JPWO2011145378A1 - 導電性ペースト用銅粉及び導電性ペースト - Google Patents
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Abstract
Description
焼成型導電性ペーストは、焼成温度が高いため、プリント配線基板や樹脂材料には使用できないが、焼結して金属が一体化することから低抵抗化を実現することができ、例えば積層セラミックコンデンサの外部電極などに使用されている。
そこで、導電性ペーストに用いる銅粉に関しては、従来から、銅粉表面の酸化を防止する方法が種々提案されている。
また、特許文献2では、粒子表面を耐酸化性のある銀でコートすることが提案され、特許文献3では、無機酸化物でコートすることが提案されている。
従来の銅粉は、焼成工程で銅粉が酸化すると焼成を阻害するため、基板、用途、ペーストの配合組成などにより様々に求められる焼結温度特性を満足するようにコントロールすることが難しいという課題を抱えていた。
本実施形態に係る導電性ペースト用銅粉(以下、「本銅粉」と称する)は、Si(ケイ素)及びP(リン)を含有する導電性ペースト用銅粉である。Si(ケイ素)及びP(リン)を含有する組成の銅粉であればよいから、Si(ケイ素)及びP(リン)以外の金属元素を含有していてもよいが、典型的にはCu−P−Si型銅粉である。
P(リン)を含有する銅粉にSi(ケイ素)を添加すると、Si(ケイ素)濃度0.01atm%以上1.2atm%未満の範囲内であれば、Si濃度を高めることにより焼結開始温度を高くすることができる傾向があることを見出すことができた。また、粒径が小さければ、焼結開始温度が低下する傾向があることも確認することができた。しかし、Si(ケイ素)濃度と粒径の何れかを規定するだけでは、焼結性、具体的には焼結開始温度を確実に制御できないことも確認された。そこで、両者の積、すなわち、Si濃度とD50の積(Si濃度×D50)を基準値として検討したところ、少なくもSi濃度が一定範囲内においては焼結開始温度を段階的に制御できることを見出すことができた。
かかる観点から、本銅粉のSi濃度×D50は、3.50以下であることが重要であり、好ましくは0.001〜3.40、特に0.005〜3.00、中でも特に0.01〜2.80であるのがさらによい。
このような銅粉は、後の製造方法の項目において説明するように、実施例に基づいてアトマイズ条件を調整することにより製造することができる。但し、この方法に限定するものではない。
Si濃度が極めて低いために定量的に分析することは難しいが、銅粉粒子全体の表面に酸化ケイ素の薄い膜ができるため、内部に酸素が入り難くなり、その結果として焼結性を高めることができ、しかも、耐酸化性も高くなるのではないかと推察することができる。
なお、本銅粉において、表面にSiが濃化している銅粉粒子(「本銅粉粒子」と称する)が主材料であれば、100%全ての銅粉粒子が表面にSiが濃化している銅粉粒子でなくても、同様の効果が得られると考えることができる。よって、本銅粉においては、表面にSiが濃化している銅粉粒子が全体の50wt%以上、好ましくは80wt%以上、特に90wt%以上(100wt%を含む)を占めるのが好ましい。
このように銅粉粒子の表面にSiを濃化させるためには、後の製造方法の項目において説明するように、実施例に基づいてアトマイズ条件を調整する方法を挙げることができる。但し、この方法に限定するものではない。
このように耐酸化性維持と焼結開始温度の制御の観点から、本銅粉粒子のSi濃度は、0.01atm%以上1.0atm%未満の範囲であるのが好ましく、特に0.03atm%以上、中でも0.05atm%以上、或いは、特に0.2atm%未満、中でも0.1atm%未満であるのがより一層好ましい。
このような範囲でP(りん)を含有すれば、粒度微細、耐酸化性を有し、導電性を損なわず、形状や粒度のバラツキが小さく、酸素濃度を低くすることができる。
かかる観点から、本銅粉粒子は、粒子内部にP(りん)を0.02atm%以上、0.04atm%以下の割合で含有するのがより一層好ましい。
かかる範囲でD50を調整することにより、耐酸化性を維持しつつ焼結開始温度を500〜900℃の範囲でより好ましく調整することができる。
耐酸化性維持と焼結開始温度の制御の観点から、本銅粉粒子のD50は、0.1μm〜10μmであるのが好ましく、特に0.3μm以上、或いは5μm以下、中でも0.5μm以上、或いは、3μm以下であるのがより一層好ましい。
本銅粉粒子は、上述のように、銅粉粒子の表面にSiが濃化しており、銅粉粒子全体の表面に酸化ケイ素の薄い膜ができており、粒子内部に酸素が入り難いため、初期酸素濃度が比較的高くても、表面の酸化ケイ素被膜によって耐酸化性を良好に維持することができるものと考えることができる。
かかる観点から、本銅粉の(初期)酸素濃度は800ppm〜5000ppmであるのが好ましく、特に1000ppm以上、或いは4000ppm以下、中でも特に1200ppm以上、或いは3000ppm以下であるのがさらに好ましい。
これらを添加することにより、例えば融点を低下させて焼結性を向上させるなど、導電性ペーストに求められる諸特性を調整することができる。
次に、本銅粉の好ましい具体的な製造方法について説明する。
この種の銅粉は、銅塩を含む溶液などから還元剤により析出させる湿式還元法や、銅塩を加熱気化させて気相中で還元させる気相還元法や、溶融した銅地金を不活性ガスや水等の冷媒で急冷して粉末化するアトマイズ法などにより、製造することが可能である。これらの中でアトマイズ法は、一般的に広く利用されている湿式還元法に比べて、得られる銅粉中の不純物の残留濃度を小さくすることができると共に、得られる銅粉の粒子の表面から内部に至る細孔を少なくすることができるという利点を有している。このため、アトマイズ法により製造された銅粉は、導電性ペーストの導電材料に使用した場合、ペースト硬化時のガス発生量を少なくできると共に、酸化の進行を大幅に抑制できるという利点を有している。
高圧アトマイズ法とは、水アトマイズ法においては、50MPa〜150MPa程度の水圧力でアトマイズする方法である。
上記還元処理は、150〜300℃の温度で行うのが好ましく、特に170〜210℃の温度で行うとより好ましい。なぜなら、上記温度が150℃未満であると、還元速度が遅くなってしまい、処理効果を充分に発現することができず、上記温度が300℃を超えると、銅粉の凝集や焼結を引き起こしてしまうおそれがあり、上記温度が170℃〜210℃であると、酸素濃度の効率のよい低減化を図りながらも、銅粉の凝集や焼結を確実に抑制することができるからである。
この分級は、適切な分級装置を用いて、目的とする粒度が中心となるように、粗粉や微粉を分離することにより容易に実施することができる。
本銅粉は、そのまま利用することも可能であるが、本銅粉を形状加工処理した上で、利用することもできる。
例えば、球状粒子粉末(:80%以上が球状粒子からなる粉末)を、機械的に形状加工して、フレーク状、鱗片状、平板状などの非球状粒子粉末(:80%以上が非球状粒子からなる粉末)に加工することができる。
より具体的には、ビーズミル、ボールミル、アトライター、振動ミルなどを用いて機械的に偏平化加工(圧伸延または展伸)することにより、フレーク状粒子粉末(:80%以上がフレーク状粒子からなる粉末)に形状加工することができる。この際、粒子同士の凝集や結合を防止しながら各粒子を独立した状態で加工するために、例えばステアリン酸などの脂肪酸や、界面活性剤などの助剤を添加するのが好ましい。
そして、このような形状加工処理した銅粉を利用することもできるし、また、形状加工しない元粉とこれとを混合して利用することもできる。
本銅粉は、例えば樹脂硬化型導電性ペースト及び焼成型導電性ペーストのいずれに用いる導電フィラーとしても好適である。
よって、例えばエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂からなる有機バインダーに本銅粉を配合して樹脂硬化型導電性ペーストを調製することもできるし、また、有機ビヒクル中に本銅粉を配合して焼成型導電性ペーストを調製することもできる。
本明細書において「X〜Y」(X,Yは任意の数字)と表現する場合、特にことわらない限り「X以上Y以下」の意と共に、「好ましくはXより大きい」或いは「好ましくはYより小さい」の意も包含する。
また、「X以上」(Xは任意の数字)或いは「Y以下」(Yは任意の数字)と表現した場合、「Xより大きいことが好ましい」或いは「Y未満であることが好ましい」旨の意図も包含する。
実施例および比較例で得られた銅粉に関して、以下に示す方法で諸特性を評価した。
試料を酸で溶解し、ICPにて分析した。
酸素・窒素分析装置(堀場製作所株式会社製「EMGA−520(型番)」)を用いて銅粉(サンプル)の酸素濃度(初期酸素濃度ともいう)を分析した。
銅粉(サンプル)0.2gを純水100ml中に入れて超音波を照射して(3分間)分散させた後、粒度分布測定装置(日機装株式会社製「マイクロトラック(商品名)FRA(型番)」)により、体積累積粒径D50を測定した。
ユアサアイオニクス(株)製のモノソーブ(商品名)を用いて、JIS R 1626-1996(ファインセラミックス粉体の気体吸着BET法による比表面積の測定方法)の「6.2流動法の(3.5)一点法」に準拠して、BET比表面積(SSA)の測定を行った。その際、キャリアガスであるヘリウムと、吸着質ガスである窒素の混合ガスを使用した。
セイコーインスツルメンツ社製の熱機械分析装置(TMA装置)であるTMA/SS6000を用いて焼結開始温度を調べた。
焼結性に関しては、P(リン)を含有した銅よりも適当に焼結が遅れる、すなわちP(リン)を含有した銅の焼結開始温度(490℃前後)よりも焼結開始温度が適当に高い方が本発明の銅粉においては好ましい。そのため、本実施例での「焼結性の評価」は、500〜900℃の範囲内のものを「○」、中でも低温領域の500〜550℃の範囲のものを「◎」、500〜900℃の範囲外のものを「×」と評価した。
電気銅(銅純度:Cu99.95%)を溶解した溶湯(1350℃)に、純金属としてのSi、さらには銅−りんの母合金(P15wt%)を添加して充分に攪拌混合して100kgの溶湯を作製した。
次いで、水アトマイズ装置におけるタンディッシュ中に上記溶湯100kgを注入し(保持温度1300℃)、タンディッシュ底部のノズル(口径5mm)から溶湯を落下させながら(流量5kg/min)、フルコーン型のノズル(口径26mm)の噴射孔から水を逆円錐状の水流形状のなるように上記溶湯にジェット噴射(水圧100MPa、水量350L/min)して水アトマイズすることにより銅粉を製造した。
次に、得られた銅粉を、分級装置(日清エンジニアリング株式会社製「ターボクラシファイアー(商品名)TC−25(型番)」により、分級して銅粉(サンプル)を得た。
また、実施例6−7で得られた銅粉を電子顕微鏡などで観察し分析した結果、ほとんどがフレーク状粒子であり、銅粉粒子表面から深さ10nmにおけるSi濃度に比べて、表面から深さ2nmにおけるSi濃度が高く、Siが表面層に濃化していることが分かった。
また、他の試験により、粒径が小さければ、焼結開始温度が低下する傾向があることが確認されている。しかし、Si(ケイ素)濃度と粒径の何れかを規定するだけでは、焼結開始温度を制御できないことが確認された。その一方、Si濃度とD50の積(Si濃度×D50)を基準値として検討したところ、焼結開始温度を500〜900℃の範囲で制御できることが判明した。かかる観点から、本銅粉のSi濃度×D50は、3.50以下であることが重要であり、好ましくは0.001〜3.40、特に0.005〜3.00、中でも特に0.01〜2.80であるのがさらによいと考えることができる。
また、このような効果は、P(りん)濃度には影響されないことが確かめられている。P(りん)濃度は、微粒子化や耐酸化性に影響するため、P(りん)の含有量は0.01〜0.3atm%の割合で含有するのが好ましいと考えることができる。
Claims (8)
- Si(ケイ素)及びP(リン)を含有する導電性ペースト用銅粉であって、
Si濃度が0.01atm%以上1.2atm%未満であり、且つ、当該Si濃度(atm%)と、レーザー回折散乱式粒度分布測定法により測定して得られる体積基準粒度分布によるD50(μm)との積によって算出されるSi換算量(Si濃度×D50)が3.50以下であることを特徴とする導電性ペースト用銅粉。 - 銅粉粒子表面から深さ10nmにおけるSi濃度に比べて、表面から深さ2nmにおけるSi濃度が高く、Siが表面層に濃化してなる銅粉粒子を主材としてなることを特徴とする請求項1に記載の導電性ペースト用銅粉。
- Si濃度を0.01atm%以上1.2atm%未満の範囲で調整することにより、 焼結開始温度を500〜900℃の範囲で調整することができることを特徴とする請求項1又は2に記載の導電性ペースト用銅粉。
- 酸素濃度が800ppm〜5000ppmであることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の導電性ペースト用銅粉。
- P(りん)の含有量が0.01〜0.3atm%であることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の導電性ペースト用銅粉。
- 水アトマイズ法により製造されたものであることを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の導電性ペースト用銅粉。
- 請求項1〜6の何れかに記載の銅粉を、形状加工処理してなる導電性ペースト用銅粉。
- 請求項1〜7の何れかに記載の導電性ペースト用銅粉を含有することを特徴とする導電性ペースト。
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