WO2018198986A1 - 導電性組成物、導体の製造方法及び電子部品の配線の形成方法 - Google Patents

導電性組成物、導体の製造方法及び電子部品の配線の形成方法 Download PDF

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勝弘 川久保
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Definitions

  • the present invention relates to a conductive composition, a method for producing a conductor using the same, and a method for forming a wiring of an electronic component.
  • One method of forming a circuit on a substrate of an electronic component is a method of forming a wiring or an electrode with a conductor obtained by firing a conductive composition containing a conductive component.
  • gold, silver, palladium, or a mixture thereof is often used as the conductive component.
  • gold and palladium are precious metals, their prices are high and they are susceptible to price fluctuations depending on the supply and demand situation. Therefore, when these metals are used, there are problems such as an increase in product costs and price fluctuations.
  • Silver is cheaper than gold or palladium, but has a problem that migration tends to occur.
  • nickel may be used as the conductive component other than the noble metal, but there is a problem that the conductivity is relatively low.
  • a conductive paste (conductive paste) whose viscosity is adjusted by blending an organic vehicle is applied on a substrate by a printing method such as screen printing, and the conductive paste is applied on the substrate. It is formed by baking after baking. Since copper is a metal that is easily oxidized, firing of the conductive paste containing copper is generally performed in a reducing atmosphere or an inert gas atmosphere, for example, in nitrogen gas. When fired in the atmosphere, copper is oxidized, and the conductivity may be lowered by the oxide formed at that time.
  • the conductive composition containing copper often contains copper powder and glass frit as main components.
  • the glass frit has an effect of bringing the conductive components into close contact with each other and bringing the substrate and the conductive component into close contact with each other.
  • glass frit containing lead lead glass frit
  • the conductive composition using the lead glass frit has sufficient conductivity and adhesion to the substrate.
  • a resistor is formed in addition to conductors such as wiring and electrodes.
  • the circuit is formed, for example, by applying a conductive paste or a resistance paste on a substrate by a printing method and then firing it under appropriate conditions, or by applying a printing method, wiring, electrodes, resistors After a pattern such as a body is continuously formed, it may be formed by firing at the same time by one heat treatment.
  • the resistance paste includes, for example, ruthenium oxide and glass frit.
  • ruthenium oxide may react with nitrogen and a desired resistance value may not be obtained. Therefore, if it is necessary to fire the conductive paste in a nitrogen atmosphere, apply a resistive paste, fire in the air to form a resistor, then apply the conductive paste, and fire in a nitrogen atmosphere.
  • a method of forming a conductor is used.
  • the conductor can be formed in a nitrogen atmosphere by firing the resistor first to form the resistor.
  • the heat treatment for forming the conductor is usually performed at 800 ° C. to 1000 ° C., even if the influence of nitrogen on the resistor can be prevented, the thermal history due to the heat treatment at a high temperature has an adverse effect on the resistor. There is a case. Therefore, there is a demand for a conductive composition that can be fired by heat treatment at a lower temperature, for example, 750 ° C. or lower.
  • Patent Document 1 describes a copper paste composition composed of an inorganic component and an organic vehicle component mainly composed of copper powder, cuprous oxide powder, cupric oxide powder and glass powder, and this copper paste composition.
  • the article is described as being particularly suitable for low-temperature firing at 550-750 ° C.
  • the glass powder containing lead is disclosed as glass powder used for this copper paste composition.
  • the lead-free glass frit that does not substantially contain lead tends to be inferior in wettability with the substrate as compared with the lead glass frit. For this reason, the conductive composition using the lead-free glass frit may not provide sufficient adhesion between the conductor and the substrate. In particular, the tendency becomes more prominent as the heat treatment temperature during firing is lower. Therefore, there is a demand for a conductive composition using a lead-free glass frit that can form a conductor having sufficient conductivity and adhesion.
  • Patent Document 2 discloses a copper paste composition containing at least copper powder, lead-free glass frit, and cuprous oxide, and the lead-free glass frit contains at least oxides of bismuth, boron, and silicon,
  • the copper paste composition whose softening start temperature is 400 degrees C or less is disclosed. It is described that this copper paste composition is excellent in adhesion to a ceramic substrate.
  • Patent Document 3 discloses borosilicate glass frit (SiO 2 —B 2 O 3 system) and borosilicate barium glass frit (BaO—SiO 2 —B 2 ) as glass frit used for copper paste for external electrodes.
  • a copper paste excellent in electrical characteristics and adhesive strength is disclosed by adding lead-free glass frit such as (O 3 type) and zinc borosilicate glass frit containing zinc oxide in a specific ratio.
  • the copper paste described in Patent Documents 2 and 3 forms a conductor by firing at 900 ° C., and even when fired at a low temperature of 750 ° C. or lower, a conductor having sufficient conductivity and adhesiveness is formed. It has not been examined whether it can be obtained.
  • the present invention has been studied in view of such a current situation, and provides a conductive composition that can be fired even at a temperature of 750 ° C. or less, has good adhesion to a substrate, and is excellent in conductivity. For the purpose.
  • a conductive composition containing copper powder, cuprous oxide, lead-free glass frit, and a carboxylic acid additive the cuprous oxide is added to the copper powder 100.
  • the lead-free glass frit contains 5.5 parts by weight to 25 parts by weight with respect to parts by weight, the lead-free glass frit contains a borosilicate zinc-based glass frit and a vanadium zinc-based glass frit, and the zinc borosilicate glass frit is Boron oxide, silicon oxide, zinc oxide, and optionally other components, and the top three types of oxide components with the highest content are boron oxide, silicon oxide and zinc oxide.
  • Vanadium oxide, zinc oxide, and optionally other components, and the top two types of oxide components with the highest content are vanadium oxide and zinc oxide, and carboxylic acid-based additives, copper powder To 00 parts by mass, the conductive composition containing 5 parts by weight or less than 0.1 part by weight is provided.
  • the vanadium zinc-based glass frit is contained in an amount of 20% by mass to 80% by mass with respect to 100% by mass of the lead-free glass frit. It is preferable that the vanadium zinc-based glass frit contains 30% by mass or more and 50% by mass or less of vanadium oxide and 30% by mass or more and 50% by mass or less of zinc oxide. Moreover, it is preferable to contain 20 mass% or more and 80 mass% or less of zinc borosilicate glass frit with respect to 100 mass% of lead-free glass frit. Moreover, it is preferable that the zinc borosilicate glass frit contains 25 to 45 mass% of zinc oxide.
  • the carboxylic acid-based additive is preferably at least one selected from oleic acid and linoleic acid. Moreover, it is preferable to contain 5.5 mass parts or more and 15 mass parts or less of cuprous oxide with respect to 100 mass parts of copper powder. Moreover, it is preferable that copper powder contains at least one of spherical powder and flaky powder. Moreover, it is preferable that the average particle diameter of a copper powder is 0.2 micrometer or more and 5 micrometers or less. Moreover, it is preferable to contain 10 to 50 mass% of organic vehicles with respect to 100 mass% of electrically conductive compositions.
  • a method for producing a conductor comprising a step of firing the conductive composition by a heat treatment at 750 ° C. or lower.
  • a method for forming a wiring for an electronic component comprising: a step of applying the conductive composition on a substrate; and a step of baking the substrate after application by heat treatment at 750 ° C. or lower.
  • the conductive composition of the present invention By using the conductive composition of the present invention, it is possible to form a conductor having excellent adhesion to the substrate and more excellent conductivity.
  • the conductive composition of the present invention can be fired at a low temperature of 750 ° C. or lower, the use of the conductive composition of the present invention damages the resistors and internal elements of electronic components.
  • the conductor can be formed without any problems. As a result, it is possible to manufacture an electronic component having electrical characteristics equal to or higher than those of conventional ones without lead and with a low defect rate.
  • FIG. 1 is a graph showing the evaluation results of Examples 1 and 6 and Comparative Examples 6 and 7.
  • the conductive composition of the present embodiment includes copper powder, cuprous oxide, lead-free glass frit, and a carboxylic acid additive.
  • the conductive composition is substantially free of lead and has excellent environmental characteristics.
  • the lead-free glass frit is a glass frit that does not contain lead or contains lead even if it contains lead (for example, the lead content is 0.1% by mass relative to the whole glass frit). The following).
  • the fact that the conductive composition does not substantially contain lead means, for example, a state in which the content of lead is 0.01% by mass or less with respect to the entire conductive composition.
  • each component which comprises a conductive composition is demonstrated.
  • Copper powder contains copper powder as an electroconductive component. Copper powder is excellent in conductivity and migration resistance and is inexpensive. Since copper powder is easily oxidized, when heat-treating the conductive composition, it is usually heat-treated in a nitrogen atmosphere.
  • the method for producing the copper powder is not particularly limited, and a conventionally known method such as an atomizing method, a wet reduction method, or an electrolysis method can be used.
  • a conventionally known method such as an atomizing method, a wet reduction method, or an electrolysis method
  • the atomizing method when used, the residual concentration of impurities in the obtained copper powder can be reduced, and the pores extending from the surface to the inside of the obtained copper powder particles can be reduced. Can be suppressed.
  • the shape and particle size of the copper powder are not particularly limited, and can be appropriately selected according to the target electronic component.
  • shape of the copper powder for example, spherical or flaky copper powder or a mixture thereof can be used.
  • the copper powder contains, for example, flaky copper powder, the contact area between the copper powders may be increased, and the conductivity may be excellent.
  • the mixing ratio of the spherical copper powder and flaky can be appropriately selected according to the application.
  • the mixing ratio can include, for example, 10 parts by mass or more and 90 parts by mass or less of spherical copper powder and 90 parts by mass or less and 10 parts by mass or more of flaky copper powder with respect to 100 parts by mass of the entire copper powder.
  • the average particle diameter of the copper powder can be 0.2 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
  • the particle size flattened in a flaky shape can be about 3 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less.
  • this average particle diameter is the median diameter (D50) of the cumulative cumulative distribution, and can be measured by a particle size distribution measuring apparatus based on a laser diffraction / scattering method.
  • the particle size can be measured by electron microscope observation.
  • the copper powder may use the powder which has the same particle size, or may mix and use 2 or more types of powder which has a different particle size.
  • the firing can be facilitated by reducing the particle size of the conductive powder.
  • the average particle size of the spherical copper powder is less than 0.2 ⁇ m, the copper powder is oxidized.
  • the conductive composition of the present embodiment includes, for example, a specific component described later, even if the particle size of the copper powder is 1 ⁇ m or more, for example, a low-temperature heat treatment of 750 ° C. or less is sufficient, Copper powder can be fired.
  • the conductive composition of this embodiment contains a zinc borosilicate glass frit and a vanadium zinc glass frit as the lead-free glass frit. Since the conductive composition includes a glass frit in which the above two types are combined, even when a lead-free glass frit is used, the conductive composition is excellent in wettability to the copper powder and the substrate. Even when baked at a temperature of 750 ° C. or lower, a conductor having excellent conductivity and adhesion can be obtained.
  • Zinc borosilicate glass frit is the top three oxide components with high content, including boron oxide (B 2 O 3 ), silicon oxide (SiO 2 ), zinc oxide (ZnO), and optionally other components. It is a glass frit whose types are B 2 O 3 , SiO 2 and ZnO.
  • the zinc borosilicate glass frit is composed of 25% by mass to 45% by mass of ZnO, 5% by mass to 15% by mass of SiO 2 and 35% by mass of B 2 O 3 with respect to 100% by mass of the zinc borosilicate glass frit. % To 55% by mass is preferable.
  • the composition of the zinc borosilicate glass frit can include one or more other components than the above, and includes, for example, an oxide of an alkali metal such as Na 2 O, Al 2 O 3 or the like. it can. It is preferable that the addition amount of these other components is 0.5 mass% or more and 10 mass% or less, respectively.
  • the zinc borosilicate glass frit preferably has a softening point of 600 ° C. or lower, more preferably 400 ° C. or higher and 600 ° C. or lower, and further preferably 500 ° C. or higher and 600 ° C. or lower.
  • the softening point can be controlled, for example, by appropriately adjusting the composition of the glass frit.
  • the softening point can be measured by thermogravimetric / differential thermal analysis (TG-DTA) under the condition of a heating rate of 10 ° C./min in an air atmosphere.
  • the particle size of the zinc borosilicate glass frit is not particularly limited, but for example, the average particle size is 1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less, preferably 1 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
  • the average particle diameter is the median diameter (D50) of the cumulative cumulative distribution, and can be measured by a particle size distribution measuring apparatus based on the laser diffraction / scattering method.
  • a measuring apparatus called a microtrack registered trademark
  • the vanadium zinc-based glass frit includes vanadium oxide (V 2 O 5 ), zinc oxide (ZnO), and optionally other components, and the top two types of oxide components with the highest content are V 2 O 5 and ZnO. It is a glass frit.
  • the vanadium zinc-based glass frit preferably contains 30% by mass to 50% by mass of ZnO and 30% by mass to 50% by mass of V 2 O 5 . By containing V 2 O 5 , the vanadium zinc-based glass frit can provide a conductive composition that is excellent in fluidity and excellent in permeability to a substrate even when heat-treated at a low temperature.
  • the composition of the vanadium zinc-based glass frit can include one or more components other than those described above.
  • oxides of alkali metals such as CaO, B 2 O 3 , Bi 2 O 3 , Al 2 O 3 and the like can be included.
  • the addition amount of these other components is preferably 0% by mass or more and 10% by mass or less, respectively.
  • the vanadium zinc-based glass frit has a softening point of preferably 600 ° C. or lower, more preferably 300 ° C. or higher and 500 ° C. or lower, and more preferably 350 ° C. or higher and 450 ° C. or lower.
  • a softening point is the said range, it can be set as the electroconductive composition excellent in fluidity
  • the softening point can be controlled, for example, by appropriately adjusting the composition of the glass frit.
  • the softening point can be measured by thermogravimetric / differential thermal analysis (TG-DTA) under the condition of a heating rate of 10 ° C./min in an air atmosphere.
  • TG-DTA thermogravimetric / differential thermal analysis
  • the particle size of the vanadium zinc-based glass frit is not particularly limited.
  • the average particle size is 1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less, and preferably 1 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less.
  • the softening point of the vanadium zinc-based glass frit is in the above range and the particle size is in the above range, the molten vanadium zinc-based glass is excellent in fluidity even when fired at a temperature of 750 ° C. or less.
  • a conductor having excellent properties can be obtained.
  • the average particle diameter is the median diameter (D50) of the cumulative accumulation distribution, and can be measured by a particle size distribution measuring apparatus based on the laser diffraction / scattering method.
  • the softening point of the zinc borosilicate glass frit can be higher than the softening point of the vanadium zinc glass frit.
  • the conductive composition is excellent in the fluidity of the molten glass from the temperature rising process when the conductive composition is fired, and the wettability to the conductive component and the substrate. Since the balance is excellent, a conductor having excellent adhesion can be obtained.
  • ZnO contained in these glass frit is reduced to zinc by residual char (soot, carbon) derived from the organic vehicle during the drying and baking process, and this zinc suppresses oxidation of the copper powder. it can.
  • the function of ZnO in the glass frit is not limited to the above.
  • the content of the lead-free glass frit can be appropriately selected from, for example, electronic components to be applied, the type of glass frit used, the characteristics obtained by the content of the copper powder, and the like.
  • the lower limit of the content of the lead-free glass frit is 0.2 parts by mass or more, preferably 1 part by mass or more, and more preferably 2 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the copper powder.
  • the upper limit of content of a lead-free glass frit is not specifically limited, For example, the upper limit is 15 mass parts or less with respect to 100 mass parts of copper powder.
  • the upper limit becomes like this.
  • it is 9 mass parts or less, More preferably, it is 6 mass parts or less, More preferably, it is 5 mass parts or less.
  • the upper limit of the content of the lead-free glass frit is in the above range, the solderability of the formed electrode is excellent.
  • the content of the lead-free glass frit is too large, excess glass is pushed out of the conductor during sintering, so that the excess glass remains on the surface of the electrode, and the solderability is deteriorated.
  • the content of the lead-free glass frit can be, for example, in the range of 0.5% by mass or more and 10% by mass or less, and preferably 2% by mass or more and 8% by mass or less with respect to the entire conductive paste. .
  • the content of the vanadium zinc-based glassy frit is, for example, 10% by mass or more and 90% by mass or less, preferably 20% by mass or more and 80% by mass or less, and more preferably 40% by mass or more with respect to the entire lead-free glass frit. 60% by mass or less.
  • the formed conductor is excellent in balance between conductivity and adhesion to the substrate.
  • the content of the zinc borosilicate glass frit is, for example, 90% by mass or less, 10% by mass or more, preferably 80% by mass or less, more preferably 20% by mass or more, and more preferably 60% by mass with respect to the entire lead-free glass frit. Below, it is 40 mass% or more. In this embodiment, when the content of the zinc borosilicate glass frit is in the above range, the formed conductor is excellent in balance between conductivity and adhesion to the substrate.
  • the content of ZnO is preferably 30% by mass or more and 50% by mass or less, and more preferably 35% by mass or more and 40% by mass or less with respect to the entire lead-free glass frit. When the content of ZnO is in the above range, the adhesion to the substrate is more excellent.
  • the content of V 2 O 5 is preferably 5% by mass or more and 50% by mass or less, more preferably 10% by mass or more and 30% by mass or less, and further preferably 10% by mass with respect to the entire lead-free glass frit.
  • the mass is 25% by mass or more.
  • the content of B 2 O 3 is preferably 3% by mass or more and 50% by mass or less, more preferably 10% by mass or more and 45% by mass or less, and still more preferably 20% by mass with respect to the entire lead-free glass frit. It is 40 mass% or less.
  • the content of SiO 2 is preferably 2% by mass or more and 10% by mass or less with respect to the entire lead-free glass frit.
  • Cuprous oxide The conductive composition of this embodiment contains cuprous oxide (copper oxide (I): Cu 2 O). Thereby, sintering of the copper powder of the copper conductive paste for low-temperature baking can be promoted.
  • the content of cuprous oxide can be, for example, preferably 5.5 parts by mass or more and 25 parts by mass or less, more preferably 7 parts by mass or more and 25 parts by mass or less, with respect to 100 parts by mass of the copper powder. Preferably they are 10 to 15 mass parts.
  • content of copper oxide is the said range, it promotes sintering of copper powder and has more excellent electroconductivity and adhesiveness.
  • content of cuprous oxide exceeds 25 mass parts with respect to 100 mass parts of copper powder, even if it contains the below-mentioned carboxylic acid type additive, the excess copper oxide which does not contribute to copper sintering is included. It becomes resistance and conductivity may become insufficient.
  • the conductivity and adhesion to the substrate can be significantly improved.
  • the electroconductive composition of this embodiment may also contain a small amount of cupric oxide (copper oxide (II): CuO) in the range which does not inhibit the above-mentioned effect.
  • cupric oxide can be contained in an amount of 0 to 5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the copper powder.
  • Cuprous oxide is in a powder form, and the average particle size is desirably 5 ⁇ m or less.
  • cuprous oxide powder having an average particle size of 5 ⁇ m or less cuprous oxide can be dispersed and blended in the conductive composition.
  • the minimum of the average particle diameter of cuprous oxide is not specifically limited, For example, it can be set as 0.1 micrometer or more.
  • the average particle diameter of cuprous oxide can be measured with an electron microscope observation or a particle size distribution measuring apparatus based on a laser diffraction / scattering method.
  • the conductive composition of the present embodiment includes a carboxylic acid-based additive to further improve the effect of promoting the sintering of the copper powder between the cuprous oxides, and adhesion. It is possible to form a conductor that is more excellent in properties and conductivity.
  • Cuprous oxide has the effect of promoting the sintering of copper powders as described above, and the conductivity is improved by the sintering of copper powder, but all cuprous oxide can promote the sintering. It is not possible, and some may be left unreacted.
  • cuprous oxide can be further reacted by including the carboxylic acid additive in the conductive composition of the present embodiment. And by the reaction of cuprous oxide, the sinterability between copper powders is improved, and the conductivity is further improved by reducing the amount of cuprous oxide that remains in the conductor and becomes an electrical resistance component. I think it can be done.
  • the content of the carboxylic acid additive is, for example, preferably 0.1 parts by mass or more and 5.0 parts by mass or less, more preferably 1.0 part by mass or more and 4 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the copper powder. 0.0 parts by mass or less, more preferably 2.0 parts by mass or more and 3.0 parts by mass or less.
  • the organic vehicle is added to the conductive composition to obtain a paste-like composition.
  • the adhesion of the conductor obtained from the paste-like composition may be reduced, or the copper powder may be dissolved by long-term storage, causing problems such as discoloration of the paste-like composition.
  • the carboxylic acid additive refers to a dispersant having a carboxyl group, and is preferably an unsaturated fatty acid that is liquid at room temperature.
  • Examples of the carboxylic acid-based additive include myristoleic acid, palmitoleic acid, oleic acid, linoleic acid, and more preferably at least one selected from oleic acid and linoleic acid.
  • the carboxylic acid additive functions as a dispersant for dispersing copper powder and lead-free glass frit in the organic vehicle when an organic vehicle is added to the conductive composition according to the present invention to form a paste-like composition. Can also be provided. From the viewpoint of obtaining a function as a dispersant for the organic vehicle, the carboxylic acid additive is preferably an unsaturated carboxylic acid having 14 to 18 carbon atoms.
  • Organic vehicle The conductive composition of the present embodiment may contain an organic vehicle.
  • the organic vehicle can be made into a paste-like composition having an appropriate printability by adjusting the viscosity of the conductive composition.
  • the composition of the organic vehicle is not particularly limited, and known materials used for conductive pastes can be used.
  • the organic vehicle contains, for example, a resin component and a solvent.
  • a resin component for example, a cellulose resin or an acrylic resin can be used.
  • a solvent for example, terpene solvents such as terpineol and dihydroterpineol, and ether solvents such as ethyl carbitol and butyl carbitol can be used alone or in combination.
  • the content of the organic vehicle in the conductive composition is not particularly limited.
  • the organic vehicle may be added so that the conductive composition has an appropriate viscosity and applicability, and the content can be appropriately adjusted depending on the application and the like.
  • the organic vehicle can be contained in an amount of 10% by mass to 50% by mass with respect to 100% by mass of the paste-like conductive composition (conductive paste).
  • the conductive composition of the present embodiment may contain other components as long as the effects of the present invention are achieved.
  • an antifoaming agent, a dispersing agent, a coupling agent, and the like may be appropriately added to the conductive composition.
  • the conductive composition of the present embodiment is very excellent in the conductivity of the conductor after firing and the adhesion to the substrate, and therefore can be suitably used for forming a conductor.
  • the conductive composition of the present embodiment can be baked by a heat treatment of 750 ° C. or less, and can be baked by a heat treatment of 600 ° C. or less, and the formed conductor has excellent conductivity. And can have adhesiveness to the substrate. Therefore, the conductive composition of this embodiment can be suitably used as a conductive paste for low-temperature firing.
  • the area resistance value converted to a film thickness of 10 ⁇ m of the conductor fired at 600 ° C. is preferably 10 m ⁇ or less, more preferably 5 m ⁇ or less.
  • this area resistance value is a value measured by the method as described in the Example mentioned later.
  • the conductive composition of this embodiment has a peel strength (peel strength) of a conductor obtained by firing at 600 ° C. of preferably 20 N or more, and more preferably 25 N or more. Moreover, it can be set to 30N or more by adjusting the mixture ratio of each component of the said electrically conductive composition, and can also be set to 40N or more.
  • peel strength is obtained by, for example, attaching the Sn plating Cu wire having a diameter of 0.6 mm to the copper conductor prepared by firing the conductive composition at 600 ° C. with 3Ag-0.5Cu—Sn solder, and then adding the Sn. It is a value measured when the plated Cu wire is pulled and broken, and is a value for evaluating the adhesion between the substrate of the electronic component and the conductor.
  • the conductive composition of the present embodiment can be used in addition to conductors such as wiring and electrodes formed on the surface of electronic components.
  • conductors such as wiring and electrodes formed on the surface of electronic components.
  • a chip component such as an element may be bonded to a lead frame or various substrates and used as a material that conducts electrically or thermally.
  • a method for forming a conductor according to this embodiment will be described.
  • a conductive composition containing copper powder, cuprous oxide, lead-free glass frit, and a carboxylic acid additive is prepared.
  • the lead-free glass frit one containing a borosilicate zinc-based glass frit and a vanadium zinc-based glass frit is used.
  • a paste having a moderately adjusted viscosity is produced.
  • the composition, blending ratio, etc. of each component in the conductive paste are as described above.
  • the conductive paste is printed or applied on a substrate or the like formed of ceramic or the like, and then fired through necessary steps to form a conductor. Firing is generally performed by heat treatment at 800 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.
  • the conductive paste of the present embodiment can be sufficiently fired even at a heat treatment of less than 800 ° C., for example, can be fired even at a heat treatment of 750 ° C. or less, and can be fired even at a heat treatment of 650 ° C. or less.
  • the conductive paste of the present embodiment as shown in the examples described later, even when baked by heat treatment at 600 ° C., a conductor having excellent conductivity and adhesion to the substrate can be obtained. it can.
  • the minimum of the heat processing temperature of baking is not specifically limited, For example, it is 400 degreeC or more.
  • the time of the process of baking is 5 minutes or more and 20 minutes or less in peak temperature, for example.
  • drying may be performed before firing.
  • the drying conditions are not particularly limited, but can be performed, for example, at 50 ° C. to 150 ° C. for 5 minutes to 15 hours.
  • the oxygen concentration in the burnout zone in the firing furnace is not particularly limited, but can be, for example, about 100 ppm.
  • the electronic component which formed the wiring can be manufactured by apply
  • the conductive composition of the present embodiment if used, it can be fired by heat treatment at 750 ° C. or lower, so that damage to the resistor and internal elements can be reduced. Further, the heat treatment can be performed at 650 ° C. or lower, and can be performed at 600 ° C. or lower.
  • the conductor formed by this manufacturing method is very excellent in conductivity and adhesion to the substrate.
  • Lead-free glass frit / zinc borosilicate glass frit ZnO—SiO 2 —B 2 O 3 glass frit having a softening point of 535 ° C., 36% by mass of ZnO, 10% by mass of SiO 2 , B 2 O 3 contained 45% by mass and the average particle size was 1.5 ⁇ m.
  • Vanadium zinc-based glass frit ZnO—V 2 O 5 glass frit having a softening point of 405 ° C., containing 41% by mass of ZnO and 39.5% by mass of V 2 O 5 , with an average particle size of 3.5 ⁇ m The thing of was used.
  • Borosilicate bismuth glass frit as Bi 2 O 3 -SiO 2 -B 2 O 3 based glass frit having a softening point of 580 ° C., the Bi 2 O 3 34.1 wt%, B 2 O 3 24.4 A material containing 1% by mass and 17% by mass of SiO 2 and having an average particle size of 1.5 ⁇ m was used. Table 1 shows the composition of the copper powder and the lead-free glass frit that was not used.
  • the average particle size of spherical copper powder and lead-free glass frit was measured with a microtrack.
  • the average particle diameter of the flaky copper powder was measured by observation with a scanning electron microscope.
  • the softening point of the lead-free glass frit was measured by thermogravimetric / differential thermal analysis (TG-DTA) under a temperature increase rate of 10 ° C./min in an air atmosphere.
  • the alumina substrate after the drying treatment was heat-treated in a nitrogen atmosphere belt furnace with a peak temperature of 600 ° C., a peak temperature duration of 10 minutes, and a profile of 60 minutes from the furnace inlet to the outlet, and the conductive paste was fired.
  • the oxygen concentration in the firing zone in the furnace is 5 ppm, and dry air is introduced into the burnout zone provided in the process of raising the temperature to 600 ° C. (from the furnace entrance to the 600 ° C. zone), the oxygen concentration is 200 ppm, Each concentration was set to 400 ppm and 600 ppm.
  • the oxygen concentration was measured using a zirconia oxygen concentration meter (manufactured by Toray: model LC-750) and adjusted to each concentration.
  • a load measuring device Model 2152HTP, manufactured by Aiko Engineering Co., Ltd.
  • Comparative Example 1 using only the zinc borosilicate glass frit as the glass frit was very poor in adhesion and could not form a stable conductor.
  • Comparative Example 2 using only vanadium zinc-based glass frit as the glass frit the glass component penetrates too much into the substrate, so that the shape of the conductor (wiring shape) cannot be maintained, and the adhesion can be evaluated. There wasn't.
  • Comparative Example 3 using a borosilicate zinc-based glass frit and a borosilicate bismuth-based glass frit as the glass frit, it was confirmed that the glass was not sufficiently melted and poor in adhesion. Moreover, in the comparative example 4 whose content of cuprous oxide is less than 5.5 mass parts, adhesiveness was very bad and the stable conductor could not be formed.
  • Comparative Example 5 in which the carboxylic acid additive oleic acid was excessively contained, it was confirmed that the conductivity and adhesion were inferior. This is thought to be because the oleic acid present in excess caused not only the improvement in the sinterability of cuprous oxide but also the dissolution of the copper powder, and conversely reduced the conductivity and the like. Further, in the sample of Comparative Example 4, it was confirmed that the conductive paste produced by the change over time was discolored because excessive oleic acid dissolved the copper powder.
  • a conductive pattern having excellent conductivity and adhesion to a substrate is formed when fired at a low temperature of 750 ° C. or lower, for example, about 600 ° C. Obviously you can.
  • the conductive composition of the present embodiment contains copper powder, a specific lead-free glass frit, and cuprous oxide, so that the conductive composition and the adhesive strength with the substrate are extremely excellent. It can be used suitably.
  • the conductive composition of the present embodiment can also be used as an internal electrode or external electrode of an electronic component, a solder substitute, or the like.

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Abstract

基板との密着性及び導電性に優れる導電性組成物を提供する。 銅粉末と、酸化第一銅と、無鉛ガラスフリットと、カルボン酸系添加剤とを含有する導電性組成物であって、酸化第一銅を、銅粉末100質量部に対し、5.5質量部以上25質量部以下含有し、無鉛ガラスフリットが、ホウ珪酸亜鉛系ガラスフリットと、バナジウム亜鉛系ガラスフリットと、を含有し、ホウ珪酸亜鉛系ガラスフリットは、酸化ホウ素、酸化珪素、酸化亜鉛、及び任意に他の成分を含有し、かつ、含有量の多い酸化物成分の上位3種類が酸化ホウ素、酸化珪素及び酸化亜鉛であり、バナジウム亜鉛系ガラスフリットは、酸化バナジウム、酸化亜鉛、及び任意に他の成分を含有し、かつ、含有量の多い酸化物成分の上位2種類が酸化バナジウム及び酸化亜鉛であり、カルボン酸系添加剤を、銅粉末100質量部に対し、0.1質量部以上5.0質量部以下含有する導電性組成物など。

Description

導電性組成物、導体の製造方法及び電子部品の配線の形成方法
 本発明は、導電性組成物、それを用いた導体の製造方法及び電子部品の配線の形成方法に関する。
 電子部品の基板上に回路を形成する方法の一つに、導電性成分を含む導電性組成物を焼成して得られた導体により配線や電極を形成する方法がある。その際、導電性成分としては、金、銀、パラジウム又はこれらの混合物などが多く用いられている。しかし、金やパラジウムは、貴金属であるため価格が高く、需給状況などによって価格変動を受けやすい。よって、これらの金属を用いた場合、製品のコストアップにつながったり、価格が変動したりするなどの問題がある。銀は、金やパラジウムより安価であるが、マイグレーションが起こりやすいという問題がある。また、導電性成分として、貴金属以外ではニッケルが用いられることもあるが、導電性が比較的低いという問題がある。
 そこで、近年、導電性成分として、導電性に優れ、耐マイグレーション性に優れ、かつ、安価である銅が用いられ始めている。導体は、例えば、有機ビヒクルを配合して粘度を調整したペースト状の導電性組成物(導電性ペースト)を、スクリーン印刷などの印刷法により基板上に塗布し、基板上に塗布した導電性ペーストを乾燥した後、焼成することにより形成される。銅は、酸化されやすい金属であるため、銅を含む導電性ペーストの焼成は、一般的に、還元性雰囲気や不活性ガス雰囲気で行われ、例えば、窒素ガス中で行われる。大気中で焼成すると、銅が酸化されてしまい、その際形成される酸化物により導電性が低下することがある。
 銅を含む導電性組成物は、主成分として、銅粉末とガラスフリットとを含む場合が多い。ガラスフリットは、導電性成分同士を密着させたり、基板と導電性成分とを密着させたりする効果がある。従来、ガラスフリットは、鉛を含有するガラスフリット(鉛ガラスフリット)が多く用いられてきた。鉛ガラスフリットは、軟化温度が低く、導電性成分や基板との濡れ性に優れるため、鉛ガラスフリットを用いた導電性組成物は、十分な導電性および基板との密着性を有する。
 しかしながら、近年、環境に有害な化学物質に対する規制が厳しくなっており、鉛はRoHS指令などで規制対象物質になっている。そこで、鉛を含まないガラスフリット(無鉛ガラスフリット)を用いた導電性組成物が求められている。
 基板上に回路を形成する際、配線や電極などの導体の他に、抵抗体も形成される。回路は、例えば、印刷法により、導電性ペーストや抵抗ペーストを基板上に塗布した後、それぞれ適切な条件で焼成することにより順次形成されたり、印刷法による塗布で基板上に配線、電極、抵抗体等のパターンを連続して形成した後に、一回の熱処理で、同時に焼成することにより形成されたりする。
 抵抗ペーストは、例えば、酸化ルテニウムとガラスフリットを含む。この様な抵抗ペーストは、窒素雰囲気中で焼成すると、酸化ルテニウムが窒素と反応して所望の抵抗値が得られない場合がある。そこで、導電性ペーストを窒素雰囲気中で焼成する必要がある場合は、抵抗ペーストを塗布し、大気中で焼成して抵抗体を形成した後、導電性ペーストを塗布し、窒素雰囲気中で焼成して導体を形成する方法が用いられている。
 上記のように先に焼成して抵抗体を形成しておくことにより、導体の形成を窒素雰囲気中で行うことができる。しかし、導体を形成する際の熱処理は、通常、800℃~1000℃で行われるため、抵抗体に対する窒素の影響は防止できても、高温での熱処理による熱履歴が、抵抗体に悪影響を及ぼす場合がある。そこで、より低い温度、例えば750℃以下での熱処理により焼成が可能な導電性組成物が求められている。
 例えば、特許文献1には、銅粉、酸化第一銅粉、酸化第二銅粉およびガラス粉を主成分とする無機成分と有機ビヒクル成分からなる銅ペースト組成物が記載され、この銅ペースト組成物は、特に550~750℃での低温焼成に適することが記載されている。しかし、その実施例において、この銅ペースト組成物に用いられるガラス粉としては、鉛を含むガラス粉のみが開示されている。
 鉛を実質的に含まない無鉛ガラスフリットは、鉛ガラスフリットに比べて基板との濡れ性に劣る傾向がある。そのため、無鉛ガラスフリットを用いた導電性組成物は、導体と基板との密着性が十分に得られない場合がある。特に、焼成の際の熱処理温度が低くなるほどその傾向は顕著にあらわれる。そのため、十分な導電性及び密着性を有する導体を形成することのできる、無鉛ガラスフリットを用いた導電性組成物が求められている。
 例えば、特許文献2には、少なくとも銅粉、無鉛ガラスフリット、酸化第一銅を含有する銅ペースト組成物であって、無鉛ガラスフリットは、少なくともビスマス、ホウ素およびシリコンの各酸化物を含むとともに、軟化開始温度が400℃以下である銅ペースト組成物が開示されている。この銅ペースト組成物は、セラミック基板に対して密着性に優れることが記載されている。
 また、特許文献3には、外部電極用銅ペーストに用いられるガラスフリットとして、ホウ珪酸系ガラスフリット(SiO-B系)、ホウ珪酸バリウム系ガラスフリット(BaO-SiO-B系)等の無鉛ガラスフリットと、酸化亜鉛を特定の割合で含有するホウ珪酸亜鉛系ガラスフリットと添加することにより、電気特性および接着強度に優れた銅ペーストが開示されている。
特開平03-141502号公報 特開2012-54113号公報 特開2002-280248号公報
 しかしながら、特許文献2及び3に記載される銅ペーストは、900℃の焼成で導体を形成しており、750℃以下の低温で焼成した際にも、十分な導電性及び密着性を有する導体を得られるかについては検討されていない。
 本発明は、このような現状に鑑みて検討されたもので、750℃以下の温度でも焼成が可能であり、基板と良好な密着性を有し、導電性に優れる導電性組成物を提供することを目的とする。
 本発明の第1の態様では、銅粉末と、酸化第一銅と、無鉛ガラスフリットと、カルボン酸系添加剤とを含有する導電性組成物であって、酸化第一銅を、銅粉末100質量部に対し、5.5質量部以上25質量部以下含有し、無鉛ガラスフリットが、ホウ珪酸亜鉛系ガラスフリットと、バナジウム亜鉛系ガラスフリットと、を含有し、ホウ珪酸亜鉛系ガラスフリットは、酸化ホウ素、酸化珪素、酸化亜鉛、及び任意に他の成分を含有し、かつ、含有量の多い酸化物成分の上位3種類が酸化ホウ素、酸化珪素及び酸化亜鉛であり、バナジウム亜鉛系ガラスフリットは、酸化バナジウム、酸化亜鉛、及び任意に他の成分を含有し、かつ、含有量の多い酸化物成分の上位2種類が酸化バナジウム及び酸化亜鉛であり、カルボン酸系添加剤を、銅粉末100質量部に対し、0.1質量部以上5質量部以下含有する導電性組成物が提供される。
 また、バナジウム亜鉛系ガラスフリットを、無鉛ガラスフリット100質量%に対して、20質量%以上80質量%以下含有することが好ましい。バナジウム亜鉛系ガラスフリットが、酸化バナジウムを30質量%以上50質量%以下含有し、酸化亜鉛を30質量%以上50質量%以下含有することが好ましい。また、ホウ珪酸亜鉛系ガラスフリットを、無鉛ガラスフリット100質量%に対して、20質量%以上80質量%以下含有することが好ましい。また、ホウ珪酸亜鉛系ガラスフリットが、酸化亜鉛を25質量%以上45質量%以下含有することが好ましい。また、無鉛ガラスフリットを、銅粉末100質量部に対して、0.2質量部以上9質量部以下含有することが好ましい。また、カルボン酸系添加剤が、オレイン酸、及びリノール酸から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。また、酸化第一銅を、銅粉末100質量部に対して、5.5質量部以上15質量部以下含有することが好ましい。また、銅粉末が、球状粉末及びフレーク状粉末の少なくとも一方を含有することが好ましい。また、銅粉末の平均粒径が0.2μm以上5μm以下であることが好ましい。また、有機ビヒクルを、導電性組成物100質量%に対して、10質量%以上50質量%以下含有することが好ましい。
 本発明の第2の態様では、上記導電性組成物を750℃以下の熱処理により焼成する工程を備える導体の製造方法が提供される。
 本発明の第3の態様では、上記導電性組成物を基板上に塗布する工程、及び塗布後の基板を750℃以下の熱処理により焼成する工程、を備える電子部品の配線の形成方法が提供される。
 本発明の導電性組成物を用いることにより、基板との密着性に優れ、より導電性に優れた導体を形成することができる。また、本発明の導電性組成物は750℃以下の低温で焼成することが可能であるため、本発明の導電性組成物を用いることにより、電子部品の抵抗体や内部素子等にダメージを与えることなく導体を形成することができる。その結果、従来と同等以上の電気特性を有する電子部品を無鉛で、かつ少ない不良率で製造することができる。
図1は、実施例1、6及び比較例6、7の評価結果を示すグラフである。
1.導電性組成物
 本実施形態の導電性組成物は、銅粉末と、酸化第一銅と、無鉛ガラスフリットと、カルボン酸系添加剤とを含む。導電性組成物は、鉛ガラスフリットを使用しないことにより、実質的に鉛を含まず、環境特性に優れる。なお、無鉛ガラスフリットとは、鉛を含まないか、または、鉛を含む場合でも、その含有量が極めて少ないガラスフリット(例えば、ガラスフリット全体に対して、鉛の含有率が0.1質量%以下)をいう。また、導電性組成物が実質的に鉛を含まない、ということは、例えば、導電性組成物全体に対して、鉛の含有量が0.01質量%以下である状態をいう。
 以下、導電性組成物を構成する各成分について説明する。
(1)銅粉末
 本実施形態の導電性組成物は、導電性成分として銅粉末を含む。銅粉末は、導電性や耐マイグレーション性に優れ、かつ、安価である。銅粉末は、酸化されやすいため、導電性組成物を熱処理する際は、通常、窒素雰囲気中で加熱処理される。
 銅粉末の製造方法は、特に限定されず、従来公知の方法、例えば、アトマイズ法、湿式還元法、電気分解法などを用いることができる。例えば、アトマイズ法を用いた場合、得られる銅粉末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、得られる銅粉末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、銅粉末の酸化を抑制できる。
 銅粉末の形状および粒径は、特に限定されず、対象電子部品に応じて適宜選択できる。銅粉末の形状は、例えば、球状、フレーク状の銅粉末またはこれらの混合物を用いることができる。銅粉末は、例えば、フレーク状の銅粉末を含むことにより、銅粉末同士の接触面積が大きくなり、導電性に優れる場合がある。
 銅粉末は、球状の銅粉末及びフレーク状の混合物を用いる場合、球状の銅粉末及びフレーク状の混合割合は、用途に応じて、適宜、選択できる。混合割合は、例えば、銅粉末全体100質量部に対して、球状の銅粉末を10質量部以上90質量部以下、フレーク状の銅粉末を90質量部以下10質量部以上含有させることができる。
 銅粉末の粒径は、例えば、球状の銅粉末の場合、平均粒径が0.2μm以上5μm以下とすることができる。例えば、フレーク状の銅粉末の場合、フレーク状に扁平した粒径は3μm以上30μm以下程度とすることができる。粒径が上記範囲の場合、小型化した電子部品への適用性に優れる。なお、球状の銅粉末の場合、この平均粒径は堆積累計分布のメジアン径(D50)であり、レーザー回折・散乱法に基づく粒度分布測定装置によって測定できる。フレーク状の銅粉末の場合、粒径は、電子顕微鏡観察で測定することができる。
 また、銅粉末は、同一の粒径を有する粉末を用いても、異なる粒径を有する2種以上の粉末を混合して用いてもよい。
 なお、通常、導電性粉末の粒径を小さくすることにより、焼成を進みやすくすることができるが、例えば、球状の銅粉末の平均粒径を0.2μm未満とした場合、銅粉末が酸化しやすくなり、逆に焼結不良が発生するだけでなく、容量不足や、ペースト粘度の経時変化等の不具合が起こりやすくなる場合がある。本実施形態の導電性組成物は、例えば、銅粉末の粒径が1μm以上であっても、後述する特定の成分を含むことにより、例えば750℃以下の低温の熱処理であっても、十分、銅粉末を焼成させることができる。
(2)無鉛ガラスフリット
 本実施形態の導電性組成物は、無鉛ガラスフリットとして、ホウ珪酸亜鉛系ガラスフリットと、バナジウム亜鉛系ガラスフリットとを含有する。導電性組成物は、上記2種類を組み合わせたガラスフリットを含むことにより、無鉛ガラスフリットを用いた場合においても、銅粉末及び基板への濡れ性にバランスよく優れるので、この導電性組成物は、750℃以下の温度で焼成した場合でも、導電性及び密着性に非常に優れた導体を得ることができる。
 ホウ珪酸亜鉛系ガラスフリットとは、酸化ホウ素(B)、酸化珪素(SiO)、酸化亜鉛(ZnO)、及び任意に他の成分を含み、含有量の多い酸化物成分の上位3種類がB、SiO及びZnOであるガラスフリットのことである。ホウ珪酸亜鉛系ガラスフリットは、ホウ珪酸亜鉛系ガラスフリット100質量%に対し、ZnOを25質量%以上45質量%以下、SiOを5質量%以上15質量%以下、Bを35質量%以上55質量%以下含有することが好ましい。
 ホウ珪酸亜鉛系ガラスフリットの組成は、上記以外の他の成分を1種類又は2種類以上含むことができ、例えば、NaO等のアルカリ金属の酸化物やAl等を含むことができる。これらの他の成分の添加量はそれぞれ0.5質量%以上10質量%以下であることが好ましい。
 ホウ珪酸亜鉛系ガラスフリットは、軟化点が600℃以下であることが好ましく、より好ましくは400℃以上600℃以下であり、さらに好ましくは500℃以上600℃以下である。軟化点が上記範囲である場合、低温焼成した際でも、導電性及び密着性に優れた導体を得ることができる。軟化点は、例えば、ガラスフリットの組成を適宜調整することにより、制御することができる。また、軟化点は、大気雰囲気下で昇温速度10℃/分の条件による熱重量・示差熱分析(TG-DTA)で測定することができる。
 ホウ珪酸亜鉛系ガラスフリットの粒径は、特に限定されないが、例えば、平均粒径1μm以上10μm以下であり、好ましくは1μm以上5μm以下である。ホウ珪酸亜鉛系ガラスフリットの軟化点が上記範囲でかつ粒径が上記範囲であることにより、750℃以下の温度での焼成の際にも、熔融したホウ珪酸亜鉛系ガラスの流動性に優れるので、密着性に非常に優れた導体を得ることができる。なお、平均粒径は、堆積累計分布のメジアン径(D50)であり、レーザー回折・散乱法に基づく粒度分布測定装置によって測定できる。レーザー回折・散乱式の粒子径・粒度分布測定装置には、マイクロトラック(登録商標)と称呼される測定装置が知られている。
 バナジウム亜鉛系ガラスフリットとは、酸化バナジウム(V)、酸化亜鉛(ZnO)、及び任意に他の成分を含み、含有量の多い酸化物成分の上位2種類がV及びZnOであるガラスフリットのことである。バナジウム亜鉛系ガラスフリットは、好ましくは、ZnOを30質量%以上50質量%以下、Vを30質量%以上50質量%以下含有するのが好ましい。バナジウム亜鉛系ガラスフリットは、Vを含むことにより、低温で熱処理した場合でも流動性に優れ、基板への浸透性に優れる導電性組成物を得ることができる。
 バナジウム亜鉛系ガラスフリットの組成は、上記以外の他の成分を1種類又は2種類以上含むことができ、例えば、CaO等のアルカリ金属の酸化物や、B、Bi、Al等を含むことができる。これらの他の成分の添加量はそれぞれ0質量%以上10質量%以下とするのが好ましい。
 バナジウム亜鉛系ガラスフリットは、その軟化点が、好ましくは600℃以下であり、より好ましくは300℃以上500℃以下であり、より好ましくは350℃以上450℃以下である。軟化点が上記範囲である場合、流動性に優れた導電性組成物とすることができる。軟化点は、例えば、ガラスフリットの組成を適宜調整することにより、制御することができる。また、軟化点は、大気雰囲気下で昇温速度10℃/分の条件による熱重量・示差熱分析(TG-DTA)で測定することができる。
 バナジウム亜鉛系ガラスフリットの粒径は、特に限定されないが、例えば、平均粒径1μm以上10μm以下であり、好ましくは1μm以上5μm以下である。バナジウム亜鉛系ガラスフリットの軟化点が上記範囲でかつ、粒径が上記範囲である場合、750℃以下の温度での焼成の際にも、熔融したバナジウム亜鉛系ガラスの流動性に優れるので、密着性に非常に優れた導体を得ることができる。なお、この平均粒径は、堆積累計分布のメジアン径(D50)であり、レーザー回折・散乱法に基づく粒度分布測定装置によって測定できる。
 また、ホウ珪酸亜鉛系ガラスフリットの軟化点は、上記バナジウム亜鉛系ガラスフリットの軟化点より高いものを用いることができる。導電性組成物は、異なる軟化点を有するガラスフリットを含むことにより、導電性組成物を焼成する際の昇温過程から熔融したガラスの流動性に優れ、導電性成分及び基板への濡れ性にバランスよく優れるので、密着性に非常に優れた導体を得ることができる。また、これらのガラスフリットに含まれるZnOは、乾燥や焼成工程の際、有機ビヒクル由来の残留チャー(煤、カーボン)により還元されて亜鉛となり、この亜鉛により、銅粉末の酸化を抑制することができる。なお、ガラスフリット中のZnOの機能は上記に限定されない。
 無鉛ガラスフリットの含有量は、例えば、塗布の対象となる電子部品、用いるガラスフリットの種類、銅粉末の含有量により得られる特性等から適宜選択できる。無鉛ガラスフリットの含有量は、例えば、その下限が、銅粉末100質量部に対して、0.2質量部以上であり、好ましくは1質量部以上であり、より好ましくは2質量部以上である。無鉛ガラスフリットの含有量の下限が上記範囲であることにより、基板との密着性により優れる。無鉛ガラスフリットの含有量の上限は、特に限定されないが、例えば、その上限が、銅粉末100質量部に対して、15質量部以下である。本実施形態の導電性組成物を導体パターンの形成に用いる場合、その上限は、好ましくは9質量部以下であり、より好ましくは6質量部以下であり、さらに好ましくは5質量部以下である。無鉛ガラスフリットの含有量の上限が上記範囲であることにより、形成した電極のはんだ接合性により優れる。無鉛ガラスフリットの含有量が多すぎる場合、焼結時に余剰のガラスが導体外部に押し出されることにより、電極の表面に余剰ガラスが残存する状態となり、はんだ接合性が悪くなる。
 また、無鉛ガラスフリットの含有量は、例えば、導電性ペースト全体に対して、0.5質量%以上10質量%以下の範囲とすることができ、中でも、2質量%以上8質量%以下が好ましい。
 バナジウム亜鉛系ガラス質フリットの含有量は、無鉛ガラスフリット全体に対し、例えば10質量%以上90質量%以下であり、好ましくは20質量%以上80質量%以下であり、より好ましくは40質量%以上60質量%以下である。本実施形態において、バナジウム亜鉛系ガラス質フリットの含有量が上記範囲である場合、形成される導体が導電性及び基板との密着性にバランスよく優れる。
 ホウ珪酸亜鉛系ガラスフリットの含有量は、例えば、無鉛ガラスフリット全体に対し、90質量%以下10質量%以上であり、好ましくは80質量%以下20質量%以上であり、より好ましくは60質量%以下40質量%以上である。本実施形態において、ホウ珪酸亜鉛系ガラスフリットの含有量が上記範囲である場合、形成される導体が導電性及び基板との密着性にバランスよく優れる。
 無鉛ガラスフリット全体に対して、ZnOの含有量は、好ましくは30質量%以上50質量%以下であり、より好ましくは35質量%以上40質量%以下である。ZnOの含有量が上記範囲である場合、より基板との密着性に優れる。
 また、無鉛ガラスフリット全体に対して、Vの含有量は、好ましくは5質量%以上50質量%以下であり、より好ましくは10質量%以上30質量%以下であり、さらに好ましくは10質量%以上25質量%以下である。V含有量が上記範囲である場合、より基板との密着性に優れる。
 また、Bの含有量は、無鉛ガラスフリット全体に対して、好ましくは3質量%以上50質量%以下であり、より好ましくは10質量%以上45質量%以下、さらに好ましくは20質量%以上40質量%以下である。また、SiOの含有量は、無鉛ガラスフリット全体に対して、好ましくは2質量%以上10質量%以下である。
(3)酸化第一銅
 本実施形態の導電性組成物は、酸化第一銅(酸化銅(I):CuO)を含む。これにより、低温焼成用銅導電ペーストの銅粉末同士の焼結を促進させることができる。
 酸化第一銅の含有量は、例えば、銅粉末100質量部に対し、好ましくは5.5質量部以上25質量部以下とすることができ、より好ましくは7質量部以上25質量部以下、より好ましくは10質量部以上15質量部以下である。酸化銅の含有量が上記範囲である場合、銅粉末同士の焼結を促進させ、より優れた導電性及び密着性を有する。なお、酸化第一銅の含有量が銅粉末100質量部に対し25質量部を越えた場合、後述のカルボン酸系添加剤を含有させても、銅の焼結に寄与しない余分な酸化銅が抵抗となり、導電性が不十分となることがある。
 無鉛ガラスフリットは、非酸化性雰囲気中(例えば、窒素ガス雰囲気中など)で焼成すると基板に対する密着性が不十分となる傾向がある。しかし、無鉛ガラスフリットと酸化第一銅を含む導電性組成物を、例えば、ペースト状に調製した後、非酸化性雰囲気中で熱処理すると、熱処理時に微量の酸素が酸化第一銅から焼成雰囲気中に導入されることにより、基板に対する密着性を向上させることができる。また、酸化第一銅は、酸素を非酸化性雰囲気に放出すると銅となり、銅粉末と共に導電性組成物を焼成して得られる導体を形成する。本実施形態の導電性組成物によれば、ホウ珪酸亜鉛系ガラスフリットと、バナジウム亜鉛系ガラスフリットと、酸化第一銅とを組み合わせることにより、導電性及び基板に対する密着性を顕著に向上させることができる。なお、本実施形態の導電性組成物は、上記した効果を阻害しない範囲で、少量の酸化第二銅(酸化銅(II):CuO)を含んでもよい。酸化第二銅は、例えば、銅粉末100質量部に対し、0質量部以上5質量部以下含むことができる。
 酸化第一銅は、粉末状で、その平均粒径は、5μm以下が望ましい。平均粒径5μm以下の酸化第一銅粉末を用いることで、導電性組成物中に酸化第一銅を分散して配合することができる。酸化第一銅の平均粒径の下限は、特に限定されないが、例えば、0.1μm以上とすることができる。なお、酸化第一銅の平均粒径は、電子顕微鏡観察やレーザー回折・散乱法に基づく粒度分布測定装置で測定することができる。
(4)カルボン酸系添加剤
 本実施形態の導電性組成物は、カルボン酸系添加剤を含むことにより、上記酸化第一銅が銅粉末同士の焼結を促進させる効果をより向上させ、密着性、導電性などにより優れる導体を形成することができる。
 酸化第一銅は、上述の様に銅粉末同士の焼結を促進させる効果があり、銅粉の焼結により導電性は向上するが、全ての酸化第一銅が焼結を促進させることができるわけでは無く、一部は未反応のまま存在していることがある。
 本実施形態の導電性組成物は、カルボン酸系添加剤を含有することにより、この未反応の酸化第一銅をより反応させことができると考えられる。そして、酸化第一銅の反応により、銅粉末同士の焼結性が向上し、かつ、導体中に残留し、電気抵抗成分となる酸化第一銅が減少することにより、導電性を更に向上させることができると考えらえる。
 カルボン酸系添加剤の含有量は、例えば、銅粉末100質量部に対し、好ましくは0.1質量部以上5.0質量部以下とすることができ、より好ましくは1.0質量部以上4.0質量部以下、より好ましくは2.0質量部以上3.0質量部以下である。カルボン酸系添加剤の含有量が銅粉末100質量部に対して5.0質量部を越える場合、導電性組成物に有機ビヒクルを添加してペースト状の組成物の組成物とした際、該ペースト状の組成物から得られる導体の密着性が低下することや、長期保存により銅粉末が溶解しペースト状の組成物の変色等の問題が発生することがある。
 カルボン酸系添加剤は、カルボキシル基を有する分散剤をいい、常温で液状の不飽和脂肪酸が好ましい。カルボン酸系添加剤としては、例えば、ミリストレイン酸、パルミトレイン酸、オレイン酸、リノール酸などが挙げられ、さらに好ましくは、オレイン酸、及びリノール酸から選ばれる少なくとも1種であることがより好ましい。
 また、カルボン酸系添加剤は、本発明に係る導電性組成物に有機ビヒクルを添加してペースト状の組成物とした場合、銅粉末や無鉛ガラスフリットを有機ビヒクルへ分散させる分散剤としての機能も備えることができる。有機ビヒクルへの分散剤としての機能を得るという観点から、カルボン酸系添加剤は、炭素数14から18の不飽和カルボン酸が好ましい。
(5)有機ビヒクル
 本実施形態の導電性組成物は、有機ビヒクルを含有させてもよい。有機ビヒクルは、導電性組成物の粘度を調整し、適切な印刷性を有するペースト状の組成物とすることができる。
 有機ビヒクルの組成は、特に限定されず、導電性ペーストに用いられる公知のものを用いることができる。有機ビヒクルは、例えば、樹脂成分と溶剤とを含有する。樹脂成分としては、例えば、セルロース樹脂やアクリル樹脂などを用いることができる。溶剤としては、例えば、ターピネオールやジヒドロターピネオール等のテルペン系溶剤、エチルカルビトール、ブチルカルビトール等のエーテル系溶剤を、単独または複数、混合して用いることができる。
 有機ビヒクルは、導電性組成物を乾燥又は焼成する際に揮発又は燃焼する成分であるため、導電性組成物における有機ビヒクルの含有量は、特に限定されない。有機ビヒクルは、導電性組成物が適度な粘性および塗布性を有する様に添加すればよく、用途等により適宜、その含有量を調製することができる。例えば、有機ビヒクルは、ペースト状の導電性組成物(導電性ペースト)100質量%に対し、10質量%以上50質量%以下含有されることができる。
 なお、本実施形態の導電性組成物は、本発明の効果を奏する範囲で、他の成分を含有してもよい。例えば、このような他の成分として、消泡剤、分散剤、カップリング剤等を、導電性組成物に適宜添加してもよい。
(6)導電性組成物の特性
 本実施形態の導電性組成物は、焼成後の導体の導電性及び基板との接着性に非常に優れるため、導体の形成に好適に用いることができる。また、本実施形態の導電性組成物は、750℃以下の熱処理で焼成することが可能であり、さらに600℃以下の熱処理でも焼成することが可能であり、形成された導体は優れた導電性及び基板との接着性を有することができる。よって、本実施形態の導電性組成物は、低温焼成用の導電性ペーストとして好適に用いることができる。
 本実施形態の導電性組成物は、600℃で焼成した導体の膜厚10μmに換算した面積抵抗値が、好ましくは10mΩ以下であり、より好ましくは5mΩ以下である。なお、この面積抵抗値は、後述する実施例に記載の方法により測定される値である。
 また、本実施形態の導電性組成物は、600℃で焼成して得られた導体の剥離強度(ピール強度)が、好ましくは20N以上であり、より好ましくは25N以上である。また、上記導電性組成物の各成分の配合割合を調整することにより、30N以上とすることができ、さらに40N以上とすることができる。なお、ピール強度は、例えば、上記導電性組成物を600℃で焼成して作製した銅導体に直径0.6mmのSnめっきCuワイヤーを3Ag-0.5Cu-Snはんだで取り付けた後、前記SnめっきCuワイヤーを引っ張って破壊させた時に測定される値で、電子部品の基板と導体の密着性を評価する値である。
 なお、本実施形態の導電性組成物は、電子部品の表面に形成する配線や電極などの導体以外にも用いることができ、例えば、積層セラミックコンデンサの内部電極や外部電極、はんだ代替品として電子素子などのチップ部品をリードフレームや各種基板に接着し、電気的又は熱的に導通させる材料として使用してもよい。
2.導体の形成方法
 以下、本実施形態の導体の形成方法について、説明する。
 まず、銅粉末と、酸化第一銅と、無鉛ガラスフリットと、カルボン酸系添加剤とを含む導電性組成物を準備する。無鉛ガラスフリットは、ホウ珪酸亜鉛系ガラスフリットと、バナジウム亜鉛系ガラスフリットとを含有するものを用いる。有機ビヒクル中の溶剤の量を調整して導電性組成物と混合させることにより、適度に粘度が調整されたペースト(導電性ペースト)を製造する。導電性ペースト中の各成分の組成、配合割合等は、上述した通りである。
 次に、導電性ペーストをセラミック等で形成された基板などに印刷や塗布した後に必要な工程を経て焼成して、導体を形成する。焼成は、一般的に、800℃以上1000℃以下の熱処理により行われる。本実施形態の導電性ペーストは、800℃未満の熱処理でも十分に焼成することができ、例えば750℃以下の熱処理でも焼成が可能であり、650℃以下の熱処理でも焼成が可能である。また、本実施形態の導電性ペーストによれば、後述する実施例に示されるように、600℃の熱処理で焼成した場合でも、導電性及び基板との密着性に非常に優れる導体を得ることができる。
 焼成の熱処理温度の下限は、特に限定されないが、例えば、400℃以上である。また、焼成の処理の時間は、ピーク温度において、例えば、5分以上20分以下である。
 また、焼成の前に乾燥を行ってもよい。乾燥の条件は特に限定されないが、例えば、50℃~150℃、5分~15時間程度で行うことができる。また、焼成炉内のバーンアウトゾーンの酸素濃度は、特に限定されないが、例えば、100ppm程度とすることができる。
 上記導電性ペーストをセラミック基板の表面ややセラミック基板に形成された電子部品上に塗布し、焼成することにより回路形成した電子部品を製造することができる。また、上記導電性ペーストをセラミック基板上に塗布すること、及び塗布後の基板を焼成すること、により配線を形成した電子部品を製造することができる。この電子部品の製造方法において、本実施形態の導電性組成物を用いれば、750℃以下の熱処理で焼成させることができるため、抵抗体や内部素子等へのダメージを低減することができる。また、熱処理は、650℃以下で行うこともでき、さらに600℃以下で行うこともできる。この製造方法により形成された導体は、導電性及び基板との密着性に非常に優れる。
 次に、本発明について実施例と比較例を用いて説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
1.原料
(1)銅粉末(球状):アトマイズ法により製造した平均粒径0.3μm、1.0μm、2.5μmの球状の銅粉末を用いた。
(2)銅粉末(フレーク状):上記方法で製造した球状の銅粉末を原料に用いて、湿式ボールミル法によりフレーク化し、粒径10μmとしたフレーク状の銅粉末を用いた。
(3)無鉛ガラスフリット
・ホウ珪酸亜鉛系ガラスフリット:軟化点が535℃のZnO-SiO-B系ガラスフリットとして、ZnOを36質量%、SiOを10質量%、Bを45質量%含有し、平均粒径が1.5μmのものを用いた。
・バナジウム亜鉛系ガラスフリット:軟化点が405℃のZnO-V系ガラスフリットとして、ZnOを41質量%、Vを39.5質量%含有し、平均粒径が3.5μmのものを用いた。
・ホウ珪酸ビスマス系ガラスフリット:軟化点が580℃のBi-SiO-B系ガラスフリットとして、Biを34.1質量%、Bを24.4質量%、SiOを17質量%含有し、平均粒径が1.5μmのものを用いた。銅粉末と無用いた無鉛ガラスフリットの組成を表1に示す。
 球状の銅粉末と無鉛ガラスフリットの平均粒径はマイクロトラックで測定した。フレーク状の銅粉末の平均粒径は、走査型電子顕微鏡観察で測定した。また、無鉛ガラスフリットの軟化点は、大気雰囲気下で昇温速度10℃/分の条件による熱重量・示差熱分析(TG-DTA)で測定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
(4)酸化第一銅には平均粒径3μmを用いた。
(5)また、カルボン酸系添加剤には、オレイン酸とリノール酸を用いた。
2.導電性ペーストの製造
 (有機ビヒクルの作製)
 ターピネオール80質量%に対して、エチルセルロース18質量%、アクリル樹脂2質量%の配合で混合し撹拌しながら60℃まで加熱し、透明で粘稠な有機ビヒクルを作製した。
(導電性ペーストの作製)
 銅粉末、ガラスフリット、酸化第一銅、オレイン酸またはリノール酸および上述のように調製した有機ビヒクルをミキサーで混合し、混合物を得た。各成分の配合比率を表2に示す。この混合物を、三本ロールミルによって混練して、導電性ペーストを作製した。
3.評価用の導体の形成
(1)面積抵抗値評価用試料
 金ペーストをアルミナ基板に印刷、焼成し、電極間距離50mmの金(Au)電極が形成されたアルミナ基板を準備した。前記基板の表面上に、幅0.5mm、電極間距離50mmとなるパターンを用いて、焼成後の厚みが10μm~13μmとなるように、得られた導電性ペーストをAu電極間に印刷した。この印刷後のアルミナ基板を、120℃で熱処理し、導電性ペーストを乾燥させた。乾燥処理後のアルミナ基板を、窒素雰囲気ベルト炉で、ピーク温度600℃、ピーク温度持続時間10分、炉入り口から出口まで60分のプロファイルで熱処理し、導電性ペーストを焼成した。炉内の焼成ゾーンの酸素濃度は5ppmとし、600℃まで昇温させる過程で(炉入り口から600℃のゾーンまで)に設けられたバーンアウトゾーンには乾燥空気を導入し、酸素濃度を200ppm、400ppmおよび600ppmの各濃度に設定した。なお、酸素濃度は、ジルコニア酸素濃度計(東レ製:型式LC-750)を用いて測定し、各濃度に調整した。
(2)密着性評価用の試料
 アルミナ基板上に前述の低温焼成用銅導電性ペーストを2mm×2mmのパターンで印刷し、上述の面積抵抗値評価用試料作製条件と同条件で焼成して、密着性評価用の試料(焼成後の厚み10μm)を作製した。
(3)形成した導体の特性評価
3-1)面積抵抗値(導電性)
 上記で得られた面積抵抗値評価用試料のAu電極間にデジタルマルチメータ(株式会社アドバンテスト製)の抵抗値測定用プローブを接触させて、導体の抵抗値R[t]を測定した。続いて、この抵抗値R[t]を面積抵抗値Rs[t](=R(t)×W/L)に換算した。この値を用いて、導体の厚さが10μmである場合の面積抵抗値Rs0(=Rs[t]×t/10)(mΩ/□)を算出した。なお、tは導体の厚さ、Wは導体の幅、Lは導体の長さを示す。これらの結果を表2に示す。
3-2)基板との密着性
 得られた密着性評価用の試料の銅導体に直径0.6mmのSnめっきCuワイヤーを、96.5質量%Sn-3質量%Ag-0.5質量%Cu組成のはんだを用いてはんだ付けし、荷重測定器(アイコーエンジニアリング(株)製、MODEL 2152HTP)を用いて垂直方向に80mm/minの速度で引っ張り、導体を基板から剥離させた際の剥離強度(ピール強度)を20点測定し、その平均値で評価した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
[評価結果]
 表2に示されるように、実施例の導電性組成物によれば、基板に対する十分な密着性を有し、十分な導電性を有する導体を得ることができる。また、実施例1~12の導電性組成物は、それぞれ、バナジウム亜鉛系ガラスフリットの含有量が、ガラスフリット全体(100質量%)に対して10質量%~90質量%の範囲であり、導電性及び密着性がともに優れる。中でも、バナジウム亜鉛系ガラスフリットの含有量が40質量%~60質量%である実施例3~実施例7、実施例10~実施例12では、密着性に非常に優れる。また、球状の銅粉末(平均粒径1.0μm又は2.5μm)とフレーク状の銅粉末を用いた実施例13~23も同様に良好な結果であり、導電性に優れる傾向があった。
 これに対して、ガラスフリットとして、ホウ珪酸亜鉛系ガラスフリットのみを用いた比較例1は、密着性が非常に悪く、安定した導体を形成することができなかった。また、ガラスフリットとして、バナジウム亜鉛系ガラスフリットのみを用いた比較例2では、ガラス成分が基板に浸透しすぎて、導体の形状(配線形状)を保つことが出来ず、密着性の評価ができなかった。
 また、ガラスフリットとして、ホウ珪酸亜鉛系ガラスフリットとホウ珪酸ビスマス系ガラスフリットとを用いた比較例3では、ガラスが十分に溶融せず密着性に劣ることが確認された。また、酸化第一銅の含有量が5.5質量部未満である比較例4では、密着性が非常に悪く、安定した導体を形成することができなかった。
 カルボン酸系添加剤のオレイン酸を過剰に含有させた比較例5では、導電性や密着性に劣ることが確認された。これは、過剰に存在するオレイン酸が酸化第一銅の焼結性向上だけでなく、銅粉末の溶解などを引き起こしてしまい、逆に導電性等を低下させたためと考えられる。また、比較例4の試料は、過剰なオレイン酸が銅粉末を溶解させるため、経時変化により作製した導電性ペーストが変色するのが確認された。
 また、カルボン酸系添加剤を含まない以外は、実施例1と同一の条件で得られた比較例6の導体は、実施例1の導体と比較した場合、導電性及び密着性が低下することが示された(図1参照)。また、カルボン酸系添加剤を含まない以外は、実施例6と同一の条件で得られた比較例7の導体も、同様の傾向を示した(図1参照)。この結果から、カルボン酸系添加剤を含有することにより、より導電性及び密着性が向上することが示された。
 以上から、本実施形態の導電性組成物を用いることにより、750℃以下、例えば600℃程度の低温で焼成させた場合において、導電性及び基板との密着性に非常に優れた導体パターンを形成することができることが明らかである。
 本実施形態の導電性組成物は、銅粉末と特定の無鉛ガラスフリットと酸化第一銅とを含むことにより、導電性及び基板との接着強度に非常に優れるため、配線などの回路の形成に好適に用いることができる。また、本実施形態の導電性組成物は、電子部品の内部電極や外部電極、はんだ代替品などとしても用いることができる。
 なお、本発明の技術範囲は、上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態で説明した要件の1つ以上は、省略されることがある。また、上記の実施形態で説明した要件は、適宜組み合わせることができる。また、法令で許容される限りにおいて、日本国特許出願である特願2017-089294、及び上述の実施形態などで引用した全ての文献、の内容を援用して本文の記載の一部とする。
 

Claims (13)

  1.  銅粉末と、酸化第一銅と、無鉛ガラスフリットと、カルボン酸系添加剤とを含有する導電性組成物であって、
     前記酸化第一銅を、前記銅粉末100質量部に対し、5.5質量部以上25質量部以下含有し、
     前記無鉛ガラスフリットが、ホウ珪酸亜鉛系ガラスフリットと、バナジウム亜鉛系ガラスフリットと、を含有し、
     前記ホウ珪酸亜鉛系ガラスフリットは、酸化ホウ素、酸化珪素、酸化亜鉛、及び任意に他の成分を含有し、かつ、含有量の多い酸化物成分の上位3種類が酸化ホウ素、酸化珪素及び酸化亜鉛であり、
     前記バナジウム亜鉛系ガラスフリットは、酸化バナジウム、酸化亜鉛、及び任意に他の成分を含有し、かつ、含有量の多い酸化物成分の上位2種類が酸化バナジウム及び酸化亜鉛であり、
     前記カルボン酸系添加剤を、前記銅粉末100質量部に対し、0.1質量部以上5質量部以下含有する
     導電性組成物。
  2.  前記バナジウム亜鉛系ガラスフリットを、前記無鉛ガラスフリット100質量%に対して、20質量%以上80質量%以下含有する、請求項1に記載の導電性組成物。
  3.  前記バナジウム亜鉛系ガラスフリットが、酸化バナジウムを30質量%以上50質量%以下含有し、酸化亜鉛を30質量%以上50質量%以下含有する、請求項1又は2に記載の導電性組成物。
  4.  前記ホウ珪酸亜鉛系ガラスフリットを、前記無鉛ガラスフリット100質量%に対して、20質量%以上80質量%以下含有する、請求項1~3のいずれか一項に記載の導電性組成物。
  5.  前記ホウ珪酸亜鉛系ガラスフリットが、酸化亜鉛を25質量%以上45質量%以下含有する、請求項1~4のいずれか一項に記載の導電性組成物。
  6.  前記無鉛ガラスフリットを、前記銅粉末100質量部に対して、0.2質量部以上9質量部以下含有する、請求項1~5のいずれか一項に記載の導電性組成物。
  7.  前記カルボン酸系添加剤が、オレイン酸、及びリノール酸から選ばれる少なくとも1種である、請求項1~6のいずれか一項に記載の導電性組成物。
  8.  前記酸化第一銅を、前記銅粉末100質量部に対して、5.5質量部以上15質量部以下含有する、請求項1~7のいずれか一項に記載の導電性組成物。
  9.  前記銅粉末が、球状粉末及びフレーク状粉末の少なくとも一方を含有する、請求項1~8のいずれか一項に記載の導電性組成物。
  10.  前記銅粉末の平均粒径が0.2μm以上5μm以下である、請求項1~9のいずれか一項に記載の導電性組成物。
  11.  有機ビヒクルを、導電性組成物100質量%に対して、10質量%以上50質量%以下含有する、請求項1~10のいずれか一項に記載の導電性組成物。
  12.  請求項1~11のいずれか一項に記載の導電性組成物を750℃以下の熱処理により焼成する工程を備える、導体の製造方法。
  13.  請求項1~11のいずれか一項に記載の導電性組成物を基板上に塗布する工程、及び塗布後の前記基板を750℃以下の熱処理により焼成する工程、を備える、電子部品の配線の形成方法。
     
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