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CN110692109A - 导电性组合物、导体的制造方法以及电子部件的布线的形成方法 - Google Patents

导电性组合物、导体的制造方法以及电子部件的布线的形成方法 Download PDF

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CN110692109A CN201880027948.2A CN201880027948A CN110692109A CN 110692109 A CN110692109 A CN 110692109A CN 201880027948 A CN201880027948 A CN 201880027948A CN 110692109 A CN110692109 A CN 110692109A
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Abstract

本发明提供一种与基板的粘附性以及导电性优异的导电性组合物。该导电性组合物等含有铜粉末、氧化亚铜、无铅玻璃料和羧酸系添加剂,以铜粉末为100质量份计,含有5.5质量份以上25质量份以下的氧化亚铜,无铅玻璃料含有硼硅酸锌系玻璃料和钒锌系玻璃料,硼硅酸锌系玻璃料含有氧化硼、氧化硅、氧化锌以及任意的其他成分、且含量在前三位的氧化物成分为氧化硼、氧化硅以及氧化锌,钒锌系玻璃料含有氧化钒、氧化锌以及任意的其他成分、且含量在前两位的氧化物成分为氧化钒以及氧化锌,以铜粉末为100质量份计,含有0.1质量份以上5质量份以下的羧酸系添加剂。

Description

导电性组合物、导体的制造方法以及电子部件的布线的形成 方法
技术领域
本发明涉及一种导电性组合物、使用该导电性组合物的导体的制造方法以及电子部件的布线的形成方法。
背景技术
作为在电子部件的基板上形成电路的方法之一,存在通过对含有导电性成分的导电性组合物进行烧制而得到的导体来形成布线、电极的方法。此时,作为导电性成分,大多使用金、银、钯或它们的混合物等。但是,金、钯是贵金属,因此价格较高,因供需状况等而容易受到价格变动。因此,在使用上述金属的情况下,存在导致产品成本提高、价格变动等问题。虽然银与金、钯相比价格较低,但是存在容易产生迁移的问题。另外,作为导电性成分,除了贵金属以外,有时还会使用镍,但是存在导电性较低的问题。
于是,近年来,作为导电性成分,开始使用导电性优异、耐迁移性优异,并且便宜的铜。例如,将配合有机载体而对粘度进行了调整的浆料状的导电性组合物(导电性浆料)通过丝网印刷等印刷法涂布在基板上,并使涂布在基板上的导电性浆料干燥后,进行烧制而形成导体。由于铜是容易被氧化的金属,因此一般在还原性气氛、惰性气体气氛下进行含有铜的导电性浆料的烧制,例如在氮气中进行。若在大气中进行烧制,则铜被氧化,由于此时形成的氧化物有时使导电性降低。
含有铜的导电性组合物,多数情况下含有铜粉末和玻璃料作为主成分。玻璃料具有使导电性成分彼此粘合、使基板和导电性成分粘合的效果。以往,玻璃料大多使用含有铅的玻璃料(铅玻璃料)。铅玻璃料的软化温度较低,与导电性成分、基板的润湿性优异,因此使用铅玻璃料的导电性组合物具有足够的导电性以及与基板的粘合性。
但是,近年来,对于对环境有害的化学物质的限制越来越严格,铅成为RoHS指令等的限制对象物质。因此,寻求一种使用不含有铅的玻璃料(无铅玻璃料)的导电性组合物。
在基板上形成电路时,除了布线、电极等导体以外,还形成电阻体。例如,可以通过印刷法将导电性浆料、电阻浆料涂布在基板上之后,分别在适当的条件下进行烧制而依次形成电路,或者通过基于印刷法的涂布在基板上连续形成布线、电极、电阻体等的图案之后,在一次的热处理中同时进行烧制而形成电路。
电阻浆料例如含有氧化钌和玻璃料。这样的电阻浆料,若在氮气气氛中进行烧制,有时氧化钌与氮气发生反应而无法获得期望的电阻值。因此,当需要在氮气气氛中对导电性浆料进行烧制的情况下,使用如下方法:涂布电阻浆料并在大气中进行烧制而形成电阻体之后,涂布导电性浆料并在氮气气氛中进行烧制来形成导体。
如上所述,通过预先进行烧制来形成电阻体,能够在氮气气氛中进行导体的形成。但是,由于通常在800℃-1000℃下进行形成导体时的热处理,因此虽然能够防止氮气对电阻体的影响,但是仍然存在高温下的热处理所导致的热履历对电阻体造成不良影响的情况。因此,寻求一种能够通过更低的温度例如750℃以下的热处理来进行烧制的导电性组合物。
例如,在专利文献1中,记载了由以铜粉、氧化亚铜粉、氧化铜粉以及玻璃粉作为主成分的无机成分和有机载体成分所组成的铜浆料组合物,并且记载了该铜浆料组合物特别适合于550-750℃下的低温烧制。但是,在其实施例中,作为在该铜浆料组合物中使用的玻璃粉,仅公开了含有铅的玻璃粉。
存在与铅玻璃料相比实质上不含有铅的无铅玻璃料与基板的润湿性较差的趋势。因此,使用无铅玻璃料的导电性组合物有时无法充分获得导体与基板的粘附性。特别是,烧制时的热处理温度越低则越显著地表现出该倾向。因此,寻求一种能够形成具有足够的导电性以及粘附性的导体的、使用无铅玻璃料的导电性组合物。
例如,在专利文献2中公开了一种铜浆料组合物,是至少含有铜粉、无铅玻璃料、氧化亚铜的铜浆料组合物,无铅玻璃料至少含有铋、硼以及硅的各氧化物、且软化开始温度为400℃以下。记载了该铜浆料组合物相对于陶瓷基板而粘附性优异的内容。
另外,在专利文献3中,公开了通过添加硼硅酸系玻璃料(SiO2-B2O3系)、硼硅酸钡系玻璃料(BaO-SiO2-B2O3系)等无铅玻璃料和以特定的比例含有氧化锌的硼硅酸锌系玻璃料作为在外部电极用铜浆料中使用的玻璃料而使得电气特性以及粘合强度优异的铜浆料。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开平03-141502号公报
专利文献2:日本特开2012-54113号公报
专利文献3:日本特开2002-280248号公报
发明内容
发明所要解决的问题
但是,在专利文献2及3所记载的铜浆料是在900℃的烧制下形成导体,对于在750℃以下的低温下烧制时是否也能获得具有足够的导电性以及粘附性的导体则没有进行研究。
本发明是鉴于这样的现状而研究得到的,其目的在于提供即使在750℃以下的温度下也能够进行烧制,具有与基板的良好的粘附性,导电性优异的导电性组合物。
用于解决问题的方法
本发明的第一方式提供一种导电性组合物,含有铜粉末、氧化亚铜、无铅玻璃料和羧酸系添加剂,以铜粉末为100质量份计,含有5.5质量份以上25质量份以下的氧化亚铜,无铅玻璃料含有硼硅酸锌系玻璃料和钒锌系玻璃料,硼硅酸锌系玻璃料含有氧化硼、氧化硅、氧化锌以及任意的其他成分、且含量在前三位的氧化物成分为氧化硼、氧化硅以及氧化锌,钒锌系玻璃料含有氧化钒、氧化锌以及任意的其他成分、且含量在前两位的氧化物成分为氧化钒以及氧化锌,并且,以铜粉末为100质量份计,含有0.1质量份以上5质量份以下的羧酸系添加剂。
另外,以无铅玻璃料为100质量%计,优选含有20质量%以上80质量%以下的钒锌系玻璃料。优选钒锌系玻璃料含有30质量%以上50质量%以下的氧化钒,并含有30质量%以上50质量%以下的氧化锌。另外,以无铅玻璃料为100质量%计,优选含有20质量%以上80质量%以下的硼硅酸锌系玻璃料。另外,优选硼硅酸锌系玻璃料含有25质量%以上45质量%以下的氧化锌。另外,以铜粉末为100质量份计,优选含有0.2质量份以上9质量份以下的无铅玻璃料。另外,羧酸系添加剂优选为选自油酸以及亚油酸中的至少一种。另外,以铜粉末为100质量份计,优选含有5.5质量份以上15质量份以下的氧化亚铜。另外,铜粉末优选含有球状粉末以及片状粉末中的至少一种。另外,铜粉末的平均粒径优选为0.2μm以上5μm以下。另外,以导电性组合物为100质量%计,优选含有10质量%以上50质量%以下的有机载体。
本发明的第二方式提供一种导体的制造方法,具备对上述导电性组合物通过750℃以下的热处理来进行烧制的工序。
本发明的第三方式提供一种电子部件的布线的形成方法,具备:将上述导电性组合物涂布在基板上的工序、以及对涂布后的基板通过750℃以下的热处理来进行烧制的工序。
发明效果
通过使用本发明的导电性组合物,能够形成与基板的粘附性优异、导电性更优异的导体。另外,本发明的导电性组合物能够在750℃以下的低温下进行烧制,因此通过使用本发明的导电性组合物,能够形成不会对电子部件的电阻体、内部元件等造成损害的导体。其结果是,能够以无铅且较小的不合格率来制造具有达到现有产品同等以上的电气特性的电子部件。
附图说明
图1是表示实施例1、6以及对比例6、7的评价结果的图表。
具体实施方式
1.导电性组合物
本实施方式的导电性组合物含有铜粉末、氧化亚铜、无铅玻璃料和羧酸系添加剂。导电性组合物不使用铅玻璃料,由此实质上不含有铅,环境特性优异。此外,无铅玻璃料是指不含有铅或者即使是含有铅的情况下其含量也极少的玻璃料(例如,相对于玻璃料整体,铅的含有率为0.1质量%以下)。另外,导电性组合物实质上不含有铅是指,例如,相对于导电性组合物整体,铅的含量为0.01质量%以下的状态。
以下,对构成导电性组合物的各成分进行说明。
(1)铜粉末
本实施方式的导电性组合物含有铜粉末作为导电性成分。铜粉末的导电性、耐迁移性优异,且价格低。铜粉末由于容易被氧化,因此,在对导电性组合物进行热处理时,通常在氮气气氛中进行加热处理。
对铜粉末的制造方法没有特别限定,可以使用以往公知的方法,例如雾化法、湿式还原法、电解法等。例如,在使用雾化法的情况下,能够减小所得到的铜粉末中的杂质的残留浓度,并且能够减少所得到的铜粉末的颗粒的表面至内部的细孔,从而能够抑制铜粉末的氧化。
对铜粉末的形状以及粒径没有特别限定,可以根据对象电子部件而适当选择。铜粉末的形状,例如,可以使用球状、片状的铜粉末或它们的混合物。铜粉末,例如通过含有片状的铜粉末,有时会使铜粉末之间的接触面积增大而使得导电性优异。
铜粉末,在使用球状的铜粉末以及片状的混合物的情况下,可以根据用途而适当地选择球状的铜粉末以及片状的混合比例。混合比例,例如,以铜粉末整体为100质量份计,可以含有10质量份以上90质量份以下的球状的铜粉末,并含有90质量份以下10质量份以上的片状的铜粉末。
铜粉末的粒径,例如,当为球状的铜粉末的情况下,可以设为平均粒径为0.2μm以上5μm以下。例如,当为片状的铜粉末的情况下,可以将扁平成片状的粒径设为3μm以上30μm以下的程度。当粒径处于上述范围的情况下,相对于小型化的电子部件的适用性优异。此外,在球状的铜粉末的情况下,该平均粒径是指堆积累计分布的中值粒径(D50),可以通过基于激光衍射/散射法的粒度分布测定装置进行测定。在片状的铜粉末的情况下,可以通过电子显微镜观察来测定粒径。
另外,铜粉末既可以使用具有相同粒径的粉末,也可以混合使用具有不同粒径的两种以上的粉末。
此外,通常,通过减小导电性粉末的粒径,能够容易进行烧制,但是例如当球状的铜粉末的平均粒径不足0.2μm的情况下,铜粉末容易被氧化,反之,不仅会发生烧结不良,有时还容易引起容量不足、浆料粘度随时间而变化等不良情况。本实施方式的导电性组合物,即使铜粉末的粒径例如为1μm以上,通过含有后述的特定的成分,即使是例如750℃以下的低温的热处理,也能够充分对铜粉末进行烧制。
(2)无铅玻璃料
本实施方式的导电性组合物含有硼硅酸锌系玻璃料和钒锌系玻璃料作为无铅玻璃料。导电性组合物通过含有组合了上述2种的玻璃料,即使在使用无铅玻璃料的情况下,对于铜粉末以及基板的润湿性且平衡良好且优异,因此该导电性组合物,即使是在750℃以下的温度下进行烧制的情况下,也能够得到导电性以及粘附性非常优异的导体。
硼硅酸锌系玻璃料是指含有氧化硼(B2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化锌(ZnO)以及任意的其他成分、且含量在前三位的氧化物成分为B2O3、SiO2以及ZnO的玻璃料。以硼硅酸锌系玻璃料为100质量%计,硼硅酸锌系玻璃料优选含有25质量%以上45质量%以下的ZnO,5质量%以上15质量%以下的SiO2,35质量%以上55质量%以下的B2O3
硼硅酸锌系玻璃料的组成中可以含有1种或2种以上的除上述以外的其他成分,例如可以含有Na2O等碱金属的氧化物、Al2O3等。上述其他成分的添加量分别优选为0.5质量%以上10质量%以下。
硼硅酸锌系玻璃料的软化点优选为600℃以下,更优选为400℃以上600℃以下,进一步优选为500℃以上600℃以下。当软化点在上述范围内的情况下,即使在进行低温烧制时,也能够得到导电性以及粘附性优异的导体。例如,可以通过适当地调整玻璃料的组成而对软化点进行控制。另外,软化点可以在大气气氛下以升温速度为10℃/分钟的条件通过热重-差热分析(TG-DTA)来进行测定。
对硼硅酸锌系玻璃料的粒径没有特别限定,例如平均粒径为1μm以上10μm以下,优选为1μm以上5μm以下。通过使硼硅酸锌系玻璃料的软化点在上述范围内且粒径在上述范围内,即使是在750℃以下的温度下进行烧制时,熔融的硼硅酸锌系玻璃的流动性也很优异,因此能够得到粘附性非常优异的导体。此外,平均粒径为堆积累计分布的中值粒径(D50),可以通过基于激光衍射/散射法的粒度分布测定装置来进行测定。在激光衍射/散射式的粒径粒度分布测定装置中,已知有被称为Microtrac(注册商标)的测定装置。
钒锌系玻璃料是含有氧化钒(V2O5)、氧化锌(ZnO)以及任意的其他成分、且含量在前两位的氧化物成分为V2O5以及ZnO的玻璃料。钒锌系玻璃料优选含有30质量%以上50质量%以下的ZnO、且优选含有30质量%以上50质量%以下的V2O5。钒锌系玻璃料通过含有V2O5,即使在以低温进行热处理的情况下,也能够得到流动性优异、向基板的渗透性优异的导电性组合物。
钒锌系玻璃料的组成可以含有1种或2种以上的除上述以外的其他成分,例如,可以含有CaO等碱金属氧化物、B2O3、Bi2O3、Al2O3等。上述其他成分的添加量分别优选为0质量%以上10质量%以下。
钒锌系玻璃料,其软化点优选为600℃以下,更优选为300℃以上500℃以下,进一步优选为350℃以上450℃以下。当软化点在上述范围内的情况下,能够形成流动性优异的导电性组合物。例如,可以通过适当地调整玻璃料的组成而对软化点进行控制。另外,软化点可以在大气气氛下以升温速度为10℃/分钟的条件通过热重-差热分析(TG-DTA)来进行测定。
对钒锌系玻璃料的粒径没有特别限定,例如平均粒径为1μm以上10μm以下,优选为1μm以上5μm以下。当钒锌系玻璃料的软化点在上述范围内且粒径在上述范围内的情况下,即使是在750℃以下的温度下进行烧制时,熔融的钒锌系玻璃的流动性也很优异,因此能够得到粘附性非常优异的导体。此外,该平均粒径为堆积累计分布的中值粒径(D50),可以通过基于激光衍射/散射法的粒度分布测定装置来进行测定。
另外,可以使用硼硅酸锌系玻璃料的软化点比上述钒锌系玻璃料的软化点更高的物质。导电性组合物通过含有具有不同软化点的玻璃料,从对导电性组合物进行烧制时的升温过程开始熔融的玻璃的流动性优异、导电性成分以及相对于基板的润湿性的平衡良好且优异,因此能够得到粘附性非常优异的导体。另外,上述玻璃料所包含的ZnO,在干燥、烧制工序时,被来源于有机载体的残留炭(煤、碳)还原成锌,能够通过该锌而抑制铜粉末的氧化。此外,玻璃料中的ZnO的功能并不限于上述内容。
无铅玻璃料的含量例如可以根据作为涂布的对象的电子部件、由所使用的玻璃料的种类、铜粉末的含量而得到的特性等适当地选择。无铅玻璃料的含量,以铜粉末为100质量份计,例如其下限为0.2质量份以上,优选为1质量份以上,更优选为2质量份以上。通过将无铅玻璃料的含量的下限设定在上述范围内,使得与基板的粘附性更加优异。对无铅玻璃料的含量的上限没有特别限定,以铜粉末为100质量份计,例如其上限为15质量份以下。在将本实施方式的导电性组合物用于形成导体图案的情况下,其上限优选为9质量份以下,更优选为6质量份以下,进一步优选为5质量份以下。通过将无铅玻璃料的含量的上限设定为上述范围内,所形成的电极的焊料接合性更加优异。当无铅玻璃料的含量过多的情况下,由于在烧结时多余的玻璃被挤出到导体外部而成为在电极的表面上残存有剩余玻璃的状态,使焊料接合性变差。
另外,无铅玻璃料的含量,例如,相对于导电性浆料整体,可以设为0.5质量%以上10质量%以下的范围内,其中,优选为2质量%以上8质量%以下。
钒锌系玻璃料的含量,相对于无铅玻璃料整体,例如为10质量%以上90质量%以下,优选为20质量%以上80质量%以下,更优选为40质量%以上60质量%以下。本实施方式中,当钒锌系玻璃料的含量在上述范围内时,所形成的导体的导电性以及与基板的粘附性的平衡良好且优异。
硼硅酸锌系玻璃料的含量,例如,相对于无铅玻璃料整体,为90质量%以下10质量%以上,优选为80质量%以下20质量%以上,更优选为60质量%以下40质量%以上。在本实施方式中,当硼硅酸锌系玻璃料的含量在上述范围内时,所形成的导体的导电性以及与基板的粘附性的平衡良好且优异。
相对于无铅玻璃料整体,ZnO的含量优选为30质量%以上50质量%以下,更优选为35质量%以上40质量%以下。当ZnO的含量在上述范围内时,与基板的粘附性更加优异。
另外,相对于无铅玻璃料整体,V2O5的含量优选为5质量%以上50质量%以下,更优选为10质量%以上30质量%以下,进一步优选为10质量%以上25质量%以下。当V2O5的含量在上述范围内时,与基板的粘附性更加优异。
另外,B2O3的含量,相对于无铅玻璃料整体,优选为3质量%以上50质量%以下,更优选为10质量%以上45质量%以下,进一步优选为20质量%以上40质量%以下。另外,SiO2的含量,相对于无铅玻璃料整体,优选为2质量%以上10质量%以下。
(3)氧化亚铜
本实施方式的导电性组合物含有氧化亚铜(氧化铜(I):Cu2O)。由此,能够促进低温烧制用铜导电浆料的铜粉末之间的烧结。
以铜粉末为100质量份计,氧化亚铜的含量例如可以优选为5.5质量份以上25质量份以下,更优选为7质量份以上25质量份以下,进一步优选为10质量份以上15质量份以下。当氧化铜的含量在上述范围内的情况下,促进铜粉末之间的烧结,具有更优异的导电性以及粘附性。此外,以铜粉末为100质量份计,当氧化亚铜的含量超过25质量份的情况下,即使含有后述的羧酸系添加剂,对铜的烧结没有帮助的多余的氧化铜也会形成电阻,有时导电性会不足。
无铅玻璃料存在若在非氧化性气氛中(例如氮气气氛中等)进行烧制则相对于基板的粘附性变得不足的倾向。但是,若在将含有无铅玻璃料和氧化亚铜的导电性组合物例如制备成浆料状之后在非氧化性气氛中进行热处理,则通过在热处理时将微量的氧从氧化亚铜导入至烧制气氛中,能够提高相对于基板的粘附性。另外,若氧化亚铜将氧释放至非氧化性气氛中则变为铜,与铜粉末一起形成通过对导电性组合物进行烧制而得到的导体。根据本实施方式的导电性组合物,通过将硼硅酸锌系玻璃料、钒锌系玻璃料和氧化亚铜进行组合,能够显著提高导电性以及相对于基板的粘附性。此外,本实施方式的导电性组合物可以在不阻碍上述效果的范围内含有少量的氧化铜(氧化铜(II):CuO)。以铜粉末为100质量份计,例如可以含有0质量份以上5质量份以下的氧化铜。
氧化亚铜为粉末状,其平均粒径优选为5μm以下。通过使用平均粒径为5μm以下的氧化亚铜粉末,能够在导电性组合物中分散地配合氧化亚铜。对氧化亚铜的平均粒径的下限没有特别限定,例如可以设为0.1μm以上。此外,氧化亚铜的平均粒径可以通过电子显微镜观察、基于激光衍射/散射法的粒度分布测定装置进行测定。
(4)羧酸系添加剂
本实施方式的导电性组合物通过含有羧酸系添加剂,进一步提高了上述氧化亚铜促进铜粉末之间的烧结的效果,能够形成粘附性、导电性等更加优异的导体。
如上所述,氧化亚铜具有促进铜粉末之间的烧结的效果,由于铜粉末的烧结而使导电性提高,但是并非所有的氧化亚铜都能够促进烧结,有时一部分还以未反应的状态存在。
据考虑,本实施方式的导电性组合物通过含有羧酸系添加剂而能够使该未反应的氧化亚铜进一步发生反应。而且,据考虑,通过氧化亚铜的反应,可提高铜粉末之间的烧结性,并且减少在导体中残留而成为电阻成分的氧化亚铜,从而能够进一步提高导电性。
以铜粉末为100质量份计,羧酸系添加剂的含量例如可以优选为0.1质量份以上5.0质量份以下,更优选为1.0质量份以上4.0质量份以下,进一步优选为2.0质量份以上3.0质量份以下。以铜粉末为100质量份计,当羧酸系添加剂的含量超过5.0质量份的情况下,在向导电性组合物中添加有机载体并形成浆料状的组合物时,有时会发生由该浆料状的组合物得到的导体的粘附性降低、由于长期保存铜粉末溶解而使浆料状的组合物变色等问题。
羧酸系添加剂是指具有羧基的分散剂,优选为在常温下为液态的不饱和脂肪酸。作为羧酸系添加剂,例如,可列举为肉豆蔻脑酸、棕榈油酸、油酸、亚油酸等,进一步优选地,更优选为选自油酸及亚油酸中的至少一种。
另外,羧酸系添加剂还具备在本发明所涉及的导电性组合物中添加有机载体而形成浆料状组合物的情况下的、作为使铜粉末和无铅玻璃料分散在有机载体中的分散剂的功能。从得到作为针对有机载体的分散剂的功能的观点出发,羧酸系添加剂优选为碳原子数为14至18的不饱和羧酸。
(5)有机载体
本实施方式的导电性组合物可以含有有机载体。有机载体能够对导电性组合物的粘度进行调整而形成具有适当的印刷性的浆料状的组合物。
对有机载体的组成没有特别限定,可以使用在导电性浆料中所使用的公知的有机载体。有机载体例如含有树脂成分和溶剂。作为树脂成分,例如,可以使用纤维素树脂、丙烯酸树脂等。作为溶剂,例如,可以单独使用或多种混合地使用萜品醇、二氢萜品醇等萜烯系溶剂、乙基卡必醇、丁基卡必醇等醚系溶剂。
有机载体是在对导电性组合物进行干燥或烧制时挥发或燃烧的成分,因此对导电性组合物中的有机载体的含量没有特别限定。只要以使得导电性组合物具有适度的粘性以及涂布性的方式来添加有机载体即可,可以根据用途等适当地对其含量进行调整。例如,以浆料状的导电性组合物(导电性浆料)为100质量%计,可以含有10质量%以上50质量%以下的有机载体。
此外,本实施方式的导电性组合物可以在起到本发明的效果的范围内含有其他成分。例如,作为上述其他成分,可以在导电性组合物中适当地添加消泡剂、分散剂、偶联剂等。
(6)导电性组合物的特性
本实施方式的导电性组合物,烧制后的导体的导电性以及与基板的粘合性非常优异,因此能够适合用于形成导体。另外,本实施方式的导电性组合物,能够通过750℃以下的热处理进行烧制,进一步地还能够通过600℃以下的热处理进行烧制,所形成的导体显示出优异的导电性以及与基板的粘合性。因此,本实施方式的导电性组合物能够适合作为低温烧制用的导电性浆料来使用。
本实施方式的导电性组合物,在600℃下烧制的导体的换算成膜厚为10μm的面积电阻值优选为10mΩ以下,更优选为5mΩ以下。此外,该面积电阻值是通过后述的实施例中所记载的方法测定的值。
另外,本实施方式的导电性组成物在600℃下烧制得到的导体的剥离强度(peelstrength)优选为20N以上,更优选为25N以上。另外,通过调整上述导电性组成物的各成分的配合比例,能够设为30N以上,进一步地能够设为40N以上。此外,剥离强度,例如是在将上述导电性组合物在600℃下进行烧制而制备的铜导体上通过3Ag-0.5Cu-Sn焊料而安装直径为0.6mm的镀锡铜导线之后,对上述镀锡铜导线进行拉伸而将其破坏时测定的值,是对电子部件的基板和导体的粘附性进行评价的值。
此外,本实施方式的导电性组合物还可以用于在电子部件的表面上形成的布线、电极等导体以外的其他用途,例如,还可以作为将叠层陶瓷电容器的内部电极、外部电极、作为焊料替代品的电子元件等芯片部件粘合在引线框架、各种基板上而使其电导通或热导通的材料来使用。
2.导体的形成方法
下面,对本实施方式的导体的形成方法进行说明。
首先,准备含有铜粉末、氧化亚铜、无铅玻璃料和羧酸系添加剂的导电性组合物。使用含有硼硅酸锌系玻璃料和钒锌系玻璃料的无铅玻璃料。通过调整有机载体中的溶剂的量并与导电性组合物混合,从而制备适度地调整了粘度的浆料(导电性浆料)。导电性浆料中的各成分的组成、配合比例等如上所述。
接着,将导电性浆料印刷或涂布在由陶瓷等形成的基板等之后,经过所需的工序进行烧制而形成导体。一般而言,通过800℃以上1000℃以下的热处理来进行烧制。本实施方式的导电性浆料即使是不足800℃的热处理也能够充分进行烧制,例如通过750℃以下的热处理也能够进行烧制,通过650℃以下的热处理也能够进行烧制。另外,根据本实施方式的导电性浆料,如后述的实施例所示,即使在通过600℃的热处理进行烧制的情况下,也能够得到导电性以及与基板的粘附性非常优异的导体。
对烧制的热处理温度的下限没有特别限定,例如为400℃以上。另外,烧制处理的时间,在峰值温度下,例如为5分钟以上20分钟以下。
另外,可以在烧制前进行干燥。对干燥的条件没有特别限定,例如,可以以50℃-150℃、5分钟-15小时的程度来进行。另外,对烧制炉内的燃尽区的氧浓度没有特别限定,例如可以设为100ppm左右。
可以通过将上述导电性浆料涂布在陶瓷基板的表面或在陶瓷基板上形成的电子部件上并进行烧制来制造形成有电路的电子部件。另外,可以通过将上述导电性浆料涂布在陶瓷基板上以及对涂布后的基板进行烧制来制造形成有布线的电子部件。若在该电子部件的制造方法中使用本实施方式的导电性组合物,则能够通过750℃以下的热处理进行烧制,因此能够减小对电阻体、内部元件等的损害。另外,热处理还可以在650℃以下进行,进一步地还可以在600℃以下进行。通过该制造方法形成的导体,导电性以及与基板的粘附性非常优异。
【实施例】
接下来,使用实施例和对比例对本发明进行说明,但本发明不受这些实施例的任何限定。
1.原料
(1)铜粉末(球状):使用通过雾化法制造的平均粒径为0.3μm、1.0μm、2.5μm的球状的铜粉末。
(2)铜粉末(片状):使用将通过上述方法制备的球状的铜粉末用作原料并通过湿式球磨法使其片状化而使粒径达到10μm的片状的铜粉末。
(3)无铅玻璃料
·硼硅酸锌玻璃料:作为软化点为535℃的ZnO-SiO2-B2O3系玻璃料,使用含有36质量%的ZnO、10质量%的SiO2、45质量%的B2O3、且平均粒径为1.5μm的玻璃料。
·钒锌系玻璃料:作为软化点为405℃的ZnO-V2O5系玻璃料,使用含有41质量%的ZnO、39.5质量%的V2O5、且平均粒径为3.5μm的玻璃料。
·硼硅酸铋系玻璃料:作为软化点为580℃的Bi2O3-SiO2-B2O3系玻璃料,使用含有34.1质量%的Bi2O3、24.4质量%的B2O3、17质量%的SiO2、且平均粒径为1.5μm的玻璃料。将和铜粉末一起使用的无铅玻璃料的组成示于表1。
通过Microtrac测定球状的铜粉末和无铅玻璃料的平均粒径。片状的铜粉末的平均粒径通过扫描型电子显微镜观察来进行测定。另外,无铅玻璃料的软化点在大气气氛下以升温速度为10℃/分钟的条件通过热重-差热分析(TG-DTA)来进行测定。
Figure GDA0002298442900000131
(4)使用平均粒径为3μm的氧化亚铜。
(5)另外,作为羧酸系添加剂使用油酸和亚油酸。
2.导电性浆料的制造
(有机载体的制备)
相对于80质量%的萜品醇,一边以乙基纤维素为18质量%、丙烯酸树脂为2质量%的比例混合并搅拌,一边加热到60℃,制备透明且粘稠的有机载体。
(导电性浆料的制备)
利用混合机将铜粉末、玻璃料、氧化亚铜、油酸或亚油酸以及如上所述制备的有机载体混合,得到混合物。各成分的配合比率如表2所示。利用三辊研磨机对该混合物进行混炼,制备导电性浆料。
3.评价用的导体的形成
(1)面积电阻值评价用试样
将金浆料印刷在氧化铝基板上并进行烧制,准备形成有电极间距离为50mm的金(Au)电极的氧化铝基板。在上述基板的表面上,使用宽度为0.5mm、电极间距离为50mm的图案,并以烧制后的厚度为10μm~13μm的方式,将所得到的导电性浆料印刷在Au电极间。将该印刷后的氧化铝基板在120℃下进行热处理,使导电性浆料干燥。利用氮气气氛带式炉,对干燥处理后的氧化铝基板以峰值温度为600℃、峰值温度持续时间为10分钟、从炉入口到出口为60分钟的配置进行热处理,对导电性浆料进行烧制。炉内的烧制区的氧浓度设为5ppm、向在升温至600℃的过程中(从炉入口至600℃的区域)设置的燃尽区导入干燥空气,将氧浓度设定为200ppm、400ppm以及600ppm的各浓度。此外,氧浓度使用氧化锆氧浓度计(东丽制造:型号LC-750)来进行测定并调整至各浓度。
(2)粘附性评价用的试样
在氧化铝基板上,以2mm×2mm的图案印刷上述低温烧制用铜导电性浆料,并在与上述面积电阻值评价用试样的制备条件相同的条件下进行烧制,制备粘附性评价用的试样(烧制后的厚度为10μm)。
(3)形成的导体的特性评价
(3-1)面积电阻值(导电性)
使数字万用表(株式会社Advantest制造)的电阻值测定用探针与上述得到的面积电阻值评价用试样的Au电极之间接触,对导体的电阻值R[t]进行测定。接着,将该电阻值R[t]换算为面积电阻值Rs[t](=R(t)×W/L)。使用该值算出导体的厚度为10μm的情况下的面积电阻值Rs0(=Rs[t]×t/10)(mΩ/□)。此外,t表示导体的厚度,W表示导体的宽度,L表示导体的长度。将上述的结果示于表2。
(3-2)与基板的粘附性
使用组成为96.5质量%Sn-3质量%Ag-0.5质量%Cu的焊料将直径为0.6mm的镀锡铜导线焊接在所得到的粘附性评价用的试样的铜导体上,并使用负荷测定器(AIKOHENGINEERING(株)制造,MODEL2152HTP)在垂直方向上以80mm/min的速度进行拉伸,测定20次导体从基板剥离时的剥离强度(peelstrength),并以其平均值进行评价。
Figure GDA0002298442900000161
[评价结果]
如表2所示,根据实施例的导电性组合物,能够得到具有相对于基板的足够的粘附性、且具有足够的导电性的导体。另外,相对于玻璃料整体(100质量%),实施例1-12的导电性组合物的钒锌系玻璃料的含量分别在10质量%-90质量%的范围内,导电性以及粘附性均很优异。其中,钒锌系玻璃料的含量为40质量%-60质量%的实施例3-实施例7、实施例10-实施例12的粘附性非常优异。另外,使用球状的铜粉末(平均粒径为1.0μm或2.5μm)和片状的铜粉末的实施例13-23也同样地具有结果良好、且导电性优异的趋势。
与此相对,作为玻璃料仅使用了硼硅酸锌系玻璃料的对比例1的粘附性非常差,未能形成稳定的导体。另外,在作为玻璃料仅使用了钒锌系玻璃料的对比例2中,玻璃成分过度渗透于基板,无法保持导体的形状(布线形状)而未能进行粘附性的评价。
另外,在作为玻璃料使用了硼硅酸锌系玻璃料和硼硅酸铋系玻璃料的对比例3中,可确认玻璃未充分地熔融而粘附性较差。另外,氧化亚铜的含量不足5.5质量份的对比例4的粘附性非常差,未能形成稳定的导体。
在过量地含有羧酸系添加剂的油酸的对比例5中,可确认导电性、粘附性较差。可以认为这是因为过量存在的油酸不但提高了氧化亚铜的烧结性,还引起了铜粉末的溶解等,反而导致导电性等降低。另外,可确认,对比例4的试样,由于过量的油酸使铜粉末溶解,因此所制备的导电性浆料随着时间的变化而产生变色。
另外,除了不含有羧酸系添加剂以外,在与实施例1相同的条件下得到的对比例6的导体,在与实施例1的导体相比较的情况下,显示出导电性以及粘附性的降低(参照图1)。另外,除了不含有羧酸系添加剂以外,在与实施例6相同的条件下得到的对比例7的导体也显示出同样的趋势(参照图1)。由该结果所示,通过含有羧酸系添加剂,可进一步提高导电性以及粘附性。
如上所述明确可知,通过使用本实施方式的导电性组合物,在750℃以下,例如600℃左右的低温下进行烧制的情况下,能够形成导电性以及与基板的粘附性非常优异的导体图案。
产业上的可利用性
本实施方式的导电性组合物,通过含有铜粉末、特定的无铅玻璃料和氧化亚铜,导电性以及与基板的粘合强度非常优异,能够适合用于形成布线等电路。另外,本实施方式的导电性组合物还可以作为电子部件的内部电极、外部电极、焊料替代品等使用。
此外,本发明的技术范围并不限定于上述实施方式。例如,有时将在上述实施方式中说明的要件中的一个以上省略。另外,可以适当地将在上述实施方式中说明的要件组合。另外,只要法律上允许,援引日本专利申请的特愿2017-089294以及在上述实施方式等中引用的全部的文献的内容并作为本文的记载的一部分。

Claims (13)

1.一种导电性组合物,含有铜粉末、氧化亚铜、无铅玻璃料和羧酸系添加剂,
以所述铜粉末为100质量份计,含有5.5质量份以上25质量份以下的所述氧化亚铜,
所述无铅玻璃料含有硼硅酸锌系玻璃料和钒锌系玻璃料,
所述硼硅酸锌系玻璃料含有氧化硼、氧化硅、氧化锌以及任意的其他成分、且含量在前三位的氧化物成分为氧化硼、氧化硅以及氧化锌,
所述钒锌系玻璃料含有氧化钒、氧化锌以及任意的其他成分、且含量在前两位的氧化物成分为氧化钒以及氧化锌,
以所述铜粉末为100质量份计,含有0.1质量份以上5质量份以下的所述羧酸系添加剂。
2.根据权利要求1所述的导电性组合物,其特征在于,以所述无铅玻璃料为100质量%计,含有20质量%以上80质量%以下的所述钒锌系玻璃料。
3.根据权利要求1或2所述的导电性组合物,其特征在于,所述钒锌系玻璃料含有30质量%以上50质量%以下的氧化钒,并含有30质量%以上50质量%以下的氧化锌。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的导电性组合物,其特征在于,以所述无铅玻璃料为100质量%计,含有20质量%以上80质量%以下的所述硼硅酸锌系玻璃料。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的导电性组合物,其特征在于,所述硼硅酸锌系玻璃料含有25质量%以上45质量%以下的氧化锌。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的导电性组合物,其特征在于,以所述铜粉末为100质量份计,含有0.2质量份以上9质量份以下的所述无铅玻璃料。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的导电性组合物,其特征在于,所述羧酸系添加剂为选自油酸以及亚油酸中的至少一种。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的导电性组合物,其特征在于,以所述铜粉末为100质量份计,含有5.5质量份以上15质量份以下的所述氧化亚铜。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的导电性组合物,其特征在于,所述铜粉末含有球状粉末以及片状粉末中的至少一种。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的导电性组合物,其特征在于,所述铜粉末的平均粒径为0.2μm以上5μm以下。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的导电性组合物,其特征在于,以导电性组合物为100质量%计,含有10质量%以上50质量%以下的有机载体。
12.一种导体的制造方法,具备对权利要求1-11中任一项所述的导电性组合物通过750℃以下的热处理来进行烧制的工序。
13.一种电子部件的布线的形成方法,具备:将权利要求1-11中任一项所述的导电性组合物涂布在基板上的工序、以及对涂布后的所述基板通过750℃以下的热处理来进行烧制的工序。
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