JP7355313B2

JP7355313B2 - 金属ペースト、電子部品、及び電子部品製造方法

Info

Publication number: JP7355313B2
Application number: JP2019062120A
Authority: JP
Inventors: 彰成的場; 善央筒口; 保人米澤
Original assignee: Ishikawa Prefecture
Current assignee: Ishikawa Prefecture
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2023-10-03
Anticipated expiration: 2039-03-28
Also published as: JP2020161424A

Description

特許法第３０条第２項適用平成３１年２月１５日に公開された２０１９年第６６回応用物理学会春季学術講演会予稿集で発表

本発明は、金属ペースト、電子部品、及び電子部品製造方法に関するものである。

例えば、特許文献１では、基板と前記基板上に形成された導体と前記導体と電気的に接続され、前記基板上に形成された抵抗発熱体と前記導体と前記抵抗発熱体を前記基板上で覆ったオーバーコート層とを具備し、前記抵抗発熱体は、酸化ルテニウムと、ガラスと、酸化チタン、酸化マンガンおよび酸化鉄を含む混合物と、銀とを含有し、前記銀は、１重量％以上８重量％以下含有されるヒータが開示されている。

また、特許文献２では、セラミック基板に抵抗体が設けられているセラミックヒータにおいて、前記抵抗体が、少なくとも２種以上の貴金属粒子、二酸化ルテニウム及びガラスフリットからなることを特徴とするセラミックヒータが開示されている。

特開２０１５－１０９２４５号公報ＷＯ２００２／０４５４６５号公報

本発明は、効率的な電子部品製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る電子部品製造方法は、スクリーン印刷により、基板の上に金属ペーストを塗布するステップと、前記塗布するステップにより、金属ペーストが塗布された基板を焼成するステップとを有し、前記金属ペーストは、所定の金属元素からなり、１μｍ以上１０μｍ以下の粒径である第１の金属粒子と、前記金属元素からなり、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の粒径である第２の金属粒子と、前記金属元素のイオンが含まれる金属錯体とを有する。

好適には、金属を粉砕し、前記第１の金属粒子を生成するマイクロ粒子生成ステップと、金属を粉砕し、前記第２の金属粒子を生成するナノ粒子生成ステップと、金属錯体を調整及び還元し、前記金属錯体を生成する還元ナノ粒子生成ステップと、前記マイクロ粒子生成ステップにより生成された第１の金属粒子と、前記ナノ粒子生成ステップにより生成された第２の金属粒子と、前記還元ナノ粒子生成ステップにより生成された金属錯体と、バインダとを混合する混合ステップとをさらに有し、前記金属錯体は、配位子に酢酸化合物を有する。

好適には、前記バインダは、粘度が調整された混合物であり、前記混合物は、水又はエタノール、イソプロピルアルコール、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、及び、ポリビニルピロリドンを有する。

好適には、前記混合ステップにおいて、粉末状のガラスをさらに添加し、前記粉末状のガラスは、４５０℃以下の融点である。

本発明に係る金属ペーストは、所定の金属元素からなり、１μｍ以上１０μｍ以下の粒径である第１の金属粒子と、前記金属元素からなり、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の粒径である第２の金属粒子と、前記金属元素のイオンが含まれる金属錯体と前記第１の金属粒子と、前記第２の金属粒子と、前記金属錯体とを結合するバインダとを有する。

好適には、前記金属錯体は、配位子に酢酸化合物を有する。

好適には、前記金属ペーストは、粉末状のガラスをさらに有し、前記粉末状のガラスは、４５０℃以下の融点である。

本発明に係る電子部品は、基板と、スクリーン印刷により、前記基板の上に塗布された金属ペーストとを有し、前記基板の上に塗布された前記金属ペーストは焼成されており、前記金属ペーストは、所定の金属元素からなり、１μｍ以上１０μｍ以下の粒径である第１の金属粒子と、前記金属元素からなり、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の粒径である第２の金属粒子と、前記金属元素のイオンが含まれる金属錯体とを有する。

本発明によれば、効率的に金属ペースト又は電子部品を作製することができる。

（ａ）は、金属ペースト１の模式図であり、（ｂ）は、合金ペースト２の模式図である。第１の金属粒子１０と第２の金属粒子１２と金属錯体１４との製法を例示する図である。スクリーン印刷によるＮｉ－Ｃｒ抵抗体３の製造方法を例示する図である。Ｎｉ－Ｃｒ抵抗体３の製造方法（Ｓ１０）を説明するフローチャートである。（ａ）は、Ｎｉ－Ｃｒ抵抗体３の外観を示す写真であり、（ｂ）は、焼成温度をパラメータとして作製したＮｉ－Ｃｒ抵抗体３のＸＲＤ結果を示す。（ａ）は、Ｎｉ－Ｃｒ抵抗体３の表面の２次電子像を示し、（ｂ）は、Ｎｉ－Ｃｒ抵抗体３の断面の元素分析結果を示す。（ａ）は、Ｎｉ－Ｃｒ抵抗体３の焼成温度に対する抵抗値を示すグラフであり、（ｂ）は、Ｎｉ－Ｃｒ抵抗体３のガラス添加量に対する抵抗値を示すグラフである。Ｎｉ－Ｃｒ抵抗体３のヒータ特性を示すグラフである。

本実施形態の金属ペースト１について説明する。
図１(ａ)は、金属ペースト１の模式図である。
図１(ａ)に例示するように、金属ペースト１は、第１の金属粒子１０、第２の金属粒子１２、金属錯体１４、及びバインダ１６により構成される。
第１の金属粒子１０は、所定の金属元素からなり、１μｍ以上１０μｍ以下の粒径である。具体的には、第１の金属粒子１０は、所定の金属を粉砕し、１μｍ以上１０μｍ以下の粒径となった金属粒子である。
第２の金属粒子１２は、第１の金属粒子１０と同じ金属元素からなり、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の粒径である。具体的には、第２の金属粒子１２は、第１の金属粒子１０と同じ金属を粉砕し、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の粒径となった金属粒子である。

金属錯体１４は、第１の金属粒子１０及び第２の金属粒子１２と同じ金属元素のイオンを含む金属錯体である。具体的には、金属錯体１４は、第１の金属粒子１０及び第２の金属粒子１２と同じ金属元素を調整し、生成された金属錯体である。より具体的には、金属錯体１４は、配位子に酢酸化合物を有する。
バインダ１６は、粘度が調整された混合物である。具体的には、バインダ１６は、水又はエタノール、イソプロピルアルコール、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、及び、ポリビニルピロリドンを有する。より具体的には、バインダ１６は、第１の金属粒子１０と第２の金属粒子１２と金属錯体１４とを結合する。

図１（ａ）に例示する金属ペースト１は、１種類の金属のみから形成されるが、図１（ｂ）に例示するように、ニッケル及びクロム金属を用いて合金ペースト２を形成してもよい。
合金ペースト２は、第１の金属粒子１０である、ニッケルマイクロ粒子３０及びクロムマイクロ粒子３２と、第２の金属粒子１２である、ニッケルナノ粒子３４及びクロムナノ粒子３６と、金属錯体１４である、ニッケル金属錯体３８及びクロム金属錯体４０と、バインダ１６とを有する。
ニッケルマイクロ粒子３０は、１μｍ以上１０μｍ以下の粒径を有するニッケル金属粒子である。クロムマイクロ粒子３２は、１μｍ以上１０μｍ以下の粒径を有するクロム金属粒子である。ニッケルマイクロ粒子３０及びクロムマイクロ粒子３２は、本発明に係る第１の金属粒子の一例である。

ニッケルナノ粒子３４は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の粒径を有するニッケル金属粒子である。クロムナノ粒子３６は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の粒径を有するクロム金属粒子である。ニッケルナノ粒子３４及びクロムナノ粒子３６は、本発明に係る第２の金属粒子の一例である。
ニッケル金属錯体３８は、ニッケルイオンを含み、配位子に酢酸化合物を有する金属錯体である。クロム金属錯体４０は、クロムイオンを含み、配位子に酢酸化合物を有する金属錯体である。ニッケル金属錯体３８及びクロム金属錯体４０は、本発明に係る金属錯体の一例である。

図２は、第１の金属粒子１０と、第２の金属粒子１２と、金属錯体１４との製造方法を例示する図である。
図２に例示するように、第１の金属粒子１０及び第２の金属粒子１２、すなわち、ニッケルマイクロ粒子３０、クロムマイクロ粒子３２、ニッケルナノ粒子３４、及びクロムナノ粒子３６は、トップダウン法を用い、バルク金属を物理的に粉砕して微細化することにより生成される。
金属錯体１４、すなわち、ニッケル金属錯体３８及びクロム金属錯体４０は、ボトムアップ法を用い、金属錯体を溶液で金属イオンから還元して金属原子として凝集させて微細化することにより生成される。

図３は、合金ペースト２を用いたＮｉ－Ｃｒ抵抗体３の製造方法である。
図３に例示するように、Ｎｉ－Ｃｒ抵抗体３は、基板４の上に合金ペースト２を塗布し、焼成することにより作製される。具体的には、Ｎｉ－Ｃｒ抵抗体３は、スクリーン印刷を用いてセラミック基板上に合金ペースト２を塗布し、焼成することにより作製される。なお、Ｎｉ－Ｃｒ抵抗体３は、本発明に係る電子部品の一例である。

図４は、Ｎｉ－Ｃｒ抵抗体３の製造方法（Ｓ１０）を説明するフローチャートである。
ステップ１００（Ｓ１００）において、ニッケル金属とクロム金属における第１の金属粒子１０を作製する。具体的には、トップダウン法を用いて、ニッケルマイクロ粒子３０及びクロムマイクロ粒子３２を生成する。
ステップ１０５（Ｓ１０５）において、ニッケル金属とクロム金属における第２の金属粒子１２を生成する。具体的には、トップダウン法を用いて、ニッケルナノ粒子３４及びクロムナノ粒子３６を生成する。
ステップ１１０（Ｓ１１０）において、ニッケル金属とクロム金属における金属錯体１４を作製する。具体的には、ボトムアップ法を用いて、ニッケル金属錯体３８及びクロム金属錯体４０を生成する。具体的には、酢酸ニッケル水和物及び酢酸クロム水和物をグリセリンに溶かし、ニッケル金属錯体溶液及びクロム金属錯体溶液を生成する。

ステップ１１５（Ｓ１１５）において、ニッケルマイクロ粒子３０、クロムマイクロ粒子３２、ニッケルナノ粒子３４、クロムナノ粒子３６、ニッケル金属錯体３８、クロム金属錯体４０、及びバインダ１６を混合する。具体的には、ニッケル錯体溶液及びクロム錯体溶液に、ニッケルマイクロ粒子３０、クロムマイクロ粒子３２、ニッケルナノ粒子３４、及びクロムナノ粒子３６を調整し、さらに、ニッケル：クロム＝８：２となるよう調整する。そして、第１の金属粒子１０及び第２の金属粒子１２を含む金属の錯体溶液に、粘度調整用のバインダとしてイソプロピルアルコールに溶かしたポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリエチレングリコール、及び、ガラスフリットを添加し、合金ペースト２を生成する。ガラスフリットは、セラミック基板との密着性向上及び抵抗値調整のために添加される。なお、ガラスフリットとは、粉末状のガラスであり、融点が４５０℃以下である。
ステップ１２０（Ｓ１２０）において、セラミック基板４上に、スクリーン印刷により合金ペースト２を塗布する。
ステップ１２５（Ｓ１２５）において、合金ペースト２が塗布された基板４を、窒素雰囲気中で焼成してＮｉ－Ｃｒ抵抗体３を作製する。
(実施例)

本例におけるＮｉ－Ｃｒ抵抗体３の作製方法について説明する。
金属ニッケル粉（粒径２～３μｍ、高純度化学研究所製）、及び金属クロム粉（粒径１０μｍ、高純度化学研究所製）を用いて、トップダウン法により、物理的に粉砕して微細化し、１μｍ以上１０μｍ以下の粒径を有するニッケルマイクロ粒子３０及びクロムマイクロ粒子３２を生成した。さらに、金属ニッケル粉（粒径２～３μｍ、高純度化学研究所製）、及び金属クロム粉（粒径１０μｍ、高純度化学研究所製）を用いて、トップダウン法により、物理的に粉砕して微細化し、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の粒径を有するニッケルナノ粒子３４及びクロムナノ粒子３６を生成した。そして、酢酸ニッケル水和物（シグマアルドリッチジャパン製）及び酢酸クロム水和物（シグマアルドリッチジャパン製）をグリセリン（関東化学製）に溶かし、ニッケル金属錯体溶液及びクロム金属錯体溶液を生成した。バインダ１６として、イソプロピルアルコール（シグマアルドリッチジャパン製）に溶かしたポリビニルアルコール（シグマアルドリッチジャパン製）、ポリビニルピロリドン（シグマアルドリッチジャパン製）、ポリエチレングリコール（シグマアルドリッチジャパン製）、及びガラスフリットを添加し、合金ペースト２を生成した。さらに、セラミック基板４上にスクリーン印刷により合金ペースト２を塗布し、ホットプレート上で、１２０℃で３０分以上加熱し、乾燥後、管状炉（いすゞ(株)社製ＥＰＫＲＯ－１４Ｋ、ＥＰ－Ｋ－１２００）を用いて窒素雰囲気中で仮焼成４００℃を１時間、本焼成８００℃、７００℃、６００℃、及び５００℃の４通りで１時間焼成してＮｉ－Ｃｒ抵抗体３を作製した。

図５（ａ）は、Ｎｉ－Ｃｒ抵抗体３の外観を示す写真である。
図５（ａ）のＮｉ－Ｃｒ抵抗体３は、合金ペースト２をセラミック基板４上に５ｍｍ×１５ｍｍのパターンを印刷し、窒素雰囲気中で仮焼成４００℃を１時間、本焼成８００℃、７００℃、６００℃、及び５００℃の４通りで１時間焼成して作製された。
図５（ｂ）は、焼成温度をパラメータとして作製したＮｉ－Ｃｒ抵抗体３のＸＲＤ結果を示す。
図５（ｂ）の縦軸の強度は、各スペクトルの最大値で規格化されている。図５（ｂ）から、Ｎｉ－Ｃｒ抵抗体３は、いずれの焼成温度でも２つのピークがあり、複数の結晶相を持つことが示され、８００℃～６００℃ではＮｉ－Ｃｒ合金に近い位置にピークが見られた。
作製したＮｉ－Ｃｒ抵抗体３は、通電により発熱し、６Ｗの電力を印加することで２５０℃まで到達及び飽和することが確認された。

図６（ａ）は、Ｎｉ－Ｃｒ抵抗体３の表面の２次電子像を示し、（ｂ）は、Ｎｉ－Ｃｒ抵抗体３の断面の元素分析結果を示す。
図６（ａ）に例示するように、焼成温度の上昇に伴い、粒子が凝集した表面が平坦なＮｉ－Ｃｒ抵抗体３が形成された。また、図６（ｂ）に例示するように、Ｎｉ－Ｃｒ抵抗体３は、粘度調整剤にポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を用いることで残留有機物の低減が可能となった。Ｎｉ－Ｃｒ抵抗体３は、残留有機物の低減により、有機物揮発によるひび割れを防ぎ、通電時の耐久性を向上させることができる。

図７（ａ）は、Ｎｉ－Ｃｒ抵抗体３の焼成温度に対する抵抗値を示すグラフであり、（ｂ）は、Ｎｉ－Ｃｒ抵抗体３のガラス添加量に対する抵抗値を示すグラフである。
図７（ａ）に例示するように、Ｎｉ－Ｃｒ抵抗体３は、焼成温度の上昇に伴い、抵抗値が減少していることがわかる。これは、結晶化及び残留有機物の減少によるものである。
図７（ｂ）に例示するように、Ｎｉ－Ｃｒ抵抗体３は、ガラス添加量（ガラスフリット添加量）を調整することにより、抵抗値を５桁以上変化させることができる。

図８は、Ｎｉ－Ｃｒ抵抗体３の特性を示すグラフである。
図８に例示するように、Ｎｉ－Ｃｒ抵抗体３は、投入電力５．４Ｗにおいて、２３０℃到達まで、１８０ｓｅｃであり、投入電力９．５Ｗにおいて、１０ｓｅｃであった。また、Ｎｉ－Ｃｒ抵抗体３は、２３０℃から室温まで自然冷却において、約１００ｓｅｃであった。

以上説明したように、金属ペースト１は、トップダウン法により生成された、１μｍ以上１０μｍ以下の粒径である第１の金属粒子１０と、トップダウン法により生成された、第１の金属粒子１０と同じ金属元素からなる、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の粒径である第２の金属粒子１２と、ボトムアップ法により生成された、第１の金属粒子１０と同じ金属元素のイオンが含まれる金属錯体１４とを有する。合金ペースト２では、第１の金属粒子１０、第２の金属粒子１２、金属錯体１４に、ニッケル及びクロム金属を用い、この合金ペースト２を印刷、焼成することで抵抗体の作製を可能にし、低コストによる抵抗体の形成を実現した。また、合金ペースト２の生成において、ガラスの添加量を変えることで抵抗値調整が可能であり、さらに、通電することでヒータとして機能し、電力を調整することで１０秒程度で２３０℃まで加熱可能である。

［変形例］
上記実施形態では、合金ペースト２にニッケル金属及びクロム金属を用いているが、これに限定されるものではなく、例えば、銅、亜鉛、又は鉄を用いた合金ペースト２を作製してもよい。

１・・・金属ペースト
２・・・合金ペースト
３・・・Ｎi－Ｃｒ抵抗体
４・・・基板
１０・・・第１の金属粒子
１２・・・第２の金属粒子
１４・・・金属錯体
１６・・・バインダ
３０・・・ニッケルマイクロ粒子
３２・・・クロムマイクロ粒子
３４・・・ニッケルナノ粒子
３６・・・クロムナノ粒子
３８・・・ニッケル金属錯体
４０・・・クロム金属錯体

Claims

スクリーン印刷により、基板の上に金属ペーストを塗布するステップと、
前記塗布するステップにより、金属ペーストが塗布された基板を焼成するステップと
を有し、
前記金属ペーストは、
所定の金属元素からなり、１μｍ以上１０μｍ以下の粒径である第１の金属粒子と、
前記金属元素からなり、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の粒径である第２の金属粒子と、
前記金属元素のイオンが含まれる金属錯体と
を有し、
前記金属ペーストは、ニッケル金属及びクロム金属からなる合金ペーストであり、
前記第１の金属粒子は、ニッケルマイクロ粒子、クロムマイクロ粒子、又は、ニッケルマイクロ粒子及びクロムマイクロ粒子であり、
前記第２の金属粒子が、ニッケルナノ粒子、クロムナノ粒子、又は、ニッケルナノ粒子及びクロムナノ粒子である
電子部品製造方法。
金属を粉砕し、前記第１の金属粒子を生成するマイクロ粒子生成ステップと、
金属を粉砕し、前記第２の金属粒子を生成するナノ粒子生成ステップと、
金属錯体を調整及び還元して金属原子を凝集させ、凝集した金属原子を含む金属錯体を生成する還元ナノ粒子生成ステップと、
前記マイクロ粒子生成ステップにより生成された第１の金属粒子と、前記ナノ粒子生成ステップにより生成された第２の金属粒子と、前記還元ナノ粒子生成ステップにより生成された金属錯体と、バインダとを混合する混合ステップと
をさらに有し、
前記金属錯体は、配位子に酢酸化合物を有する
請求項１に記載の電子部品製造方法。
前記バインダは、粘度が調整された混合物であり、
前記混合物は、イソプロピルアルコールと、ポリビニルピロリドンとを有する
請求項２に記載の電子部品製造方法。
前記混合ステップにおいて、粉末状のガラスをさらに添加し、
前記粉末状のガラスの融点は、４５０℃以下である
請求項２に記載の電子部品製造方法。
所定の金属元素からなり、１μｍ以上１０μｍ以下の粒径である第１の金属粒子と、
前記金属元素からなり、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の粒径である第２の金属粒子と、
前記金属元素のイオンが含まれる金属錯体と前記第１の金属粒子と、前記第２の金属粒子と、前記金属錯体とを結合するバインダと
を有し、
前記第１の金属粒子は、ニッケルマイクロ粒子、クロムマイクロ粒子、又は、ニッケルマイクロ粒子及びクロムマイクロ粒子であり、
前記第２の金属粒子が、ニッケルナノ粒子、クロムナノ粒子、又は、ニッケルナノ粒子及びクロムナノ粒子であり、
ニッケル金属及びクロム金属からなる合金ペーストである
金属ペースト。
前記金属錯体は、配位子に酢酸化合物を有する
請求項５に記載の金属ペースト。
前記バインダは、粘度が調整された混合物であり、
前記混合物は、イソプロピルアルコールと、ポリビニルピロリドンとを有する
請求項５に記載の金属ペースト。
粉末状のガラスを
さらに有し、
前記粉末状のガラスの融点は、４５０℃以下である
請求項５に記載の金属ペースト。
基板と、
スクリーン印刷により、前記基板の上に塗布された金属ペーストと
を有し、
前記基板の上に塗布された前記金属ペーストは焼成されており、
焼成前の前記金属ペーストは、
所定の金属元素からなり、１μｍ以上１０μｍ以下の粒径である第１の金属粒子と、
前記金属元素からなり、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の粒径である第２の金属粒子と、
前記金属元素のイオンが含まれる金属錯体と
を有し、
前記金属ペーストは、ニッケル金属及びクロム金属からなる合金ペーストであり、
前記第１の金属粒子は、ニッケルマイクロ粒子、クロムマイクロ粒子、又は、ニッケルマイクロ粒子及びクロムマイクロ粒子であり、
前記第２の金属粒子が、ニッケルナノ粒子、クロムナノ粒子、又は、ニッケルナノ粒子及びクロムナノ粒子である
電子部品。