JPWO2016140351A1 - 銅粒子の製造方法、銅粒子及び銅ペースト - Google Patents

銅粒子の製造方法、銅粒子及び銅ペースト Download PDF

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Abstract

銅粒子の製造方法は、準備工程と加熱工程とを含む。準備工程では、銅化合物と、典型元素の金属の塩と、多価アルコールとを準備する。加熱工程では、銅化合物と、典型元素の金属の塩と、多価アルコールとの混合物を加熱する。典型元素の金属は、リチウム、ベリリウム、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、カリウム、カルシウム、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、ルビジウム、ストロンチウム、カドミウム、インジウム、スズ、アンチモン、セシウム及びバリウムからなる群から選択される1種以上であることが好ましい。

Description

本発明は、銅粒子の製造方法、銅粒子及び銅ペーストに関する。
電子部品の配線材料及び接合材料として、銀ペーストが知られている。銀ペーストは、導電性を有する銀粒子を有機溶媒中に分散させたペーストである。しかし、銀は、イオンマイグレーション現象を引き起こし易い。イオンマイグレーション現象とは、絶縁物上に配線された金属の一部が絶縁物上を移動して配線の短絡を引き起こす現象である。また、銀は、高価であり、工業的に使用され難い。
そのため、銀ペーストの代わりとなる配線材料及び接合材料が検討されている。例えば、銅ペーストの利用が検討されている。銅ペーストに含有される銅粒子は、銀粒子に匹敵する電気抵抗率を有し、銀粒子と比較してイオンマイグレーション現象が引き起こされ難い。銅粒子の製造方法には、例えば、機械粉砕法及び真空法がある。機械粉砕法は、銅の塊を粉砕機により粉砕する方法である。真空法は、例えば、特許文献1に記載されるような方法である。具体的には、真空法では、減圧環境下で銅を加熱して蒸発させる。続いて、発生する銅の蒸気を冷却することにより、銅を凝縮させて凝固させる。これにより、銅粒子のコロイドを製造する。
特開2007−291443号公報
しかし、機械粉砕法及び真空法では、得られる銅粒子の収率が低く、銅粒子を大量に生産することが困難である。また、真空法は、製造プロセスが複雑であり、高価な設備を必要とする。更に、機械粉砕法及び真空法では、得られる銅粒子の粒子径及び形状を制御することが困難である。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、銅粒子の粒子径及び形状を容易に制御することができる銅粒子の製造方法を提供する。また、本発明は、銅粒子の充填密度(以下「銅粒子のパッキング性」と記載する)を向上させ易い粒子径及び形状を有する銅粒子を提供する。更に、本発明は、銅粒子のパッキング性を向上させ易い粒子径及び形状を有する銅粒子を含むことで、接合強度に優れる銅ペーストを提供する。
本発明に係る銅粒子の製造方法は、準備工程と加熱工程とを含む。準備工程では、銅化合物と、典型元素の金属の塩と、多価アルコールとを準備する。加熱工程では、前記銅化合物と、前記典型元素の金属の塩と、前記多価アルコールとの混合物を加熱する。
ある実施形態において、前記典型元素の金属は、リチウム、ベリリウム、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、カリウム、カルシウム、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、ルビジウム、ストロンチウム、カドミウム、インジウム、スズ、アンチモン、セシウム及びバリウムからなる群から選択される1種以上である。
ある実施形態において、前記塩は、硫黄原子を含む陰イオンを有する塩、又は酸素原子を含む陰イオンを有する塩である。
ある実施形態において、前記混合物の体積に対する前記典型元素の金属の塩のモル濃度によって、異なる粒子径分布を有する前記銅粒子が得られる。前記粒子径分布は動的光散乱法により測定される。
ある実施形態において、前記銅粒子は、動的光散乱法により測定される粒子径分布において、下記特性(I)又は(II)を有する。(I)粒子径1000nm以上の範囲にピークを有する。粒子径1000nm未満の範囲にピークを有しない。(II)少なくとも2つのピークを有する。前記2つのピークのうちの一方は、粒子径1000nm未満の範囲にある。前記2つのピークのうちの他方は、粒子径1000nm以上の範囲にある。
ある実施形態において、前記加熱工程において、前記典型元素の金属の塩の第一モル濃度を、第二モル濃度まで増加させることによって、前記特性(I)を有する前記銅粒子が得られる。或いは、前記加熱工程において、前記典型元素の金属の塩の第三モル濃度を、前記第二モル濃度まで減少させることによって、前記特性(I)を有する前記銅粒子が得られる。前記第二モル濃度は、前記特性(I)を有する前記銅粒子が製造されるときの、前記混合物の体積に対する前記典型元素の金属の塩のモル濃度である。前記第一モル濃度は、前記第二モル濃度よりも低い。前記第三モル濃度は、前記第二モル濃度よりも高い。
ある実施形態において、前記加熱工程において、前記典型元素の金属の塩の第二モル濃度を、第三モル濃度まで増加させることによって、前記特性(II)を有する前記銅粒子が得られる。前記第二モル濃度は、前記特性(I)を有する前記銅粒子が製造されるときの、前記混合物の体積に対する前記典型元素の金属の塩のモル濃度である。前記第三モル濃度は、前記第二モル濃度よりも高い。
ある実施形態において、前記銅化合物は、水酸化銅、硝酸銅、硫酸銅、炭酸銅、ギ酸銅、酢酸銅及び銅硫化物からなる群から選択される1種以上である。
ある実施形態において、前記銅化合物の種類によって、異なる形状を有する前記銅粒子が得られる。
ある実施形態において、前記多価アルコールは、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、プロパンジオール、ブタンジオール、ペンタンジオール、グルコース及びグリセリンからなる群から選択される1種以上である。
ある実施形態において、前記多価アルコールの種類によって、異なる形状を有する前記銅粒子が得られる。
ある実施形態において、前記混合物を加熱する温度を上昇させることによって、動的光散乱法により測定される前記銅粒子の最大粒子径を減少させる。或いは、前記混合物を加熱する温度を下降させることによって、前記動的光散乱法により測定される前記銅粒子の前記最大粒子径を増加させる。
ある実施形態において、前記典型元素の金属の塩のモル濃度は、前記混合物の体積に対して、0μMより大きく300μM以下である。
本発明に係る銅粒子は、動的光散乱法により測定される粒子径分布において、下記特性(I)又は(III)を有する。(I)粒子径1000nm以上の範囲にピークを有する。粒子径1000nm未満の範囲にピークを有しない。(III)少なくとも2つのピークを有する。前記2つのピークのうちの一方は、粒子径1000nm未満の範囲にある。前記2つのピークのうちの他方は、粒子径1000nm以上の範囲にある。粒子径1000nm以上の範囲にある前記他方のピークの散乱強度分布の最大値の比率は、粒子径1000nm未満の範囲にある前記一方のピークの前記散乱強度分布の最大値に対して、0.3以上1.5以下である。
本発明に係る銅ペーストは、上記製造方法により製造される銅粒子、又は上記銅粒子を含む。
本発明の銅粒子の製造方法によれば、銅粒子の粒子径及び形状を容易に制御することができる。また、本発明の銅粒子は、銅粒子のパッキング性を向上させ易い粒子径及び形状を有することができる。本発明の銅ペーストは、銅粒子のパッキング性を向上させ易い粒子径及び形状を有する銅粒子を含むことで、接合強度を向上させることができる。
本発明の実施形態に係る製造方法により製造された銅粒子の粒子径分布の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る製造方法により製造された銅粒子の粒子径分布の別の例を示す図である。 (a)は、典型元素の金属の塩を添加せずに製造された銅粒子の走査型電子顕微鏡(scanning electron microscope:SEM)画像の一例を示す写真である。(b)、(c)及び(d)は、それぞれ、本発明の実施形態に係る製造方法により製造された銅粒子のSEM画像の一例を示す写真である。 (a)は、典型元素の金属の塩を添加せずに製造された銅粒子のSEM画像の別の例を示す写真である。(b)及び(c)は、それぞれ、本発明の実施形態に係る製造方法により製造された銅粒子のSEM画像の別の例を示す写真である。 (a)は、典型元素の金属の塩を添加せずに製造された銅粒子のSEM画像の別の例を示す写真である。(b)及び(c)は、それぞれ、本発明の実施形態に係る製造方法により製造された銅粒子のSEM画像の別の例を示す写真である。 本発明の実施形態に係る製造方法により製造された銅粒子の粒子径分布の別の例を示す図である。 (a)及び(b)は、それぞれ、本発明の実施形態に係る製造方法により製造された銅粒子のSEM画像の別の例を示す写真である。 本発明の実施形態に係る製造方法により製造された銅粒子のX線回折スペクトルの一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る製造方法により製造された銅粒子のX線回折スペクトルの別の例を示す図である。 本発明の実施形態に係る製造方法により製造された銅粒子のX線回折スペクトルの別の例を示す図である。 本発明の実施形態に係る製造方法により製造された銅粒子の粒子径分布の別の例を示す図である。 (a)及び(b)は、それぞれ、本発明の実施形態に係る製造方法により製造された銅粒子のSEM画像の別の例を示す写真である。 本発明の実施形態に係る製造方法により製造された銅粒子の粒子径分布の別の例を示す図である。 (a)及び(b)は、それぞれ、本発明の実施形態に係る製造方法により製造された銅粒子のSEM画像の別の例を示す写真である。 典型元素の金属の塩を添加せずに製造された銅粒子の粒子径分布の一例を示す図である。 (a)及び(b)は、それぞれ、典型元素の金属の塩を添加せずに製造された銅粒子のSEM画像の一例を示す写真である。 典型元素の金属の塩を添加せずに製造された銅粒子の粒子径分布の別の例を示す図である。 (a)及び(b)は、それぞれ、典型元素の金属の塩を添加せずに製造された銅粒子のSEM画像の別の例を示す写真である。 剪断強度試験で使用した接合試料の図である。 本発明の実施形態に係る製造方法により製造された銅粒子を含む銅ペーストについて、焼結温度と剪断強度との関係を示すグラフである。
以下、本発明の実施形態を説明する。しかし、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されない。本発明の目的の範囲内で適宜変更を加えて、本発明を実施することができる。なお、説明が重複する箇所については、適宜説明を省略する場合があるが、発明の要旨は限定されない。
本発明の実施形態は、銅粒子の製造方法に関する。本実施形態の製造方法は、準備工程と加熱工程とを含む。加熱工程では、銅化合物と、典型元素の金属の塩と、多価アルコールとの混合物を加熱する。これにより、得られる銅粒子の粒子径及び形状を容易に制御することができる。その理由は以下のように推測される。
説明の便宜のため、多価アルコールとしてエチレングリコールを用い、銅化合物として二価の銅化合物を用いる場合を例に挙げて説明する。先ず加熱工程において、エチレングリコールが脱水して、アセトアルデヒドが生じる(反応式1)。生じたアセトアルデヒドが酸化することによりジアセチルが生じる。その際に、アセトアルデヒドが電子を放出する。放出された電子により、銅イオン(Cu2+)が還元されて、銅原子(Cu)が生じる(反応式2)。続いて、銅原子(Cu)同士が結合して銅粒子の核が形成される。銅粒子の核に銅原子(Cu)が更に結合して銅粒子が形成される。ここで、典型元素の金属の塩は、反応系において、陽イオンと陰イオンとして存在している。そのため、典型元素の金属の塩から生じる陽イオンと陰イオンとが、銅粒子の核の形成及び銅粒子の形成において、銅原子(Cu)同士を引き寄せるように作用すると推測される。その結果、典型元素の金属の塩を使用することにより、銅粒子の粒子径及び形状が制御されると考えられる。
HOCH2CH2OH→CH3CHO+H2O(反応式1)
Cu2++2CH3CHO→CH3COCOCH3+Cu+2H+(反応式2)
以下、準備工程及び加熱工程で使用される銅化合物、典型元素の金属の塩及び多価アルコールを説明する。また、加熱工程で、混合物に必要に応じて含有されてもよい添加物を説明する。更に、本実施形態の製造方法で製造される銅粒子を説明する。
<1.銅化合物>
銅化合物は、多価アルコールにより還元される限り、特に限定されない、銅化合物としては、例えば、銅塩、又は銅酸化物が使用される。銅塩の例としては、水酸化銅、硝酸銅、硫酸銅、炭酸銅、ギ酸銅、酢酸銅及び銅硫化物からなる群から選択される1種以上が挙げられる。銅酸化物の例としては、酸化銅、又は亜酸化銅が挙げられる。銅化合物は、銅化合物の水和物であってもよい。銅化合物は、水酸化銅及び硝酸銅のうちの1種以上であることがより好ましい。
銅化合物の含有量は、加熱工程における混合物100質量部に対して、0質量部より大きく5質量部以下であることが好ましく、0.3質量部以上3質量部以下であることがより好ましい。
<2.典型元素の金属の塩>
本実施形態の製造方法では、典型元素の金属の塩を使用することにより、得られる銅粒子の粒径及び形状を容易に制御することができる。典型元素の金属の塩から生じる陽イオンと陰イオンとが、銅粒子の核の形成及び銅粒子の形成において、銅原子(Cu)同士を引き寄せるように作用すると推測される。
典型元素の金属の塩における典型元素の金属としては、例えば、リチウム、ベリリウム、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、カリウム、カルシウム、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、ルビジウム、ストロンチウム、カドミウム、インジウム、スズ、アンチモン、セシウム及びバリウムからなる群から選択される1種以上が挙げられる。得られる銅粒子の粒径及び形状を制御し易いことから、典型元素の金属は、ナトリウム、カリウム、カルシウム及び亜鉛からなる群から選択される1種以上であることが好ましく、ナトリウムであることがより好ましい。
得られる銅粒子の粒径及び形状を制御し易いことから、典型元素の金属の塩は、硫黄原子を含む陰イオンを有する塩(硫黄原子を含む陰イオンにより形成される塩)、又は酸素原子を含む陰イオンを有する塩(酸素原子を含む陰イオンにより形成される塩)であることが好ましい。酸素原子を含む陰イオンを有する塩は、硫黄原子を含まないことが好ましい。硫黄原子を含む陰イオンを有する塩の例としては、硫化物、硫化水素物、硫酸塩、亜硫酸塩、又は次亜硫酸塩が挙げられる。酸素原子を含む陰イオンを有する塩の例としては、水酸化物、炭酸塩、酢酸塩、又は炭酸水素塩が挙げられる。典型元素の金属の塩は、硫黄原子を含む陰イオンを有する塩であることが好ましく、硫化物、硫化水素物、硫酸塩、亜硫酸塩及び次亜硫酸塩からなる群から選択される1種以上であることがより好ましく、硫化物であることが特に好ましい。
典型元素の金属の塩は、無水和物であってもよいし、水和物であってもよい。典型元素の金属の塩は、1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて使用してもよい。
<3.多価アルコール>
多価アルコールは、例えば、銅化合物に対する還元剤として作用すると共に、溶媒としても作用する。また、多価アルコールを使用することにより、多価アルコール中で銅粒子の酸化が抑制される傾向にある。
多価アルコールは、銅化合物を還元できる限り、特に限定されない。多価アルコールの例としては、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、プロパンジオール(例えば、1,2−プロパンジオール、1,3−プロパンジオール)、ブタンジオール、ペンタンジオール、グルコース、又はグリセリンが挙げられる。これらの多価アルコールは、1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて使用してもよい。多価アルコールは、エチレングリコール、プロパンジオール、ブタンジオール及びグリセリンからなる群から選択される1種以上であることが好ましい。多価アルコールは、ブタンジオール、及びエチレングリコールのうちの1種以上であることがより好ましい。
多価アルコールの含有量は、銅化合物1.5質量部に対して、10質量部以上300質量部以下であることが好ましく、80質量部以上150質量部以下であることがより好ましい。また、多価アルコールの含有量は、加熱工程における混合物100質量部に対して、50質量部以上であり100質量部より小さいことが好ましく、70質量部以上99質量部以下であることがより好ましい。
なお、多価アルコールを溶媒として使用する場合、銅化合物と典型元素の金属の塩と多価アルコールとの混合物には、必要に応じて、多価アルコール以外の別の溶媒が含有されてもよい。別の溶媒としては、例えば、水が挙げられる。また、銅化合物の還元速度を変更するために、別の溶媒として高沸点の極性溶媒が含有されてもよい。高沸点の極性溶媒の例としては、ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドン、又はエチレングリコールモノメチルエーテルが挙げられる。別の溶媒の含有量は、多価アルコール100質量部に対して、40質量部以下であることが好ましく、10質量部以下であることがより好ましく、別の溶媒を含有させないことが特に好ましい。
<4.添加物>
銅化合物と、典型元素の金属の塩と、多価アルコールとの混合物には、必要に応じて、添加物が含有されてもよい。添加物の例としては、還元剤、又は分散剤が挙げられる。還元剤の例としては、エタノール、アスコルビン酸、水素化ホウ素ナトリウム、又はヒドラジンが挙げられる。分散剤の例としては、ポリビニルピロリドン(PVP)、臭化セチルトリメチルアンモニウム(CTAB)、ラウリル硫酸ナトリウム(SLS)、ドデシル硫酸ナトリウム(SDS)、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリビニルアルコール(PVA)、又はゼラチンが挙げられる。
混合物に分散剤が含有される場合、分散剤の含有量は、混合物100質量部に対して、0質量部より大きく5質量部以下であることが好ましく、0.3質量部以上3質量部以下であることがより好ましい。
<5.銅粒子>
本実施形態の製造方法で製造される銅粒子は、所望の粒子径(例えば、粒子径分布)、又は形状を有する傾向にある。
<5−1.銅粒子の粒子径分布>
以下、図1を参照して、銅粒子の粒子径分布について説明する。図1中、横軸は銅粒子の粒子径[nm]を、縦軸は散乱強度分布(散乱光の強度分布)[%]を示す。図1は、銅粒子の粒子径分布におけるピークP1、P2a及びP2bを示す。ピークP1は、銅粒子の粒子径分布曲線が1つの凸曲線を有する場合の凸曲線である。ピークP1(凸曲線)からは、ピークP1(凸曲線)の右端における銅粒子の粒子径R1と、ピークP1(凸曲線)の左端における銅粒子の粒子径L1とが確認される。粒子径R1及びL1は、各々、銅粒子の粒子径分布においてピークP1(凸曲線)と横軸とが交わる点における粒子径である。ピークP2aは、銅粒子の粒子径分布曲線が少なくとも2つの凸曲線を有する場合の凸曲線の1つであり、この凸曲線の頂点における粒子径は1000nm未満である。ピークP2bは、銅粒子の粒子径分布曲線が少なくとも2つの凸曲線を有する場合の凸曲線の1つであり、この凸曲線の頂点における粒子径は1000nm以上である。ピークP2b(凸曲線)からは、ピークP2b(凸曲線)の右端における銅粒子の粒子径R2bと、ピークP2b(凸曲線)の左端における銅粒子の粒子径L2bとが確認される。粒子径R2b及びL2bは、各々、銅粒子の粒子径分布においてピークP2b(凸曲線)と横軸とが交わる点における粒子径である。P1max、P2amax及びP2bmaxは、各々、ピークP1の散乱強度分布の最大値(ピークP1の頂点における縦軸の値)、ピークP2aの散乱強度分布の最大値(ピークP2aの頂点における縦軸の値)及びピークP2bの散乱強度分布の最大値(ピークP2bの頂点における縦軸の値)を示す。P1d、P2ad及びP2bdは、各々、ピークP1の散乱強度分布が最大値であるときの粒子径(ピークP1の頂点における横軸の値)、ピークP2aの散乱強度分布が最大値であるときの粒子径(ピークP2aの頂点における横軸の値)及びピークP2bの散乱強度分布が最大値であるときの粒子径(ピークP2bの頂点における横軸の値)を示す。
銅粒子は、粒子径分布において、特性(I)又は(II)を有することが好ましい。
特性(I):粒子径1000nm以上の範囲にピークP1を有する。粒子径1000nm未満の範囲にピークを有しない。
特性(II):少なくとも2つのピークP2a及びP2bを有する。2つのピークのうちの一方(ピークP2a)は、粒子径1000nm未満の範囲にある。2つのピークのうちの他方(ピークP2b)は、粒子径1000nm以上の範囲にある。
銅粒子は、粒子径分布において、既に述べた特性(I)、又は特性(III)を有することがより好ましい。特性(III)は、特性(II)の好適な態様である。
特性(III):少なくとも2つのピークP2a及びP2bを有する。2つのピークのうちの一方(ピークP2a)は、粒子径1000nm未満の範囲にある。2つのピークのうちの他方(ピークP2b)は、粒子径1000nm以上の範囲にある。ピークP2bの散乱強度分布の最大値P2bmaxの比率(P2bmax/P2amax)は、ピークP2aの散乱強度分布の最大値P2amaxに対して、0.3以上1.5以下である。
銅粒子は、粒子径分布において、既に述べた特性(I)、又は特性(IV)を有することが一層好ましい。特性(IV)は、特性(III)の好適な態様である。
特性(IV):少なくとも2つのピークP2a及びP2bを有する。2つのピークのうちの一方(ピークP2a)は、粒子径1000nm未満の範囲にある。2つのピークのうちの他方(ピークP2b)は、粒子径1000nm以上の範囲にある。ピークP2bの散乱強度分布の最大値P2bmaxの比率(P2bmax/P2amax)は、ピークP2aの散乱強度分布の最大値P2amaxに対して、0.3以上1.5以下である。ピークP2bについて、ピークP2bの右端における粒子径R2bと、左端における粒子径L2bとの差(R2b−L2b)は、2500nm以上である。
ここで、粒子径1000nm以上の範囲にピークP1を有するとは、粒子径1000nm以上の範囲にピークP1の頂点が存在することを意味する。つまり、ピークP1の散乱強度分布が最大値であるときの粒子径(ピークP1の頂点における横軸の値)P1dが1000nm以上であることを意味する。粒子径1000nm未満の範囲にピークを有しないとは、粒子径1000nm未満の範囲にピークの頂点が存在しないことを意味する。ピークP2aが、粒子径1000nm未満の範囲にあるとは、粒子径1000nm未満の範囲にピークP2aの頂点が存在することを意味する。つまり、ピークP2aの散乱強度分布が最大値であるときの粒子径(ピークP2aの頂点における横軸の値)P2adが1000nm未満であることを意味する。ピークP2bが、粒子径1000nm以上の範囲にあるとは、粒子径1000nm以上の範囲にピークP2bの頂点が存在することを意味する。つまり、ピークP2bの散乱強度分布が最大値であるときの粒子径(ピークP2bの頂点における横軸の値)P2bdが1000nm以上であることを意味する。
銅粒子が特性(I)を有する場合、銅粒子の粒子径は適度に大きくなる。これにより、例えば銅粒子を含む銅ペーストを基板上で焼結させた場合に、銅粒子のパッキング性を向上させ易くなる。その結果、このような銅粒子を含む銅ペーストの接合強度を向上させ易くなる。また、銅粒子を含む焼結層が割れ難くなる。
銅粒子が特性(I)を有する場合、銅粒子は粒子径分布においてピークP1だけ(1つのピークだけ)を有することが好ましい。銅粒子が特性(I)を有する場合、ピークP1の右端における粒子径R1と、左端における粒子径L1との差(R1−L1)は、2500nm以上であることがより好ましい。換言すると、ピークP1はブロードなピークとなることがより好ましい。これにより、ピークP1として現れる粒子径1000nm以上の銅粒子は、適度に不揃いな粒子径を有するようになる。その結果、ピークP1として現れる粒子径1000nm以上の銅粒子間の隙間が少なくなると考えられる。これにより、例えば銅粒子を含む銅ペーストを基板上で焼結させた場合に、銅粒子のパッキング性を一層向上させ易くなる。
銅粒子が特性(II)を有する場合、ピークP2aとして現れる粒子径1000nm未満の銅粒子が、ピークP2bとして現れる粒子径1000nm以上の銅粒子間の隙間を埋める役割を果たす。これにより、例えば銅粒子を含む銅ペーストを基板上で焼結させた場合に、銅粒子のパッキング性を向上させ易くなる。その結果、このような銅粒子を含む銅ペーストの接合強度を向上させ易くなる。
銅粒子が特性(III)を有する場合、銅粒子は特性(II)に加えて、以下の特性も有する。具体的には、ピークP2bの散乱強度分布の最大値P2bmaxの比率(P2bmax/P2amax)は、ピークP2aの散乱強度分布の最大値P2amaxに対して、0.3以上1.5以下である。比率(P2bmax/P2amax)は、0.4以上1.2以下であることが好ましい。比率(P2bmax/P2amax)がこのような範囲内であると、ピークP2bとして現れる粒子径1000nm以上の銅粒子の量と、ピークP2aとして現れる粒子径1000nm未満の銅粒子の量とのバランスが良好になる傾向にある。その結果、粒子径1000nm未満の銅粒子が、粒子径1000nm以上の銅粒子間の隙間を、埋め易くなる。これにより、例えば銅粒子を含む銅ペーストを基板上で焼結させた場合に、銅粒子のパッキング性を一層向上させ易くなる。
銅粒子が特性(IV)を有する場合、銅粒子は特性(III)に加えて、以下の特性を有する。具体的には、ピークP2bの右端における粒子径R2bと、左端における粒子径L2bとの差(R2b−L2b)は、2500nm以上である。換言すると、ピークP2bはブロードなピークとなる。これにより、ピークP2bとして現れる銅粒子は、適度に不揃いな粒子径を有するようになる。その結果、ピークP2bとして現れる粒子径1000nm以上の銅粒子間の隙間は減少すると考えられる。そして、粒子径1000nm以上の銅粒子間の減少した隙間を、ピークP2aとして現れる粒子径1000nm未満の銅粒子が更に埋める役割を果たす。これにより、例えば銅粒子を含む銅ペーストを基板上で焼結させた場合に、銅粒子のパッキング性を一層向上させ易くなる。
銅粒子は、特性(V)を有することも好ましい。特性(V)は、特性(I)、(II)、(III)及び(IV)とは別の好適な態様である。
特性(V):粒子径1000nm未満の範囲にピークP1を有し、粒子径1000nm以上の範囲にピークを有しない。ピークP1の右端における粒子径R1と、左端における粒子径L1との差(R1−L1)は、2000nm以上である。
銅粒子が特性(V)を有する場合、ピークP1はブロードなピークとなる。これにより、ピークP1として現れる銅粒子は、適度に不揃いな粒子径を有するようになる。その結果、銅粒子間の隙間が減少し、銅粒子のパッキング性が向上すると考えられる。銅粒子が特性(V)を有する場合、ピークP1の右端における粒子径R1と、左端における粒子径L1との差(R1−L1)は、2000nm以上3000nm以下であることが好ましい。
銅粒子の粒子径分布は、特性(I)、(II)又は(V)を有することが好ましく、特性(I)又は(II)を有することがより好ましく、特性(II)を有することが特に好ましい。銅粒子の粒子径分布は特性(II)に代えて特性(III)を有することが更に好ましく、特性(II)に代えて特性(IV)を有することが一層好ましい。本実施形態に係る銅粒子の製造方法によれば、簡便な操作で同時に特性(I)、特性(II)(好ましくは特性(III)、より好ましくは特性(IV))、又は(V)を有する銅粒子を得ることができる。
銅粒子の粒子径分布、及び後述する最大粒子径は、動的光散乱法により、粒子径分布測定装置(大塚電子株式会社製「粒径測定システムELS−Z2」)を用いて測定される。銅粒子の粒子径分布及び最大粒子径の測定方法及び測定条件については、実施例で後述する。ここで、動的光散乱法の原理を説明する。溶液中の銅粒子は、銅粒子の粒子径に依存したブラウン運動を行う。銅粒子に光を照射した時に得られる散乱光は、小径の銅粒子では素早い揺らぎを示し、大径の銅粒子ではゆっくりとした揺らぎを示す。この散乱光の揺らぎを光子相関法で解析することにより銅粒子の粒子径が求められる。
なお、銅粒子は、典型元素の金属の塩に由来する原子(例えば、硫黄原子)を含有してもよい。銅粒子が典型元素の金属の塩に由来する原子を含有する場合、典型元素の金属の塩に由来する原子は、銅粒子の核(中心部分)に存在することが好ましい。この場合、銅粒子の粒子径分布は特性(I)、(II)又は(V)を有することが好ましく、特性(I)又は(II)を有することがより好ましく、特性(II)を有することが特に好ましい。銅粒子の粒子径分布は特性(II)に代えて特性(III)を有することが更に好ましく、特性(II)に代えて特性(IV)を有することが一層好ましい。
銅粒子の粒子径は、100nm以上10000nm以下であることが好ましく、200nm以上9000nm以下であることがより好ましい。銅粒子の粒子径が100nm以上であると、銅粒子を含む銅ペーストを基板上で焼結させた場合に、銅粒子を含む焼結層が割れ難くなる。一方、銅粒子が10000nm以下であると、銅粒子のパッキング性が向上し易くなる。
<5−2.典型元素の金属の塩のモル濃度と銅粒子の粒子径分布>
加熱工程おいて、混合物の体積に対する典型元素の金属の塩のモル濃度(μM、つまりμmol/L)を変更することにより、異なる粒子径分布を有する銅粒子を得ることができる。混合物に、銅化合物、典型元素の金属の塩、及び多価アルコール以外の別の成分が含まれる場合、混合物の体積とは、別の成分も含む混合物全体の体積である。以下、図1及び図2を参照して、典型元素の金属の塩のモル濃度と、得られる銅粒子の粒子径分布との関係について説明する。
図1は、銅粒子の粒子径分布を示す。この銅粒子は、銅化合物として水酸化銅(Cu(OH)2)を、典型元素の金属の塩として硫化ナトリウム五水和物(Na2S・5H2O)を、多価アルコールとして1,3−プロパンジオールを用いて製造される。図1中、0μM、70μM、150μM及び300μMは、各々、典型元素の金属の塩のモル濃度を示す。モル濃度は、加熱工程における混合物の体積に対するモル濃度である。ひし形のプロットは、混合物に対して、典型元素の金属の塩を添加しなかった(添加量:0μM)場合に得られる銅粒子の粒子径分布を示す。四角形、三角形及びバツ形のプロットは、各々、混合物の体積に対して70μM、150μM及び300μMの濃度になるように、典型元素の金属の塩を添加した場合に得られる銅粒子の粒子径分布を示す。
図2は、銅粒子の粒子径分布を示す。この銅粒子は、銅化合物として水酸化銅(Cu(OH)2)を、典型元素の金属の塩として硫化ナトリウム五水和物(Na2S・5H2O)を、多価アルコールとしてエチレングリコールを用いて製造される。図2中、横軸は銅粒子の粒子径[nm]を、縦軸は散乱強度分布[%]を示す。図2中、0μM、70μM及び150μMは、各々、典型元素の金属の塩のモル濃度を示す。モル濃度は、加熱工程における混合物の体積に対するモル濃度である。ひし形のプロットは、混合物に対して、典型元素の金属の塩を添加しなかった(添加量:0μM)場合に得られる銅粒子の粒子径分布を示す。四角形及び三角形のプロットは、各々、混合物の体積に対して70μM及び150μMの濃度になるように、典型元素の金属の塩を添加した場合に得られる銅粒子の粒子径分布を示す。
以下のようにして得られる銅粒子は、特性(I)を有する粒子径分布を示す。例えば、図1に示すように、多価アルコールとして、1,3−プロパンジオールを使用し、混合物の体積に対して70μMの濃度の硫化ナトリウム五水和物(Na2S・5H2O)を使用した場合、得られる銅粒子は、特性(I)を有する粒子径分布を示す。
以下のようにして得られる銅粒子は、特性(II)及び特性(III)を有する粒子径分布を示す。例えば、図1に示すように、多価アルコールとして、1,3−プロパンジオールを使用し、混合物の体積に対して150μM及び300μMの濃度の硫化ナトリウム五水和物(Na2S・5H2O)を使用した場合、得られる銅粒子は各々、特性(II)及び特性(III)を有する粒子径分布を示す。また、図2に示すように、多価アルコールとして、エチレングリコールを使用し、混合物の体積に対して150μMの濃度の硫化ナトリウム五水和物(Na2S・5H2O)を使用した場合、得られる銅粒子は、特性(II)及び特性(III)を有する粒子径分布を示す。
以下のようにして得られる銅粒子は、特性(IV)を有する粒子径分布を示す。例えば、図1に示すように、多価アルコールとして、1,3−プロパンジオールを使用し、混合物の体積に対して150μMの濃度の硫化ナトリウム五水和物(Na2S・5H2O)を使用した場合、得られる銅粒子は、特性(IV)を有する粒子径分布を示す。図2に示すように、多価アルコールとして、エチレングリコールを使用し、混合物の体積に対して150μMの濃度の硫化ナトリウム五水和物(Na2S・5H2O)を使用した場合、得られる銅粒子は、特性(IV)を有する粒子径分布を示す。
加熱工程における混合物の体積に対して、典型元素の金属の塩のモル濃度を増加又は減少させることにより、異なる粒子径分布を有する銅粒子を得ることができる。以下、典型元素の金属の塩のモル濃度の増加及び減少と、得られる銅粒子の粒子径分布との関係について説明する。
図1中、C1、C2及びC3は各々、第一モル濃度、第二モル濃度及び第三モル濃度を示す。第二モル濃度C2は、特性(I)を有する銅粒子が製造されるときの、混合物の体積に対する典型元素の金属の塩のモル濃度(例えば、硫化ナトリウム五水和物70μM)である。第一モル濃度C1(例えば、0μM)は第二モル濃度C2(例えば、70μM)よりも低い。第三モル濃度C3(例えば、150μM)は第二モル濃度C2(例えば、70μM)よりも高い。
例えば、典型元素の金属の塩の第一モル濃度C1を、第二モル濃度C2まで増加させることによって、特性(I)を有する銅粒子が得られる。或いは、典型元素の金属の塩の第三モル濃度C3を、第二モル濃度C2まで減少させることによって、特性(I)を有する銅粒子が得られる。
また、典型元素の金属の塩の第二モル濃度C2を、第三モル濃度C3まで増加させることによって、特性(II)を有する銅粒子が得られる。
混合物の体積に対する典型元素の金属の塩のモル濃度が増加すると、典型元素の金属の塩の作用により、銅原子(Cu)の結合が進行し、銅粒子の粒子径が増加していくと考えられる。しかし、混合物の体積に対する典型元素の金属の塩のモル濃度が所定の値を超えると、典型元素の金属の塩のモル濃度の影響により、銅原子(Cu)の結合と同時に、銅粒子からの銅原子(Cu)の分離も引き起こされるようになると考えられる。
典型元素の金属の塩のモル濃度は、混合物の体積に対して、0μMより大きく300μM以下であることが好ましく、50μM以上300μM以下であることがより好ましく、50μM以上250μM以下であることが特に好ましい。特性(I)を有する銅粒子を得るためには、典型元素の金属の塩のモル濃度は、混合物の体積に対して、50μM以上100μM未満であることが好ましい。特性(II)(好ましくは特性(III)、より好ましくは特性(IV))を有する銅粒子を得るためには、典型元素の金属の塩のモル濃度は、混合物の体積に対して、100μM以上300μM以下であることが好ましく、100μM以上250μM以下であることがより好ましい。典型元素の金属の塩のモル濃度がこのような範囲内であると、銅粒子のパッキング性に優れる粒子径分布を有する銅粒子が得られ易い。
<5−3.銅粒子の形状>
銅粒子の形状の例としては、球状、球が連結した形状、凸多面体状、又は凸多面体状であり且つ凸多面体の各頂点と各辺とが湾曲している形状が挙げられる。
以下、図3〜図5を参照して、銅化合物の種類又は多価アルコールの種類と、銅粒子の形状との関係について説明する。図3〜図5は、それぞれ、本実施形態の製造方法により製造された銅粒子のSEM画像を示す。図3〜図5中の目盛りの間隔は各々、1.00μmを示す。なお、SEM画像は、銅粒子を、SEM(株式会社日立ハイテクノロジーズ製「超高分解能電界放出形走査電子顕微鏡SU8020」)を用いて倍率5万倍で観察することにより得られる。
図3に示される銅粒子は、銅化合物として水酸化銅(Cu(OH)2)を、典型元素の金属の塩として硫化ナトリウム五水和物(Na2S・5H2O)を、多価アルコールとして1,3−プロパンジオールを用いて製造される。
図4に示される銅粒子は、銅化合物として硝酸銅(Cu(NO32)を、典型元素の金属の塩として硫化ナトリウム五水和物(Na2S・5H2O)を、多価アルコールとして1,3−プロパンジオールを用いて製造される。
図5に示される銅粒子は、銅化合物として水酸化銅(Cu(OH)2)を、典型元素の金属の塩として硫化ナトリウム五水和物(Na2S・5H2O)を、多価アルコールとしてエチレングリコールを用いて製造される。
<5−4.銅化合物の種類と銅粒子の形状>
銅化合物の種類によって、異なる形状を有する銅粒子が得られる傾向にある。
図3に示すように、例えば、銅化合物として水酸化銅(Cu(OH)2)を用いて製造される銅粒子は、球が連結した形状を有する傾向にある。また、混合物の体積に対する典型元素の金属の塩のモル濃度が増加するにつれて、銅粒子の形状は、球が連結した形状から、球状に変形する傾向にある。混合物の体積に対する典型元素の金属の塩のモル濃度が更に増加すると、銅粒子の形状は、球状から、球が連結した形状に戻る傾向にある。
図4に示すように、例えば、銅化合物として硝酸銅(Cu(NO32)を用いて製造される銅粒子は、凸多面体状を有する傾向にある。また、混合物の体積に対する典型元素の金属の塩のモル濃度が増加するにつれて、銅粒子の形状は、凸多面体状から、凸多面体状であり且つ凸多面体の各頂点と各辺とが湾曲している形状に変形する傾向にある。
<5−5.多価アルコールの種類と銅粒子の形状>
多価アルコールの種類によって、異なる形状を有する銅粒子が得られる傾向にある。
図3を参照して既に述べたように、多価アルコールとして1,3−プロパンジオールを用い、銅化合物として水酸化銅(Cu(OH)2)を用いて製造される銅粒子は、球が連結した形状を有する傾向にある。一方、図5に示すように、例えば、多価アルコールとしてエチレングリコールを用い、銅化合物として水酸化銅(Cu(OH)2)を用いて製造される銅粒子は、凸多面体状であり且つ凸多面体の各頂点と各辺とが湾曲している形状を有する傾向にある。また、混合物の体積に対する典型元素の金属の塩のモル濃度が増加するにつれて、銅粒子の形状は、凸多面体状であり且つ凸多面体の各頂点と各辺とが湾曲している形状から、球状に変形する傾向にある。
<6.銅粒子の製造方法>
以下、銅粒子の製造方法の一例を説明する。銅粒子の製造方法は、準備工程と加熱工程とを含む。銅粒子の製造方法は、必要に応じて洗浄工程を含んでもよい。
<6−1.準備工程>
準備工程では、銅化合物と、典型元素の金属の塩と、多価アルコールとを準備する。準備工程では、上述した銅化合物と典型元素の金属の塩と多価アルコールとを使用することができる。
<6−2.加熱工程>
加熱工程では、銅化合物と、典型元素の金属の塩と、多価アルコールとの混合物を加熱する。具体的には、先ず、銅化合物と多価アルコールとを、室温(例えば、25℃)で混合する。混合物に、室温で、典型元素の金属の塩を加える。典型元素の金属の塩を単体で添加してもよい。或いは、典型元素の金属の塩を溶媒に溶解させて添加してもよい。続いて、混合物を室温で数分間(例えば、2分間)予備攪拌する。その後、混合物を、所定の反応温度で、所定の時間反応させる。反応は、攪拌下で行ってもよい。これにより、銅粒子が析出する。
加熱工程における反応温度は、特に制限されない。反応温度は、例えば、100℃以上である。反応温度が100℃以上であると、反応(銅粒子の製造)に要する時間が短くなる傾向にある。得られる銅粒子の粒子径又は形状を制御し易いことから、反応温度は、150℃以上200℃以下であることが好ましく、190℃以上200℃以下であることがより好ましい。
混合物を加熱する温度(反応温度)を上昇させることによって、銅粒子の最大粒子径を減少させることができる。或いは、混合物を加熱する温度(反応温度)を下降させることによって、銅粒子の最大粒子径を増加させることができる。
以下、図6及び図7を参照して、反応温度と、銅粒子の最大粒子径との関係について説明する。
図6は、銅粒子の粒子径分布を示す。図6中、横軸は銅粒子の粒子径[nm]を、縦軸は散乱強度分布[%]を示す。図6中、ひし形及び四角形のプロットは、各々、反応温度が190℃及び200℃である場合に得られる銅粒子の粒子径分布を示す。
図6に示すように、反応温度が190℃から200℃に上昇すると、銅粒子の最大粒子径が減少する傾向にある。逆に反応温度が200℃から190℃に下降すると、銅粒子の最大粒子径が増加する傾向にある。
図7(a)及び図7(b)は、各々、反応温度が190℃及び200℃である場合に得られる銅粒子のSEM画像を示す。図7中の目盛りの間隔は各々、1.00μmを示す。なお、SEM画像は、銅粒子を、SEM(株式会社日立ハイテクノロジーズ製「超高分解能電界放出形走査電子顕微鏡SU8020」)を用いて倍率5万倍で観察することにより得られる。
図7からも、反応温度が190℃から200℃に上昇すると、銅粒子の最大粒子径が減少する傾向が読み取られる。逆に反応温度が200℃から190℃に下降すると、銅粒子の最大粒子径が増加する傾向も読み取られる。
加熱工程における反応温度は、特に制限されない。得られる銅粒子の粒子径又は形状を制御し易いことから、反応時間は、40分以上5時間以下であることが好ましく、1時間以上3時間以下であることがより好ましい。反応時の圧力は、例えば、大気圧である。混合物には、必要に応じて、添加物を加えてもよい。
<6−3.洗浄工程>
析出した銅粒子に対して、必要に応じて、洗浄工程を行う。具体的には、析出した銅粒子を、遠心分離機により分離する。分離した銅粒子を、液で洗浄する。洗浄した銅粒子を、液に分散させて精製する。その結果、洗浄された銅粒子が得られる。
洗浄に使用する液は、銅粒子を精製できる限り限定されない。洗浄に使用する液としては、例えば極性を有する液が挙げられ、アルコールが好ましく、炭素原子数1以上6以下のアルキル基と1個以上3個以下の水酸基とを有するアルコールがより好ましい。洗浄に使用する液としてアルコールを使用する場合、銅粒子を分散させた液を、後述する銅ペーストとしてそのまま使用してもよい。
銅粒子の製造方法は、必要に応じて、改変を加えて実施することができる。また、必要のない操作又は工程は、適宜割愛してもよい。
<7.銅ペースト>
銅ペーストは、銅粒子を含む。銅ペーストは、例えば、本実施形態の製造方法により得られる銅粒子と、アルコールとを混合することにより得られる。銅ペーストは、例えば、配線材料、又は接合材料として使用できる。
銅ペーストに含まれるアルコールの例としては、炭素原子数1以上6以下のアルキル基と1個以上3個以下の水酸基とを有するアルコールが挙げられる。
アルコールが有する炭素原子数1以上6以下のアルキル基の例としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基、i−ブチル基、sec−ブチル基、t−ブチル基、n−ペンチル基、i−ペンチル基、sec−ペンチル基、t−ペンチル基、2−メチルブチル基、n−ヘキシル基、1−メチルペンチル基、2−メチルペンチル基、3−メチルペンチル基、4−メチルペンチル基、1−エチルブチル基、2−エチルブチル基、1,1−ジメチルブチル基、2,2−ジメチルブチル基、3,3−ジメチルブチル基、又は1−エチル−1−メチルプロピル基が挙げられる。
炭素原子数1以上6以下のアルキル基と1個以上3個以下の水酸基とを有するアルコールの例としては、メタノール、エタノール、エチレングリコール、n−プロパノール、i−プロパノール、トリエチレングリコール、n−ブタノール、i−ブタノール、sec−ブタノール、t−ブタノール、n−ペンタノール、i−ペンタノール、sec−ペンタノール、t−ペンタノール、2−メチルブタノール、n−ヘキサノール、1−メチルペンタノール、2−メチルペンタノール、3−メチルペンタノール、4−メチルペンタノール、1−エチルブタノール、2−エチルブタノール、1,1−ジメチルブタノール、2,2−ジメチルブタノール、3,3−ジメチルブタノール、又は1−エチル−1−メチルプロパノールが挙げられる。
アルコールは、炭素原子数1以上6以下のアルコキシ基、アミノ基及びハロゲン基からなる群から選択される1以上の置換基を有してもよい。炭素原子数1以上6以下のアルコキシ基の例としては、メトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシ基、i−プロポキシ基、n−ブトキシ基、i−ブトキシ基、sec−ブトキシ基、t−ブトキシ基、ペンチルオキシ基、又はヘキシルオキシ基が挙げられる。ハロゲン基としては、フルオロ基、ブロモ基、クロロ基、又はヨード基が挙げられる。
炭素原子数1以上6以下のアルコキシ基、アミノ基及びハロゲン基からなる群から選択される1以上の置換基を有するアルコールの例としては、メトキシメタノール、2−メトキシエタノール、2−エトキシエタノール、2−クロロエタノール、又はエタノールアミンが挙げられる。
銅ペーストに含まれる銅粒子の含有量は、アルコール1質量部に対して、4質量部以上16質量部以下であることが好ましく、6質量部以上12質量部以下であることがより好ましく、8質量部以上10質量部以下であることが特に好ましい。
以上、本実施形態に係る銅粒子の製造方法を説明した。本実施形態の銅粒子の製造方法によれば、銅粒子の粒子径及び形状を容易に制御することができる。また、本実施形態の銅粒子の製造方法により製造される銅粒子は、銅粒子のパッキング性を向上させ易い粒子径及び形状を有することができる。更に、本実施形態の銅粒子の製造方法により製造される銅粒子を含む銅ペーストは、銅粒子のパッキング性を向上させ易い粒子径及び形状を有する銅粒子を含むことで、接合強度を向上させることができる。
以下、実施例を用いて本発明を更に具体的に説明する。なお、本発明は実施例の範囲に何ら限定されない。
<1.銅粒子の製造>
以下のようにして、銅粒子1を製造した。水酸化銅(Cu(OH)2)1.5g、ポリビニルピロリドン(K値90)1.5g、1,3−プロパンジオール125gを室温(25℃)で混合した。混合物に、硫化ナトリウム五水和物(Na2S・5H2O)の1,3−プロパンジオール溶液(モル濃度1250μM)6.8mLを加えた。このとき、硫化ナトリウム五水和物のモル濃度は、混合物(具体的には、水酸化銅、ポリビニルピロリドン、1,3−プロパンジオール、及び硫化ナトリウム五水和物の混合物)の体積に対して、70μMであった。なお、試薬は何れも、和光純薬工業株式会社製の試薬を使用した。続いて、混合物を室温で2分間攪拌した。その後、混合物を反応温度190℃で2時間、攪拌下で反応させた。これにより、銅粒子を析出させた。析出した銅粒子を、遠心分離機により、回転速度4000rpmで10分間分離した。分離した銅粒子を、エタノールで洗浄した。洗浄した銅粒子を、エタノールに分散させて精製した。その結果、銅粒子1が得られた。
以下を変更した以外は、銅粒子1の製造と同様の方法で、銅粒子2、3、4R、5、6、7R、8、9、10R、11〜15及び16R〜19Rを製造した。銅化合物の種類を、銅粒子1の製造における水酸化銅(Cu(OH)2)から、表1に示す種類の銅化合物に変更した。多価アルコールの種類を、銅粒子1の製造における1,3−プロパンジオールから、表1に示す種類の多価アルコールに変更した。典型元素の金属の塩の種類を、銅粒子1の製造における硫化ナトリウム五水和物から、表1に示す種類の典型元素の金属の塩に変更した。混合物の体積に対する典型元素の金属の塩のモル濃度を、銅粒子1の製造における70μMから、表1に示すモル濃度に変更した。典型元素の金属の塩が硫化ナトリウム五水和物である場合には、硫化ナトリウム五水和物の1,3−プロパンジオール溶液の添加量(6.8mL)を変更することにより、混合物中の硫化ナトリウム五水和物のモル濃度が表1に示す値になるように調整した。なお、銅粒子4R、7R及び10Rの製造においては、典型元素の金属の塩を添加しなかった。また、銅粒子16R〜19Rの製造においては、典型元素の金属の塩の代わりに、典型元素の金属の塩以外の塩(その他の塩、具体的にはギ酸アンモニウム)を添加した。混合物を反応させるときの温度を、銅粒子1の製造における190℃から、表1に示す温度に変更した。
表1に、各銅粒子を製造する際に使用した原料の種類、モル濃度及び混合物を反応させるときの温度を示す。表1中、Cu(OH)2は水酸化銅を、Cu(NO32は硝酸銅を、PVPはポリビニルピロリドンを、EGはエチレングリコールを、Na2S・5H2Oは硫化ナトリウム五水和物を、NaOHは水酸化ナトリウムを、Na2CO3は炭酸ナトリウム示す。また、表1に示す典型元素の金属の塩のモル濃度は、混合物の体積に対する典型元素の金属の塩のモル濃度を示す。
<2.粒子径分布の測定>
得られた各銅粒子の粒子径分布を、動的光散乱法により、以下のように測定した。測定試料(銅粒子)0.1gを分散溶媒(エタノール)50mLに分散させた。得られた測定試料の分散液2.5mLを、石英ガラス製のセルに投入した。セルを測定器にセットした。測定器として、(大塚電子株式会社製「粒径測定システムELS−Z2」)を使用した。測定条件は、下記のように設定した。
(粒子径分布の測定条件)
湿式測定
光源:半導体レーザー
溶媒屈折率:1.36(エタノール)
測定範囲:0.6nm以上9000nm以下
測定時間:120秒
銅粒子1、2、3及び4Rの粒子径分布を、図1に示す。図1中、銅粒子1、2、3及び4Rの粒子径分布は各々、四角形(典型元素の金属の塩のモル濃度:70μM)、三角形(典型元素の金属の塩のモル濃度:150μM)、バツ形(典型元素の金属の塩のモル濃度:300μM)及びひし形(典型元素の金属の塩のモル濃度:0μM)のプロットにより示される。
銅粒子5、6及び7Rの粒子径分布を、図2に示す。図2中、銅粒子5、6及び7Rの粒子径分布は各々、四角形(典型元素の金属の塩のモル濃度:70μM)、三角形(典型元素の金属の塩のモル濃度:150μM)及びひし形(典型元素の金属の塩のモル濃度:0μM)のプロットにより示される。
銅粒子2及び11の粒子径分布を、図6に示す。図6中、銅粒子2及び11の粒子径分布は各々、ひし形(典型元素の金属の塩のモル濃度:150μM、反応温度:190℃)及び四角形(典型元素の金属の塩のモル濃度:150μM、反応温度:200℃)のプロットにより示される。
銅粒子12及び13の粒子径分布を、図11に示す。図11中、銅粒子12及び13の粒子径分布は各々、ひし形(典型元素の金属の塩のモル濃度:150μM)及び四角形(典型元素の金属の塩のモル濃度:300μM)のプロットにより示される。
銅粒子14及び15の粒子径分布を、図13に示す。図13中、銅粒子14及び15の粒子径分布は各々、ひし形(典型元素の金属の塩のモル濃度:150μM)及び四角形(典型元素の金属の塩のモル濃度:300μM)のプロットにより示される。
銅粒子16R及び17Rの粒子径分布を、図15に示す。図15中、銅粒子16R及び17Rの粒子径分布は各々、ひし形(その他の塩のモル濃度:150μM)及び四角形(その他の塩のモル濃度:300μM)のプロットにより示される。
銅粒子18R及び19Rの粒子径分布を、図17に示す。図17中、銅粒子18R及び19Rの粒子径分布は各々、ひし形(その他の塩のモル濃度:150μM)及び四角形(その他の塩のモル濃度:300μM)のプロットにより示される。
測定された各銅粒子の粒子径分布から、P1d、P1max、R1、L1、P2ad、P2amax、P2bd、P2bmax、R2b及びL2bの値を得た。また、ピークP1の右端における粒子径R1と左端における粒子径L1との差(R1−L1)を算出した。ピークP2bの右端における粒子径R2bと左端における粒子径L2bとの差(R2b−L2b)を算出した。ピークP2aの散乱強度分布の最大値P2amaxに対するピークP2bの散乱強度分布の最大値P2bmaxの比率(P2bmax/P2amax)を算出した。表2中、「−」はピークを有していないことを示す。
表2、図1、図2、図6、図11及び図13から、混合物の体積に対する典型元素の金属の塩のモル濃度によって、異なる粒子径分布を有する銅粒子が得られることが示された。
表2及び図1から明らかなように、銅粒子1は、特性(I)を有する粒子径分布を示した。表2及び図2から明らかなように、銅粒子5は、特性(V)を有する粒子径分布を示した。
表2、図1、図2、図6、図11及び図13から明らかなように、以下の銅粒子は特性(II)及び特性(III)を有する粒子径分布を示した。図1において、銅粒子2及び3は、特性(II)及び特性(III)を有する粒子径分布を示した。図2において、銅粒子6は、特性(II)及び特性(III)を有する粒子径分布を示した。図6において、銅粒子2及び11は、特性(II)及び特性(III)を有する粒子径分布を示した。図11において、銅粒子12及び13は、特性(II)及び特性(III)を有する粒子径分布を示した。図13において、銅粒子14及び15は、特性(II)及び特性(III)を有する粒子径分布を示した。
表2、図1、図2、図11及び図13から明らかなように、以下の銅粒子は特性(II)及び特性(III)に加えて、特性(IV)を有する粒子径分布を示した。図1において、銅粒子2は、特性(IV)を有する粒子径分布を示した。図2において、銅粒子6は、特性(IV)を有する粒子径分布を示した。図11において、銅粒子12及び13は、特性(IV)を有する粒子径分布を示した。図13において、銅粒子14及び15は、特性(IV)を有する粒子径分布を示した。
図6から、混合物を加熱する温度を変更することによって、銅粒子の最大粒子径が減少又は増加することが示された。
<3.SEMによる観察>
各銅粒子を、SEMを用いて以下のようにして観察した。SEMとして、株式会社日立ハイテクノロジーズ製「超高分解能電界放出形走査電子顕微鏡SU8020」を用いた。倍率は5万倍に設定した。図3〜図5、図7、図12、図14、図16及び図18中、目盛りの間隔は各々、1.00μmを示す。
銅粒子1、2、3及び4RのSEM画像の写真を各々、図3(b)、(c)、(d)及び(a)に示す。銅粒子8、9及び10RのSEM画像の写真を各々、図4(b)、(c)及び(a)に示す。銅粒子5、6及び7RのSEM画像の写真を各々、図5(b)、(c)及び(a)に示す。銅粒子2及び11のSEM画像の写真を各々、図7(a)及び(b)に示す。銅粒子12及び13のSEM画像の写真を各々、図12(a)及び(b)に示す。銅粒子14及び15のSEM画像の写真を各々、図14(a)及び(b)に示す。銅粒子16R及び17RのSEM画像の写真を各々、図16(a)及び(b)に示す。銅粒子18R及び19RのSEM画像の写真を各々、図18(a)及び(b)に示す。
図3及び図4から、銅化合物の種類によって、異なる形状を有する銅粒子が得られることが示された。図3及び図5から、多価アルコールの種類によって、異なる形状を有する銅粒子が得られることが示された。図7から、反応温度によって異なる形状を有する銅粒子が得られることが示された。図12、図14及び図18から、典型原素の金属の塩を使用することで、その他の塩を使用した場合と比較して、粒子径の小さい銅粒子が少なく、粒子径の小さい銅粒子と粒子径の大きい銅粒子とが適度に混合した銅粒子が得られることが示された。図3及び図16から、典型原素の金属の塩を使用することで、その他の塩を使用した場合と比較して、粒子径の小さい銅粒子が少なく、粒子径の小さい銅粒子と粒子径の大きい銅粒子とが適度に混合した銅粒子が得られることが示された。
<4.X線回折スペクトルの測定>
各銅粒子のX線回折スペクトルを以下のように測定した。測定試料(銅粒子のエタノール溶液)をガラス基板の上に滴下した。これにより、ガラス基板上に銅粒子の薄膜を形成した。得られた銅粒子の薄膜を、X線回折装置(株式会社リガク製「湾曲IPX線回折装置RINT(登録商標)−RAPID II」)を用いて測定した。測定条件は、下記のように設定した。
(X線回折スペクトルの測定条件)
CuKα特性X線の波長:1.54Å
管電圧:40kV
管電流:30mA
測定範囲(2θ):20°以上100°以下
走査速度:100°/分
各銅粒子のX線回折スペクトルを、図8〜図10に示す。図8〜図10中、横軸はブラッグ角2θ[°]を示し、縦軸は強度(任意単位)を示す。
銅粒子1、2、3及び4RのX線回折スペクトルを、図8に示す。図8中、銅粒子1、2、3及び4RのX線回折スペクトルは各々、70μM、150μM、300μM及び0μMとして示すスペクトルに対応する。
銅粒子8、9及び10RのX線回折スペクトルを、図9に示す。図9中、銅粒子8、9及び10RのX線回折スペクトルは各々、70μM、150μM及び0μMとして示すスペクトルに対応する。
銅粒子5、6及び7RのX線回折スペクトルを、図10に示す。図10中、銅粒子5、6及び7RのX線回折スペクトルは各々、70μM、150μM及び0μMとして示すスペクトルに対応する。
図8〜図10から、銅粒子1、2、3、5、6、8及び9のX線回折スペクトルは、銅のX線回折スペクトルと一致することが示された。このことから、銅化合物と、典型元素の金属の塩と、多価アルコールとの混合物を加熱することにより、銅粒子を製造した場合であっても、得られた銅粒子の酸化が抑制されることが示された。
<5.剪断強度試験>
銅粒子(銅粒子2、6又は4R)90質量部と、エチレングリコール10質量部とを混合し、銅粒子を含むペースト(銅ペースト)を得た。得られた銅ペーストに対して、剪断強度試験を行った。
以下、図19を参照して、剪断強度試験で使用した接合試料100、及び剪断強度試験の方法について説明する。図19に示すように、接合試料100は、銅基板200aと、銅基板200bと、銅ペースト300とを含む。銅ペースト300は、銅基板200aと銅基板200bとを接合する。詳しくは、8mm×8mmの銅基板200a上に銅ペースト300を0.1μmのマスクを用いて印刷した。印刷された銅ペースト300上に、4mm×4mmの銅基板200bを載置した。次いで、銅基板200a、銅ペースト300及び銅基板200bを、250℃、300℃及び350℃の各温度で30分間加熱した。加熱は、真空下で、銅基板200bから銅基板200aに向かう方向に0.4MPaの圧力をかけながら行った。これにより、銅ペースト300を焼成(焼結)し、銅基板200aと銅基板200bとを接合した。これにより、接合試料100を得た。次いで、接合した銅基板200aと銅基板200bとに対して剪断力を加えて、銅ペースト300の剪断強度を測定した。以上、図19を参照して、剪断強度試験で使用した接合試料100、及び剪断強度試験の方法について説明した。
測定された剪断強度を、表3及び図20に示す。図20中、横軸は焼結時の加熱温度(単位:℃)を示し、縦軸は剪断強度(単位:MPa)を示す。図20中、銅粒子2を含む銅ペースト、銅粒子6を含む銅ペースト、及び銅粒子4Rを含む銅ペーストの剪断強度は、各々、黒丸、白丸及び三角のプロットにより示される。なお、剪断強度が大きいほど、銅ペーストが優れた接合強度を有することを示す。
表3及び図20に示すように、銅粒子2を含む銅ペースト及び銅粒子6を含む銅ペーストは、銅粒子4Rを含む銅ペーストに比べて、剪断強度が大きく、優れた接合強度を有していた。これは、焼結前の銅ペーストに含有される銀粒子が良好なパッキン性を有していたためと推測される。
本発明に係る銅粒子の製造方法は、例えば、銅ペーストに含まれる銅粒子を製造するために利用することができる。本発明に係る銅粒子及び銅ペーストは、例えば、電子製品に印刷するための銅配線の原料として利用することができる。
P1 ピーク
P2a ピーク
P2b ピーク
P2amax ピークP2aの散乱強度分布の最大値
P2bmax ピークP2bの散乱強度分布の最大値
C1 第一モル濃度
C2 第二モル濃度
C3 第三モル濃度

Claims (15)

  1. 銅化合物と、典型元素の金属の塩と、多価アルコールとを準備する準備工程と、
    前記銅化合物と、前記典型元素の金属の塩と、前記多価アルコールとの混合物を加熱する加熱工程と
    を含む、銅粒子の製造方法。
  2. 前記典型元素の金属は、リチウム、ベリリウム、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、カリウム、カルシウム、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、ルビジウム、ストロンチウム、カドミウム、インジウム、スズ、アンチモン、セシウム及びバリウムからなる群から選択される1種以上である、請求項1に記載の銅粒子の製造方法。
  3. 前記塩は、硫黄原子を含む陰イオンを有する塩、又は酸素原子を含む陰イオンを有する塩である、請求項1又は2に記載の銅粒子の製造方法。
  4. 前記混合物の体積に対する前記典型元素の金属の塩のモル濃度によって、異なる粒子径分布を有する前記銅粒子が得られ、
    前記粒子径分布は動的光散乱法により測定される、請求項1〜3の何れか一項に記載の銅粒子の製造方法。
  5. 前記銅粒子は、動的光散乱法により測定される粒子径分布において、下記特性(I)又は(II)を有する、請求項1〜4の何れか一項に記載の銅粒子の製造方法。
    (I)粒子径1000nm以上の範囲にピークを有し、粒子径1000nm未満の範囲にピークを有しない。
    (II)少なくとも2つのピークを有し、前記2つのピークのうちの一方は、粒子径1000nm未満の範囲にあり、前記2つのピークのうちの他方は、粒子径1000nm以上の範囲にある。
  6. 前記加熱工程において、前記典型元素の金属の塩の第一モル濃度を、第二モル濃度まで増加させることによって、前記特性(I)を有する前記銅粒子が得られ、或いは
    前記加熱工程において、前記典型元素の金属の塩の第三モル濃度を、前記第二モル濃度まで減少させることによって、前記特性(I)を有する前記銅粒子が得られ、
    前記第二モル濃度は、前記特性(I)を有する前記銅粒子が製造されるときの、前記混合物の体積に対する前記典型元素の金属の塩のモル濃度であり、
    前記第一モル濃度は、前記第二モル濃度よりも低く、
    前記第三モル濃度は、前記第二モル濃度よりも高い、請求項5に記載の銅粒子の製造方法。
  7. 前記加熱工程において、前記典型元素の金属の塩の第二モル濃度を、第三モル濃度まで増加させることによって、前記特性(II)を有する前記銅粒子が得られ、
    前記第二モル濃度は、前記特性(I)を有する前記銅粒子が製造されるときの、前記混合物の体積に対する前記典型元素の金属の塩のモル濃度であり、
    前記第三モル濃度は、前記第二モル濃度よりも高い、請求項5に記載の銅粒子の製造方法。
  8. 前記銅化合物は、水酸化銅、硝酸銅、硫酸銅、炭酸銅、ギ酸銅、酢酸銅及び銅硫化物からなる群から選択される1種以上である、請求項1〜7の何れか一項に記載の銅粒子の製造方法。
  9. 前記銅化合物の種類によって、異なる形状を有する前記銅粒子が得られる、請求項1〜8の何れか一項に記載の銅粒子の製造方法。
  10. 前記多価アルコールは、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、プロパンジオール、ブタンジオール、ペンタンジオール、グルコース及びグリセリンからなる群から選択される1種以上である、請求項1〜9の何れか一項に記載の銅粒子の製造方法。
  11. 前記多価アルコールの種類によって、異なる形状を有する前記銅粒子が得られる、請求項1〜10の何れか一項に記載の銅粒子の製造方法。
  12. 前記混合物を加熱する温度を上昇させることによって、動的光散乱法により測定される前記銅粒子の最大粒子径を減少させる、或いは、
    前記混合物を加熱する温度を下降させることによって、前記動的光散乱法により測定される前記銅粒子の前記最大粒子径を増加させる、請求項1〜11の何れか一項に記載の銅粒子の製造方法。
  13. 前記典型元素の金属の塩のモル濃度は、前記混合物の体積に対して、0μMより大きく300μM以下である、請求項1〜12の何れか一項に記載の銅粒子の製造方法。
  14. 動的光散乱法により測定される粒子径分布において、下記特性(I)又は(III)を有する、銅粒子。
    (I)粒子径1000nm以上の範囲にピークを有し、粒子径1000nm未満の範囲にピークを有しない。
    (III)少なくとも2つのピークを有し、前記2つのピークのうちの一方は、粒子径1000nm未満の範囲にあり、前記2つのピークのうちの他方は、粒子径1000nm以上の範囲にあり、粒子径1000nm以上の範囲にある前記他方のピークの散乱強度分布の最大値の比率は、粒子径1000nm未満の範囲にある前記一方のピークの前記散乱強度分布の最大値に対して、0.3以上1.5以下である。
  15. 請求項1〜13の何れか一項に記載の方法により製造される銅粒子、又は請求項14に記載の銅粒子を含む、銅ペースト。
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