TWI599420B - 具有樹枝狀結晶之銅粉 - Google Patents

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Description

具有樹枝狀結晶之銅粉
本發明係關於可適合使用作為導電性膏等之材料的銅粉，特別是含有呈樹枝狀結晶(dendrite)之銅粉粒子的銅粉(稱為「樹枝狀結晶之銅粉」)。
導電性膏係在樹脂系黏合劑(resin binder)與溶質所成媒質(vehicle)中分散有導電填充物之流動性組成物，其係廣泛使用於電路之形成及陶瓷電容之外部電極的形成等。
該種導電性膏係分類為：藉由樹脂硬化而壓接導電性填充物以確保傳導之樹脂硬化型、及藉由燒成將有機成分揮發而燒結(sintering)導電性填充物以確保傳導之燒成型。
前者之樹脂硬化型導電性膏一般為包含由金屬粉末所成之導電性填充物、及環氧樹脂等熱硬化性樹脂所成有機黏合劑之膏狀組成物，其中，藉由加熱而將熱硬化型樹脂與導電填充物同時硬化收縮，並透過樹脂將導電填充物彼此壓接成為接觸狀態，而可確保傳導性。該樹脂硬化型導電性膏係可在100℃至最多200℃之較低的溫度區域下處理，而可減少熱傷害，故主要使用於印刷配線基板及不耐熱之樹脂基板等。
另一方面，後者之燒成型導電性膏一般為導電填充物(金屬粉末)與玻璃料(glass frit)分散於有機媒質中所成 之膏狀組成物，其係藉由於500至900℃中燒成而將有機媒質揮發，復藉由燒結導電填充物而確保傳導性。此時，玻璃料係具有使該導電膜附著於基板之作用，有機媒液之作用係作為用以使金屬粉末及玻璃質可印刷之有機液體媒質。
因燒成型導電性膏之燒成溫度高，故無法使用於印刷配線基板及樹脂材料，惟藉由燒結使金屬一體化而可實現低電阻化，例如可在積層陶瓷電容之外部電極等中使用。
樹脂硬化型導電性膏及高溫燒成型導電性膏任一者中，導電填充物以往多使用銀粉，但使用銅粉除了較為便宜，因難以產生遷移(migration)、耐焊接性亦優異，故使用銅粉之導電性膏正在廣泛使用中。
已知藉由電解法所得電解銅粉粒子係成樹枝狀。與球狀粒子相比，銅粉粒子呈樹枝狀則粒子彼此接點的數目較多，因此若作為導電性膏之導電材使用，則導電材的用量少也可提高導電特性。因此，例如在半導體裝置之製造中，以導電性膏埋入配線連接孔內等時，因取得可傳達電氣訊號之傳導即足夠，而期待以更少量之導電材料也可傳導之樹枝狀結晶之銅粉粒子為特別有效。
關於如此之樹枝狀結晶之銅粉，例如專利文獻1中揭示一種銅粉，其作為可焊接之導電性塗料用銅粉，係將粒子形狀之樹枝狀結晶之銅粉碎裂而得棒狀，其中，吸油量(JIS K5101)為20ml/100g以下、最大粒徑為44μm以下且其平均粒徑為10μm以下、氫還原減量為0.5%以下。
專利文獻2中揭示一種微小銅粉之製造方法，其係於平均粒徑20至35μm、體積密度0.5至0.8g/cm3之樹枝狀電解銅粉中添加油脂並混合，在該電解銅粉表面被覆油脂後，藉由碰撞板式噴射磨機粉碎、微粉化。
專利文獻3及專利文獻4中揭示一種作為熱管之構成原料，呈樹枝狀之電解銅粉粒子。
專利文獻5揭示一種電解銅粉之製造方法，其電解銅粉之樹枝不需成長至必要以上，為了獲得成形性較以往電解銅粉提高而可高強度地成形之電解銅粉，而藉由電流流動於電解液使析出電解銅粉，前述電解液為在硫酸銅水溶液中添加由鎢酸鹽、鉬酸鹽及含硫之有機化合物中選出之一種或兩種以上者。
[參考文獻] (專利文獻)
專利文獻1：日本特開平06-158103號公報專利文獻2：日本特開2000-80408號公報專利文獻3：日本特開2008-122030號公報專利文獻4：日本特開2009-047383號公報專利文獻5：日本特開2011-58027號公報
上述專利文獻5中已指出下述之問題點：若發展電解銅粉之樹枝並使樹枝更加成長，則電解銅粉彼此產生必要以上之結合，除了容易產生凝集，也有流動性降低而難以 操作。若發展電解銅粉之樹枝並使樹枝進一步成長，則粒子彼此之接點數目更多，可期待導電特性更為提高。
在此，本發明係提供一種導電性更為優異之新穎的樹枝狀結晶之銅粉，其含有呈現適於獲得優異傳導性之樹枝結晶成長之銅粉粒子。
本發明提出一種樹枝狀結晶之銅粉，其主要含有呈樹枝狀結晶之銅粉粒子在使用掃描型電子顯微鏡(SEM)觀察時，具有一主軸，且複數的枝幹由該主軸傾斜地分支，而呈現二維或三維成長之樹枝狀，且主軸之粗細度a為0.3μm至5.0μm，由主軸延伸的枝幹中最長的枝長度b為0.6μm至10.0μm。
本發明所提出之樹枝狀結晶之銅粉呈現與以往所知的樹枝狀結晶之銅粉為不同特徵之樹枝狀。因本發明提出之樹枝狀結晶之銅粉的樹枝狀適於獲得優異導電性，故與習知者相比可獲得更為優異之傳導性。因此，本發明提出之樹枝狀結晶之銅粉可特別有效地用於作為製造半導體裝置時，埋入配線連接孔內之導電性膏等之材料。
以下詳述本發明之實施型態，但本發明之範圍並不限於以下實施型態。
本實施型態之銅粉(稱為「本銅粉」)係含有樹枝狀結晶的銅粉粒子(稱為「本銅粉粒子」)之銅粉。
(樹枝狀結晶之銅粉粒子)
本銅粉中之「樹枝狀結晶之銅粉粒子」係如第1圖所示般，表示以電子顯微鏡(500至20,000倍)觀察時，具有一主軸，且複數的枝幹由該主軸傾斜地分支而呈現二維或三維成長之銅粉粒子，且不包含寬幅的葉子集中而呈松毬狀者、及大量針狀部呈放射狀的伸展所成之形狀者。
其中，以電子顯微鏡(500至20,000倍)觀察本銅粉粒子時，較佳為呈現具有如下之規定特徵的樹枝狀。
‧主軸寬度a係以0.3μm至5.0μm者為重要。其中更佳為0.4μm以上或4.5μm以下，特別佳為0.5μm以上或4.0μm以下。樹枝中之主軸粗細度a為0.3μm以下時，因主軸不堅固而使枝幹難以成長，另一方面，若大於5.0μm則粒子容易凝集，會容易成為松毬狀。
‧由主軸延伸的枝幹中，最長的枝幹長度b(稱為「枝長b」)係表示樹枝的成長程度，係以0.6μm至10.0μm者為重要，其中更佳為0.7μm以上或9.0μm以下，又更佳為0.8μm以上或8.0μm以下。若枝長b未滿0.6μm，則樹枝不算充分成長。另一方面若枝長b超過10.0μm，則銅粉的流動性會降低，使操作變得困難。
‧相對於主軸長徑L之枝幹條數(枝幹條數/長徑L)係表示樹枝枝幹的多寡，較佳為0.5條/μm至4.0條/μm，其中更佳為0.6條/μm以上或3.5條/μm以下，特佳為0.8條/μm以上或3.0條/μm以下。若枝幹條數/長徑L在0.5條/μm以上，則枝幹的數目充分多，可充分確保接 點，另一方面，若枝幹條數/長徑L在4.0條/μm以下，則可防止因枝幹的數目過多而使銅粉流動性劣化。
但以電子顯微鏡(500至20,000倍)觀察時，只要上述之樹枝狀粒子佔有多數，則即使混有其他形狀的粒子，也可獲得與僅由上述樹枝狀粒子所成之銅粉相同的效果。因此，由此觀點來看，本銅粉以電子顯微鏡(500至20,000倍)觀察時，只要上述之樹枝狀之銅粉粒子佔全銅粉粒子中的80%以上，較佳為佔90%以上，則可含有非為上述樹枝狀的非樹枝狀之銅粉粒子。
(氧濃度)
若本銅粉粒子之氧濃度為0.20質量%以下，則可良好地維持導電性。因此，本銅粉粒子之氧濃度較佳為0.20質量%以下，其中更佳為0.18質量%以下，又更佳為0.15質量%以下。
為了使本銅粉粒子之氧濃度成為0.20質量%以下，可控制乾燥環境之氧濃度、乾燥溫度。
(D50)
本銅粉之中心粒徑(D50)，亦即以雷射反射散射式粒度分佈測定裝置所測定之體積累積粒徑D50，其較佳為5μm至50μm，其中較佳為8μm以上或45μm以下，更佳為10μm以上或40μm以下，特佳為25μm以下。若D50為5μm以上則容易調整黏度，另一方面，若為50μm以下則可適用於各種導電性膏，故為較佳。
(比表面積)
本銅粉以BET單點法測定之比表面積較佳為0.30至1.50m2/g。若明顯小於0.30 m2/g，則枝幹不會發展而接近松毬狀至球狀，故無法呈現本發明所定義之樹枝狀。另一方面，若明顯大於1.50 m2/g，則樹枝的枝幹過細，在膏加工步驟中會產生枝幹折斷等不良情形，而有可能阻礙導電性。
因此，本銅粉以BET單點法測定之比表面積較佳為0.30至1.50m2/g，其中較佳為0.40m2/g以上或1.40m2/g以下，特佳為1.00m2/g以下。
(製造方法)
本銅粉可藉由規定之電解法而製造。
電解法可舉例如下述方法：將陽極與陰極浸漬於含有銅離子之硫酸酸性電解液，並流通直流電流而進行電解，在陰極表面析出粉末狀的銅，並藉由機械或電氣之方法而刮落回收、洗淨、乾燥，並視其必要經過篩選步驟等而製造電解銅粉之方法。
以電解法製造銅粉時，隨著銅的析出會消耗電解液中的銅離子，因此電極板附近之電解液的銅離子濃度較稀，如此則電解效率會降低。因此，通常為了提高電解效率，會使電解槽內之電解液進行循環，而使電極間之電解液的銅離子濃度不會變稀。
但是，為了使各銅粉粒子之樹枝發展，換句話說，為了促進主軸延伸的枝幹成長，已知電極附近之電解液的銅離子濃度宜低。在此，本銅粉之製造中，調整電解槽大小、 電極片數、電極間距以及電解液之循環量，並將電極附近之電解液的銅離子濃度調低，較佳為至少調整使電極間的電解液之銅離子濃度總是比電解槽底部的電解液之銅離子濃度稀薄。
在此介紹一模型盒，其電解槽大小為2m3至10m3、電極片數為10至40片、電極間距為5cm至50cm時，則調整銅離子濃度為1g/L至50g/L之電解液的循環量為10至100L/分鐘，藉此可發展樹枝而獲得本銅粉。
可在上述條件範圍內，根據技術常識設定適宜條件而調整樹枝狀結晶之銅粉粒子之粒徑。例如若要得到大粒徑之樹枝狀結晶之銅粉粒子，則較佳為設定使銅濃度為上述較佳範圍內的較高之濃度、使電流密度為上述較佳範圍內的較低之密度、使電解時間為上述較佳範圍內的較長之時間。若要得到小粒徑之樹枝狀結晶之銅粉粒子，則較佳為以前述之反向想法而設定各條件。舉例來說，銅濃度可為1g/L至10g/L、電流密度可為100A/m2至1000A/m2、電解時間可為5分鐘至3小時。
電解銅粉粒子之表面可視其必要使用有機物實施抗氧化處理，並可於銅粉粒子表面形成有機物層。並不一定要形成有機物層，但考慮銅粉粒子表面的氧化之經時變化，以形成有機物層為佳。
該抗氧化處理所使用之有機物其種類並特別無限定，例如可舉出膠、明膠、有機脂肪酸、偶合劑(coupling agent)等。
抗氧化處理之方法，亦即，形成有機物層之方法可為乾式法或濕式法。乾式法可舉出將有機物與芯材以V型混合器等混合之方法，濕式法可舉出在水-芯材漿體中添加有機物使吸附於表面之方法等。但並不限定於該等。例如將電解銅粉析出後之漿體洗淨，之後將含有銅粉塊及所求的有機物之水溶液與有機溶媒混合，使銅粉表面吸附著有機物之方法係較佳之一例。
(用途)
因本銅粉之導電特性優異，故使用本銅粉之導電性膏及導電性接著劑等之導電性樹脂組成物、還有導電性塗料等，係可適合作為各種導電性材料之主要構成材料。
例如在製作導電性膏時，可將本銅粉與黏合劑及溶劑混合，復視其必要可與硬化劑或偶合劑、抗腐蝕劑等混合而製作導電性膏。
此時，黏合劑可舉出液狀之環氧樹脂、酚樹脂、不飽和聚酯樹脂等，但並不限於該等。
溶劑可舉出萜品醇(terpineol)、乙卡必醇(ethyl carbitol)、卡比醇乙酸酯(carbitol acetate)、丁基纖維素(butyl cellulose)等。
硬化劑可舉出2-乙基-4-甲基咪唑(2-ethyl-4-methyl imidazole)等。
抗腐蝕劑可舉出苯并噻唑(benzotriazole)、苯并咪唑(benzo imidazole)等。
可使用導電性膏於基板上形成電路圖形，並形成各種 電路。例如塗佈或印刷於燒成後之基板或未燒成之基板並加熱，視其必要可藉由加壓燒成而形成印刷配線板及各種電子零件之電路及外部電壓等。
尤其本銅粉之銅粉粒子之樹枝特別發展，粒子彼此之接點數目多，即使導電性粉末之含量少也可獲得優異的導電特性，故適合作為例如製造半導體裝置時，用於埋入配線連接孔內等之導電性膏材料。
在製造半導體裝置時，大量設置有元件間連接之配線溝(trench)、及將多層配線間以電連接之配線連接孔(導孔(via hole)或接觸孔(connect hole))。埋入該等配線溝及配線連接孔內之導電性材料以往係使用鋁，但隨著半導體裝置之高積體化、精細化，用以取代以往的鋁，電阻率低且電子遷移耐性優異之銅備受矚目而持續在實用化，作為電材之含有銅粉的導電性膏係用以埋入配線連接孔內等。 因該等用途中不須通電大量之電流，只要可通電電氣訊號即足夠，故特別適合本銅粉。
(詞句之說明)
本說明書中以「X至Y」(X、Y為任意數字)表現時，未特別限制時，則為「X以上、Y以下」之意思，同時包含「較佳為大於X」或「較佳為小於Y」之意思。
此外，以「X以上」(X為任意數字)表現時，未特別限制時，則包含「較佳為大於X」之意思，以「Y以下」(Y為任意數字)表現時，未特別限制時，則包含「較佳為小於Y」之意。
(實施例)
以下說明本發明之實施例，但本發明並不限於以下實施例。
<粒子形狀之觀察>
以掃描型電子顯微鏡(2,000)之任意100個視野中，分別觀察500個粒子之形狀，並測定主軸之粗細度a(「主軸粗細度a」)、由主軸延伸的枝幹中最長的枝幹長度b(「枝長b」)、相對於主軸長徑之枝幹條數(枝幹條數/長徑L)，其平均值示於表1。
<粒度測定>
以燒杯裝取少量測定樣品(銅粉)，添加2、3滴Triton X溶液(關東化學製)而擴染於粉末，之後添加50mL之0.1%SN dispersant 41溶液(SAN NOPCO製)，之後使用超音波分散器TIP 20(日本精機製作所製)分散處理2分鐘而調製測定用樣品。
將此測定用樣品，使用雷射反射散射式粒度分佈測定裝置MT3300(日機裝製)測定體積累積基準D50，並表示於表1。
<比表面積之測定>
使用YUASA IONICS公司製Monosorb，以BET單點法測定比表面積，BET表示於表1。
<氧濃度之測定>
將實施例及比較例所得銅粉(試料)，使用掘場製作所公司製「EMGA-820ST」在He氣環境中加熱熔融，並測定氧 濃度(wt%)而表示於表1。
<實施例1>
於2.5m×1.1m×1.5m大小(約4m3)之電解槽內，分別以電極間距5cm之方式吊設大小(1.0m×1.0m)9片之陰極板與不溶性陽極板(DSE(PERMELEC電極公司製))，並將作為電解液之硫酸銅溶液以30L/分鐘循環，將陽極與陰極浸漬於該電解液中，並於其中流動直流電流以進行電解，之後於陰極表面析出粉末狀銅。
此時，調整使循環之電解液的Cu濃度為5g/L，硫酸(H2SO4)濃度為100g/L，電流密度為100A/m2並實施1小時電解。
電解中，維持電極間的電解液之銅離子濃度總是較電解槽底部的電解液之銅離子濃度稀薄。
接著，機械性刮落陰極表面所析出的銅並回收，之後洗淨而得相當於銅粉1kg之含水的銅粉塊。將此粉塊分散於3L之水中，加入工業用明膠(新田明膠公司製)10g/L之水溶液1L並攪拌10分鐘，之後以布氏漏斗過濾並洗淨後，在減壓狀態(1×10-3Pa)以80℃乾燥6小時，而獲得電解銅粉。
使用掃描型電子顯微鏡(SEM)觀察如此所得之電解銅粉時，確認至少90%以上之銅粉粒子具有單一主軸，且複數的枝幹由該主軸傾斜地分支而呈現三維成長之樹枝狀。
<實施例2>
除了電解時間為40分鐘、循環液量為20L/分鐘以外， 以與實施例1同樣方式獲得電解銅粉。
使用掃描型電子顯微鏡(SEM)觀察所得之電解銅粉時，確認至少90%以上之銅粉粒子具有單一主軸，且複數的枝幹由該主軸傾斜地分支而呈現三維成長之樹枝狀。
<實施例3>
除了電解時間為40分鐘、電解液之Cu濃度為1g/L、循環液量為10L/分鐘以外，以與實施例1同樣方式獲得電解銅粉。
使用掃描型電子顯微鏡(SEM)觀察所得之電解銅粉時，確認至少90%以上之銅粉粒子具有單一主軸，且複數的枝幹由該主軸傾斜地分支而呈現三維成長之樹枝狀。
<實施例4>
在5.0m×1.1m×1.5m大小(約8m3)之電解槽內，分別以電極間距10cm之方式吊設大小(1.0m×1.0m)19片之陰極板與不溶性陽極板(DSE(PERMELEC電極公司製))，並將作為電解液之硫酸銅溶液以40L/分鐘循環，將陽極與陰極浸漬於該電解液中，並於其中流動直流電流以進行電解，之後於陰極表面析出粉末狀銅。
此時，調整使循環之電解液的Cu濃度為5g/L，硫酸(H2SO4)濃度為200g/L，電流密度為200A/m2並實施1小時電解。
電解中，維持電極間的電解液之銅離子濃度總是較電解槽底部的電解液之銅離子濃度稀薄。
接著，機械性刮落陰極表面所析出的銅並回收，之後 洗淨而得相當於銅粉1kg之含水的銅粉塊。將此粉塊分散於6L水中，加入工業用明膠(新田明膠公司製)10g/L之水溶液2L並攪拌10分鐘，之後以布氏漏斗過濾並洗淨後，在減壓狀態(1×10-3Pa)以80℃乾燥6小時，而獲得電解銅粉。
使用掃描型電子顯微鏡(SEM)觀察如此所得之電解銅粉時，確認至少90%以上之銅粉粒子具有單一主軸，且複數的枝幹由該主軸傾斜地分支而呈現三維成長之樹枝狀。
<實施例5>
除了電解液之Cu濃度為1g/L、電解時間為30分鐘、循環液量為20L/分鐘以外，以與實施例4同樣方式獲得電解銅粉。
使用掃描型電子顯微鏡(SEM)觀察所得之電解銅粉時，確認至少90%以上之銅粉粒子具有單一主軸，且複數的枝幹由該主軸傾斜地分支而呈現三維成長之樹枝狀。
<比較例1>
在2.5m×1.1m×1.5m大小(約4m3)之電解槽內，分別以電極間距5cm之方式吊設大小(1.0m×1.0m)9片之陰極板與不溶性陽極板(DSE(PERMELEC電極公司製))，並將作為電解液之硫酸銅溶液以2L/分鐘循環，將陽極與陰極浸漬於該電解液中，並於其中流動直流電流以進行電解，之後於陰極表面析出粉末狀銅。
此時，調整使循環之電解液的Cu濃度為100g/L，硫酸(H2SO4)濃度為100g/L，電流密度為80A/m2並實施5小時 電解。
電解中，維持電極間的電解液之銅離子濃度總是較電解槽底部的電解液之銅離子濃度為濃。
機械性刮落陰極表面所析出的銅並回收，之後洗淨而得相當於銅粉1kg之含水的銅粉塊。將此粉塊分散於3L水中，加入工業用明膠(新田明膠公司製)10g/L之水溶液1L並攪拌10分鐘，之後以布氏漏斗過濾並洗淨後，在大氣環境中以100℃乾燥6小時，而獲得電解銅粉。所得電解銅粉之粒子形狀為松毬狀，主軸粗細度、枝幹長度、枝幹條數/長徑L並無法測定。
<比較例2>
在5.0m×1.1m×1.5m大小(約8m3)之電解槽內，分別以電極間距10cm之方式吊設大小(1.0m×1.0m)19片之陰極板與不溶性陽極板(DSE(PERMELEC電極公司製))，並將作為電解液之硫酸銅溶液以150L/分鐘循環，將陽極與陰極浸漬於該電解液中，並於其中流動直流電流以進行電解，之後於陰極表面析出粉末狀銅。
此時，調整使循環之電解液的Cu濃度為70g/L，硫酸(H2SO4)濃度為200g/L，電流密度為90A/m2並實施6小時電解。
電解中，電極間的電解液之銅離子濃度與電解槽底部的電解液之銅離子濃度相等。
機械性刮落陰極表面所析出的銅並回收，之後洗淨而得相當於銅粉1kg之含水的銅粉塊。將此粉塊分散於6L水 中，加入工業用明膠(新田明膠公司製)10g/L之水溶液2L並攪拌10分鐘，之後以布氏漏斗過濾並洗淨後，在大氣環境下以120℃乾燥5小時，而獲得電解銅粉。所得電解銅粉之粒子形狀為松毬狀，主軸粗細度、枝幹長度、枝幹條數/長徑L並無法測定。
(考察)
綜合上述實施例與至今進行之試驗結果來看可知，只要為主軸粗細度a為0.3μm至5.0μm、且由主軸延伸的枝幹中最長的枝幹長度為0.6μm至10.0μm之呈樹枝狀的銅粉粒子，並且為了獲得優異傳導性必須使樹枝充分成長而可獲得優異的傳導性。
第1圖係構成本發明樹枝狀結晶之銅粉之銅粉粒子的 粒子形狀之模型圖。
第2圖係使用掃描型電子顯微鏡(SEM)，以12,000倍之倍率觀察由實施例1所得電解銅粉中任意選擇一部份之粉末時之SEM照片。
該代表圖無元件符號及其所代表之意義。

Claims (4)

  1. 一種樹枝狀結晶之銅粉，其含有呈樹枝狀結晶(dendrite)之銅粉粒子在使用掃描型電子顯微鏡(SEM)觀察時，含有一主軸，且複數的枝幹由該主軸傾斜地分支，而呈現二維或三維成長之樹枝狀，且主軸之粗細度a為0.3μm至5.0μm，由主軸延伸的枝中最長的枝長度b為0.6μm至10.0μm。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之樹枝狀結晶之銅粉，在該銅粉粒子中，相對於主軸長徑L之枝幹的分支條數(枝幹條數/長徑L)為0.5條/μm至4條/μm。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之樹枝狀結晶之銅粉，其中，氧氣濃度為0.20%以下。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之樹枝狀結晶之銅粉，其以BET單點法測定之比表面積為0.30至1.50m2/g。
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