JPH10330801A - 銅微粉末及びその製造方法 - Google Patents
銅微粉末及びその製造方法Info
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Abstract
要求される特性を満足する銅微粉末、及びそのような銅
微粉末の製造方法を提供すること。 【解決手段】粉体状態で測定した電気抵抗が1×10-3
Ω・cm以下、BETによる比表面積が0.15〜0.
3m2 /g、タップ密度が4.5g/cc以上、該BE
Tによる比表面積(m2 /g)から計算した粒径(μ
m)とタップ密度(g/cc)との積が13以上、粒度
分布がマイクロトラック測定におけるD50=4〜7μm
且つD90=9〜11μm、且つ水素還元減量が0.30
%以下である銅微粉末、及び該銅微粉末の製造方法。
Description
抵抗が著しく低く、充填性に優れており、粒度分布がシ
ャープである銅微粉末及びその製造方法に関し、より詳
しくは、主に電子回路用の、特に多層プリント配線板用
樹脂基板の導電体形成に適した銅ペースト用の銅微粉末
及びその製造方法に関する。
ス、セラミック等の基板上にスクリーン印刷や直接描画
等で塗布した後、焼成して厚膜形成を行う、いわゆる焼
成型ペースト用の原材料として使用されている。昨今、
かかる電子機器回路基板においては、機器の小型軽量
化、高機能化のための高速化、デジタル化に伴い、一層
の高密度化が要求されている。しかるに従来の回路基板
の製造方法は基板にドリル加工により貫通穴を形成し、
めっきを行うスルーホール方式が主体であり、上記の要
求を満足するには限界があった。
サイズの小型化に加え、自動配線設計、デジタル高速信
号処理化に対応可能なVH(ビアホール)構造を有する
多層プリント配線板の開発が注目されている。VH構造
の多層プリント配線板は、穴加工した基板の穴に銅微粉
末、樹脂及び硬化剤からなる無溶剤型の熱硬化導電性ペ
ーストを充填し、銅箔をサンドイッチし、加熱加圧成形
して製造している。当該基板の製造に用いられる熱硬化
導電性ペーストにおいては、従来の焼成型ペーストとは
異なり、加熱による有機バインダーや溶剤の揮発がなく
且つ非導電性の樹脂が介在するので、導電体としての銅
微粉末の導電性や充填性に更に優れた特性が要求され
る。
は、溶剤を含む焼成型ペーストに用いるのに適した特
性、即ち銅微粉末の形状、粒径、粒度分布、タップ密度
等を改良するために種々試みられてきているが、無溶剤
型熱硬化導電性ペーストに用いるのに適した特性につい
ては十分には検討されておらず、無溶剤型熱硬化導電性
ペーストに用いるのに適した特性を満たす銅微粉末は未
だ得られていない。
砕法、アトマイズ法、電気分解法、蒸発法、湿式還元法
等が提案されている。湿式還元法は焼成ペースト用の銅
微粉末の好ましい製造法であるとされており、該湿式還
元法のうちのヒドラジン還元法については0.1〜10
0μmオーダーの銅微粉末の製造に適した手段としてこ
れまでにもいくつかの方法が提案されてきている。
4号公報、特開平4−116109号公報、特開平4−
235205号公報等に記載された製造法が挙げられ
る。特開平2−294414号公報には、アミノ酸及び
その塩、アンモニア及びアンモニウム塩、有機アミン類
ならびにジメチルグリオキシムからなる群から選択され
た少なくとも1種の化合物の存在下、銅塩水溶液に水酸
化アルカリ及び還元糖を加え亜酸化銅を析出させ、その
後ヒドラジンにて還元して銅粉末を得る方法が開示され
ている。
銅塩水溶液から水酸化銅、亜酸化銅を経て金属銅に迄還
元する方法が開示されている。その開示された方法では
銅塩水溶液をpH12以上に調整した後に該銅塩水溶液
に還元糖、ヒドラジン系還元剤を添加すること、ヒドラ
ジン系還元剤を添加する前に反応溶液を60℃以上に調
整すること、及び水溶液中の銅(II)イオンを安定に溶
解させるためにロッシェル塩、アミノ酸、アンモニア又
はアンモニア化合物等の錯化剤が使用可能であること等
についても開示している。
は、上記特開平4−116109号公報に記載の還元方
法と同様の還元方法において、更に保護コロイドを分割
添加することを含む還元法が開示されている。上記の各
公開公報に開示された製造方法によって得られる銅微粉
末は、粒度分布が狭いことや粒径が小さいこと等を特徴
として挙げているが、その粒度分布の幅は依然広く且つ
粒径が小さい方にばらつくことにより、VH用の熱硬化
導電性ペースト向け原材料として未だ不充分なものであ
った。
ト配線板用樹脂基板においては、従来の焼成型ペースト
を用いた場合とは異なり、VH部分には導電体である銅
微粉末の粒子間に硬化樹脂が介在するので電気抵抗がア
ップする要因となる。また、VHに熱硬化導電性ペース
トを充填する際にスキージ等による充填法が実施される
が、熱硬化導電性ペースト中の銅微粉末の粒度のバラツ
キが大きい場合には、粗粒が先にVHに充填され、それ
につれてスキージに蓄えられている熱硬化導電性ペース
ト中の微粒の割合が高くなる傾向があり、このためスキ
ージに蓄えられている一バッチの熱硬化導電性ペースト
による基板処理枚数が増えるにつれてスキージに残存し
ている熱硬化導電性ペーストの粘度が段々と高くなり、
遂には充填不能、充填不良、VH部分以外の部分でのペ
ーストの付着残存等が生じることになる。
熱硬化導電性ペーストに用いられる銅微粉末には下記の
特性が要求される。 (1)粉体状態で測定した電気抵抗が充分に低いこと、
(2)導電性を確保するための充填性に優れているこ
と、(3)熱硬化導電性ペースト中の銅微粉末の含有率
を高くできること、(4)上記(3)項を満たしながら
ペーストの粘度が適度に保たれること。
る銅微粉末に要求される上記のような要求を満足するた
めになされたものであり、本発明の目的は、上記の全て
の特性を満足する銅微粉末を提供することにある。本発
明のその他の目的は、上記の全ての特性を満足する銅微
粉末の製造方法を提供することにある。
的を達成するために種々研究を重ねた結果、粉体状態で
測定した電気抵抗、BETによる比表面積、タップ密
度、BETによる比表面積から計算した粒径とタップ密
度との積、マイクロトラック測定における粒度分布及び
水素還元減量の値がそれぞれ特定の範囲内にある銅微粉
末が上記の全ての特性を満足すること、更に、上記の全
ての特性を満足する銅微粉末が特定の製造方法によって
得られることを見いだし本発明を完成した。
定した電気抵抗が1×10-3Ω・cm以下であり、BE
Tによる比表面積が0.15〜0.3m2 /gであり、
タップ密度が4.5g/cc以上であり、該BETによ
る比表面積(m2 /g)から式 粒径(μm)=6/[8.93×〔BETによる比表面
積(m2/g)〕] に従って計算した粒径(μm)とタップ密度(g/c
c)との積が13以上であり、粒度分布がマイクロトラ
ック測定におけるD50=4〜7μm且つD90=9〜11
μmであり、且つ水素還元減量が0.30%以下である
ことを特徴とする銅微粉末である。
5℃以上の温度に維持した二価銅イオンの銅塩水溶液に
反応当量以上の水酸化アルカリを添加して酸化第二銅を
生成させ、次いで55℃以上の温度に維持しながら還元
糖を徐々に添加して該酸化第二銅を酸化第一銅まで還元
し、その後濾過洗浄し、再スラリー化した後、pHを
5.5〜8.5に維持するpH緩衝剤の存在下でヒドラ
ジン系還元剤を徐々に添加して該酸化第一銅を金属銅ま
で還元することを特徴とする。
定した電気抵抗が1×10-3Ω・cm以下のものであ
る。この電気抵抗が1×10-3Ω・cmを超える場合に
は、当該銅微粉末を用いた熱硬化導電性ペーストにより
VH構造の多層プリント配線板用樹脂基板を形成すると
VH部分の電気抵抗が高くなるので好ましくない。
が0.15〜0.3m2 /gのものである。このBET
による比表面積が0.15m2 /g未満の場合には、当
該銅微粉末を用いた熱硬化導電性ペーストによりVH構
造の多層プリント配線板用樹脂基板を形成すると、VH
内に充填したペーストの粘度が低過ぎて充填したペース
トの中央部に空洞が生じ、空洞部のペーストが下方にタ
レルという現象が生じるので好ましくない。逆に、BE
Tによる比表面積が0.3m2 /gを超える場合には、
銅微粉末の粒径が小さく、凝集が進むため、ペーストの
粘度が高くなり、ペーストの粘度の増加につれて基板の
穴への熱硬化導電性ペーストの充填が段々と困難にな
り、基板製造能力(生産性)を低下させるので好ましく
ない。
/cc以上のものである。このタップ密度が4.5g/
cc未満の場合には、当該銅微粉末を用いた熱硬化導電
性ペーストによりVH構造の多層プリント配線板用樹脂
基板を形成すると、VHへの銅微粉末の充填率が不十分
となり、その結果としてVH部分の電気抵抗が高くなる
ので好ましくない。
比表面積(m2 /g)から式 粒径(μm)=6/[8.93×〔BETによる比表面
積(m2/g)〕] に従って計算した粒径(μm)とタップ密度(g/c
c)との積が13以上のものである。この粒径とタップ
密度との積が13未満の場合には、例えば、タップ密度
が十分に高くても銅微粉末の粒径が小さ過ぎる場合に
は、熱硬化導電性ペーストの粘度が高くなり、ペースト
の粘度の増加につれて基板の穴への熱硬化導電性ペース
トの充填が段々と困難になり、基板製造能力(生産性)
を低下させるので好ましくなく、又、粒径が所定の範囲
内にあってもタップ密度が小さ過ぎる場合には、当該銅
微粉末を用いた熱硬化導電性ペーストによりVH構造の
多層プリント配線板用樹脂基板を形成すると、VHへの
銅微粉末の充填率が不十分となり、その結果としてVH
部分の電気抵抗が高くなるので好ましくない。
トラック測定におけるD50=4〜7μm且つD90=9〜
11μmのものである。D50が4μm未満又はD90が9
μm未満の場合には、当該銅微粉末を用いた熱硬化導電
性ペーストによりVH構造の多層プリント配線板用樹脂
基板を形成すると、VH内に充填したペーストの粘度が
低過ぎて充填したペーストの粘度が低過ぎて充填したペ
ーストの中央部に空洞が生じ、空洞部のペーストが下方
にタレルという現象が生じるので好ましくない。逆にD
50が7μmを超えるか又はD90が11μmを超える場合
には、銅微粉末の凝集が大き過ぎてペーストの粘度が高
くなり、ペーストの粘度の増加につれて基板の穴への熱
硬化導電性ペーストの充填が段々と困難になり、基板製
造能力(生産性)を低下させるので好ましくない。
まず最初に、55℃以上の温度、好ましくは60〜70
℃の温度に維持した二価銅イオンの銅塩水溶液に反応当
量以上、好ましくは反応当量の1〜2倍の量の水酸化ア
ルカリを添加して酸化第二銅を生成させる。ここで用い
られる二価銅イオンの銅塩として、硫酸銅、塩化銅、硝
酸銅、酢酸銅等を挙げることができる。
還元糖での還元を有利に進める上でも是非必要である。
又、銅塩水溶液の温度が55℃未満であるかもしくは水
酸化アルカリが二価の銅イオンに対して反応当量未満で
ある場合には、最終的に生成する銅微粉末の形状や粒度
分布にばらつきが生じるのみならず、反応の進行にも影
響を及ぼすので好ましくない。尚、前記した各公開公報
には水酸化アルカリ等により水酸化銅を生成させる点は
記載されているものの、過剰のアルカリを用いて二価銅
イオンを完全に酸化第二銅にする点については何ら記載
も示唆もされていない。
いで55℃以上の温度、好ましくは60〜70℃の温度
に維持しながら還元糖を徐々に添加して該酸化第二銅を
酸化第一銅まで還元する。この際に温度が55℃未満で
あるかもしくは還元糖を一度に添加すると、即ち徐々に
添加しない場合には、やはり、最終的に生成する銅微粉
末の形状や粒度分布にばらつきが生じるので好ましくな
い。
リーを次いで濾過、洗浄し、中性域で再スラリー化した
後、pHを5.5〜8.5、好ましくは6〜7.5に維
持する適当なpH緩衝剤の存在下でヒドラジン系還元剤
を徐々に添加して該酸化第一銅を金属銅まで還元する。
ここで用いられるpH緩衝剤としてはアミノ酢酸があ
り、又、ヒドラジン系還元剤としてはヒドラジン、水加
ヒドラジン、硫酸ヒドラジン、炭酸ヒドラジン、塩酸ヒ
ドラジン等がある。
オンを安定化させるために最初の銅塩水溶液に種々の添
加剤を加えることが記載されているが、アルカリ雰囲気
のままで亜酸化銅スラリーの還元処理を進めている。こ
のようにアルカリ側にあってはヒドラジン系還元剤の強
力な還元力により銅微粉末生成の核が大量に発生し、得
られる銅微粉末は目的の粒径に対して相対的に小さく、
粒度もばらつき、且つ凝集の多い物が生成するので、当
該銅微粉末を用いた熱硬化導電性ペーストの粘度が高く
なり、VHへの充填率が悪くなるので、本発明で得られ
る上記効果は得られない。
ヒドラジン系還元剤による還元の前に酸化第一銅スラリ
ーを濾過、洗浄し、中性域での再スラリー化を行い、該
還元時にpH緩衝剤を添加する方法を見出した。本発明
の製造方法において酸化第一銅スラリーを濾過、洗浄
し、再スラリー化することは重要である。このような処
理を実施しない場合には、最終的に得られる銅微粉末
は、粉体状態で測定した電気抵抗が1×10-3Ω・cm
を超えるか、BETによる比表面積が0.3m2 /gを
超えるか、BETによる比表面積から計算した粒径とタ
ップ密度との積が13未満であるか、粒度分布がマイク
ロトラック測定におけるD50が4未満であるか、D90が
9未満であるか、あるいは水素還元減量が0.30%を
超えるものとなる。
金属銅まで還元する際に、pH緩衝剤、例えば等電点が
pH6程度のアミノ酢酸を用いることにより、このpH
緩衝剤は上記スラリー中のヒドラジン系還元剤濃度を安
定化させるための触媒的な反応に関与するか、あるいは
pH緩衝剤はヒドラジン系還元剤と縮合物を形成すると
考えられるので、還元が進む際に消費されるスラリー中
のヒドラジン系還元剤の濃度をほぼ一定に維持すること
が可能である。
5〜8.5に維持する適当なpH緩衝剤を用いる。pH
緩衝剤により維持されるpH範囲が5.5未満又は8.
5を超える場合には、この上記のような効果は得られな
い。又、pH緩衝剤の添加率は0.01〜1モル/銅モ
ル程度で良く、好ましくは0.05〜0.4モル/銅モ
ル程度が良い。pH緩衝剤の添加率が0.01モル/銅
モル未満だと上記pH緩衝剤による効果が小さく、又、
1モル/銅モルを越える場合には、個々の粒子が大きく
成長し過ぎて、当該銅微粉末を用いた熱硬化導電性ペー
ストの銅微粉末含有率は低くなる傾向がある。更に、反
応温度は40〜60℃度程度が良い。40℃未満の場合
には還元速度が遅くなり、60℃を越える場合には加熱
に要するコストに見合った効果が得られない。
系還元剤を一度に添加すると、即ち徐々に添加しない場
合には、やはり、最終的に生成する銅微粉末の形状や粒
度分布にばらつきが生じるので好ましくない。又、再ス
ラリー化の際にアラビアゴム、ゼラチン等を保護コロイ
ドとして加えても良い。更に、還元、濾過後の銅微粉末
を、銅微粉末表面上に単分子膜が形成される程度の量の
適当な脂肪酸で処理することにより、酸化に対する経時
安定性を付与することもできる。
体状態で測定した電気抵抗が1×10-3Ω・cm以下で
あり、BETによる比表面積が0.15〜0.3m2 /
gであり、タップ密度が4.5g/cc以上であり、該
BETによる比表面積(m2/g)から式 粒径(μm)=6/[8.93×〔BETによる比表面
積(m2/g)〕] に従って計算した粒径(μm)とタップ密度(g/c
c)との積が13以上であり、粒度分布がマイクロトラ
ック測定におけるD50=4〜7μm且つD90=9〜11
μmであり、且つ水素還元減量が0.30%以下である
銅微粉末である。
具体的に説明するが、本発明はかかる事例に限定される
ものではない。 実施例1 硫酸銅(五水塩)100kgを温水に溶解し200リッ
トルの水溶液とし、これを60℃に維持した。この水溶
液に25重量%の水酸化ナトリウムを125リットル加
え、60℃に維持しながら1時間攪拌し、反応させて酸
化第二銅を生成させた。
れに濃度450g/lのグルコース溶液80リットルを
1時間にわたって定量的に添加して酸化第一銅スラリー
を生成させた。このスラリーを濾過洗浄した後、温水を
加えて再スラリー化し、320リットルのスラリーと
し、これにアミノ酢酸1.5kgとアラビアゴム0.7
kgを添加し、攪拌し、温度を50℃に保持した。この
スラリーに20%水加ヒドラジン50リットルを1時間
にわたって定量的に添加して銅微粉末を生成させた。得
られた銅微粉末スラリーを濾過し、純水で充分に洗浄
し、濾過した後、得られた銅微粉末をオレイン酸25g
を含むメタノール中に30分間浸漬し、その後、常法の
乾燥、篩分処理を行って銅微粉末を得た。この銅微粉末
の顕微鏡写真(約10000倍)を図1に示す。図1か
ら明らかなように、得られた銅微粉末は多面体形状を呈
している。
を1.5kgからそれぞれ3kg、15kg、30kg
に変更した以外は、実施例1と同様の製造方法によって
銅微粉末を得た。実施例1〜4で得られた銅微粉末は実
施例1で得られた銅微粉末と同様に多面体形状を呈して
いた。
製造方法によって銅微粉末を得た。 比較例2 アミノ酢酸3kgを反応開始前の硫酸銅水溶液に添加し
た以外は、実施例1と同様の製造方法によって銅微粉末
を得た。 比較例3 酸化第一銅スラリーを生成させた後の濾過洗浄をしない
以外は、実施例1と同様の製造方法によって銅微粉末を
得た。
トを用いて形成したVH構造の多層プリント配線板用樹
脂基板の特性を評価した。評価の対象とした銅微粉末は
それぞれ実施例1〜4及び比較例1〜3で得た銅微粉
末、市販品のMETZ社製品♯12(比較例4)、ME
TZ社製品♯13(比較例5)、日本アトマイズ社製銅
粉(比較例6)、及び京都エレックス社製品C−200
(比較例7)の11種類であり、評価した銅微粉末の特
性は、粉体状態で測定した電気抵抗、BETによる比表
面積、タップ密度、BETによる比表面積から計算した
粒径(μm)とタップ密度(g/cc)との積、マイク
ロトラック測定における粒度分布D50及びD90、及び水
素還元減量であった。それらの値は後記の表1に示す通
りであった。
いて形成したVH構造の多層プリント配線板用樹脂基板
の特性を評価するにあたっては、まず、銅微粉末85重
量%と、樹脂組成としてのビスフェノールA型エポキシ
樹脂(エピコート828、油化シェルエポキシ製)3重
量%及びダイマー酸をグルシジルエステル化したエポキ
シ樹脂(YD−171、東都化成製)9重量%と、硬化
剤としてのアミンダクト硬化剤(MY−24、味の素
製)3重量%とを3本ロールにて混練して熱硬化導電性
ペーストを調製した。
10cm×10cmのアラミド・エポキシシート(R1
661、松下電工製)に直径0.2mmの貫通穴を、貫
通穴の中心軸間の距離が3mmで且つ格子状に20×2
5=500個形成してVH構造を有する基板とした。こ
の基板に対してステンレス製スキージを45°の角度で
配置し、上記で調製したペースト10gを用い、基板1
00枚を連続して供給して各基板の貫通穴にペーストを
充填した。
化導電性ペーストを用いて上記のようにして作成した2
0、40、60、80、100枚目のVH構造の多層プ
リント配線板用樹脂基板についてVHへの充填外観及び
基板上の銅微粉末成分の残存状態を目視で下記の基準で
評価した。 充填外観 ○:目視で全てのVHに完全に充填されている状態、 △:目視で全てのVHに充填されているが、完全には充
填されていないVHが5%以内ある状態、 ×:上記の○及び△以外の状態。 基板上の銅微粉末成分の残存状態 ○:充填後、基板上にペースト成分が全く残存していな
い状態、 △:充填後、基板に指を触れてみた時、かすかに汚れる
状態、 ×:充填後、基板上にペースト成分が残存していること
が肉眼で観察できる状態。
60、80、100枚目の基板の上下面に18μmの銅
箔をプレス温度180℃、圧力50kg/cm2 で60
分間加熱加圧して両面銅張板を作成した。次いで、公知
のエッチング技術を用いて電極パターンを形成し、その
インナビアホールの接続抵抗値(ビア抵抗)を測定し
た。それらの結果は表2及び表3に示す通りであった。
表2及び表3に示すデータから明らかなように、比較例
の銅微粉末を用いて製造された基板に較べ、実施例の銅
微粉末を用いて製造された基板は充填性に優れ、基板上
の残存銅微粉末もなく、またビア抵抗も充分低いことが
分かる。
ペーストに用いられる原材料に要求される諸特性を充分
に満足する。即ち、VH構造の多層プリント配線板用樹
脂基板において、本発明の銅微粉末は高タップ密度で粒
度分布が狭いため、優れた充填性を示す。また、この優
れた充填性に加え、銅微粉末は多面体形状であるので粒
子間の接触度が高く、電気抵抗は安定して低いレベルを
示す。更に、スキージを用いてVHに熱硬化導電性ペー
ストを充填する場合にも、連続処理される基板の枚数が
増えてもスキージに蓄えられたペーストの粘度はあまり
変化せず、ペーストの基板への付着も僅かで、従来の銅
微粉末を用いた場合に比べて1回あたりの基板処理枚数
は飛躍的に改善される。従って、VH構造の多層プリン
ト配線板用樹脂基板の性能ならびに生産性を飛躍的にア
ップすることが可能である。
ある。
Claims (4)
- 【請求項1】粉体状態で測定した電気抵抗が1×10-3
Ω・cm以下であり、BETによる比表面積が0.15
〜0.3m2 /gであり、タップ密度が4.5g/cc
以上であり、該BETによる比表面積(m2 /g)から
式 粒径(μm)=6/[8.93×〔BETによる比表面
積(m2/g)〕] に従って計算した粒径(μm)とタップ密度(g/c
c)との積が13以上であり、粒度分布がマイクロトラ
ック測定におけるD50=4〜7μm且つD90=9〜11
μmであり、且つ水素還元減量が0.30%以下である
ことを特徴とする銅微粉末。 - 【請求項2】55℃以上の温度に維持した二価銅イオン
の銅塩水溶液に反応当量以上の水酸化アルカリを添加し
て酸化第二銅を生成させ、次いで55℃以上の温度に維
持しながら還元糖を徐々に添加して該酸化第二銅を酸化
第一銅まで還元し、その後濾過洗浄し、再スラリー化し
た後、pHを5.5〜8.5に維持するpH緩衝剤の存
在下でヒドラジン系還元剤を徐々に添加して該酸化第一
銅を金属銅まで還元することを特徴とする請求項1記載
の銅微粉末の製造方法。 - 【請求項3】60〜70℃の温度に維持した二価銅イオ
ンの銅塩水溶液に反応当量以上の水酸化アルカリを添加
して酸化第二銅を生成させ、次いで60〜70℃の温度
に維持しながら還元糖を徐々に添加して該酸化第二銅を
酸化第一銅まで還元し、その後濾過洗浄し、再スラリー
化した後、pHを6〜7.5に維持するpH緩衝剤の存
在下でヒドラジン系還元剤を徐々に添加して該酸化第一
銅を金属銅まで還元することを特徴とする請求項2記載
の製造方法。 - 【請求項4】pH緩衝剤としてアミノ酢酸を使用するこ
とを特徴とする請求項2又は3記載の製造方法。
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