KR830001482B1 - 전기도체 형성용 니켈합금 페이스트 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

전기도체 형성용 니켈합금 페이스트

제1도는 본 발명의 니켈합금 도체 페이스트 중의 도체 성분의 양을 변화시킬 때 알루미나 기층상에 형성된 후막 도체의 소부온도에 따른 시이트 저항을 나타낸 그라프이다.

본 발명은 공기중에서 고온 소부되는 전기도체 형성용 니켈합금 페이스트에 관한 것으로 특히 전자기기용 비전도성 기재(substrate)상에 후막도체(Thick film conductor)를 형성하기 위한 니켈합금 페이스트에 관한 것이다. 일반적으로 후막도체는 알루미나와 같은 비전도성 기재위에 전기도 체망(Electric conductive network)을 형성하거나 자기(ceramic) 콘덴서용 자기 기재위에 전극을 형성하는 등 전자부품의 제조에 광범위하게 응용되고 있다. 이 분야의 일반적인 기술은 반 노스트란드 래인홀드 회사(Van Nostrand Reinhold Company)에서 발행된 "후막 마이크로 전자공학(Thick film Microelectronics)" (1971)에 소개되어 있다. 일반적으로 전기도체 형성용 페이스트는 소부시에 소결되어 전기전도성을 나타내는 금속분말, 금속과 기재간의 결합을 돕는 유리프릿(glass frit)과 이들 무기질 분말을 분산시키고 페이스트의 점도(viscosity)를 사용 목적에 적합하게하는 역할을 하는 전색제(vechicle) 등을 포함하고 있다. 종래의 기술에 의한 도체의 형성은 도체를 형성할 기재위에 잘 알려진 방법, 즉 분사(spray) 또는 스크린 인쇄(screen printing)등의 방법으로 전기도체 형성용 페이스트를 칠하고 200℃ 이하에서 용매를 증발시켜 건조시킨후 고온에서 소부시켜 달성한다. 이 때 유기물로 구성되는 전색제는 증발 또는 연소되고 유리프릿은 녹아 금속과 기재간의 결합을 보강한다.

그런데, 종래 사용하였던 전기도체 형성용 페이스트는 대부분 도체 금속분말로서 은, 금, 백금, 팔라듐 또는 이들의 합금과 같은 귀금속분말을 사용하여 제조했다. 이와 같은 귀금속분말은 전기 전도도가 극히 양호하고 공기중에서 소부시 산화되지 않는 등 소부에 의한 도체형성에 요하는 여러가지 바람직한 성질을 갖고 있다. 그러나, 귀금속은 고가이므로 비경제적이기 때문에 이들 귀금속을 사용한 전기도체 형성용 페이스트를 비(卑)금속(Base Metal)으로 대체할 필요성이 증대되고 있다.

따라서, 비금속을 사용한 전기도체 형성용 페이스트의 개발은 전자제품의 원가절감의 측면에서 절실히 요구되고 있다. 이에 따라 종래에도 구리 및 니켈과 같은 비금속을 함유하는 도체 페이스트에 관한 기술이 개발되어 있다(예로 미합중국 특허 3,902,102 및 3,987,347). 그러나, 이들 비금속 도체 페이스트를 산소가 함유된 기류중에서 소부시킬때 비금속이 산화되기 때문에 탄산가스/일산화탄소 혼합기체, 수소질소등과 같은 불활성 또는 환원성 기류하에서 소부하여야하므로 소부 과정에 추가비용을 초래함은 물론 기재를 형성하는 재질이 산소를 상실하여 반도체가 되는등 결점이 있었다. 이러한 종래 기술의 결점을 제거하기 위하여 불활성 내지 환원성 기류를 필요로 하는 금속분말을 붕산염(마합중국 특허 4,130,854) 또는 인산염(미합중국 특허 3,936,583)으로 표면처리하는 방법 및 비금속분말과 보론(Boron) 분말을 혼합하여 공기중에서 소부시킬 수 있는 비금속 페이스트(대한민국 특허 공고 80-1623 및 1624) 등이 알려져 있다. 이 경우 표면처리된 비금속분말, 또는 비금속분말과 보론분말의 혼합물을 사용한 도체 페이스트의 비금속분말의 내산화성은 비금속 표면에 형성된 산화보호 피막인 붕산염이나 또는 소부과정에서 형성된 산화보론의 피막에 기인하는 것으로 이들 산화보호 피막은 표면처리 과정이나 혼합된 입자의 분말크기에 따라 크게 변할 수 있다. 또한 산화보호 피막을 입힌 니켈분말은 융점이 1452℃로 비교적 높은 소결온도가 요구되고 있다.

따라서 본 발명의 목적은 종래의 알려진 전기도체 형성용 귀금속 또는 비금속도체 페이스트의 결점을 제거한 니켈합금 페이스트를 저렴한 가격으로 제공함에 있다.

본 발명은 화학 환원방법에 의해 제조된 니켈과 보론 또는 니켈보론과 비금속 합금을 도체 페이스트의 금속성분으로 사용하는 것을 특징으로 하고 있다. 이 도체 페이스트에 사용된 니켈합금은 순수니켈에 비해 융점이 월등히 낮다. 예를 들면 중량비로 약 4%의 보론이 함유된 니켈-보론합금은 융점이 1080℃로 니켈에 비해 무리 370℃나 낮다. 이와 같이 니켈합금의 낮은 융점은 니켈에 비해 보다 낮은 온도에서도 소부가 가능하며, 동일 소부온도에서는 순수니켈에 비해 소결성의 월등히 우수할 것으로 기대된다. 또한 니켈-보론 합금은 니켈과 보론이 극히 균일하게 혼합되어 내산화성이 우수하며 니켈-보론합금 제조과정에서 소결성이나 전기적 성질을 향상시키기 위해 타금속을 첨가하여 다성분 니켈-보론 합금을 용이하게 제조할 수 있다.

본 발명의 도체 페이스트에 사용된 니켈-보론 합금은 기출원된 발명(대한민국 특허출원번호 81-1289)에 의해 다음과 같이 제조될 수 있다.

60g의 염기성 탄산니켈(NiCO₃·2Ni(OH)₂·4H₂O), 1g의 질산탈리움(T1NO₃), 2g의 산화아연(ZnO), 0.5g의 바나듐산암모늄(NH₄VO₃), 5g의 염화주석(SnCl₂)과 2g의 텅그스텐산 나트륨(Na₃WO₄)을 혼합하여 금속염 혼합제를 얻는다. 1500ml의 물에 50g의 수산화나트륨, 50ml의 에틸렌디아민, 50g의 주석산을 녹인다. 이 용액 1000ml를 취하여 "용액(가)"로 명명하고 이 "용액(가)"에 니켈분말 1g과 전술된 금속염 혼합제 6g을 가한다.

나머지 용액 550ml에 6g의 금속염 혼합제를 녹이고, 5%(w/v) 붕수소산나트륨 수용액을 25ml첨가하고 "용액(나)"로 명명한다. "용액(가)"를 교반하면서 90-95℃로 가열하고 "용액(나)"를 "용액(가)"에 매분당 20ml의 속도로 첨가함과 동시에 "용액(가)"를 동일속도로 뽑아낸다. 뽑아낸 용액이 500ml가 될때 이 용액을 70℃ 이하로 식히고 12g의 염화니켈과 5% 붕수소산나트륨 수용액 30ml를 이 용액에 첨가한 후 다시 "용액(나)"를 "용액(가)"에 첨가한다. 이와같은 것을 30회 반복하면 "용액(가)"에 7Cg의 니켈합금이 생성된다. 이 생성물을 여과, 세척, 건조하고 50ml의 이소프로필 알코올과 혼합하여 볼밀에서 25시간 분쇄시켜 400메시를 통과한 분말 70g을 얻는다. 이 분말의 충전밀도는 4.0g/cc이고 이 분말만을 공기중에서 850℃에서 10분간 소결하면 시이트 저항이 50밀리오옴이 된다.

이와 같이하여 제조된 니켈합금 분말의 충전밀도는 2.5g/cc 이상이며 이 분말의 입도는 페이스트의 응용방법, 대표적인 예로 스크린 인쇄시 스크린의 메시 크기에 의해 제한되나, 통상 325메시(44미크론)까지의 입도를 갖는 분말을 사용한다. 한편, 본 발명의 니켈합금 페이스트는 다음과 같이 제조할 수 있다.

실시예 1에서 얻어진 니켈합금 분말과 유리프릿(조성은 중량%로 70% PbO, 11%B₂O₃, 8%SiO₂, 그리고 11% Al₂O₃)으로써 중량비가 50:50인 니켈함금 유리프릿 혼합물을 제조하고, 이 혼합물 7g에 3중량% 에틸셀루로오즈 알파테르피네올용액 2.8g, 디부틸프타레이트 0.10g과 피마자유 0.10g을 가하고 혼합하여 니켈합금 도체 페이스트를 제조했다. 이 니켈합금 도체 페이스트를 알루미나 기층상에 250매시 스크린을 통과시켜 스크린 인쇄하고 150℃에서 3분간 건조시킨 다음 상자형로에서 연소(10분동안 피이크온도 500-900℃)한 후에 생성된 필름의 시이트 저항은 제1도에서 보여주는 바와 같았다.

본 발명에 사용되는 유리프릿은 일반적으로 연화점(softeningpoint)이 소부온도보다 100℃ 이상 낮은 것을 사용하며, 보론 실리게이트 유리와 같은 저융점 프릿이 만족스러운 것으로 나타났으며 프릿의 조성이나 융점이 최종 형성된 후막도체의 성능에는 큰 영향을 주지 않는 것이 발견되었다. 그러나, 산화아연, 산화안티모늄, 산화바나디움 등과 같은 금속산화물을 페이스트에 첨가할때 이 페이스트를 사용한 자기콘덴서의 성능이 크게 향상됨이 발견되었다. 페이스트에 사용하는 유리프릿 및 금속산화물의 입도는 수미크론이 적합하지만 니켈분말과 같은 크기인 325메시도 사용될 수 있다. 페이스트중의 무기질중 니켈합금의 함량은 페이스트 로형성된 도체의 응용분야에 따라 약간의 차이를 보이는 것이 발견되었다. 자기 콘덴서의 전극용 페이스트에서는 니켈합금이 전 무기질의 중량비로 95%에서 75%범위로 사용하는 것이 만족스럽다는 것이 발견되었으며, 알루미나와 같은 부도체 기질상의 후막도체 형성용 페이스트에서는 니켈합금의 비가 50-100%까지를 사용하여도 형성된 도체의 시이트 저항이 약 10오옴이었다. 니켈합금 전도성 페이스트의 제조에 필요한 유리 전색제는 니켈합금 및 유리프릿등과 같은 무기질 분말을 분산시킬 수 있는 것이면 된다. 전색제는 보통 파인오일(Pine oil), 테르피네올(Terpineol), 알코올류등 유기용매와 점도를 나타내게하는 고분자물질, 대표적인 예로 에틸셀룰로오즈를 포함하고 있다. 그러나, 전색제의 선택은 소정의 페이스트 조성범위 내에서는 별반 중요하지 않다. 페이스트중 니켈합금의 함량은 일반적으로 60-70중량%가 적합하나 40-90중량%도 사용할 수 있으며 이는 사용하고자 하는 응용기술과 이 응용 기술이 요구하는 페이스트의 점도에 따라 변한다. 페이스트는 디부틸프 타레이프(Dibutyl phthalate: DBP)와 같은 가소제와 피마자유(Castor oil)와 같은 불건성유를 각각 전체 페이스트의 중량비 수% 이내로 혼합하여 페이스트의 응용을 용이하게 할 수 있다. 페이스트는 필요한 조성을 무게비로 평량하여 합한 후 이 분야에 통상 사용하는 수동적 또는 기계적 방법, 예로 로올로밀로써 균일해질때까지 혼합하여 제조한다.

제조된 페이스트는 스크린인쇄, 솔질(brushing), 침지 등의 방법으로 기질에 칠해지는데 가장 대표적인 방법에 스크린 인쇄이다.

본 발명에 의해 제조된 페이스트는 실험용으로 스크린 인쇄 방법을 택하여 전기적 성질을 조사했다. 이때 사용된 실험용 페이스트의 점기는 20℃에서 약 400포와즈였으며 250메시의 스테인레스 강스크린을 사용했다. 알루미나 기층 및 자기 콘덴서용 디스크(disk)상에 스크린 인쇄한 필름은 150℃에서 약 5분간 건조하여 휘발성 성분을 날려보내고 머플로(Muffle furnace)에서 500-900℃에서 10분간 소부시켰다. 이때의 온도 상승속도는 매분당 10-25℃였다. 소부된 도체의 저항은 소부온도에는 크게 변하나 소부온도까지의 온도상승 속도에는 거의 무관함이 발견되었다.

그러나, 본 발명에 의한 페이스트를 사용하여 단위 시간당 많은 양의 제품을 생산하고 자 할때에는 벨트로(Belt furnace)에서 연소시키고 이 분야에 일반적으로 사용되는 송풍방법에 의해 전색제를 연소시키고 유기물을 전기로(Electric furnace)내부에서 제거하는 방법을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 니켈합금 페이스트로 제조된 도체는 희석된 무기산, 예로 부피비로 5%인 염산에서 수초간 에칭(etching)한 후 순수로 세척하고 캐스터(Kester) 1544와 같은 충분히 활성화된 프럭스(fully activated fluex)를 사용하여 납땜조에서 납땜을 할수 있다는 것이 발견되었다. 종래 많이 사용된 은을 주성분으로 하는 도체에 비해 니켈도체의 납땜시의 확산이 거의 무시할 정도로 적어 납땜시간은 임의로 조정할 수 있다는 공정상의 장점을 니켈합금 페이스트는 갖고 있다.

제1도는 본 발명에 의한 니켈 페이스트를 알루미나 기층상에 스크린 인쇄하여 소부시킬 때 시이트 저항과 소부온도와의 관계를 나타내며 이에 사용된 페이스트의 제조방법은 실시예 2-6에서 보여준다. 여기서 보여준 제1도는 무기질중의 니켈합금 함량이 70-80중량%이며 소부온도가 약 700℃일때 최저 시이트 저항을 나타냄을 보여주고 있다.

일반적으로 요구되는 소부온도가 높을수록 니켈함량을 약간 증가시키는 것이 바람직하다는 것이 발견되었다.

표 1은 본 발명에 의한 니켈 페이스트를 자기 콘덴서용 디스크에 인쇄한 후 소부시킨 자기 콘덴서의 축전용량과 손실율을 보여준다. 이 표는 종래의 온도체 페이스트와 본 발명에 의한 니켈합금 페이스트 및 니켈합금-은 혼합도체 페이스트를 자기콘덴서의 전극형성에 응용할때의 성능의 비교를 보여주며 본 발명에 의한 니켈합금 도체를 주성분으로하는 페이스트의 성능이고가의 온도체 페이스트의 성능과 대등하다는 것을 나타내고 있다.

본 발명에 의한 니켈 합금 페이스트는 도체의 주성분을 화학적으로 합성된 니켈-보론 합금을 사용하고 있다. 그러나 실시예 8 및 그리고 표 1에서 보여준 바와 같이 공기중에서 소부시 산화되지 않는 은, 금 백금등과 같은 금속분말이나 산화되어도 전기적으로 반도체 또는 도체가 되는 아연, 주석, 안티모늄과 같은 비금속 분말을 니켈합금 분말과 혼합하여 사용할 수도 있다.

본 발명을 대표적인 실시예에 의거 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

[실시예 1]

니켈-보론합금 분말의 제조

60g의 염기성 탄산니켈(NiCO₃·2Ni(OH)₂·4H₂O), 1g의 질산탈리움(TINO₃), 2g의 산화아연(ZnO), 0.5g의 바나듐산 암모늄(NH₄VO₃), 5g의 염화주석(SnCl₂)과 2g의 텅그스텐산 나트륨(Na₃WO₄)을 혼합하여 금속염 혼합제를 얻는다. 1500ml 의 물에 50g의 수산화나트륨, 50ml의 에틸렌디아민, 50g의 주석산을 녹인다. 이 용액 1000ml를 취하여 "용액(가)"로 명명하고 "용액(가)"에 니켈분말 1g과 전술된 금속염 혼합제 6g을 가한다. 나머지 용액 550ml에 6g의 금속염 혼합제를 녹이고, 5%(w/v) 붕수소산나트륨 수용액을 25ml첨가하고 "용액(나)"로 명명한다. "용액(가)"를 교반하면서 90-95℃로 가열하고 "용액(나)"를 "용액(가)"에 매분당 20ml 의 속도로 첨가함과 동시에 "용액(가)"를 동일속도로 뽑아낸다. 뽑아낸 용액이 500ml가 될때 이 용액을 70℃이하로 식히고 12g의 염화니켈과 5% 붕수소산나트륨 수용액 30ml를 이 용액에 첨가한 후 다시 "용액(나)"로 명명하여 "용액(가)"에 첨가한다. 이와 같은 것을 30회 반복하면 "용액(가)"에 70g의 니켈합금이 생성된다. 이 생성물을 여과, 세척, 건조하고 50ml의 이소프로필 알코올과 혼합하여 볼밀에서 25분간 분쇄시켜 400메시를 통과한 분말 70g을 얻는다. 이 분말의 충전밀도는 4.0g/cc이고 이 분말만을 공기중에서 10분간 소결하면 시이트 저항이 50밀리오옴이 된다.

[실시예 2]

니켈합금 도체 페이스트

실시예 1에서 얻어진 니켈합금 분말과 유리프릿(조성은 중량%로 70% PbO, 11% B₂O₃, 8% SiO₂그리고 11%Al₂O₃)을 중량비가 50 : 50이 되도록 니켈합금과 유리프릿 혼합물을 제조했다. 이 혼합물 7g에 3중량% 에틸셀루로오즈 알파-테르피네올용액 2.8g, 디부틸프타레이트 0.10g과 피마자유 0.10g을 가하고 혼합하여 니켈합금 도체페이스트를 제조했다. 이 니켈합금 도체페이스트를 알루미나 기층상에 250메시 스크린을 통과시켜 스크린 인쇄하고 150℃에서 3분간 건조후 상자형로에서 연소(10분동안 피이크 온도 500-900℃)시켜 생성된 필름의 시이트 저항은 제1도에서 보여주는 바와 같았다.

[실시예 3-6]

니켈합금 분말과 유리프릿을 중량비로 60:40, 70:30, 80:20 및 90:10으로 하여 실시예 2 방법으로 니켈합금 도체 페이스트를 제조하고 알루미나 기충상에 후막도체를 생성했다.

[실시예 7]

70중량% 니켈합금 분말과 10중량% 유리프릿, 5중량% 산화비스무트(Bi₂O₃C), 5중량% 산화안티모늄(Sb₂O₃), 5중량% 산화제이주석(SnO₂)을 혼합했다. 이 혼합물을 실시예 2의 방법으로 도체 페이스트를 제조하고 자기 콘덴서 재료상에 스크린 인쇄하여 740℃에서 10분간 연소하여 표1에서 보여준 성능의 자기 콘덴서를 얻었다.

[실시예 8]

일본 후지화학의 콘덴서용 은도체 페이스트를 실시예 7에서 사용된 자기콘덴서 재료에 스크린 인쇄하여 780℃에서 10분간 연소하여 표 1에서 보여준 성능의 자기콘덴서를 얻었다.

[실시예 9]

실시예 7에서 제조된 니켈합금 도체 페이스트와 실시예 8에서 사용된 은페이스트를 중량비로 70:30으로 혼합하여 자기콘덴서 재료에 스크린 인쇄하여 720℃에서 10분간 연소하여 표 1에서 보여준 성능의 자기콘덴서를 얻었다.

[표 1]

니켈합금 도체 페이스트와 은 페이스트의 자기 콘덴서에 대한 성능 비교

Claims (3)

1. 본문에 상술한 바와 같이 화학적 환원 방법에 의해 제조된 325메시이하의 입도를 갖는 니켈-보론-금속의 합금을 전기도체 형성용 페이스트 성분에 대하여 중량비로 50% 이상으로 하고, 도체성분을 페이스트의 무기질에 대하여 중량비로 50%이상으로 하며 적당량의 유리프릿, 금속산화물 및 전색제를 함유함을 특징으로 하는 전기도체 형성용 페이스트.
2. (정정) 제1항에 있어서 페이스트에 비금속 분말 또는 귀금속페이스트를 혼합한 전기도체 형성용 페이스트.
3. (정정) 제1항 또는 제2항의 페이스트를 사용하여 부도체상에 형성되는 전기전도성 후막도체.

Images