JP6810778B1 - 導電性ペーストとこれを用いた電子部品の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
ここに開示される導電性ペーストは、(A)導電性粉末と、(B)誘電体粉末と、(C)バインダ樹脂と、(D)溶剤と、(E)分散剤と、を含んでいる。なお、以下の説明では、(A)導電性粉末と(B)誘電体粉末とを「無機粉末」の成分といい、(C)バインダ樹脂と(D)溶剤と(E)分散剤とを「有機成分」ということがある。この導電性ペーストは、グラビア印刷に好適に用いることができる。
また、本明細書において「電極層」とは、導電性ペースト中の有機成分、例えば(C)バインダ樹脂と(D)溶剤と(E)分散剤とが消失して、無機粉末、例えば(A)導電性粉末と(B)誘電体粉末とが焼成した焼結体(焼成物)をいう。電極層は、配線(線状体)と、配線パターンと、ベタパターンと、を包含する。以下、各成分について順に説明する。
導電性粉末は、電極層に電気伝導性を付与する成分である。導電性粉末の種類は特に限定されず、従来公知のもののなかから、例えば電極層の用途等に応じて、1種類を単独で、または2種類以上を適宜組み合わせて用いることができる。導電性粉末としては、例えば、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、タングステン(W)等の卑金属の単体、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、オスミウム(Os)等の貴金属の単体、およびこれらの混合物や合金等が挙げられる。合金としては、例えば、ニッケル−銅(Ni−Cu)、ニッケル−アルミニウム(Ni−Al)等のニッケル合金が挙げられる。
誘電体粉末は、導電性ペーストの焼成時に導電性粒子の間に配置され、導電性粉末の熱収縮を緩和する成分である。また、MLCCの内部電極層を形成する用途では、誘電体層と内部電極層との焼結接合性を向上させる共材としても機能しうる。特に限定されるものではないが、誘電体粉末の誘電率は、典型的には100以上、例えば1000〜20000程度であってもよい。ただし、誘電体粉末は、比誘電率が100未満、ひいては絶縁性材料であってもよい。
バインダ樹脂は、導電性ペーストの粘度(流動性)を調整すると共に、塗膜に粘着性を付与して無機粉末同士および無機粉末と基材とを密着させる成分である。バインダ樹脂は、後述する(D)溶剤に溶解され、ビヒクルとして機能しうる。バインダ樹脂は、典型的には焼成によって消失される成分である。言い換えれば、バインダ樹脂は、塗膜の焼成時に燃え抜ける化合物である。バインダ樹脂は、例えば分解温度が500℃以下であってもよい。
溶剤は、無機粉末を分散して、グラビア印刷に適した粘度(流動性)を導電性ペーストに付与するための液状媒体である。また、溶剤は、上記した(C)バインダ樹脂および/または後述する(E)分散剤を溶解するビヒクルとしても機能しうる。溶剤は、典型的には乾燥、焼成によって消失される成分である。溶剤は、導電性ペーストの乾燥時、および/または、塗膜の焼成時に燃え抜ける成分である。溶剤の種類は特に限定されず、この種の用途に使用されている従来公知の有機溶剤のなかから、例えば基材や(C)バインダ樹脂の種類等に応じて、1種類を単独で、または2種類以上を適宜組み合わせて用いることができる。溶剤としては、例えば、−OH基を有するアルコール系溶剤、エーテル結合(R−O−R’)を有するエーテル系溶媒、エステル結合(R−C(=O)−O−R’)を有するエステル系溶剤、炭素原子と水素原子とで構成される炭化水素系溶剤等が挙げられる。
分散剤は、上記した無機粉末、すなわち(A)導電性粉末および(B)誘電体粉末を導電性ペースト中に均一に分散させて、これら成分の凝集を抑制するための両親媒性化合物である。分散剤は、上記した(D)溶剤に溶解され、ビヒクルとして機能しうる。このことにより、無機粉末を均一かつ安定に分散させることができる。
ここに開示される導電性ペーストは、上記4成分で構成されていてもよく、本願発明の本質を著しく損なわない範囲において、一般的な導電性ペーストに使用しうることが知られている各種の添加剤を含むことができる。このような添加剤の一例としては、例えば、粘度調整剤、増粘剤、消泡剤、可塑剤、レベリング剤、pH調整剤、安定剤、酸化防止剤、防腐剤、着色剤(顔料、染料等)等が挙げられる。これらの添加剤は、必要に応じて、1種類を単独で、または2種類以上を適宜組み合わせて用いることができる。
ここに開示される導電ペーストは、印刷速度の速いグラビア印刷用として低粘度に調整されている。具体的には、25℃において、せん断速度40s−1における粘度V40が、5Pa・s以下に調整されている。印刷速度を迅速化して生産性を高める観点からは、粘度V40が、例えば4.5Pa・s以下、4Pa・s以下、3.5Pa・s以下、3Pa・s以下に調整されていてもよい。印刷ダレ等を抑制して作業性を向上する観点からは、粘度V40が、例えば0.1Pa・s以上、0.2Pa・s以上に調整されていてもよい。なお、導電性ペーストの粘度は、例えば、バインダ樹脂の種類や含有割合、分散剤の種類や含有割合、溶剤の種類や含有割合、その他添加剤(例えば粘度調整剤、増粘剤)の添加等によって調整することができる。
ここに開示される導電ペーストを用いてなる塗膜は、従来よりも表面の凹凸が小さく抑えられうる。無機粉末の粒径等にもよるが、塗膜の最大粗さRmaxは、例えば0.7μm以下、好ましくは0.65μm以下、0.6μm以下でありうる。また、ここに開示される導電ペーストを用いてなる塗膜は、従来よりも無機粉末の分散性に優れ、均質な組成を有しうる。無機粉末の粒径等にもよるが、塗膜における無機粉末の分散度指数は、例えば80%以上、好ましくは83%以上、89%以上でありうる。なお、最大粗さRmaxの測定方法および分散度指数の算出方法については、後述する実施例で述べる。
ここに開示される導電性ペーストは、任意の基材上にグラビア印刷法で付与して乾燥することで塗膜を形成し、これを焼成することによって電極層を形成するために用いることができる。なかでも、電極層の表面平滑性や均質性が求められる用途において好ましく用いることができる。代表的な使用用途としては、各辺が5mm以下、例えば1mm以下である小型の積層セラミック電子部品の内部電極層の形成が挙げられる。とりわけ、誘電体層の厚みが2μm以下のレベルにまで薄層化された小型・大容量のMLCCの内部電極層の形成に好適に用いることができる。
図1は、積層セラミックコンデンサ(MLCC)1の構成を模式的に示す断面図である。MLCC1は、多数の誘電体層20と内部電極層30とが、交互にかつ一体的に積層されて構成された、チップタイプのコンデンサである。誘電体層20と内部電極層30とからなる積層チップ10の側面には、一対の外部電極40が設けられている。一例として、内部電極層30は、積層順で交互に異なる外部電極40に接続される。このことにより、誘電体層20とこれを挟む一対の内部電極層30とからなるコンデンサ構造が並列に接続され、小型・大容量のMLCC1が構築される。MLCC1の誘電体層20は、例えば誘電体材料により構成されている。内部電極層30は、ここに開示される導電性ペーストの焼成体によって構成されている。このようなMLCC1は、例えば、以下の手順で製造することができる。
[導電性ペーストの調製]
本試験例では、(A)導電性粉末と、(B)誘電体粉末と、(C)バインダ樹脂と、(D)溶剤と、(E)分散剤と、を撹拌混合することにより、(E)分散剤の種類のみを異ならせた導電性ペースト(比較例1〜10、例1〜3)を調製した。
(B)誘電体粉末としては、平均粒子径が50nmのチタン酸バリウム粉末(BT)を、ニッケル粉末100質量部に対して15質量部の割合となるように用いた。
(C)バインダ樹脂としては、エチルセルロース(EC)と、ポリビニルブチラール(PVB、重量平均分子量(Mw):8.5万)とを、混合して用いた。なお、比較例1,2では、高分子量のエチルセルロースを一部使用することで、高粘度に調整した。ECは、ニッケル粉末100質量部に対して2質量部の割合となるように用い、PVBは、ニッケル粉末100質量部に対して3質量部の割合となるように用いた。
(D)溶剤としては、炭化水素系溶剤(ナフテン系溶剤)と、炭化水素系以外の溶剤である第1溶剤(ジヒドロターピネオール)および第2溶剤(3−メトキシ−3−メチル−1−ブタノールアセテート)とを、第1溶剤:第2溶剤:炭化水素系溶剤=45:30:25の質量比率で混合して用い、(A)導電性粉末、(B)誘電体粉末、(C)バインダ樹脂、(E)分散剤を差し引いた残部を、導電性ペースト中の(D)溶剤の割合とした。
HAAKE社製の回転振動型レオメーターMARS IIIを用いて、上記導電性ペーストの粘度を測定した。測定条件は以下の通りである。せん断速度40s−1のときの粘度V40(Pa・s)、および、せん断速度4s−1のときの粘度V4(Pa・s)を、表1の「粘度」の欄に示す。また、粘度V40に対する粘度V4の比(V4/V40)を、表1の「粘度比」の欄に示す。
測定モード:せん断速度依存性測定
センサー :コーンプレート(φ20mm、角度1°)
測定温度 :25℃
ギャップ :0.052mm
せん断速度:10000〜0.01s−1
測定時間 :3分
以下の手順で塗膜を形成し、塗膜における無機粉末(ここでは導電性粉末)の分散性を評価した。具体的には、まず、各例の導電性ペーストを、アプリケーターを用いてPET基材上に約250μmの厚みで付与し、110℃で約15分間乾燥させることで塗膜(約50μm)を形成した。そしてこの塗膜をPET基材側の面からSEM観察して、SEM観察画像取得した。なお、加速電圧は20kV、観察倍率は1万倍とした。図3は、SEM観察画像の一例であり、(A)は比較例3、(B)は比較例9のものである。
分散度指数α[%]=(1−(B−C)/(A−C))×100;
に基づいて、分散度指数を算出した。結果を、表1の「分散度指数α」の欄に示す。なお、この分散度指数αが100%に近い程、塗膜中の導電性粉末の分散性が良好である(すなわち、導電性粉末が完全混合状態に近い高分散である)といえる。
×:αが89%未満
○:αが89%以上
以下の手順で塗膜を形成し、塗膜の表面粗さを測定した。具体的には、まず、チタン酸バリウムを含む誘電体グリーンシートを用意した。次に、分散度指数の判定が「〇」だった導電性ペーストを、グラビア印刷法で誘電体グリーンシート上に約1μmの厚みで付与し、80℃で約5分間乾燥させることで塗膜を形成した。なお、グラビア印刷の条件は以下の通りである。
印刷パターン:1005type(2000μm×500μm)
印刷速度:30m/min
印刷圧力:0.3MPa
・光学顕微鏡:株式会社ニコン製の干渉顕微鏡(型式:ECLIPSE LV150)
・対物レンズ倍率:10倍
・測定範囲:50μm×1000μm
×:Rmaxが0.7μmを超える
○:Rmaxが0.7μm以下
また、上記の分散度指数の評価結果とグラビア印刷性の評価結果とに基づいて、総合評価を行った。総合評価は、上記2つの評価結果が両方とも○である場合に「○」とし、一つでも×を含む場合に「×」とした。結果を、表1の「総合判定」の欄に示す。
本試験例では、(D)溶剤として、第1溶剤(ジヒドロターピネオール)と、炭化水素系溶剤(ナフテン系溶剤)とを、第1溶剤:炭化水素系溶剤=75:25の質量比率で混合して用いたこと以外は例2と同様にして、導電性ペースト(例4)を調製し、試験例Iと同様に評価を行った。結果を表2に示す。
本試験例では、試験例I、IIよりも粒径の大きな無機粉末を使用し、導電性ペースト(比較例11、例5〜8)を調製した。具体的には、(A)導電性粉末として、平均粒子径が0.3μmのニッケル粉末(Ni)を、導電性ペースト全体に対して50質量%の割合となるように用いた。また、(B)誘電体粉末として、平均粒子径が100nmのチタン酸バリウム粉末(BT)を、ニッケル粉末100質量部に対して25質量部の割合となるように用いた。比較例11および例5では、このこと以外、比較例4、例2とそれぞれ同様にして、導電性ペーストを調製した。また、例6,7では、(C)バインダ樹脂の配合を異ならせたこと以外は例5と同様にして、導電性ペーストを調製した。また、例8では、(A)導電性粉末の含有割合を、導電性ペースト全体に対して57質量%としたことは例5と同様にして、導電性ペーストを調製した。
×:αが83%未満
○:αが83%以上
本試験例では、(D)溶剤について、さらに検討を行った。(D)溶剤としては、表4に示す第1溶剤と第2溶剤と炭化水素系溶剤(ナフテン系溶剤)とを用意し、表4に示す配合比率で混合して用いたこと以外、例5と同様にして、導電性ペースト(例9〜24)を調製した。そして、乾燥性とシートアタック性とを評価した。なお、表4の第1溶剤と第2溶剤との合計のSP値δallは、下記式:
δall=(第1溶剤のSP値×第1溶剤の含有割合(%)+第2溶剤のSP値×第2溶剤の含有割合(%)/(第1溶剤の含有割合(%)+第2溶剤の含有割合(%));
から算出した。
導電性ペーストを、示差熱−熱重量測定(Thermogravimetry−Differential Thermal Analysis:TG−DTA)で分析した。測定条件は以下の通りである。
試料量:導電性ペースト 5mg
ガス流量:Air 200ml/min
プログラム:室温から85℃まで20℃/minで昇温した後、85℃を保持
△:乾燥時間が15分未満、または、25分を超える
○:乾燥時間が15分以上25分以下
試験例Iと同様に、チタン酸バリウムを含む誘電体グリーンシート上に、各例の導電性ペーストをグラビア印刷し、80℃で約5分間乾燥させることで塗膜を形成した。そしてこの塗膜を誘電体グリーンシートの側からSEM観察して、SEM観察画像取得した。なお、加速電圧は20kV、観察倍率は1000倍とした。図8は、SEM観察画像の一例であり、(A)は例19、(B)は例16、(C)は例9のものである。次に、SEM観察画像に基づいて、黒色部(樹脂だまり)の面積を比較した。そして、以下の指標に基づいて、シートアタック性を評価した。結果を、表1の「判定結果−シートアタック性」の欄に示す。
△:黒色部の面積が20%以上
○:黒色部の面積が5%以上20%未満
◎:黒色部の面積が5%未満
また、上記の乾燥性の評価結果とシートアタック性の評価結果とに基づいて、総合評価を行った。総合評価は、上記2つの評価結果で、「◎」を2点、「○」を1点、「△」を0点とし、合計の得点が0点の場合を「△」、1点の場合を「○」、2点の場合を「〇」、3点の場合を「◎」とした。結果を、表4の「判定−総合」の欄に示す。
本試験例では、(C)バインダ樹脂について、さらに検討を行った。(C)バインダ樹脂としては、表5に示す重量平均分子量の異なる2種類を用いたこと以外は例2と同様にして、導電性ペースト(例25,26)を調製し、試験例Iと同様に評価を行った。結果を表5に示す。
10 積層チップ
10a 未焼成積層体
20 誘電体層
20a 誘電体グリーンシート
30 内部電極層
30a 塗膜
40 外部電極
Claims (11)
- (A)導電性粉末と、(B)誘電体粉末と、(C)バインダ樹脂と、(D)溶剤と、(E)分散剤と、を含む、グラビア印刷用の導電性ペーストであって、
前記(E)分散剤は、下記式(1):
25℃において、前記導電性ペーストのせん断速度40s−1における粘度V40は、5Pa・s以下である、グラビア印刷用の導電性ペースト。 - 前記(E)分散剤が、下記式(2):
請求項1に記載の導電性ペースト。 - 前記粘度V40に対する前記導電性ペーストのせん断速度4s−1における粘度V4の比(V4/V40)が、7以下である、
請求項1または2に記載の導電性ペースト。 - 前記(B)誘電体粉末の平均粒子径D2に対する前記(A)導電性粉末の平均粒子径D1の比(D1/D2)が、2以上である、
請求項1〜3のいずれか1項に記載の導電性ペースト。 - 前記(D)溶剤が、炭化水素系溶剤と、炭化水素系以外の溶剤とを含み、
前記炭化水素系以外の溶剤が、沸点が230℃以下であり、かつ、Fedorsの溶解度パラメータが9.9(cal/cm3)0.5以下の溶剤を含む、
請求項1〜4のいずれか1項に記載の導電性ペースト。 - 前記炭化水素系以外の溶剤が、
沸点が200℃以上であり、かつ、前記溶解度パラメータが10.0(cal/cm3)0.5以上である第1溶剤と、
沸点が220℃以下であり、かつ、前記溶解度パラメータが9.5(cal/cm3)0.5以下である第2溶剤と、
を含む、
請求項5に記載の導電性ペースト。 - 前記炭化水素系以外の溶剤全体の前記溶解度パラメータが、9.8(cal/cm3)0.5以下である、
請求項5または6に記載の導電性ペースト。 - 前記(E)分散剤が、前記導電性ペーストの全体を100質量%としたときに、0.5質量%以下である、
請求項1〜7のいずれか1項に記載の導電性ペースト。 - 前記(C)バインダ樹脂が、ポリビニルアセタール系樹脂を含み、
前記ポリビニルアセタール系樹脂の重量平均分子量が20万以下である、
請求項1〜8のいずれか1項に記載の導電性ペースト。 - 積層セラミック電子部品の内部電極層を形成するために用いられる、
請求項1〜9のいずれか1項に記載の導電性ペースト。 - 請求項1〜10のいずれか1項に記載の導電性ペーストを基材上に付与して焼成することを包含する、電子部品の製造方法。
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