JP6654922B2

JP6654922B2 - 導電フィラー用粉末

Info

Publication number: JP6654922B2
Application number: JP2016026525A
Authority: JP
Inventors: 文宏前澤
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2016-02-16
Filing date: 2016-02-16
Publication date: 2020-02-26
Anticipated expiration: 2036-02-16
Also published as: JP2017145440A

Description

本発明は、導電性樹脂、導電性プラスチック、導電性ペースト、電子機器、電子部品等に用いられる導電フィラーに適した粉末に関する。

導電性物質に含有されるフィラーに、金、銀、白金及び銅のような貴金属の粉末が用いられている。他の金属の表面に貴金属がコーティングされた粉末も、導電フィラーとして用いられている。貴金属の電気抵抗は小さいので、この貴金属を含むフィラーは導電性に優れる。貴金属を含む粒子の凝集により、粒子同士の大きな接触面積が得られるので、この観点からも貴金属はフィラーの導電性に寄与する。貴金属はさらに、熱伝導性にも優れる。

貴金属は、高価である。従って、貴金属を含む導電性物質の材料コストは、高い。しかも、貴金属は高比重である。従って、貴金属を含む導電性物質は、重い。コスト低減及び軽量化の観点から、貴金属以外の元素を含む合金の検討が、種々なされている。

特開２００４−４７４０４公報には、シリコン化合物からなる粒子の表面に、炭素がコーティングされた導電フィラー用合金が開示されている。この粒子では、シリコン微結晶がシリコン化合物に分散している。

特開２００６−５４０６１公報には、Ａｇからなる粒子の表面に、Ｓｉ又はＳｉ系化合物がコーティングされた導電フィラー用合金が開示されている。

特開２００８−２６２９１６公報には、銀と、０．０１−１０質量％のＳｉとを含有する導電フィラー用合金が開示されている。この合金では、銀粒子の表面に、ＳｉＯ_２のゲルがコーティングされている。

特開２００６−３０２５２５公報には、Ａｇを含み、さらにＡｌ又はＳｉが添加された導電フィラー用合金が開示されている。

特開２００４−４７４０４公報特開２００６−５４０６１公報特開２００８−２６２９１６公報特開２００６−３０２５２５公報

近年、電子機器の高性能化及び用途拡大が進んでいる。導電性物質には、低コスト化及び軽量化の要請がある。

本発明の目的は、導電性に優れ、低コストで得られ、かつ軽量である導電フィラー用粉末の提供にある。

本発明に係る導電フィラー用粉末の材質は、０．１質量％以上２０質量％のＡｇ、４０質量％以上５０質量％未満のＳｉ、及び導電性の元素Ｘ１を含み、残部は不可避的不純物である。この合金は、
（Ｉ）Ａｇ相
（II）Ｓｉ及び元素Ｘ１を含有するシリサイド相
並びに
（III)Ｓｉ相
を有する。この粉末の密度は、２．０Ｍｇ／ｍ^３以上６．０Ｍｇ／ｍ^３以下である。

好ましくは、この合金におけるＡｇの含有率は、５質量％以上２０質量％以下である。

好ましくは、元素Ｘ１は、Ｂ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択された１種又は２種以上である。

好ましくは、この合金における元素Ｘ１の含有率は、２０質量％以上６０質量％未満である。

本発明に係る導電フィラー用粉末は、材質がＳｉを含む合金であるため、低コストで得られうる。この粉末は、貴金属がコーティングされて得られる粉末に比べ、製造に手間がかからず、しかもコーティング層の剥離の問題も生じない。この粉末は低密度でもある。この粉末では、Ａｇ相及びシリサイド相が、導電性に寄与する。この粉末は、諸性能に優れている。

本発明に係る導電フィラー用粉末は、多数の粒子の集合である。この粒子の材質は、合金である。この合金は、Ａｇ、Ｓｉ、元素Ｘ１及び不可避的不純物を含んでいる。元素Ｘ１は、導電性である。元素Ｘ１の電気伝導度は、１００ＡＶ^−１ｍ^−１以上である。

好ましくは、この合金は、
（１）０．１質量％以上２０質量％以下のＡｇ
並びに
（２）４０質量％以上５０質量％以下のＳｉ
を含み、かつ、残部は元素Ｘ１及び不可避的不純物である。合金が、積極的に添加された他の元素を含んでもよい。他の元素として、Ａｕ及びＣｕが例示される。

この合金は、
（Ｉ）Ａｇ相
（II）Ｓｉ及び元素Ｘ１を含有するシリサイド相
並びに
（III)Ｓｉ相
を有する。この合金は、混相組織を有する。

この合金のマトリクスは、Ｓｉ相である。この合金では、Ｓｉ相中に複数のＡｇ相が分散している。この合金では、Ｓｉ相中に複数のシリサイド相も分散している。この合金では、シリサイド相と他のシリサイド相とを、Ａｇ相がジョイントしている。このＡｇ相は、導電パスを形成している。後述されるように、Ａｇ相及びシリサイド相の電気抵抗は、低い。この合金では、電気は、Ａｇ相及びシリサイド相を通じて流れる。この粉末は、導電性に極めて優れる。

Ａｇ相（Ｉ）の主成分は、Ａｇである。Ａｇ相（Ｉ）が、Ａｇのみを含んでもよい。Ａｇ相（Ｉ）が、Ａｇと共に、少量の他の元素を含んでもよい。Ａｇ相（Ｉ）におけるＡｇの含有率は、９０質量％以上である。好ましくは、Ａｇ相（Ｉ）は、金属間化合物を実質的に含まない。従ってこのＡｇ相（Ｉ）の電気抵抗は、極めて低い。このＡｇ相（Ｉ）は、粉末の導電性に寄与する。

この合金の特徴の１つは、Ａｌを実質的に含まないことである。ＡｌはＡｇとの間で金属間化合物を形成する性質を有する。合金がＡｌを実質的に含まないので、Ａｇ相（Ｉ）は、ＡｌとＡｇとの金属間化合物を実質的に含まない。このＡｇ相（Ｉ）は、粉末の導電性に寄与する。本発明において「合金がＡｌを実質的に含まない」とは、Ａｌが積極的に合金に含有させられないことを意味する。不可避的不純物としてのＡｌを合金が含むことは、許容される。

後述されるように、この粉末は、アトマイズによって製造されうる。アトマイズ後の粒子では、Ａｇ相（Ｉ）は、主として、表面ではなく内部に析出する。内部に存在するＡｇ相（Ｉ）は、空気と直接には接触しない。この粉末では、Ａｇのイオンマイグレーションが生じにくい。従って、コスト及び軽量の観点から許容される範囲内で、合金が多量のＡｇを含みうる。この粉末は、導電性に極めて優れる。

シリサイド相（II）は、Ｓｉ及び元素Ｘ１を含有する。元素Ｘ１を含むので、このシリサイド相（II）は導電性である。このシリサイド相（II）を有する合金は、導電性に優れる。元素Ｘ１は、粉末の熱伝導性にも寄与しうる。元素Ｘ１の具体例として、Ｂ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉが挙げられる。合金が、２種以上の元素Ｘ１を含んでもよい。シリサイド相が、Ａｇを含んでもよい。

Ｓｉ相（III)の主成分は、Ｓｉである。Ｓｉ相（III)が、Ｓｉのみを含んでもよい。Ｓｉ相（III)が、Ｓｉと共に、少量の他の元素を含んでもよい。他の元素は、Ｓｉ相（III)にドープされてもよく、固溶してもよい。

従来の導電フィラー粉末には、前述の通り、金、銀、白金及び銅のような貴金属が用いられている。金の密度は１９．３２Ｍｇ／ｍ^３であり、銀の密度は１０．５０Ｍｇ／ｍ^３であり、白金の密度は２１．４５Ｍｇ／ｍ^３であり、銅の密度は８．９６０Ｍｇ／ｍ^３である。一方、Ｓｉの密度は２．３２９Ｍｇ／ｍ^３である。Ｓｉの密度は、小さい。Ｓｉを含む導電フィラー用粉末は、軽量である。この粉末を含む物体は、軽量である。

Ｓｉは、貴金属に比べて低価格である。Ｓｉを含む導電フィラー用粉末は、この粉末を含む物体の低コストを達成する。さらにこの粉末は、コーティングの手間がなく製造されうる。

Ａｇ相（Ｉ）、シリサイド相（II）及びＳｉ相（III)を有する合金では、Ａｇ相（Ｉ）及びシリサイド（II）が導電性に寄与し、Ｓｉ相（III)が軽量及び低コストに寄与する。この合金からなる粉末は、諸性能に優れる。

導電性の観点から、合金におけるＡｇの含有率は、０．１質量％以上が好ましく、１質量％以上がより好ましく、５質量％以上が特に好ましい。イオンマイグレーションが抑制されるとの観点、及び低コストの観点から、合金におけるＡｇの含有率は２０質量％以下が好ましく、１５質量％以下がより好ましく、１２質量％以下が特に好ましい。

導電性の観点から、合金における元素Ｘ１の含有率は２０質量％以上が好ましく、３０質量％以上がより好ましく、４０質量％以上が特に好ましい。合金が十分なＳｉを含有しうるとの観点から、元素Ｘ１の含有率は６０質量％未満が好ましい。

軽量及び低コストの観点から、合金におけるＳｉの含有率は４０質量％以上が好ましい。合金が十分なＡｇ及び元素Ｘ１を含有しうるとの観点から、Ｓｉの含有率は５０質量％未満が好ましい。

導電フィラー用粉末を含む物体の軽量の観点から、この粉末の密度は６．０Ｍｇ／ｍ^３以下が好ましく、５．５Ｍｇ／ｍ^３以下がより好ましく、５．０Ｍｇ／ｍ^３以下が特に好ましい。導電性の観点から、密度は２．０Ｍｇ／ｍ^３以上が好ましく、２．５Ｍｇ／ｍ^３以上がより好ましく、３．０Ｍｇ／ｍ^３以上が特に好ましい。

密度は、島津製作所社の乾式自動密度計「アキュピック II ３４０シリーズ」により測定される。この装置の容器に粉末が投入され、ヘリウムガスが充填される。定容積膨張法に基づき、粉末の密度が検出される。１０回の測定の平均値が算出される。

導電フィラー粉末は、アトマイズ工程を含む液体急冷プロセスによって製造されうる。このプロセスにより、容易かつ安価に粉末が製造されうる。好ましいアトマイズとして、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法、ディスクアトマイズ法及びプラズマアトマイズ法が例示される。ガスアトマイズ法及びディスクアトマイズ法が、特に好ましい。

以下、ガスアトマイズ法の一例が説明される。まず、底部に細孔を有する石英坩堝の中に、原料が投入される。この原料が、アルゴンガス雰囲気中で、高周波誘導炉によって加熱され、溶融する。アルゴンガス雰囲気において、細孔から流出する原料に、アルゴンガスが噴射される。原料は急冷されて凝固し、粉末が得られる。噴射圧の調整により、凝固速度がコントロールされうる。噴射圧が大きいほど、凝固速度は大きい。凝固速度のコントロールにより、所望の粒度分布を有する粉末が得られうる。凝固速度が速いほど、粒度分布の幅は小さい。ガスアトマイズ法によって得られた粉末に、さらにメカニカルミリングが施されてもよい。

以下、ディスクアトマイズ法の一例が説明される。まず、底部に細孔を有する石英坩堝の中に、原料が投入される。この原料が、アルゴンガス雰囲気中で、高周波誘導炉によって加熱され、溶融する。アルゴンガス雰囲気において、細孔から流出する原料が、高速で回転するディスクの上に落とされる。回転速度は、４００００ｒｐｍから６００００ｒｐｍである。ディスクによって原料は急冷され、凝固して、粉末が得られる。この粉末に、さらにメカニカルミリングが施されてもよい。

以下、実施例によって本発明の効果が明らかにされるが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるべきではない。

表１及び２に示される組成を有する実施例１−１５及び比較例１−１５の粉末を得た。これらの粉末は、表１及び２に記載された成分以外に、不可避的不純物を含む。

各粉末の電気伝導度を測定した。まず、篩を用いて径が４５μｍを超える粒子を粉末から除去した。残余の粉末と絶縁性の熱硬化性樹脂(ＥＰＯＭＥＴ-Ｆ)を、体積比が１：１となるように混合した。この混合物を、１８０℃の温度下で加圧し、直径が２５ｍｍである円柱状のサンプルを成形した。抵抗測定器（三菱化学アナリテック社製の低抵抗測定器「ロレスターＧＸ」及びその測定プローブ）を用い、このサンプルの電気抵抗を測定した。この結果が、下記の表１及び２に示されている。

表１及び２における製造プロセスの詳細は、下記の通りである。
Ｇ．Ａ．：ガスアトマイズ法
Ｄ．Ａ．：ディスクアトマイズ法

表１に示される通り、各実施例の粉末の合金は、Ａｇ、Ｓｉ及び導電性の元素Ｘ１を含む。これらの合金における、Ａｇの含有率は０．１質量％以上２０質量％以下であり、Ｓｉの含有率は４０質量％以上５０質量％未満である。これらの粉末の密度は、２．０Ｍｇ／ｍ^３以上６．０Ｍｇ／ｍ^３以下である。

一方、表２に示された各比較例の粉末は、組成及び密度のいずれかが、本発明の要件を満たしていない。比較例１３−１５の粉末には、Ａｌが添加されている。これらの粉末では、合金中にＡｌとＡｇとの金属間化合物が生じている。従ってこれらの粉末は、導電性に劣っている。

表１及び２から明らかなように、各実施例の粉末は、諸性能に優れている。この評価結果から、本発明の優位性は明かである。

本発明に係る粉末は、導電性樹脂、導電性プラスチック、導電性ペースト、電子機器、電子部品等に用いられ得る。

Claims

その材質が、０．１質量％以上２０質量％のＡｇ、４０質量％以上５０質量％未満のＳｉ、及び導電性の元素Ｘ１を含み、残部が不可避的不純物である合金であり、
上記元素Ｘ１が、Ｂ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択された１種又は２種以上であり、
上記合金が、
（Ｉ）Ａｇ相
（II）上記Ｓｉ及び上記元素Ｘ１を含有するシリサイド相
並びに
（III)Ｓｉ相
を有しており、
密度が２．０Ｍｇ／ｍ^３以上６．０Ｍｇ／ｍ^３以下である導電フィラー用粉末。
上記合金における上記Ａｇの含有率が５質量％以上２０質量％以下である請求項１に記載の粉末。
上記合金における上記元素Ｘ１の含有率が２０質量％以上６０質量％未満である請求項１又は２に記載の粉末。