JPWO2012059974A1 - 低温焼結性導電性ペーストおよびそれを用いた導電膜と導電膜の形成方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明で銀ナノ粒子を用いる場合には、透過型電子顕微鏡(TEM)写真から算出される平均一次粒子径で200nm以下、好ましくは1〜150nm、一層好ましくは10〜100nmのものを使用する。このような粒子径をもつ粒子を使用することで、樹脂を使用したペーストにおいても、熱処理を120℃程度の低温で行っても、高い導電性を有する導電膜を形成することができる。
発明者らは、ある程度粒子径の大きい銀粒子であっても、特定の要件を満たすことにより、銀ナノ粒子と同様の効果を示すことを知った。平均粒子径(D50)が0.5〜20μmの、これらの粒子を銀ナノ粒子に対して銀サブミクロン粒子と呼ぶ。具体的態様として被覆に用いる有機酸は炭素数2〜8のカルボン酸もしくはその誘導体からなる有機物を使用し、粒子表面を被覆することである。次の物質に限定されるものではないが、飽和脂肪酸であるオクタン酸(カプリル酸)、ヘプタン酸(エナント酸)、ヘキサン酸(カプロン酸)、ペンタン酸(吉草酸)、ブタン酸(酪酸)、プロパン酸(プロピオン酸)などがあげられる。また、ジカルボン酸として、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸等があげられる。不飽和脂肪酸では、ソルビン酸、マレイン酸等があげられる。
本発明にかかるペーストは、銀粒子(銀ナノ粒子および銀サブミクロン粒子を含む)を分散媒に分散させる。この時に使用する分散媒は極性溶媒であることが好ましい。極性溶媒を選択すれば、蒸気圧が低いため取扱には好適である。
本発明にかかるペーストには銀粒子粉末をほどよく分散させる分散剤を添加しても良い。こうした分散剤を使用することで、ペースト中では粒子の独立性を確保する。その性質としては、粒子表面と親和性を有するとともに分散媒に対しても親和性を有するものであればよく、市販汎用のものであってもよい。また、単独の種類のみならず、併用使用しても構わない。この添加量は、銀ナノ粒子および銀サブミクロン粒子を含めた総銀質量に対して3.0質量%以下、好ましくは1.0質量%以下、一層好ましくは0.5質量%以下である。
本発明のペーストに添加されるべき樹脂は、広く知られている熱硬化型もしくは熱可塑型のいずれの樹脂も採用することが出来る。樹脂の添加量としては、銀ナノ粒子と銀サブミクロン粒子を合わせた総銀質量と樹脂の合計質量に対して2〜20質量%、好ましくは2〜15質量%の添加量とするのがよい。添加をする樹脂量が多すぎると、焼成後に樹脂が必要以上に配線中に残ってしまい、導電性にも多大な影響を与えるため好ましくない。一方添加量を少なくすると配線と基板との密着性が確保できないため、少なくとも2質量%程度の添加は必要である。
本発明においては、知られている熱可塑性樹脂のいずれも使用することが出来るが、なかでも、アクリル樹脂やポリエステル樹脂やポリウレタン樹脂を添加するのが好ましい、一般的に知られているものとして、次のようなものが知られているが、上述の性質を有する場合には、本欄に記載のもの以外のものの使用を排除するものではない。
本発明においては、知られている熱硬化性樹脂のいずれも使用することが出来る。具体例としては、熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、イソシアネート化合物、メラミン樹脂、尿素樹脂、シリコーン樹脂などから選択することができる。ここでは、エポキシ樹脂とフェノール樹脂について説明する。
本発明にかかる導電性ペーストには上記の成分に加えて、導電性向上成分としての有機物を添加することが最たる特徴である。具体的にはカルボキシル基を少なくとも二つ有したジカルボン酸を選択するのがよい。こうした構成の物質を選択して添加することにより、有機物で被覆された銀ナノ粒子もしくは銀サブミクロン粒子からなる導電性ペーストを低温での熱処理であっても、銀ナノ粒子もしくは銀サブミクロン粒子の焼結が生じ、高導電性を発現する導電膜となすことが出来るようになる。
本発明に従う導電性ペーストは、上述のように銀ナノ粒子の表面が炭素数2〜8の有機物により被覆されたものを用いて製造される。そのような構成の銀ナノ粒子の製造方法は何ら制限を受けるものではないが、例えば公知の銀ナノ粒子の表面を上述の範囲の炭素数の有機物で置換することなどが例示できる。
(印刷方法)
スクリーン印刷機、あるいはメタルマスクを用いて、作製した導電性ペーストを印刷し、焼成した後、導電膜の評価を実施した。なお、実施例、比較例に用いたペーストは、かすれなどの印刷不良が起こらぬよう、粘度を30Pa・sとなるように作製しており、その配合量は表1〜表3に記載した通りである。
膜厚34μmのスクリーン版を使用し、線幅300μmのパターンでポリエチレンテレフタラートフィルム(東レ製ルミラー75S10)に印刷した。得られた印刷基板を焼成炉(ヤマト科学株式会社製DKM400)にて、大気中120℃60分間で熱処理したものについて、体積抵抗率の算出を行った。
膜厚30μmのメタルマスクを使用し、10mm□のパターンでアルミナ上にベタ印刷した。得られた印刷基板を焼成炉(ヤマト科学株式会社製DKM400)にて、大気中120℃60分間で熱処理したものについて、体積抵抗率の算出を行った。
(配線)
スクリーン印刷にて基板上に形成した配線の線抵抗を二端子型抵抗率計(日置電機株式会社製3540 ミリオームハイテスタ)で測定し、導電膜の厚みを表面粗度計(東京精密株式会社製のサーフコム1500D型)で測定して算出した。最終的に配線の体積抵抗率は、次の式(1)にて算出した。
体積抵抗率(μΩ・cm)=実測抵抗(Ω)×膜厚(μm)×線幅(μm)÷線長(μm)×102・・・(1)
メタルマスクにて基板上に印刷し、形成した10mm□パターンの導電膜の表面抵抗を四端子型抵抗率計(三菱化学株式会社製ロレスタGP MCP−T610型)で測定し、導電膜の厚みを表面粗度計(東京精密株式会社製のサーフコム1500D型)で測定して算出した。最終的に10mm□パターンのベタ膜の体積抵抗率は式(2)にて算出する。
体積抵抗率(μΩ・cm)=表面抵抗(Ω/□)×膜厚(μm)×100・・(2)
ペーストをガラス基板(EAGLE XG)上に縦2.0〜2.5cm、横1.5〜2.0cmでベタ印刷し、これを大気中120℃60分間焼成して膜を形成させたものについて、表色を測定した。なお、色差測定は、色差測定装置(日本電色工業株式会社製SQ−2000)を使用して行った。測定結果はL*a*b*表色系にて表記した。特に本発明にかかるペーストは、L*a*b*表色系にて示したときのa*値に特徴があり、ジカルボン酸からなる添加物を添加しないとき、この値が2.0よりも高くなり、添加した場合には2.0以下の値を示す。
ペーストを銅ハルセル板上に10mm□パターンを印刷し、これを120℃60分間焼成して膜を形成させたものについて、X線回折測定を行うことで、結晶子径を測定し結晶の成長度合を確かめた。なお、この時にはX線回折装置(株式会社リガク製RINT−2100)を使用して行った。管球はコバルト管球を使用して、管電圧40kV、管電流30mAで測定した。結晶子の成長度合の算出は、結晶子径の大きさで比較する。特にAg(111)の回折面で行うため、2θ=40〜50°の範囲(スキャンスピード:0.167°/分)で測定した。なお、結晶子径はシェラー法により算出している。
<実施例1>
(銀ナノ粒子の合成例)
実施例に示す粒子の作製例として、ソルビン酸被覆の銀ナノ粒子を製造する例について示す。500mLビーカーへ硝酸銀(東洋化学株式会社製)13.4gを純水72.1gへ溶解させ、銀溶液を作製した。
得られたソルビン酸被覆銀ナノ粒子凝集体乾燥粉(平均粒子径:100nm)70g、ブチルカルビトールアセテート(和光純薬株式会社製)8.9g、熱可塑性ポリウレタン樹脂ユリアーノ8001(荒川化学工業株式会社製)22.3g、高分子系顔料分散剤アジスパーPA−111(味の素ファインテクノ株式会社製)0.35g、マロン酸(和光純薬株式会社製)0.14gをそれぞれ添加して混合した。
実施例1において、添加剤であるマロン酸を添加しなかった以外は、実施例1を繰り返した。得られた焼成膜の物性を表1にあわせて示す。
実施例1において、添加剤であるマロン酸の添加量を変化させかつ上述の通り粘度調整を行った結果、表1に示すような配合量とした以外は、実施例1と同様の手法を用いて導電性ペーストを作成し、焼成膜を作成した。得られた焼成膜の物性を表1にあわせて示す。
実施例1において、導電性ペーストを構成する銀ナノ粒子の種類を表1に示すようにそれぞれ変化させた以外は実施例1の手法を繰り返した。なお、樹脂等の構成比が異なっているのは、上述のとおり粘度調整を行ったためである。得られた焼成膜の物性を表1にあわせて示す。
実施例1において、銀ナノ粒子の配合量を表1に示すように変化させた以外は実施例1の手法を繰り返した。得られた焼成膜の物性を表1にあわせて示す。
実施例1において添加する添加剤の種類をそれぞれ変化させた以外は、実施例1を繰り返した。得られた焼成膜の物性を表1にあわせて示す。
実施例1において、ソルビン酸被覆銀フレーク状粉(平均粒径:3μm)を用い、かつ表1に記載の配合量とした以外は実施例1と同様にして導電性ペーストを作成し、得られた焼成膜の物性を表2にあわせて示す。
実施例13において、マロン酸添加量を表2に示す量に減少させた以外は実施例13を繰り返した。得られた焼成膜の物性を表2にあわせて示す。やや抵抗が高いものの、導電膜が形成できていることがわかる。
実施例13においてマロン酸を添加しなかった以外は実施例13を繰り返した。得られた焼成膜の物性を表2にあわせて示す。マロン酸を添加しなければ、導電性が全くとれていないことがわかる。
実施例13において、使用する銀フレーク粉をオレイン酸(炭素数18)で被覆したものに置き換えた以外は実施例11を繰り返した。得られた焼成膜の物性を表2にあわせて示す。焼結促進剤であるマロン酸を添加しても、長鎖となっているオレイン酸を使用すると導電性が全くとれないことがわかる。
ナノ粒子とミクロン粒子の混合状態でも同様の効果が得られるかどうかを確認するため、実施例13における半分の量のフレーク粉を実施例1で使用していたソルビン酸被覆銀ナノ粒子に置き換えた以外は実施例13を繰り返した。得られた焼成膜の物性を表2にあわせて示す。実施例13よりも低抵抗の導電膜が形成できていることが確認された。
実施例1における樹脂(熱可塑性ポリウレタン樹脂ユリアーノ8001)量を表3に示す分量に変化させた以外は実施例1を繰り返した。また、比較例6は実施例16において、マロン酸を添加しなかった場合の結果である。表3に記載したとおり、マロン酸を添加することで劇的に導電性が良くなっていることがわかる。
実施例1における樹脂(熱可塑性ポリエステル樹脂バイロン500/東洋紡株式会社製)を使用し、表3に示す分量に変化させた以外は実施例1を繰り返した。また、比較例7は実施例17において、マロン酸を添加しなかった場合の結果である。表3に記載したとおり、マロン酸を添加することで劇的に導電性が良くなっていることがわかる。
実施例1における樹脂(熱可塑性アクリル樹脂BR−102/三菱レイヨン株式会社製)を使用し、表3に示す分量に変化させた以外は実施例1を繰り返した。また、比較例8は実施例18において、マロン酸を添加しなかった場合の結果である。表3に記載したとおり、マロン酸を添加することで劇的に導電性が良くなっていることがわかる。
実施例1における樹脂(熱硬化性フェノール樹脂レジトップPL4348/群栄化学株式会社製)を使用し、表3に示す分量に変化させた以外は実施例1を繰り返した。また、比較例9は実施例19において、マロン酸を添加しなかった場合の結果である。表3に記載したとおり、マロン酸を添加することで劇的に導電性が良くなっていることがわかる。
実施例1における樹脂(熱硬化性エポキシ樹脂828XA/三菱化学株式会社製)を使用し、表3に示す分量に変化させた以外は実施例1を繰り返した。また、比較例10は実施例20において、マロン酸を添加しなかった場合の結果である。表3に記載したとおり、マロン酸を添加することで劇的に導電性が良くなっていることがわかる。
実施例1において導電性ペーストを構成する銀ナノ粒子の種類と添加量を表1に示すようにそれぞれ変化させ、樹脂の添加量を表3に示すように変化させた以外は、実施例1を繰り返した。得られた焼成膜の物性を表3にあわせて示す。
Claims (6)
- 炭素数2〜8のカルボン酸もしくはその誘導体からなる有機物で被覆された銀粒子と、分散媒および樹脂と、炭素数が2〜8であるジカルボン酸を含む導電性ペースト。
- 前記導電性ペーストに添加されるジカルボン酸は前記導電性ペーストの総質量に対して0.05〜2.0質量%である、請求項1に記載の導電性ペースト。
- 前記導電性ペーストは、さらに銀粒子を分散させる分散剤を含む、請求項1ないし2のいずれか一項に記載の導電性ペースト。
- 前記導電性ペーストを熱処理して形成される配線は、銀同士が接触もしくは焼結することで導電性を発現させる性質を有する、請求項1ないし3のいずれか一項に記載の導電性ペースト。
- 前記請求項1ないし4のいずれかに記載のペーストにより得られた導電膜であって、L*a*b*表色系におけるa*値が2.0以下である導電膜。
- 請求項1ないし4のいずれかに記載の導電性ペーストを基板上に塗布する工程、大気中もしくは不活性雰囲気中で100〜200℃の条件で熱処理する工程からなる導電膜の形成方法。
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