圧電気回路の電気素子として長く使用されてきた。それらはこれらの種類の用途で長年使用されてきたが、９０℃未満の温度での硬化が要求される用途でのＰＴＦ銀導体の使用は、一般的ではない。これは、非常に導電性の銀組成物が、９０℃を超える温度に耐えることができない基礎基材で必要とされる回路で、特に重要である。使用される典型的な基材は、１３０℃の乾燥サイクルに耐えることができるポリエステルおよびポリカーボネートである。典型的なＰＴＦ導体が１３０℃で乾燥される場合、それは、低い（１５ミリオーム／ｓｑ／ｍｉｌ）抵抗率および基材への良好な接着性などの最適特性を示す。典型的なＰＴＦ導体が８０℃で乾燥される場合、得られた特性は、劣っており、機能性回路に受け入れられない。しかしながら、９０℃を超える温度に曝露されてはならないポリ二フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、または他のこのような基材を必要とする用途がますます開発されている。本発明の目的の１つは、この課題に対処し、したがって、特性が１３０℃で乾燥された典型的なＰＴＦ導体に匹敵するように、８０℃で乾燥される場合に優れた性能を有するＰＴＦ導体を処方することである。

本発明は、
（ａ）３０〜９０重量％の銀粉末；ならびに
（ｂ）リン酸トリエチルからなる４０〜９０重量％の有機溶媒に溶解された１０〜６０重量％の熱可塑性二フッ化ビニリデン／ヘキサフルオロプロピレンコポリマー樹脂を含む１０〜７０重量％の有機媒体であって、熱可塑性二フッ化ビニリデン／ヘキサフルオロプロピレンコポリマー樹脂およびリン酸トリエチル有機溶媒の重量パーセントは有機媒体の全重量に基づく、有機媒体
を含む、ポリマー厚膜導体組成物であって、
前記銀粉末は、前記有機媒体中に分散されており、かつ前記銀粉末および有機媒体の重量パーセントは、ポリマー厚膜導体組成物の全重量に基づく、ポリマー厚膜導体組成物に関する。

本発明は、低温基材電気回路における使用のためのポリマー厚膜導体組成物に関する。ポリマー厚膜導体組成物の層は、機能性回路を製造するために基材上に印刷され、８０℃で乾燥される。このポリマー厚膜導体組成物は、逆硬化挙動を示し、すなわち、１３０℃で乾燥される場合と比較して８０℃で乾燥される場合により低い抵抗率をもたらす。

ポリマー厚膜回路で一般的に使用される基材は、とりわけ、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエステル（ＰＥＴ）である。ＰＥＴは、１３０℃などの比較的高い温度で加工することができるので概して好ましい。しかしながら、多くの用途にとって、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）およびポリ二フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの基材が使用され、それらは、それらが変形する前におよそ８０℃の最高温度に曝露することができるにすぎない。

ポリマー厚膜（ＰＴＦ）導体組成物は、（ｉｉ）リン酸トリエチルからなる有機溶媒に溶解されたポリマー樹脂を含む有機媒体、中に分散された（ｉ）銀粉末を含む。

さらに、組成物を改善するために、粉末および印刷助剤が添加されてもよい。本明細書において、重量パーセントは、重量％として記される。

Ａ．導電性粉末
ある実施形態において、本ポリマー厚膜導体組成物中の導電性粉末は、Ａｇ導体粉末であり、Ａｇ金属粉末、Ａｇ金属粉末の合金、Ａｇ被覆銅粉末、またはそれらの混合物を含んでもよい。本明細書で使用される場合、「銀粉末」および「金属粉末」には、前の文で列挙された粉末のすべてが含まれる。金属粉末の様々な粒子直径および形状が企図される。ある実施形態において、導電性Ａｇ粉末は、フレーク（棒、円錐、平板）、およびそれらの混合物の形態の、球状である粒子を含めて、任意の形状の銀粒子を含んでもよい。１つの実施形態において、導電性銀粉末は、銀フレーク、銀被覆銅粒子、およびそれらの混合物からなる群から選択される粒子を含む。ある実施形態において、導電性銀粉末は、銀フレークの形態の粒子を含む。別の実施形態において、導電性銀粉末は、銀粒子と銀被覆銅粒子の混合物を含む。銀被覆銅粒子の使用は、低効率の増加をもたらすが、銀粒子のみの使用よりも低いコストをもたらし、これはある種の用途で有用である。

ある実施形態において、導電性粉末の粒子サイズ分布は、１〜１００ミクロン；さらなる実施形態において、２〜１０ミクロンであってもよい。

ある実施形態において、銀粒子の表面積／重量比は、０．１〜１．０ｍ²／ｇの範囲であってもよい。

さらに、導体の特性を改善するために、少量の他の金属が銀導体組成物に添加されてもよいことは公知である。このような金属の一部の例としては、金、ニッケル、アルミニウム、白金、パラジウム、モリブデン、タングステン、タンタル、スズ、インジウム、ランタン、ガドリニウム、ホウ素、ルテニウム、コバルト、チタン、イットリウム、ユーロピウム、ガリウム、硫黄、亜鉛、ケイ素、マグネシウム、バリウム、セリウム、ストロンチウム、鉛、アンチモン、導電性炭素、およびそれらの組み合わせ、ならびに厚膜組成物の技術分野で一般的なその他のものが挙げられる。追加の金属は、全組成物の約１．０重量パーセントまで構成してもよい。本明細書で使用される場合、銀粉末は、このような追加の金属を包含する。

様々な実施形態において、銀粉末は、組成物の全重量に基づいて、３０〜９０重量％、４０〜８０重量％、または５８〜７０重量％で存在する。

Ｂ．有機媒体
有機媒体は、リン酸トリエチルからなる有機溶媒中に溶解された熱可塑性二フッ化ビニリデン／ヘキサフルオロプロピレン（ＶＦ２／ＨＦＰ）コポリマー樹脂を含む。リン酸トリエチルは、本ポリマー膜厚導体組成物の決定的な成分である。溶媒をリン酸トリエチル以外の何かに変えることは、８０℃の乾燥後に適当な膜厚導体を与えることに組成物を有効でなくする。いつものこととして、使用される溶媒は、樹脂を可溶化しなければならない。

様々な実施形態において、有機媒体は、組成物の全重量に基づいて、１０〜７０重量％、２０〜６０重量％、または３０〜４２重量％で存在する。

１つの実施形態において、熱可塑性ＶＦ２／ＨＦＰ樹脂は、有機媒体の全重量の１０〜６０重量％であり、リン酸トリエチルは、４０〜９０重量％である。別の実施形態において、熱可塑性ＶＦ２／ＨＦＰ樹脂は、有機媒体の全重量の２０〜４５重量％であり、リン酸トリエチルは、５５〜８０重量％であり、さらに別の実施形態において、熱可塑性ＶＦ２／ＨＦＰ樹脂は、有機媒体の全重量の２５〜３５重量％であり、リン酸トリエチルは、６５〜７５重量％である。

ポリマー樹脂は、典型的には機械的混合によって有機溶媒に添加されて、有機媒体を形成する。

銀粉末が有機媒体に分散された後、組成物の粘度を調整するために、追加のリン酸トリエチルがポリマー膜厚導体組成物に添加されてもよい。このために添加されるリン酸トリエチルの量は、上に示されたリン酸トリエチル溶媒の量に含まれる。

追加の粉末
接着性を改善し、粘弾性を改良し、低剪断粘度を増加させ、それらによって印刷適性を改善するために、様々な粉末が、ＰＴＦ導体組成物に添加されてもよい。

ＰＴＦ導体組成物の用途
「ペースト」とも称される、ＰＴＦ導体組成物は、典型的には、ガスおよび水分に不浸透性である基材、例えば、ＰＶＤＦまたはＰＶＣ上に堆積される。基材は、プラスチックシートとその上に堆積された任意選択の金属または誘電体の層との組み合わせから構成された複合材料のシートであることもできる。

ＰＴＦ導体組成物の堆積は、典型的にはスクリーン印刷によって行われるが、ステンシル印刷、シリンジ分配またはコーティング技術などの他の堆積技術を用いることができる。スクリーン印刷の場合、スクリーンメッシュサイズにより堆積された厚膜の厚さが制御される。

一般に、厚膜組成物は、適切な電気的機能性を組成物に与える機能相を含む。機能相は、機能相のための担体として作用する有機媒体中に分散された電気的機能性粉末を含む。一般に、組成物は、有機媒体のポリマーと溶媒の両方を焼尽させ、電気的機能性を与えるために焼成される。しかしながら、ポリマー厚膜の場合、有機媒体のポリマー部分は乾燥後に組成物の一体部分として残る。

ＰＴＦ導体組成物は、すべての溶媒を除去するために必要な時間および温度で加工される。例えば、堆積された厚膜は、８０℃で典型的には５分間熱に曝露することによって乾燥される。

回路構成
およそ８０℃の最高温度に曝露することができるにすぎないポリ塩化ビニルおよびポリ二フッ化ビニリデンなどの基材は、本ＰＴＦ導体組成物と一緒の使用に適する。ＰＴＦ導体組成物は、上に記載された条件のとおりに印刷および乾燥される。いくつかの層が印刷および乾燥され得る。

実施例および比較実験で使用される基礎基材は、ＰＥＴであり、その結果、乾燥は、８０℃および１３０℃で行って、本ＰＴＦ導体組成物の利点を示すことができた。
なお、本発明は、以下の発明を包含するものである。
１．（ａ）３０〜９０重量％の銀粉末；ならびに
（ｂ）リン酸トリエチルからなる４０〜９０重量％の有機溶媒中に溶解された１０〜６０重量％の熱可塑性二フッ化ビニリデン／ヘキサフルオロプロピレンコポリマー樹脂を含む１０〜７０重量％の有機媒体であって、前記熱可塑性二フッ化ビニリデン／ヘキサフルオロプロピレンコポリマー樹脂および前記リン酸トリエチル有機溶媒の重量パーセントは、前記有機媒体の全重量に基づく、有機媒体
を含むポリマー厚膜導体組成物であって、
前記銀粉末は、前記有機媒体中に分散されており、かつ前記銀粉末および前記有機媒体の重量パーセントは、前記ポリマー厚膜導体組成物の全重量に基づく、ポリマー厚膜導体組成物。
２．前記銀粉末が、銀フレーク、銀被覆銅粒子、およびそれらの混合物からなる群から選択される粒子を含む、１に記載のポリマー厚膜導体組成物。
３．１に記載のポリマー厚膜導体組成物から形成されたポリマー厚膜導体を含む、電気回路。
４．前記ポリマー厚膜導体組成物が、９０℃未満の温度で乾燥された、３に記載の電気回路。
５．前記電気回路が、ポリ二フッ化ビニリデンまたはポリ塩化ビニルの基材をさらに含む、４に記載の電気回路。

実施例および比較実験
実施例１
ＰＴＦ導体組成物は、以下の仕方で調製した。３４．３１重量％の有機媒体を使用し、３２．５重量％の二フッ化ビニリデン／ヘキサフルオロプロピレンコポリマー樹脂、ＡＤＳ２（Ａｒｋｅｍａ，Ｉｎｃ．Ｋｉｎｇ ｏｆ Ｐｒｕｓｓｉａ，ＰＡ）を６７．５重量％のリン酸トリエチル（Ｅａｓｔｍａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｋｉｎｇｓｐｏｒｔ，ＴＮ）有機溶媒と混合することによって調製した。樹脂およびリン酸トリエチルの重量％は、有機媒体の全重量に基づく。樹脂の分子量は、およそ２０，０００であった。この混合物を９０℃で１〜２時間加熱して、樹脂をすべて溶解させた。およそ５ミクロンの平均粒子サイズを有する６３．７２重量％のフレーク銀粉末を添加した。最後に、１．９７重量％のリン酸トリエチルを添加して、このペーストの粘度を低減させた。二フッ化ビニリデン／ヘキサフルオロプロピレンコポリマー樹脂、有機媒体および添加されたリン酸トリエチルの重量％は、ＰＴＦ導体組成物の全重量に基づいた。

この組成物を遊星型ミキサー上で３０分間混合し、次いで、３本ロールミル上でいくつかのパスにかけて、ＰＴＦ導体組成物を得た。

次いで、回路を以下のとおりに製作した。５ミル厚のＰＥＴ基材上に、ＰＴＦ導体組成物を使用して、２８０メッシュステンレス鋼スクリーンを使用して一連の蛇行銀線のパターンを印刷した。パターン化された線を、強制空気箱オーブン中、８０℃で５分間乾燥させた。回路を検査し、抵抗率および接着性を試験した。優れた抵抗率（１５ミリオーム／ｓｑ／ｍｉｌ）および接着性（ＡＳＴＭテープ試験を使用して基材から除去されない）が見出された。結果を表Ｉに示す。

比較実験Ａ
実施例１に記載されたとおりに正確に、回路を製造した。唯一の違いは、導電性パターンを１３０℃で１０分間乾燥させることであった。表１に見ることができるように、ＰＴＦ銀組成物の特性は、８０℃で乾燥された場合のものと比較して１３０℃で乾燥された場合により悪かった。結果を表Ｉに示す。

比較実験Ｂ
実施例１に記載されたとおりに正確に、回路を製造した。唯一の違いは、リン酸トリエチルに代えて有機溶媒として二塩基性エステルを使用することであった。８０℃に対して１３０℃での乾燥の結果は、ＰＴＦ導体の典型的なものであった（より高い温度でのより良好な性能）。８０℃での優れた性能は見られなかった。結果を表Ｉに示す。

比較実験Ｃ
実施例１に記載されたとおりに正確に、回路を製造した。唯一の違いは、市販の銀導体ペースト、ＤｕＰｏｎｔ ５０２５（ＤｕＰｏｎｔ Ｃｏ．，Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥ）を使用して回路を形成することである。８０℃に対して１３０℃での乾燥の結果は、ＰＴＦ導体の典型的なものであった（より高い温度での良好な性能）。８０℃での優れた性能は見られなかった。結果を表Ｉに示す。

実施例２
ここで使用した組成物が、フレーク銀と銀被覆銅（Ａｍｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ；３μｍの平均粒子サイズ）とのおよそ５０／５０ブレンドを有したことを除いて、実施例１に記載されたとおりに正確に、回路を製造した。表１で見ることができるように、ＰＴＦ銀組成物の抵抗率は、８０℃で乾燥された場合のものと比較して１３０℃で乾燥された場合により高かった。優れた接着性が見出された。結果を表Ｉに示す。

Claims (2)

1. （ａ）銀粉末及び、全組成物の１．０重量パーセントまでの追加の金属粉末若しくは導電性炭素粉末を含む、３０〜９０重量％の導電性粉末；ならびに
   （ｂ）リン酸トリエチルからなる４０〜９０重量％の有機溶媒中に溶解された１０〜６０重量％の熱可塑性二フッ化ビニリデン／ヘキサフルオロプロピレンコポリマー樹脂を含む１０〜７０重量％の有機媒体であって、前記熱可塑性二フッ化ビニリデン／ヘキサフルオロプロピレンコポリマー樹脂および前記リン酸トリエチル有機溶媒の重量パーセントは、前記有機媒体の全重量に基づくものである、有機媒体；
   を含むポリマー厚膜導体組成物であって、
   前記導電性粉末は、前記有機媒体中に分散されており、かつ前記導電性粉末および前記有機媒体の重量パーセントは、ポリマー厚膜導体組成物の全重量に基づくものであり、且つ、ポリマー厚膜導体は、ポリマー厚膜導体組成物を９０℃未満の温度で乾燥させることにより形成され得る、ポリマー厚膜導体組成物。
2. 請求項１に記載のポリマー厚膜導体組成物であって、
   前記銀粉末が、銀フレーク、銀被覆銅粒子、およびそれらの混合物からなる群から選択される粒子を含み、且つ、ポリマー厚膜導体は、ポリマー厚膜導体組成物を８０℃の温度で乾燥させることにより形成され得る、ポリマー厚膜導体組成物。