JP7300172B2 - 複合金属粒子及びその製造方法、複合金属粒子含有組成物、並びに物品の製造方法 - Google Patents

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本発明は、複合金属粒子及びその製造方法、複合金属粒子含有組成物、並びに物品に関する。
金属粒子を含有する組成物を、インクジェットなど各種の印刷法により、配線パターン状に直接印刷することで、光露光によるパターニングを必要としない、プリンタブルエレクトロニクスが注目されている。また、金属粒子を含有する組成物を被接合部材間に配置して焼結することにより、被接合部材を接合する手法が知られている。
数十nm以下の金属ナノ粒子は、粒子径が小さくなるにつれて、バルクの金属とは異なる種々の物理的、化学的特性を示すことが知られている。例えば、金属粒子の融点は、粒子径が小さくなると、バルクの金属の融点よりも低くなることが知られている。そのため、焼結時の温度を低温化する点から、粒子径の小さい金属ナノ粒子を用いることが検討されている。
本発明者らは特許文献1において、銅粒子と、当該銅粒子の表面に1nm当り2.5~5.2分子の密度で配置される脂肪酸を含む被覆層と、を含む被覆銅粒子を開示している。当該特許文献1の被覆銅粒子は、優れた耐酸化性と焼結性を備えている。
また金属ナノ粒子は、粒径の大きい金属粉など組み合わせて用いられることがある。
特許文献2には、特定の銅フィラー表面に特定の銅ナノ粒子で被覆された銅ナノ粒子被覆銅フィラーが開示されている。特許文献2においては、当該銅ナノ粒子被覆銅フィラーは樹脂バインダーにより分散されている。
特開2016-69716号公報 国際公開2017/170023号
金属成分が金属ナノ粒子のみからなる組成物は、焼結時に体積収縮が大きいという課題があった。これに対し、金属ナノ粒子とサブミクロンサイズの金属粉とを組み合わせて用いることで、体積収縮を抑制できる。一方、金属粉は金属ナノ粒子と比較して表面活性が低いため焼結性に乏しく、低温焼結工程では十分に焼結できないことがあった。その結果、得られる焼結体にはひび割れなどが生じることがあった。
本発明はこのような課題を解決するものであり、ひび割れの発生が抑制できる複合金属粒子、及び複合金属粒子含有組成物、前記複合金属粒子の製造方法、並びに、導電性や接合強度に優れた焼結体を含む物品を提供することを目的とする。
本発明に係る複合金属粒子は、扁平金属粉と、前記扁平金属粉の表面の少なくとも一部に金属ナノ粒子が固着した金属ナノ粒子層を有する。
前記複合金属粒子の一実施形態は、前記扁平金属粉の長径(a)と短径(b)との比(a/b)が、2~10である。
前記複合金属粒子の一実施形態は、前記複合金属粒子の平均結晶子径が20~100nmである。
前記複合金属粒子の一実施形態は、半楕円球状の金属ナノ粒子上に、更に金属ナノ粒子が固着する。
前記複合金属粒子の一実施形態は、前記金属ナノ粒子の平均一次粒径が、10~200nmである。
前記複合金属粒子の一実施形態は、前記金属ナノ粒子が、表面に、脂肪酸、脂肪酸アルカノールアミド、脂肪酸アミノアルキルエステル、及び、脂肪族アルデヒドよりなる群から選択される1種以上の被覆材が被覆した被覆層を有する被覆金属ナノ粒子である。
本発明に係る複合金属粒子の製造方法は、
金属粉と金属ナノ粒子との混合物を準備する工程と、
前記混合物をメカノケミカル処理する工程とを有し、
前記メカノケミカル処理により、前記金属粉を扁平金属粉に変形させながら、当該扁平金属粉の表面に金属ナノ粒子を固着させる。
前記複合金属粒子の製造方法の一実施形態は、前記金属ナノ粒子が、表面に、脂肪酸、脂肪族アルデヒド、脂肪酸アルカノールアミド、及び、脂肪酸アミノアルキルエステルよりなる群から選択される1種以上の被覆材が被覆した被覆層を有する被覆金属ナノ粒子である。
本発明に係る複合金属粒子含有組成物は、前記本発明に係る複合金属粒子と、溶媒とを含有する。
前記複合金属粒子含有組成物の一実施形態は、更に金属ナノ粒子を含有する。
本発明に係る物品は、前記本発明に係る複合金属粒子、又は、前記本発明に係る複合金属粒子含有組成物の焼結体を有する。
本発明によれば、ひび割れの発生が抑制できる複合金属粒子、及び複合金属粒子含有組成物、前記複合金属粒子の製造方法、並びに、導電性や接合強度に優れた焼結体を含む物品を提供することができる。
図1は、本発明の複合金属粒子の一例を示すSEM像である。 図2は、本発明複合金属粒子の製造方法における複合金属粒子の形成過程を模式的に示す図である。 本発明に係る物品の一例を示す概略的な断面図である。 本発明に係る物品の別の一例を示す概略的な断面図である。 アスペクト比の測定に用いたSEM像の一例である。
以下、本実施に係る複合金属粒子、複合金属粒子含有組成物、及び物品について順に説明する。なお、本明細書において用いる、形状や幾何学的条件並びにそれらの程度を特定する、例えば、「扁平」、「球状」、「楕円球状」、「平板状」、「平面」、「垂直」等の用語については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。
[複合金属粒子]
図1の例に示されるように、本発明に係る複合金属粒子10(以下、本複合金属粒子ともいう)は、扁平金属粉1と、前記扁平金属粉の表面の少なくとも一部に金属ナノ粒子2が固着した金属ナノ粒子層を有する。
金属粉と金属ナノ粒子とを含む組成物の場合、塗膜を形成すると、局所的に金属粉が偏在する部分及び金属ナノ粒子が偏在する部分が発生することがある。一方、本発明に係る複合金属粒子は、扁平金属粉上に、低温焼結性の金属ナノ粒子が固着している。そのため、本複合金属粒子を含む塗膜は、扁平金属粉間により確実に金属ナノ粒子が配置される。また、扁平金属紛上に高活性な金属ナノ粒子が固着することで、扁平金属粉自体が低温焼結性を有しない場合であっても表面の活性が向上し、低温焼結工程においても焼結性に優れている。このようなことから本複合金属粒子を含む塗膜は焼結工程において金属ナノ粒子が焼結して扁平金属間の隙間を埋められる。また扁平金属粒子は、略球状の金属粉と比較して隙間が生じにくく、また、金属ナノ粒子焼結時における扁平金属粒子の移動も抑制される。また本複合金属粒子は、金属ナノ粒子が扁平金属粉に固着しており、焼結時における金属ナノ粒子が小さくなるものと推測される。これらのことから、本複合金属粒子によれば、無加圧であっても焼結工程におけるひび割れの発生が抑制された焼結体を得ることができる。また、ひび割れや、空隙が抑制されることから、電気伝導性に優れ、接合強度が高い焼結体を得られる。
また、本複合金属粒子を後述するメカノケミカル処理により製造した場合、金属ナノ粒子が金属粉の表面に有する酸化物層を破り、金属粉の金属表面にぬれ広がって固着しているため、より電気伝導性に優れ、接合強度が高い焼結体を得ることができると推定される。
更に、本複合金属粒子は、金属ナノ粒子が扁平金属粉に固着しており、当該複合金属粒子を溶媒等に分散しても金属ナノ粒子の脱離は抑制される。そのため、樹脂バインダー等を有しない組成物を調製することができ、焼結体の電気伝導性をより向上することができる。また、本発明に係る複合金属粒子含有組成物は、印刷方法に応じて種々の溶媒を適宜選択して用いることができる。
<扁平金属粉>
扁平金属粉は、球状の金属粉に対してやや平面的な形状を有する金属粉をいい、例えば楕円球状や平板状の形状を有するものである。当該扁平金属粉としては、長径(a)と短径(b)との比(a/b)(以下、アスペクト比ともいう)が2~10であることが、中でも、扁平金属粉の(a/b)の平均値が2~10であることが、導電性や接合強度の点から好ましく、2.5~8.0がより好ましく、3.0~7.0が更に好ましい。
ここで、扁平金属粉の長径(a)と短径(b)は、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて測定する。まず、扁平金属粉をSEMで観察し、平面視において最長線分となるように長径(a)をとる。次いで、当該長径(a)に対して垂直方向に短径(b)をとり、長径(a)と、短径(b)が測定できる。また、本実施においては、無作為に抽出した100個の扁平金属粉について得られた(a/b)の平均値を、扁平金属粉の(a/b)の平均値して取り扱うものとする。
本複合金属粒子中の扁平金属粉を測定する場合、例えば、まず、本複合金属粒子の塗膜を形成し、扁平金属粉が変形しない程度に焼結する。得られた焼結体を型にいれ、焼結体全体が埋まるようにエポキシ樹脂を流し込み、エポキシ樹脂を硬化させてモールドを得る。得られたモールドを焼結体の内部が露出するまで研磨し、得られた研磨面を、SEMを用いて測定する。
本発明においては、導電性及び接合強度の点から、前記扁平金属粉の短径(b)が0.5~10μmであることが好ましく、0.5~8μmがより好ましく、0.5~6μmが更に好ましい。また、導電性及び接合強度の点から、前記扁平金属粉の長径(a)が1~100μmであることが好ましく、1~80μmがより好ましく、1~60μmが更に好ましい。
また、扁平金属粉の体積は、焼結後のひび割れを抑制する点から、0.01~180μmが好ましく、0.05~15μmがより好ましい。
本発明においては、体積の異なる2種以上の扁平金属粉を組み合わせて用いてもよい。ひび割れを抑制する点から、例えば、体積が0.01~0.5μm、好ましくは体積が0.05~0.45μmの小サイズ扁平金属粉と、体積が0.55~180μm、好ましくは体積が0.6~15μmの大サイズ扁平金属粉との組み合わせが好ましい。
また、導電性及び接合強度の点から、扁平金属粉と金属ナノ粒子とを含む複合金属粒子の平均結晶子径が20~100nmであることが好ましく、25~80nmがより好ましく、25~60nmが更に好ましい。複合金属粒子の平均結晶子径が100nm以下であれば、複合金属粒子中の扁平金属粉の結晶子径も小さくなるため、当該扁平金属粉は表面活性に優れ、低温焼結性が向上して導電性や接合強度が向上する。一方、平均結晶子径が20nm以上であれば、表面活性が適度に抑制され、扁平金属粉の耐酸化性や組成物の粘度安定性などに優れている。
複合金属粒子の結晶子径は、メカノケミカル処理の条件により調整することができる。
本発明において、複合金属粒子の結晶子径は、X線回折装置(XRD)用いてX線回折を測定し、この回折結果から、Scherrer法を用いて算出することができる。
扁平金属粉の材質は、焼結後に、所望の導電性及び接合強度を有する焼結体が得られるものであればよく、用途等に応じて適宜選択することができる。当該金属としては、例えば、金、銀、銅、白金、アルミニウム、鉄、クロム、スズ、ニッケル、亜鉛、鉛、インジウム、ビスマス、ゲルマニウム、アンチモン、コバルト、パラジウム、ロジウム、モリブデン、タングステン、チタン、ジルコニウム、ガリウム、ヒ素、ホウ素、ケイ素、及びこれらの合金が挙げられる。扁平金属粉は1種単独で、または2種以上の金属を組み合わせて用いることができる。
電気伝導性の点から、中でも、銅、銀、金、及びニッケルより選択される1種以上の金属を含むことが好ましく、銀、又は銅であることがより好ましい。
<金属ナノ粒子>
本実施の複合金属粒子は、前記扁平金属粉の表面の少なくとも一部に金属ナノ粒子が固着した金属ナノ粒子層を有する。
金属ナノ粒子層を構成する金属ナノ粒子は、低温焼結性などの点から、平均一次粒径が10~200nmであることが好ましく、30~150nmであることがより好ましく、50~130nmであれば更に好ましい。金属ナノ粒子の平均一次粒径は、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置を用いて測定される体積基準粒度分布から算出される平均粒径である。
扁平金属粉に固着する金属ナノ粒子の形状は、真球状を含む略球状のほか、半楕円球状などが挙げられる。後述するメカノケミカル処理により得られた複合金属粒子においては、金属ナノ粒子の少なくとも一部が、扁平金属粉への衝突などにより、当該扁平金属粉表面の酸化膜を破壊して濡れ広がって、半楕円球状となっている。
ここで、金属ナノ粒子の前記扁平金属粉との接触面の径(c)と、扁平金属粉表面からの高さ(d)は、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて測定する。扁平金属粉と半楕円球状の金属ナノ粒子が固着した境界面を観察し、境界面の長さを接触面の径(c)とする。次いで、当該接触面の径(c)に対して垂直方向に扁平金属粉表面からの高さ(d)をとることで、接触面の径(c)及び扁平金属粉表面からの高さ(d)が測定できる。
本実施の複合金属粒子においては、前記半楕円球状の金属ナノ粒子上に、更に金属ナノ粒子が固着してもよい。2粒子以上の金属ナノ粒子が積層することにより、焼結体のひび割れが更に抑制される。
金属ナノ粒子の材質は、焼結後に、所望の導電性及び接合強度を有する焼結体が得られるものであればよく、前記扁平金属粉で例示したものと同様のものとすることができる。中でも、電気伝導性の点から、中でも、銅、銀、金、及びニッケルより選択される1種以上の金属を含むことが好ましく、銀、又は銅であることがより好ましい。
金属ナノ粒子は1種単独で、又は2種以上の金属を組み合わせて用いることができる。また、前記扁平金属粉の金属種と、金属ナノ粒子の金属種は同一であっても異なっていてもよい。
上記金属ナノ粒子は、表面に被覆層を有する被覆金属ナノ粒子であってもよい。被覆金属ナノ粒子を用いることにより、金属ナノ粒子の耐酸化性や、複合金属粒子の分散性が向上する。
被覆層を構成する被覆材としては、脂肪酸、脂肪族アルデヒド、脂肪酸アルカノールアミド、脂肪酸アミノアルキルエステル、アミノアルコールなどが挙げられ、耐酸化性や低温焼結性の点から、中でも、脂肪酸、脂肪族アルデヒド、脂肪酸アルカノールアミド、脂肪酸アミノアルキルエステルが好ましい。
(脂肪酸、脂肪族アルデヒド)
上記脂肪酸及び脂肪族アルデヒド(以下、脂肪酸等ともいう)は、カルボキシ基側が金属ナノ粒子表面に吸着して単分子膜を形成している。このため、金属核粒子の表面は、脂肪族カルボン酸等によって保護されて酸化が抑制され、高い耐酸化性を有するものと推定される。
脂肪酸等は、前記金属ナノ粒子の表面に1nm当り、2.5~5.2分子の密度で配置されていることが好ましい。当該密度で配置されていることにより、金属ナノ粒子の分散性および酸化抑制効果を有するとともに、焼結時においては、容易に金属核粒子表面から除去され、更に分解又は揮発するため、焼結体中の残留が抑制されて、電気伝導性に優れた物品が得られる。
脂肪族酸等を構成する脂肪族炭化水素基は、直鎖、分枝、又は環状構造を有する炭化水素基であって、不飽和結合を有していてもよい。本発明においては、金属ナノ粒子表面に所定の密度で単分子膜を形成しやすい点から、分枝及び環状構造を有しない、直鎖脂肪族炭化水素基であることが好ましい。不飽和結合は、二重結合であってもよく三重結合であってもよいが、二重結合であることが好ましい。また、脂肪族炭化水素基が不飽和結合を有する場合、その個数は、1分子中に1~3個有することが好ましく、1~2個有することがより好ましく、1個であることが更により好ましい。
当該脂肪酸において、脂肪族基の炭素原子数は、被覆金属ナノ粒子の分散性や、耐酸化性の点から、3以上であることが好ましく、4以上であることがより好ましく、5以上であることが更により好ましい。一方、不飽和結合を有しない脂肪族基においては、炭素原子数が10以下であることが好ましく、8以下であることがより好ましい。炭素原子数が上記上限値以下であることにより、被覆金属ナノ粒子の焼結時に除去されやすく、電気伝導性に優れ、ひび割れがより抑制された焼結体を得ることができる。なお、本発明において、脂肪族基の炭素原子数は、カルボキシ基を構成する炭素原子は含まないものとする。
好ましい脂肪酸の具体例としては、酪酸、カプロン酸、カプリル酸、ペラルゴン酸、パルミトレイン酸、オレイン酸、バクセン酸、リノール酸、リノレン酸などが挙げられる。
また、好ましい脂肪族アルデヒドの具体例としては、ブチルアルデヒド、ヘキシルアルデヒド、オクチルアルデヒド、ノニルアルデヒド、ヘキサデセニルアルデヒドなどが挙げられる。脂肪酸等は1種単独で、又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
金属ナノ粒子表面における脂肪酸等の被覆密度は特開2017-179403号公報の段落0014~段落0025の記載に基づいて算出することができる。
具体的には、被覆金属ナノ粒子について、特開2012-88242号公報に記載される方法に従って、液体クロマトグラフィー(LC)を用いて表面に付着している有機成分を抽出し、成分分析を行う。また、TG-DTA測定(熱質量測定・示差熱分析)を行い、被覆金属ナノ粒子に含まれる有機成分量を測定する。次いでLCの分析結果と合わせて被覆金属ナノ粒子に含まれる脂肪酸の量(質量)を求め、脂肪酸等の分子数を算出する。
また、SEM画像観察により金属核粒子の平均一次粒子径を測定し、金属核粒子の表面積を算出する。これらの結果から下記の式により被覆密度が求められる。
[被覆密度]=[脂肪酸等の分子数]/[金属ナノ粒子の表面積]
上記脂肪酸等が被覆した被覆金属ナノ粒子は、例えば、特開2017-179403号公報や、特開2016-69716号公報などを参考にして製造することができる。当該製造方法によれば、金属核粒子と、前記金属核粒子の表面に1nm当り2.5~5.2分子の密度で配置された脂肪族カルボン酸分子と、を含む略球状の被覆金属ナノ粒子が得られる。
(脂肪酸アルカノールアミド、脂肪酸アミノアルキルエステル)
また前記被覆金属ナノ粒子における被覆材として、脂肪酸アルカノールアミド又は脂肪酸アミノアルキルエステルを用いることも好ましい。これらの被覆材を用いることで本複合金属粒子の低温焼結性が向上する。
脂肪酸アルカノールアミドは、アミド結合(-C(=O)-NH-)と、水酸基とを有する化合物である。脂肪酸アルカノールアミドは主に水酸基が前記銅ナノ粒子表面に化学吸着しているものと推定される。
上記脂肪酸アルカノールアミドは、例えば、脂肪酸のカルボキシ基と、アミノアルコールのアミノ基とがアミド結合した構造をもつ化合物が挙げられる。被覆金属ナノ粒子の分散性や低温焼結性の点から、脂肪酸アルカノールアミドは、中でも下記式(1)で表される化合物が好ましい。
Figure 0007300172000001
式(1)中、Rは炭素数5~17の炭化水素基であり、Rは炭素数1~6の炭化水素基である。
は炭素数が5~17の1価の炭化水素基であり、不飽和結合を有していてもよい。炭素数が5以上であることにより本被覆銅ナノ粒子の耐酸化性及び分散性に優れている。また、炭素数が17以下であることにより、本被覆銅ナノ粒子の低温焼結性に優れている。Rの炭素数は、中でも6~16が好ましい。また、Rの炭化水素基は、分散性の点から、直鎖の炭化水素基が好ましい。
の具体例としては、ペンチル基、ヘキシル基、デシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ヘキサデシル基、ヘプタデシル基、9-ヘキサデセニル基などが挙げられる。
は炭素数が1~6の2価の炭化水素基である。炭素数が1~6であることにより低温焼結性に優れている。Rの炭化水素基は、分散性の点から、直鎖の炭化水素基が好ましい。
の具体例としては、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基、ペンチレン基、へキシレン基などが挙げられる。
脂肪酸アルカノールアミドの具体例としては、カプロン酸エタノールアミド、カプリル酸プロパノールアミド、ラウリン酸エタノールアミド、トリデシル酸プロパノールアミド、パルミチン酸プロパノールアミドなどが挙げられる。
脂肪酸アルカノールアミドは市販品を用いてもよく、また、例えば脂肪酸のカルボキシ基とアミノアルコールのアミノ基とを反応させて合成してもよい。
脂肪酸アミノアルキルエステルは、エステル結合(-C(=O)-O-)と、アミノ基とを有する化合物である。脂肪酸アミノアルキルエステルは、主にアミノ基が前記銅ナノ粒子表面に化学吸着しているものと推定される。
上記脂肪酸アミノアルキルエステルは、例えば、脂肪酸のカルボキシ基と、アミノアルコールの水酸基がエステル結合した構造をもつ化合物が挙げられる。被覆銅ナノ粒子の分散性や低温焼結性の点から、脂肪酸アミノアルキルエステルは、中でも下記式(2)で表される化合物が好ましい。
Figure 0007300172000002
式(2)中、Rは炭素数5~17の炭化水素基であり、Rは炭素数1~6の炭化水素基である。
の炭素数5~17の炭化水素基は、前記Rと同様のものが挙げられる。
また、Rの炭素数1~6の炭化水素基は、前記Rと同様のものが挙げられる。
脂肪酸アミノアルキルエステルの具体例としては、カプロン酸アミノエチルエステル、カプリル酸アミノプロピルエステル、ラウリン酸アミノエチルエステル、ラウリン酸アミノプロピルエステル、パルミチン酸アミノプロピルエステルなどが挙げられる。
脂肪酸アミノアルキルエステルは市販品を用いてもよく、また、例えば脂肪酸のカルボキシ基とアミノアルコールの水酸基とを反応させて合成してもよい。
脂肪酸アルカノールアミド、又は脂肪酸アミノアルキルエステルが被覆した被覆金属ナノ粒子は、例えば(1)溶媒中で、金属カルボン酸塩を錯化剤により錯体化し、ここに脂肪酸アルカノールアミドや脂肪酸アミノアルキルエステルを添加し、前記錯体を熱分解することにより、金属ナノ粒子を形成するとともに金属ナノ粒子表面に前記被覆材を含む被覆層を形成して、被覆金属ナノ粒子を製造する方法、(2)脂肪酸とアミノアルコールを含む溶媒中で、金属カルボン酸塩を錯化剤により錯体化し、加熱することにより、脂肪酸アルカノールアミドを生成させながら、前記錯体を熱分解することにより、金属ナノ粒子を形成するとともに金属ナノ粒子表面に脂肪酸アルカノールアミドを含む被覆層を形成して、被覆銅ナノ粒子を製造する方法などが挙げられる。
被覆金属ナノ粒子を構成する被覆層の割合は、耐酸化性、分散性、及び低温焼結性の点から、被覆金属ナノ粒子全量に対して、0.1~10質量%が好ましく、0.5~5.0質量%がより好ましい。なお、被覆金属ナノ粒子の被覆層の割合は、熱質量示差熱分析(TG-DTA)により有機成分を測定することで算出できる。
本複合金属粒子の一実施形態として、前記扁平金属粉の表面に2以上の複合金属粒子が積層したものを含んでいてもよい。
本実施の複合金属粒子において、金属ナノ粒子の含有割合は特に限定されないが、複合金属粒子全量100質量部に対して、10~50質量部とすることができ、20~40質量部とすることが好ましい。
[複合金属粒子の製造方法]
複合金属粒子の製造方法は、上記本実施の複合金属粒子を製造可能な方法の中から適宜選択することができる。中でも、下記の製造方法により好適に製造することができる。
即ち、本実施の複合金属粒子の製造方法は、
金属粉と金属ナノ粒子との混合物を準備する工程と、
前記混合物をメカノケミカル処理する工程とを有し、
前記メカノケミカル処理により、前記金属粉を扁平金属粉に変形させながら、当該扁平金属粉の表面に金属ナノ粒子を固着させる、
上記本実施の製造方法においては、まず、金属粉と金属ナノ粒子との混合物を準備する。当該混合物は、少なくとも金属粉と金属ナノ粒子を含有するものであり、必要に応じて、更に分散剤や溶媒等の他の成分を含有してもよいものである。また、2種類以上の金属紛を用いて複合金属粒子を製造する場合、それぞれの金属紛の複合金属粒子を別々に製造したものを混合しても良いし、同一容器内で2種類の金属紛を同時処理して得られる複合金属粒子を製造してもよい。
(金属粉)
前記金属粉は、後述するメカノケミカル処理により扁平金属粉となるものである。当該金属粉の形状は特に限定されず、扁平金属粉であっても、球状、略球状、棒状などであってもよい。粒径などはメカノケミカル処理後に所望の扁平金属粉となるように選択すればよい。また、金属粉の材質としては、前記扁平金属粉と同様のものが挙げられる。金属粉は、市販品を用いてもよい。例えば銅粉として、三井金属鉱業株式会社製の1200Y、1050Yなどが挙げられる。
(金属ナノ粒子)
前記金属ナノ粒子は、後述するメカノケミカル処理により、前記扁平金属粉の表面に固着するものである。金属ナノ粒子の材質としては、前記扁平金属粉と同様のものが挙げられる。
(他の成分)
上記混合物は必要に応じて他の成分を含有してもよい。他の成分としては、分散剤や溶媒等が挙げられる。
分散剤としては、公知のポリエステル系分散剤、ポリアクリル酸系分散剤、ポリカルボン酸系分散剤などが挙げられる。本発明においてはポリカルボン酸系分散剤が好適に用いられる。ポリカルボン酸系分散剤としては、たとえば日油株式会社製マリアリムSC-0505Kなどを用いることができる。
分散剤を用いる場合、その含有割合は特に限定されないが、ひび割れ抑制、及び導電性、接合強度の点から、金属粉及び金属ナノ粒子の合計質量100質量部に対し、0.2~0.5質量部の範囲で用いることが好ましい。
溶媒は、金属粉及び金属ナノ粒子を分散可能な溶媒の中から適宜選択することができる。本実施において溶媒として、アルコール系溶媒を含むことが好ましく、中でも2,2,4-トリメチル-1,3-ペンタンジオールモノイソブチレート(NHネオケム社製「キョーワノールM」)を含むことが好ましい。
溶媒の含有割合は、混合物全量100質量部に対して、5質量部~40質量部とすることができ、8質量部~30質量部とすることが好ましい。
上記混合物は、前述した金属粉と金属ナノ粒子と所望により用いられる他の成分とを公知の方法で混合することにより得ることができる。
次いで、得られた混合物をメカノケミカル処理する。本実施においてメカノケミカル処理とは、混合物中でメカノケミカル反応を生じさせ得るように、混合物に機械的エネルギーを連続的に付与する処理をいう。また、メカノケミカル反応とは、対象物質に機械的エネルギーを与えることで物質の物理化学的性質の変化、および周囲の物質との反応を生じさせる現象を利用した反応である。上記機械的エネルギーとしては、例えば、衝突(衝撃)、圧縮、摩擦ないしは摩砕、その他、剪断力やずり応力が生じ得るエネルギーが挙げられる。
図2の例に示されるように、本実施においては、メカノケミカル処理開始により、まず金属粉3に金属ナノ粒子2が付着する(A)。次いで、機械的エネルギーを与えることで、金属粉3が扁平し始め、金属ナノ粒子の一部が固着し始める(B)。メカノケミカル処理を続けることにより、前記金属粉3が扁平金属粉1となり、金属ナノ粒子2の一部が半球状の金属ナノ粒子2aに変形して固着することにより複合金属粒子10が形成される。また、上記メカノケミカル処理により金属粉中の結晶子が微細化されて結晶子径が小さくなる。
本実施においてメカノケミカル処理は、ボールミル、ビーズミル、振動ミル等の粉砕機を用いることができる。中でもボールミルが好ましく、遊星型ボールミルがより好ましい。遊星型ボールミルは、ポットが自転回転しながら、台盤が公転回転するので、非常に高い衝撃エネルギーを効率良く発生させることができる。
具体例として、例えば、遊星型ボールミル(例えば、フリッチュ社製、P-5、PL-7など)を用い、直径1mmのジルコニアビーズと前記混合物とを容器内に封入し、回転数100rpm~1000rpmで1~60分程度の処理を2~30回繰り返すことにより、複合金属粒子を得ることができる。
[複合金属粒子含有組成物]
本発明に係る複合金属粒子含有組成物(以下、本複合金属粒子含有組成物ともいう)は、前記複合金属粒子と、溶媒とを含有するものであり、本発明の効果を損なわない範囲で、必要に応じて更に他の成分を含有してもよいものである。本発明の複合金属粒子含有組成物は、前記本複合金属粒子を含有することにより、ひび割れが抑制され、低温焼結でも接合強度や導電性に優れる焼結体が得られる。
以下、複合金属粒子に含まれ得る各成分について説明するが、複合金属粒子については前述の通りであるため、ここでの説明は省略する。
<溶媒>
溶媒は、前記複合金属粒子を分散可能な溶媒の中から、塗膜形成方法(印刷方法)などに応じて適宜選択できる。溶媒は1種単独であっても2種以上を組み合わせた混合溶媒であってもよい。溶媒としては、中でも、脂肪族アミン系溶媒、脂肪族アルコール系溶媒、脂肪族アミノアルコール系溶媒、テルピンアセテート系溶媒、脂肪族アルカン系溶媒、カルビトール系溶媒や、2,2,4-トリメチル-1,3-ペンタンジオールモノイソブチレート(KHネオケム株式会社製、キョーワノールM)などが挙げられる。
脂肪族アミン系溶媒としては、例えば、オクチルアミン、デシルアミン、ドデシルアミン、オレイルアミン等が挙げられる。
脂肪族アミノアルコール系溶媒としては、例えば、エタノールアミン、プロパノールアミン、オクタノールアミン、デカノールアミン、ドデカノールアミン、オレイルアルコールアミン等が挙げられる。
脂肪族アルコール系溶媒としては、例えば、ヘキサノール、オクタノール、デカノール、ドデカノール、オレイルアルコール等が挙げられる。
テルピンアセテート系溶媒としては、例えば、1,8-テルピン-1-アセテート、1,8-テルピン-8-アセテート、1,8-テルピン-1,8-ジアセテート等が挙げられる。
脂肪族アルカン系溶媒としては、例えば、オクタン、デカン、ドデカン、流動パラフィン等が挙げられる。
また、カルビトール系溶媒としては、例えば、ブチルカルビトール、ヘキシルカルビトール、デシルカルビトール等が挙げられる。
<他の成分>
複合金属粒子含有組成物は、必要に応じて更に他の成分を含有してもよい、他の成分としては、金属粉、分散剤、バインダー樹脂、増粘剤、ゲル化剤、酸化防止剤等の各種添加剤などが挙げられる。
また、本発明において複合金属粒子含有組成物は、更に金属ナノ粒子を含有してもよい。金属ナノ粒子を組み合わせることにより、導電性や接合高度がさらに向上する。金属ナノ粒子としては、前記複合金属粒子の項で挙げられたものと同様のものとすることができる。
本複合金属粒子含有組成物は、本複合金属粒子等の分散性を向上するために分散剤を含有してもよい。分散剤は、ポリエステル系分散剤、ポリアクリル酸系分散剤等、公知の分散剤が挙げられる。導電性や接合強度の点から、分散剤の割合は、組成物中の固形分全量に対し、0.5質量%以下が好ましく、全量の0.3質量%以下がより好ましい。なお本発明において固形分とは、複合金属粒子含有組成物を構成する溶媒以外の成分をいう。
本複合金属粒子含有組成物は、バインダー樹脂を含有してもよい。バインダー樹脂は、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂等公知のものの中から適宜選択できる。導電性や接合強度の点から、バインダー樹脂の割合は、組成物中の固形分全量に対し、0.5質量%以下が好ましく、全量の0.3質量%以下がより好ましい。
本複合金属粒子含有組成物は、インクジェット印刷、スクリーン印刷、ディスペンサー塗布など、種々の印刷手段や塗布手段に好適に用いることができる。そのため、例えば、本複合金属粒子含有組成物を印刷して焼結することにより、パターン上の導電回路を形成したり、2つの部材間に本複合金属粒子含有組成物の塗膜を配置して、焼結することにより当該2つの部材を接合するなどの用途に好適に用いることができる。
[物品]
本発明に係る物品(以下、本物品ともいう)は、前記本複合金属粒子、又は、前記複合金属粒子含有組成物の焼結体を有することを特徴とする。本物品は前記複合金属粒子の焼結体を有するため、接合強度や導電性に優れている。以下本物品について具体例を挙げて説明する。
図3は、本発明に係る物品の一例を示す概略的な断面図である。図1は、基材12上に所定のパターン状に形成された焼結体11を有する導電回路20の例を示し、当該焼結体11が回路パターンを形成している。
パターン状の焼結体は、例えば、基材上に、本被覆銅ナノ粒子含有組成物を、インクジェット印刷法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法、ディスペンス法等、公知の印刷方法により、所望のパターン状に印刷し、必要に応じて溶媒を除去した後、加熱により被覆銅ナノ粒子を焼結することにより得ることができる。焼結体の厚みは特に限定されないが、回路に求められる導電性などに応じて、例えば、1~100μm程度となるように調整する。
基材の材質は、用途等に応じて適宜選択することができる。例えば、ポリイミド等の樹脂;ガラス;シリカ、アルミナ等のセラミックス;ステンレス、銅、チタン等の金属;シリコン等の半導体などが挙げられる。基材の形状は、特に限定されず、フィルム状や板状のものに限られるものではない。板状の基材を用いる場合はその厚みは特に限定されないが、例えば、0.01~5mmとすることができる。また、基材として剥離性基材を用いてもよい。この場合、得られた導電体を剥離性基材から剥がして使用することができる。
図4は、本発明に係る物品の別の一例を示す概略的な断面図である。図4は、基材12上に焼結体11を介して、部材13が設けられた接合体30の例を示し、基材12と部材13は焼結体11により接合している。
接合体の製造方法は、例えば、公知の印刷方法により、基材の接合面に本被覆銅ナノ粒子含有組成物を塗布し、当該銅ナノ粒子含有組成物の塗膜上に接合する部材を配置した後、必要に応じて加圧しながら焼結する方法などが挙げられる。
基材12及び部材13は焼結温度に耐えうる材質であれば特に限定されず、物品の用途に応じて適宜選択できる。
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
(製造例1:被覆銅ナノ粒子の製造)
攪拌機、温度計、還流冷却管、および窒素導入管を備えた3000mLガラス製四ツ口フラスコをオイルバス内に設置した。
上記フラスコ内に、ギ酸銅無水物484g(3.1モル)と、ラウリン酸(関東化学社製)68g(0.1当量/ギ酸銅無水物)と、溶媒(補助媒体)としてのトリプロピレングリコールモノメチルエーテル(東京化成社製)150g(0.2当量/ギ酸銅無水物)と、媒体(主媒体)としての石油系炭化水素(C9アルキルシクロヘキサン混合物)(ゴードー社製「スワクリーン150」)562g(1.4当量/ギ酸銅無水物)とを仕込んだ。窒素雰囲気下、上記フラスコ内の内容物をオイルバスで加温しながら、液温度が50℃になるまで、攪拌しながら、混合した。
上記混合物に対して、錯化剤として3-アミノ-1-プロパノール(東京化成社製)712g(3.0当量/ギ酸銅無水物)をゆっくり滴下した。滴下終了後、フラスコの内容物をオイルバスで加温して、液温度が120℃付近になるまで、攪拌しながら、混合した。反応終了後、室温まで自然冷却した。
室温まで冷却した上記反応液に対して、メタノール(関東化学社製)1200gを添加し、混合した。上澄み液をデカンテーションして、沈殿物を得た。得られた沈殿物を、メタノールとアセトンで洗浄し、次いで、沈殿物に対して、キョーワノールM(関東化学社製)18gを添加し内容物を減圧乾燥(真空乾燥)して、ラウリン酸で被覆された被覆銅ナノ粒子を得た。当該被覆銅ナノ粒子の平均粒子径は75.0nmであり、被覆層の割合は、1.27質量%であった。
(製造例2:被覆銅ナノ粒子の製造)
特開2013-047365号公報の実施例1に記載の方法に準じて、以下のようにして被覆銅粒子を合成した。
銅化合物として亜酸化銅(I)(古河ケミカルズ社製)を0.5モル相当、被覆材としてプロピオン酸0.25モル相当、還元剤としてヒドラジン・一水和物(和光純薬工業製)0.5モル相当、溶媒としてイソプロパノールを500ml混合し、1,000mlの4ツ口フラスコに加えた。フラスコには、冷却器、温度計、窒素導入管及び攪拌装置を取り付けた。窒素を200ml/minを通気しながら、攪拌しつつ70℃まで昇温させ、2時間加熱・攪拌を継続して亜酸化銅(I)を還元させ、被覆銅ナノ粒子分散液を得た。当該被覆銅ナノ粒子の平均粒子径は144.0nmであり、被覆層の割合は、0.52質量%であった。
被覆銅ナノ粒子分散液を減圧濾過して、粉体を濾別した。濾別した粉体をメタノール(関東化学工業製)で洗浄し、減圧乾燥させ、プロピオン酸が被覆した被覆銅ナノ粒子Cu2を得た。
(製造例3:被覆銅ナノ粒子の製造)
無水ギ酸銅1800質量部、トリデシル酸64質量部、プロピレングリコール360質量部、スワクリーン#150(丸善石油製、溶媒)1800質量部を混合した、次いで、当該混合液に3-アミノプロパノール2700質量部を添加した。
次いで、トリデシル酸64質量部、プロピレングリコール120質量部、スワクリーン#150 120質量部の混合液を加え、減圧化105℃以下で2時間加熱した。その後、窒素雰囲気下112℃以下で更に21時間加熱した。得られた反応液を濃縮後、メタノールで洗浄し、乾燥し、解砕して、トリデシル酸プロパノールアミドが被覆した被覆銅ナノ粒子を得た。当該被覆銅ナノ粒子の平均粒子径は82.7nmであり、被覆層の割合は、1.60質量%であった。
(実施例1:複合金属粒子含有組成物の製造)
粒径約2μmの銅紛(三井金属鉱業社製:1200Y)33質量部、粒径約0.8μm銅の紛(三井金属鉱業社製:1050Y)9質量部、製造例1で得られた被覆銅ナノ粒子35.1質量部、分散剤SC-0505K(日油株式会社社製)0.23質量部、キョーワノールM(溶媒、関東化学社製)9.1質量部を混合した。その混合物をミルポットへ移送し遊星型ボールミル(フリッチュ社製、PL-7)でメカニカルアロイ処理を実施した。メカニカルアロイ処理は、混合物に1mmφのジルコニアビーズを100質量部入れて、アルゴン雰囲気下、回転数1000rpmで7分間処理後、室温まで冷却し、この操作を6回繰り返し行った。当ナイロンメッシュを用いて混合物からジルコニアビーズをろ別し、実施例1の複合金属粒子含有組成物を得た。実施例1の複合金属粒子含有組成物は、扁平金属粉の表面の少なくとも一部に金属ナノ粒子が固着した金属ナノ粒子層を有する複合金属粒子が含まれることが確認された。
(実施例2:複合金属粒子含有組成物の製造)
実施例1において、製造例1の被覆銅ナノ粒子の代わりに製造例2の被覆銅ナノ粒子を用いた以外は、実施例1と同様にして、実施例2の複合金属粒子含有組成物を得た。
(実施例3:複合金属粒子含有組成物の製造)
製造例3の被覆銅ナノ粒子10.59質量部、平均粒子径が約2μmの銅紛(三井金属社製、1200Y)35.31質量部を混合した。その混合物をミルポットへ移送し遊星型ボールミル(フリッチュ社製、PL-7)でメカニカルアロイ処理を実施した。メカニカルアロイ処理は、混合物に1mmφのジルコニアビーズを100質量部入れて、アルゴン雰囲気下、回転数300rpmで15分間処理後、室温まで冷却し、この操作を15回繰り返し行った。当ナイロンメッシュを用いて混合物からジルコニアビーズをろ別し、本被覆銅ナノ粒子が表面に固着した銅紛MA1200YPを得た。得られたMA1200YP45.9質量部、実施例3の被覆銅ナノ粒子30質量部、平均粒子径が0.4μmの銅紛(三井金属社製、1020Y)15質量部、分散剤(日油株式会社製、マリアリムSC-0505K)0.16質量部、樹脂バインダー(共栄社化学株式会社製、オリコックスKC-1100)0.11質量部、溶媒(KHネオケム株式会社製、キョーワノールM)10質量部を混合し、実施例3の複合金属粒子含有組成物を得た。
(比較例1:組成物の製造)
粒径約2μmの銅紛(三井金属鉱業社製:1200Y)33質量部、粒径約0.8μm銅紛(三井金属鉱業社製:1050Y)9質量部、製造例1で得られた被覆銅ナノ粒子35.1質量部、分散剤SC-0505K(日油株式会社社製)0.23質量部、キョーワノールM(関東化学社製)9.1質量部を混合し、銅粉と、金属ナノ粒子とを含む組成物を得た。比較例1の組成物中では金属ナノ粒子は銅紛に固着していなかった。
(比較例2:組成物の製造)
粒径約1μmの扁平銅紛(三井金属鉱業社製:1100Y)42質量部、製造例1で得られた被覆銅ナノ粒子35.1質量部、分散剤SC-0505K(日油株式会社社製)0.23質量部、キョーワノールM(溶媒、関東化学社製)9.1質量部とを混合し、銅粉と、金属ナノ粒子とを含む組成物を得た。比較例2の組成物中では金属ナノ粒子は銅紛に固着していなかった。
(組成物の結晶子径の算出)
結晶粒子径を粉体X線の回折角度と半値幅からScherrerの式より算出した。S
cherrerの式は式(1)で表される。
D=Kλ/(βcosθ)・・・(1)
ここで、Dは結晶粒子径、KはScherrer定数(ピーク幅として半値幅を用いたため、K=0.9として代入)、λは測定X線の波長(CuKα:1.5418A)、βは式(2)で表される。
β=b-B・・・(2)
ここで、bはピークの半値幅、Bは装置の補正係数(B=0.114)である。
結果を表1に示す。
(扁平金属粉のアスペクト比の測定)
実施例及び比較例の複合金属粒子含有組成物中の扁平金属粉のアスペクト比を以下の方法で算出した。
まず、白板ガラス上に9mm×9mmの正方形のメタルマスクを乗せ、メタルスキージを用いてステンシル印刷により、複合金属粒子含有組成物を塗布した。これを真空リフロー装置(アユミ工業社製、RF-400)にセットし、窒素雰囲気下100℃で1時間乾燥処理した後、350℃で1時間焼成し、焼結被膜を得た。当該焼結被膜を埋め込み用クリアカップ(三啓社製)内にプラスチッククリップ(三啓社製)で固定し、周囲にあらかじめ調製しておいたエポキシ樹脂を焼結被膜全体が埋まるまで流し込み、室温で10時間静置した後、エポキシ樹脂を硬化させてサンプルとした。得られたサンプルを、耐水研磨紙をつけた研磨装置で焼結被膜の中央付近まで削り、研磨面をSEMにより観察した。SEM像の一例(比較例2)を図5に示す。上記の方法により扁平金属粉は図5のように観察される。当該SEM像から、100個の扁平金属粉を抽出し、長径(a)と短径(b)を求め、アスペクト比を算出した。結果を表1に示す。
(ひび割れ評価)
実施例及び比較例で得られた複合金属粒子含有組成物を、それぞれAu(金)メッキされた素子上に5mg塗布し、当該塗布面にAuメッキされた別の素子をのせ、組成物の厚みが50μmになるまで押し込んだ。次いで、100℃で1時間乾燥処理した後、350℃で1時間焼結し、素子同士を接合し素子接合体を得た。得られた素子接合体について素子の厚み方向に対して下記の条件で透過X線観察を行い非破壊の接合層のひび割れ評価を行った。結果を表1に示す。
<観察条件>
観察装置:XGT-5000(HORIBA社製)
X線管電圧:50KV
電流:1.0mA
ターゲット:Rh
<ひび割れ評価基準>
〇:接合層のひび割れが観察されなかった。
△:接合層に亀裂が観察された。
×:接合層に大きな亀裂又はボイドが観察された。
Figure 0007300172000003
実施例1~2及び比較例1~2の組成物について、以下のようにして接合強度と導電性を評価した。結果を表2に示す。
(ダイシェア強度測定)
実施例及び比較例で得られた複合金属粒子含有組成物を、それぞれ開口部が9mm×6.5mm×厚みが0.15mmのメタルマスクを用いてTO-247型銅フレーム上に塗工し、次いで、窒素条件下、200℃で30分間塗膜を加熱乾燥した。加熱終了後、乾燥塗膜の上に素子を置き、真空条件下、塗膜の厚み方向に20MPaの圧力をかけながら、250℃10分間加熱焼結し、素子と銅フレームを接合し素子接合体を得た。
<ダイシェア強度評価>
前記方法により得られた素子接合体について、下記の測定条件によりダイシェアテストを行い、接合強度を評価した。結果を表2に示す。
(測定条件)
測定装置:ボンドテスター Conder Sigma(XYZTEC社製)
測定条件:シェア高さ10μm、シェア移動速度25μm/s
(導電性評価)
実施例1~2及び比較例1~2の組成物を、それぞれ白板ガラス上に9mm×9mmの正方形のメタルマスクを乗せたメタルスキージを用いてステンシル印刷により塗布した。これを真空リフロー装置(アユミ工業社製、RF-400)にセットし、窒素雰囲気下100℃で1時間乾燥処理した後、350℃で1時間焼成し、焼結膜を得た。得られた焼結体の体積固有抵抗値を測定した。また焼成温度を350℃から250℃に変更した以外は上記と同様の方法で焼結膜を形成し、同様に体積固有抵抗値を測定した。結果を表2に示す。
Figure 0007300172000004
実施例2の組成物は250℃の焼成では十分に焼結が進行しなかったため、体積固有抵抗値の測定ができなかった。ラウリン酸で被覆された被覆金属粒子を用いた実施例1の組成物は低温焼結性に優れ、250℃の焼成であっても優れた接合強度及び導電性が得られることが示された。
1 扁平金属粉
2 金属ナノ粒子
3 金属粉
10 複合金属粒子
11 焼結体
12 基材
13 部材
20 導電回路
30 接合体

Claims (7)

  1. 扁平金属粉と、
    前記扁平金属粉の表面の少なくとも一部に金属ナノ粒子が固着した金属ナノ粒子層を有し、
    前記金属ナノ粒子の平均一次粒径が、10~200nmであり、
    前記金属ナノ粒子が、表面に、脂肪酸、脂肪酸アルカノールアミド、脂肪酸アミノアルキルエステル、及び、脂肪族アルデヒドよりなる群から選択される1種以上の被覆材が被覆した被覆層を有する被覆金属ナノ粒子である、複合金属粒子。
  2. 前記扁平金属粉の長径(a)と短径(b)との比(a/b)が、2~10である、請求項1に記載の複合金属粒子。
  3. 前記複合金属粒子の平均結晶子径が20~100nmである、請求項1又は2に記載の複合金属粒子。
  4. 金属粉と金属ナノ粒子との混合物を準備する工程と、
    前記混合物をメカノケミカル処理する工程とを有し、
    前記金属ナノ粒子の平均一次粒径が、10~200nmであり、
    前記金属ナノ粒子が、表面に、脂肪酸、脂肪酸アルカノールアミド、脂肪酸アミノアルキルエステル、及び、脂肪族アルデヒドよりなる群から選択される1種以上の被覆材が被覆した被覆層を有する被覆金属ナノ粒子であり、
    前記メカノケミカル処理により、前記金属粉を扁平金属粉に変形させながら、当該扁平金属粉の表面に金属ナノ粒子を固着させる、複合金属粒子の製造方法。
  5. 請求項1乃至のいずれか一項に記載の複合金属粒子と、溶媒とを含有する、複合金属粒子含有組成物。
  6. 更に、平均一次粒径が10~200nmの金属ナノ粒子を含有する、請求項に記載の複合金属粒子含有組成物。
  7. 請求項1乃至のいずれか一項に記載の複合金属粒子、又は、請求項5又は6に記載の複合金属粒子含有組成物を焼結して焼結体を得る工程を有する、物品の製造方法。
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