JP7241526B2 - 導電粒子用基材粒子、その利用および製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の一実施形態に係る導電粒子用基材粒子(以下、単に「導電粒子用基材粒子」とも称する。)は、有機無機複合粒子において、粒子表面のケイ素原子含有率/粒子中のケイ素原子含有率の値が1.6以上であり、コアと、前記コアの表面上に配置されたシェルを備えるコアシェル粒子ではなく、コアとシェルとの界面が存在しないものである。
本発明の一実施形態に係る導電粒子(以下、単に「導電粒子」とも称する。)は、導電粒子用基材粒子の表面に、少なくとも一層の導電性金属層が形成されている。
本発明の一実施形態に係る異方性導電材料(以下、単に「異方性導電材料」とも称する。)は、上述した導電粒子を含む。
本発明の一実施形態に係る導電粒子用基材粒子の製造方法(以下、単に「製造方法」とも称する。)は、シード粒子にプレエマルジョンを吸収させる工程を含み、前記プレエマルジョン中の3官能シラン系モノマーの比率が、前記プレエマルジョン中のモノマーの総量100質量%に対して、10~90質量%である。以下、シード粒子にプレエマルジョンを吸収させる工程を単に「吸収工程」とも称する。本発明の一実施形態に係る製造方法により、粒子表面にケイ素原子が特定量以上局在した、コアとシェルとの界面を有さない有機無機複合粒子である導電粒子用基材粒子を得ることができる。
本発明の一実施形態の製造方法は、前記吸収工程の前に、さらに、シード粒子作製工程を含んでいてもよい。シード粒子作製工程では、シラン化合物からシード粒子(すなわち、ポリシロキサン粒子)を調製する。
本発明の一実施形態の製造方法は前記吸収工程の前に、さらに重合工程を含んでいてもよい。重合工程では、シード粒子に吸収されたビニル系単量体を重合させる。
本発明の一実施形態の製造方法は、さらに、分級工程を含んでいてもよい。分級工程では、合成した導電粒子用基材粒子を分級する。
各種物性の測定は以下の方法で行った。
シード粒子または導電粒子用基材粒子0.005部に、乳化剤であるポリオキシエチレンアルキルエーテル硫酸エステルアンモニウム塩(第一工業製薬株式会社製「ハイテノール(登録商標)N-08」)の1%水溶液20部を加え、超音波で10分間分散させた後、粒度分布測定装置(ベックマンコールター社製「コールターマルチサイザーIII型」)を用いて、30000個の粒子の個数平均粒子径(μm)を測定し、個数平均粒子径を求めた。また、個数平均粒子径および個数平均粒子径の標準偏差を求めるとともに、下記式に従って個数平均粒子径の個数基準の変動係数を算出した。
粒子の変動係数(%)=100×(個数平均粒子径の標準偏差/個数平均粒子径)
<導電粒子用基材粒子の10%K値>
微小圧縮試験機(島津製作所社製「MCT-W500」)を用いて、室温(25℃)において、試料台(材質:SKS材平板)上に散布した粒子1個について、直径50μmの円形平板圧子(材質:ダイヤモンド)を用いて、「軟質表面検出」モードで、粒子の中心方向へ一定の負荷速度(0.387mN/秒)で荷重をかけた。そして、圧縮荷重(F)として、圧縮変位が個数平均粒子径の10%となったときの荷重(mN)を、ならびに、圧縮変位(S)として、粒子が変形により破壊したときの変位量(μm)を測定した。得られた圧縮荷重(F)、粒子の圧縮変位(S)および粒子半径(R)を下記式(1)にあてはめ、10%K値(E)を算出した。なお、測定は各試料について、異なる10個の粒子に対して行い、平均した値を測定値とした。
10%K値(E)=3×F/(22/1×S3/2×R1/2)・・・式(1)
<導電粒子用基材粒子の破壊点>
微小圧縮試験機(島津製作所社製「MCT-W500」)を用いて、室温(25℃)において、試料台(材質:SKS材平板)上に散布した粒子1個について、直径50μmの円形平板圧子(材質:ダイヤモンド)を用いて、「軟質表面検出」モードで、粒子の中心方向へ一定の負荷速度(0.387mN/秒)で荷重をかけた。粒子が変形により破壊したときの荷重(mN)を測定した。なお、測定は各試料について、異なる10個の粒子に対して行い、平均した値を測定値とした。
得られた導電粒子用基材粒子とエポキシ樹脂とを混合して包埋し、それを切断して導電粒子用基材粒子の超薄切片試料を作製した。透過型電子顕微鏡(FE-SEM)にて当該超薄切片試料の観察を行った。作製した超薄切片試料のうち、個数平均粒子径に対し±10%の粒子径である粒子断面を有する試料を、無作為に10個選択した。選択した試料のFE-SEM画像を取得し、導電粒子用基材粒子においてコアとシェルとの界面の有無を定性的に判断した。コアとシェルとの界面が存在しない場合は、導電粒子用基材粒子がコアシェル粒子ではない、コアとシェルとの界面が存在する場合は、導電粒子用基材粒子がコアシェル粒子であると判断した。コアシェル粒子ではない実施例2の導電粒子用基材粒子のFE-SEM画像が図1に示される。コアシェル粒子である比較例4の導電粒子用基材粒子のFE-SEM画像が図2に示される。
導電粒子用基材粒子を空気などの酸化性雰囲気中、950℃で焼成したときの灰分質量(これをSiO2量とする)からケイ素原子に相当する質量を算出し、該ケイ素原子量を焼成処理に供した導電粒子用基材粒子の質量で除した。なお、灰分質量からケイ素原子量に相当する質量を算出するため、灰分質量に0.4672(ケイ素原子量/SiO2式量)を乗じた。
X線光電分光法(ESCA)に基づき、導電粒子用基材粒子表面厚さ数nmの構成元素、および構成比を分析することで、粒子表面のケイ素原子の質量割合を算出した。具体的には、以下に示す測定装置および測定条件を用いて得られた各構成元素の元素比率(atomic%)を基に、ケイ素原子の質量割合を算出した。
(測定装置)
日本電子製 JPS-9000MX
(測定条件)
X線出力:10mA 10kV
線源:MgKα
PassEnergy:10eV
Step:0.1eV
測定元素:C1s、O1s、Si2p3/2。
サンプル管に導電粒子用基材粒子0.1g、1%乳化水を4gおよびメタノール1.2gを加え、15分間スターラーで撹拌した。撹拌後、導電粒子用基材粒子の分散状態をマイクロスコープにて観察した。その結果を以下の条件で評価した。
○:単粒子に分散。
△1:単粒子が存在するが、2~5個未満の粒子が凝集している。
△2:5個以上の粒子が凝集する凝集塊が2つ以上存在する。
×:10個以上の粒子が凝集する凝集塊が存在する。
低圧(2MPa)圧着後における異方性導電フィルムが接触した側の電極表面を金属顕微鏡(倍率:1000倍)で観察し、以下の条件で評価した。
○:圧痕が観察された。
×:圧痕が確認されなかった。
接続構造体について電極間の初期抵抗値Aを測定し、以下の条件で評価した。
◎:初期抵抗値Aが3Ω未満の場合。
○:初期抵抗値Aが3Ω以上5Ω以下の場合。
×:初期抵抗値Aが5Ωを超える場合。
低圧接続構造体を85℃、85%RHの雰囲気下に500時間放置した後、前記初期抵抗値Aと同様に抵抗値Bを測定し、下記式(1)に基づき抵抗値上昇率(%)を求めた。
抵抗値上昇率(%)=[(B-A)/A]×100・・・式(1)
求めた抵抗値上昇率を以下の条件で評価した。
◎:抵抗値上昇率(%)が1%未満の場合。
○:抵抗値上昇率(%)が1%以上3%以下の場合。
×:抵抗値上昇率(%)が3%を超える場合。
<導電粒子用基材粒子の作製>
(シード粒子作製工程)
冷却管、温度計および滴下口を備えた四つ口フラスコに、イオン交換水1600部、25%アンモニア水20部およびメタノール400部を入れた。攪拌下、滴下口から、重合性シラン化合物(単量体成分)として3-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン(MPTMS)40部を添加し、3-メタクリロキシプロピルトリメトキシシランの加水分解、縮合反応を行うことにより、メタクリロイル基を有するポリシロキサン粒子(シード粒子)の乳濁液を調製した。このポリシロキサン粒子(シード粒子)の個数平均粒子径は1.16μmであった。
次いで、乳化剤としてポリオキシエチレンスチレン化フェニルエーテル硫酸エステルアンモニウム塩(第一工業製薬社製「ハイテノール(登録商標)NF-08」)の20%水溶液3.0部をイオン交換水120部に溶解した。この溶液に、吸収モノマー(単量体成分)としてスチレン(St)108部および3-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン(MPTMS)12部と、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)(和光純薬工業社製「V-65」)2.4部とを溶解した溶液を加え、乳化分散させて吸収モノマーの乳化液を調製した。乳化分散の開始から1時間後、得られた乳化液を、シード粒子作製工程において調製したポリシロキサン粒子(シード粒子)の乳濁液中に添加して、さらに攪拌を行った。乳化液の添加から1時間後、得られた混合液をサンプリングして顕微鏡で観察を行ったところ、ポリシロキサン粒子が吸収モノマーを吸収して肥大化していることが確認された。
次いで、プレエマルジョン吸収工程にて得られた混合液に、ポリオキシエチレンスチレン化フェニルエーテル硫酸エステルアンモニウム塩の20%水溶液3.0部を加え、窒素雰囲気下で反応液を65℃まで昇温させて、65℃で2時間保持し、単量体成分のラジカル重合を行った。ラジカル重合後の乳濁液を固液分離し、得られたケーキをイオン交換水、メタノールで洗浄した後、窒素雰囲気下80℃で4時間真空乾燥し、導電粒子用基材粒子(1)を得た。得られた導電粒子用基材粒子の物性値は表1に示すとおりであった。
基材とする導電粒子用基材粒子(1)に、水酸化ナトリウムによるエッチング処理を施した後、二塩化スズ溶液に接触させることによりセンシタイジングし、次いで二塩化パラジウム溶液に浸漬させることによりアクチベーティングする方法(センシタイジング-アクチベーション法)によって、パラジウム核を形成させた。次に、パラジウム核を形成させた導電粒子用基材粒子2部をイオン交換水400部に添加し、超音波分散処理を行った後、得られた導電粒子用基材粒子懸濁液を70℃の温浴で加温した。このように懸濁液を加温した状態で、別途70℃に加温した無電解めっき液(日本カニゼン(株)製「シューマーS680」)600部を加えることにより、無電解ニッケルめっき反応を生じさせた。水素ガスの発生が終了したことを確認した後、固液分離を行い、イオン交換水、メタノールの順で洗浄し、100℃で2時間真空乾燥して、ニッケルめっきを施した粒子を得た。次いで、得られたニッケルめっき粒子を、シアン化金カリウムを含有する置換金めっき液に加え、ニッケル層表面にさらに金めっきを施すことにより、導電粒子(1)を得た。
導電粒子(1)1部に、バインダー樹脂としてのエポキシ樹脂(三菱化学製「JER828」)100部と、硬化剤(三新化学社製「サンエイド(登録商標)SI-150」)2部と、トルエン100部とを加え、さらにφ1mmのジルコニアビーズ50部を加えて、ステンレス製の2枚撹拌羽根を用いて300rpmで10分間撹拌して分散させた。そして、得られたペースト状組成物をバーコーターにて剥離処理を施したPETフィルム状に塗布し乾燥させることにより異方性導電フィルム(1)を得た。
得られた異方性導電フィルム(1)を、抵抗測定用の線を有した全面アルミ蒸着ガラス基板と20μmピッチに銅パターンを形成したポリイミドフィルム基板との間に挟みこみ、1MPa、190℃で圧着することにより、接続構造体(1)(高圧接続構造体および低圧接続構造体)を作製した。各評価結果を表1に示す。
実施例1の(吸収工程)において、スチレン(St)を90部、3-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン(MPTMS)を30部とした以外は、実施例1と同様の手順で導電粒子用基材粒子(2)を得た。得られた導電粒子用基材粒子の物性値は表1に示すとおりであった。
実施例1の(吸収工程)において、スチレン(St)を60部、3-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン(MPTMS)を60部とした以外は、実施例1と同様の手順で導電粒子用基材粒子(3)を得た。得られた導電粒子用基材粒子の物性値は表1に示すとおりであった。
実施例1の(シード粒子作製工程)において、イオン交換水、メタノールおよびアンモニア水の量を適宜変更して調製した以外は、実施例1と同様の手順で導電粒子用基材粒子(4)を得た。得られた導電粒子用基材粒子の物性値は表1に示すとおりであった。なお、シード粒子の個数平均粒子径は8.05μmであった。
実施例4の(吸収工程)において、吸収モノマーとしてシクロヘキシルアクリレート(CHA)300部および3-メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン(MPTMS)100部を用いた以外は、実施例4と同様の手順で導電粒子用基材粒子(5)を得た。得られた導電粒子用基材粒子の物性値は表1に示すとおりであった。
実施例1の(吸収工程)において、吸収モノマーとしてスチレン(St)120部を用いた以外は、実施例1と同様の手順で導電粒子用基材粒子(1’)を得た。得られた導電粒子用基材粒子の物性値は表1に示すとおりであった。
実施例1の(吸収工程)において、吸収モノマーとしてスチレン(St)40部を用いた以外は、実施例1と同様の手順で導電粒子用基材粒子(2’)を得た。得られた導電粒子用基材粒子の物性値は表1に示すとおりであった。
実施例4の(吸収工程)において、吸収モノマーとしてスチレン(St)120部を用いた以外は、実施例4と同様の手順で導電粒子用基材粒子(3’)を得た。得られた導電粒子用基材粒子の物性値は表1に示すとおりであった。
(コア粒子作製工程)
実施例1の(シード粒子作製工程)において、イオン交換水、メタノールおよびアンモニア水の量を適宜変更して調製し、実施例1の(吸収工程)において、吸収モノマーとしてスチレン(St)91部、1,6-ヘキサンジオールジメタクリレート(HXDMA)23部および2-ヒドロキシエチルメタクリレート(HEMA)6部を用いた以外は、実施例1と同様の手順で重合体粒子(すなわち、コア粒子)の分散液を得た。得られたコア粒子の個数平均粒子径は3.62μmであった。なお、シード粒子の個数平均粒子径は2.12μmであった。
上記にて得られた重合体粒子の分散液に対し、テトラエトキシシラン(TEOS)360部を添加し、加水分解、縮合反応を行った。これにより、テトラエトキシシラン(TEOS)の縮合物を重合体粒子の表面に析出させ、シェルが形成された重合体粒子(すなわち、コアシェル粒子)の分散液を得た。得られた分散液を固液分離し、得られたケーキをイオン交換水、メタノールで洗浄した後、窒素雰囲気下80℃で4時間真空乾燥し、導電粒子用基材粒子(4’)を得た。各評価結果を表1に示す。
実施例6の(吸収工程)において、吸収モノマーとして3-メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン(信越シリコーン社製「KBM502」)(MPMDMS)100部、1,6-ヘキサンジオールジアクリレート(HXDA)50部およびジベニルベンゼン「DVB960」(新日鐵化学社製:ジビニルベンゼン96%、エチルビニルベンゼン4%含有)50部を用いた以外は、実施例1と同様の手順で導電粒子用基材粒子(5’)を得た。得られた導電粒子用基材粒子の物性値は表1に示すとおりであった。
Claims (7)
- 有機無機複合粒子において、粒子表面のケイ素原子含有率/粒子中のケイ素原子含有率の値が1.60以上であり、
前記粒子表面のケイ素原子含有率は、8.18~14.8%であり、
コアと、前記コアの表面上に配置されたシェルを備えるコアシェル粒子ではなく、コアとシェルとの界面が存在しない、導電粒子用基材粒子。 - 前記粒子中のケイ素原子含有率が0.10質量%以上である、請求項1に記載の導電粒子用基材粒子。
- 10%K値が500N/mm2~10000N/mm2である、請求項1または2に記載の導電粒子用基材粒子。
- 請求項1~3のいずれか一項に記載の導電粒子用基材粒子の表面に、少なくとも一層の導電性金属層が形成されている、導電粒子。
- 請求項4に記載の導電粒子を含む、異方性導電材料。
- 請求項4に記載の導電粒子と、バインダー樹脂とを含む、異方性導電ペースト。
- シード粒子にプレエマルジョンを吸収させる工程を含み、
前記プレエマルジョンは、3官能シラン系モノマー(ただし、3官能シラン系モノマーがビニルトリメトキシシランの場合を除く)を含み、
前記プレエマルジョン中の3官能シラン系モノマーの比率が、前記プレエマルジョン中のモノマーの総量100質量%に対して、10~90質量%であり、
導電粒子用基材粒子の粒子表面のケイ素原子含有率は、8.18~14.8%である、導電粒子用基材粒子の製造方法。
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