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CN105210156A - 铜微粒分散体、导电膜形成方法以及电路板 - Google Patents

铜微粒分散体、导电膜形成方法以及电路板 Download PDF

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CN105210156A
CN105210156A CN201480025673.0A CN201480025673A CN105210156A CN 105210156 A CN105210156 A CN 105210156A CN 201480025673 A CN201480025673 A CN 201480025673A CN 105210156 A CN105210156 A CN 105210156A
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CN201480025673.0A
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川户祐一
有村英俊
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Ishihara Chemical Co Ltd
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Abstract

本发明要解决的技术问题是提供一种铜微粒分散体，所述铜微粒分散体能够通过光烧结在无机基材上形成具有良好的粘附性的导电膜。本发明提供的解决方案是提供包含分散介质和铜微粒11的铜微粒分散体1。铜微粒11分散于分散介质中。铜微粒分散体1包含粘附改善剂，所述粘附改善剂用于改善导电膜4和基材之间的粘附性，所述导电膜4通过使铜微粒11光烧结而形成于基材上。基材为无机基材3。粘附改善剂为含有磷原子的化合物。因此，粘附改善剂改善了导电膜4和无机基材3之间的粘附性。

Description

铜微粒分散体、导电膜形成方法以及电路板
技术领域
本发明涉及铜微粒分散体、使用该铜微粒分散体的导电膜形成方法以及通过使用该导电膜形成方法而制备的电路板。
背景技术
传统上，印刷电路板通过光刻在基材上形成铜箔电路。光刻需要蚀刻铜箔的步骤，其招致例如处理由蚀刻产生的废水的费用。
作为无需蚀刻的技术，已知如下的一种方法，其包括将涂布液涂布到物体表面(其上待形成膜)上，所述涂布液通过将金属微粒分散至溶剂(分散介质)中而制得，以及通过光辐照该涂布液使金属微粒熔化来形成金属膜(导电膜)(例如参见专利文献1)。在该方法中，金属微粒为Ag粉末或ITO粉末，其通过光辐照进行光烧结。
在上述方法中，使用对由吸收光能的金属微粒所产生的热具有抗性的材料作为成膜物体的材料。然而，在使用铜微粒作为金属微粒和使用无机基材如玻璃作为成膜物体的情况下，无机基材经受铜微粒产生的热，但是难于在通过光烧结而形成的导电膜和无机膜之间获得令人满意的粘附性。
引用列表
专利文献
专利文献1:JP2004-277832A
发明概述
技术问题
提出本发明以解决上述问题，且本发明的目的在于提供铜微粒分散体(其能够通过光烧结在无机基材上形成具有良好的粘附性的导电膜)、使用该铜微粒分散体的导电膜形成方法以及通过使用该导电膜形成方法而制备的电路板。
解决问题的方案
本发明的铜微粒分散体包含分散介质和分散于该分散介质中的铜微粒，其特征在于铜微粒分散体包含粘附改善剂，该粘附改善剂改善导电膜和基材之间的粘附性，所述导电膜通过使铜微粒光烧结而形成在基材上；基材为无机基材；且粘附改善剂是含有磷原子的化合物。
在铜微粒分散体中，无机基材可以优选选自玻璃、陶瓷、硅晶片和铝。
在铜微粒分散体中，可以优选将粘附改善剂添加至分散介质中。
在铜微粒分散体中，粘附改善剂可以优选选自羟基乙叉二膦酸、乙二胺四亚甲基膦酸、磷酸、四丁基硫酸鏻、辛基膦酸以及含有磷原子的聚合物。
在铜微粒分散体中，粘附改善剂可以优选具有使铜微粒分散于分散介质中的功能。
在铜微粒分散体中，粘附改善剂可以优选选自磷酸酯和高分子量磷酸酯。
在铜微粒分散体中，分散介质可以包含含有磷原子的化合物。
本发明的导电膜形成方法的特征在于，包括在无机基材上形成铜微粒分散体的膜的步骤；和通过用光辐照膜以使膜中的铜微粒光烧结而形成导电膜的步骤。
本发明的电路板的特征在于，包含在包括无机基材的基板上的电路，该电路包含通过该导电膜形成方法而形成的导电膜。
由于粘附改善剂改善了导电膜和无机基材之间的粘附性，本发明的铜微粒分散体实现了通过光烧结在无机基材上形成具有良好的粘附性的导电膜。
附图简要说明
[图1]
图1(a)至1(d)是以时间顺序显示使用根据本发明的一个实施方式的铜微粒分散体形成导电膜的横截面示意图。
实施方式描述
描述根据本发明的一个实施方式的铜微粒分散体。铜微粒分散体包含分散介质和铜微粒。铜微粒分散于分散介质中。铜微粒分散体包含粘附改善剂。粘附改善剂用于改善通过使铜微粒光烧结而在基材上形成的导电膜和基材之间的粘附性(也称为附着性)。基材为无机基材或含有无机材料的基材。粘附改善剂是含有磷原子的化合物。
无机基材可以是，但不限于玻璃、陶瓷、硅晶片、铝或类似物。含有无机材料的基材是例如有机-无机复合材料如玻璃环氧树脂。
在本实施方式中，铜微粒是平均粒径为约20nm或更大至约1500nm或更少的铜颗粒。对铜微粒的粒径没有限制，只要铜微粒是分散于分散介质中。可以单独使用具有相同的平均粒径的铜微粒，或者可以混合使用具有两种或更多种平均粒径的铜微粒。铜微粒分散体是液体分散体系，其中铜微粒分散在分散介质中。该分散介质可以是但不限于乙二醇、二乙二醇或类似物。
向例如分散介质添加粘附改善剂。可以在铜微粒分散体的制造期间添加粘附改善剂，或在制造铜微粒分散体之后并在其使用之前添加粘附改善剂。粘附改善剂的实例包括但不限于羟基乙叉二膦酸、乙二胺四亚甲基膦酸、磷酸、四丁基硫酸鏻、辛基膦酸以及含有磷原子的聚合物。粘附改善剂可以单独使用或者如果需要的话可以以其两种或更多种的组合形式使用。
在本实施方式中，向分散介质添加分散剂。分散剂使铜微粒分散于分散介质中。当不使用分散剂而分散铜微粒时，不必添加分散剂。
可以使用具有使铜微粒分散至分散介质中的功能的粘附改善剂。在这种情况下，粘附改善剂也充当分散剂。这样的粘附改善剂可以是但不限于磷酸酯、高分子量磷酸酯或类似物。
分散介质可以包含含有磷原子的化合物。在这种情况下，分散介质也充当粘附改善剂。
将参照图1(a)至1(d)描述使用该实施方式的铜微粒分散体的导电膜形成方法。如图1(a)和1(b)中所示，在无机基材3上形成包含铜微粒分散体1的膜2。在膜2中，分散有铜微粒11。膜2通过例如印刷法形成。在印刷法中，铜微粒分散体1用作印刷油墨，通过印刷设备在物体上印刷预先确定的图案以形成具有该图案的膜2。印刷设备可以是例如丝网印刷机、喷墨印刷机或类似物。膜2可以通过旋涂或类似方法形成。
接着，使膜2干燥。如图1(c)中所示，干燥膜2，使得膜2中的液体组分蒸发；铜微粒11和粘附改善剂保留在膜2中。膜2的干燥时间随分散介质而不同，并且通常在100℃下的空气气氛中在30分钟内结束。在某些情况下可以省略膜2的干燥步骤。
在随后的步骤中，用光辐照干燥膜2。在膜2中的铜微粒11通过光辐照被光烧结。铜微粒11通过光烧结而熔化，并焊接至无机基材3。光烧结是在室温下在空气中进行。用于光烧结的光源可以是例如氙灯。可以用激光装置作为光源。从光源辐照的光的能量范围可以为0.1J/cm2或更多至100J/cm2或更少。辐照时间可以为0.1ms或更多至100ms或更少。辐照频率可以为一次或多于一次(其通过多步骤辐照进行)。可以通过改变光能量进行多次辐照。光能量和辐照频率不限于这些值。如图1(d)所示，通过铜微粒11的光烧结形成导电膜4。如此形成的导电膜4的结构是连续膜。在省略光辐照之前的膜2的干燥的情况下，当膜2中的铜微粒11被光烧结时，膜2同时通过光辐照而干燥。
在使用包含含有磷原子的化合物(粘附改善剂)的铜微粒分散体1的情况下，通过光烧结而形成的导电膜4对无机基材3具有良好的粘附性。本发明的发明人通过进行多次实验发现铜微粒分散体1的组成。在导电膜4和无机基材3之间良好的粘附性通常归因于以下作用。当铜微粒11光烧结时，至少部分粘附改善剂被热分解或光分解以产生磷原子(P)。磷原子被立即氧化，使得产生磷的氧化物。氧化磷原子的氧存在于铜微粒11的表面氧化膜上以及存在于空气中。P2O5(其是磷氧化物的一种)是形成玻璃的氧化物。由P2O5形成的玻璃被归类为低熔点玻璃。低熔点玻璃使金属粘附至玻璃或类似物。因此，P2O5充当粘附剂以改善导电膜4和无机基材3之间的粘附性。上述作用是解释实验结果的一个示例理论，并且不限制该铜微粒分散体1。
将描述采用上述导电膜形成方法制造的电路板。电路板在基板上具有电路。该基板通过将无机基材3例如玻璃或陶瓷制成板状而得到。电路具有通过该导电膜形成方法而形成的导电膜4。导电膜4形成例如使电路元件彼此电连接的导线。导电膜4可以形成电路元件或部分电路元件例如电容器的线圈或电极。
根据本实施方式的铜微粒分散体1，因为粘附改善剂(其是含有磷原子的化合物)改善导电膜4和无机基材3之间的粘附性，可以通过光烧结在无机基材3上形成具有良好的粘附性的导电膜4。此外，通过使用铜微粒分散体1，可以在包括无机基材3的电路板上形成具有良好的粘附性的导电膜4。
制造了作为本发明的实施例的铜微粒分散体1以及用于比较的铜微粒分散体。通过使用铜微粒分散体的每一种，在无机基材3上形成导电膜4。在所形成的每一种导电膜4中，测量了电阻并评价了粘附性。
实施例1
制备铜微粒分散体，其中通过添加分散剂而将铜微粒分散在分散介质中。使用二甘醇作为分散介质。使用高分子量磷酸酯(商品名“DISPERBYK(注册商标)-111”，由BYK-Chemie制造)作为分散剂。分散剂是含有磷原子的化合物并且也用作粘附改善剂。粘附改善剂(分散剂)的浓度相对于铜微粒分散体为1质量％。余下的为分散介质。铜微粒的平均粒度为50nm，并且该铜微粒的浓度为40质量％。使用玻璃基板(商品名“EAGLEXG(注册商标)”，由CorningIncorporated制造)作为包括无机基材的基板。
通过旋涂法将铜颗粒分散体涂布至基板上以形成膜厚度为1μm的膜。用光辐照膜以使膜中的铜微粒进行光烧结。光辐照能量为11J/cm2。通过光烧结，在基板上形成导电膜。
测量薄层电阻作为所形成的导电膜的电阻。导电膜的薄层电阻低至350mΩ/sq。通过进行剥离测试以评价导电膜的粘附性。根据JISK5600的横切(cross-cut)测试方法进行剥离测试。在剥离测试中，该导电膜没有剥离。
实施例2
使用平均粒度为70nm的铜微粒。不同于实施例1，使用高分子量磷酸酯(商品名“DISPERBYK(注册商标)-102”，由BYK-Chemie制造)作为分散剂。该分散剂也用作粘附改善剂。除了上述变化外，在与实施例1相同的条件下在基板上形成导电膜。如此形成的导电膜具有350mΩ/sq的薄层电阻。在剥离测试中该导电膜没有剥离。
实施例3
将铜微粒浓度变为45质量％。使用聚氧乙烯十三烷基醚磷酸酯(商品名：“PLYSURF(注册商标)A212C”，由Dai-ichiKogyoSeiyakuCo.,Ltd.制造)作为分散剂。该分散剂也用作粘附改善剂。粘附改善剂(分散剂)的浓度为2质量％。除了上述变化外，在与实施例2相同的条件下在基板上形成导电膜。如此形成的导电膜具有300mΩ/sq的薄层电阻。在剥离测试中该导电膜没有剥离。
实施例4
不同于实施例3，使用磷酸酯(商品名：“PLYSURF(注册商标)AL”，由Dai-ichiKogyoSeiyakuCo.,Ltd.制造)作为分散剂。该分散剂也用作粘附改善剂。除了上述变化外，在与实施例3相同的条件下在基板上形成导电膜。如此形成的导电膜具有300mΩ/sq的薄层电阻。在剥离测试中该导电膜没有剥离。
实施例5
使用聚乙烯比咯烷酮(商品名：“PVPK25”)作为分散剂。分散剂的浓度相对于铜微粒分散体为2质量％。向分散介质中添加60质量％的羟基乙叉二膦酸溶液作为粘附改善剂。粘附改善剂的浓度为5质量％。除了上述变化外，在与实施例1相同的条件下在基板上形成导电膜。如此形成的导电膜具有290mΩ/sq的薄层电阻。在剥离测试中该导电膜没有剥离。
实施例6
向分散介质中添加90质量％的乙二胺乙二胺四亚甲基膦酸溶液作为粘附改善剂。除了上述变化外，在与实施例5相同的条件下在基板上形成导电膜。如此形成的导电膜具有310mΩ/sq的薄层电阻。在剥离测试中该导电膜没有剥离。
实施例7
向分散介质中添加100g/L的磷酸溶液作为粘附改善剂。除了上述变化外，在与实施例6相同的条件下在基板上形成导电膜。如此形成的导电膜具有290mΩ/sq的薄层电阻。在剥离测试中该导电膜没有剥离。
实施例8
向分散介质中添加80质量％的四丁基硫酸鏻溶液作为粘附改善剂。除了上述变化外，在与实施例7相同的条件下在基板上形成导电膜。如此形成的导电膜具有300mΩ/sq的薄层电阻。在剥离测试中该导电膜没有剥离。
实施例9
向分散介质中添加80质量％的辛基膦酸溶液作为粘附改善剂。除了上述变化外，在与实施例8相同的条件下在基板上形成导电膜。如此形成的导电膜具有320mΩ/sq的薄层电阻。在剥离测试中该导电膜没有剥离。
实施例10
使用平均粒径为20nm的铜微粒。向分散介质中添加与实施例9相同的分散剂。此外，向分散介质中添加高分子量磷酸酯(商品名“DISPERBYK(注册商标)-102”，由BYK-Chemie制造)作为粘附改善剂。该粘附改善剂的浓度为2质量％。除了上述变化外，在与实施例9相同的条件下在基板上形成导电膜。如此形成的导电膜具有280mΩ/sq的薄层电阻。在剥离测试中该导电膜没有剥离。
实施例11
使用乙二醇作为分散介质。使用平均粒径为100nm的铜微粒。得到的铜微粒分散体为糊状形式。通过拉伸(drawdown)涂布方法将该铜微粒分散体涂布至基板以形成膜厚度为2μm的膜。除了上述变化外，在与实施例10相同的条件下在基板上形成导电膜。如此形成的导电膜具有450mΩ/sq的薄层电阻。在剥离测试中该导电膜没有剥离。
实施例12
使用平均粒径为1500nm的铜微粒。铜微粒的浓度为60质量％。得到的铜微粒分散体为糊状形式。除了上述变化外，在与实施例11相同的条件下在基板上形成导电膜。如此形成的导电膜具有200mΩ/sq的薄层电阻。在剥离测试中该导电膜没有剥离。
实施例13
使用平均粒径为50nm的铜微粒。铜微粒的浓度为80质量％。得到的铜微粒分散体为糊状形式。除了上述变化外，在与实施例12相同的条件下在基板上形成导电膜。如此形成的导电膜具有250mΩ/sq的薄层电阻。在剥离测试中该导电膜没有剥离。
实施例14
使用包含石英玻璃的基板。除了上述变化外，在与实施例5相同的条件下在基板上形成导电膜。如此形成的导电膜具有270mΩ/sq的薄层电阻。在剥离测试中该导电膜没有剥离。
实施例15
使用载玻片作为基板。除了上述变化外，在与实施例14相同的条件下在基板上形成导电膜。如此形成的导电膜具有290mΩ/sq的薄层电阻。在剥离测试中该导电膜没有剥离。
实施例16
使用硅晶片作为基板。光辐照能量变为17J/cm2。除了上述变化外，在与实施例15相同的条件下在基板上形成导电膜。如此形成的导电膜具有500mΩ/sq的薄层电阻。在剥离测试中该导电膜没有剥离。
实施例17
使用铝箔作为基板。光辐照能量变为10J/cm2。除了上述变化外，在与实施例16相同的条件下在基板上形成导电膜。因为通过光辐照膜的外观变为金属铜的外观，如此形成了导电膜。由于基板是导电的，归因于测量条件而没有测量所形成的导电膜的薄层电阻。在剥离测试中该导电膜没有剥离。
实施例18
使用陶瓷(氧化铝)作为基板。光辐照能量变为8J/cm2。除了上述变化外，在与实施例16相同的条件下在基板上形成导电膜。如此形成的导电膜具有500mΩ/sq的薄层电阻。在剥离测试中该导电膜没有剥离。
比较实施例1
没有向分散介质中添加粘附改善剂。其它条件与实施例5相同。膜的外观变为金属铜的外观，但是未获得导电膜的粘附性，因此不可能在基板上形成导电膜。
比较实施例2
没有向分散介质中添加粘附改善剂。其它条件与实施例15相同。膜的外观变为金属铜的外观，但是未获得导电膜的粘附性，因此不可能在基板上形成导电膜。
比较实施例3
没有向分散介质中添加粘附改善剂。其它条件与实施例14相同。膜的外观变为金属铜的外观，但是未获得导电膜的粘附性，因此不可能在基板上形成导电膜。
比较实施例4
没有向分散介质中添加粘附改善剂。其它条件与实施例16相同。膜的外观变为金属铜的外观，但是未获得导电膜的粘附性，因此不可能在基板上形成导电膜。
比较实施例5
没有向分散介质中添加粘附改善剂。其它条件与实施例17相同。膜的外观变为金属铜的外观，但是未获得导电膜的粘附性，因此不可能在基板上形成导电膜。
比较实施例6
没有向分散介质中添加粘附改善剂。其它条件与实施例18相同。膜的外观变为金属铜的外观，但是未获得导电膜的粘附性，因此不可能在基板上形成导电膜。
如实施例1至18所示，使用粘附改善剂使得能够在包括无机基材的基板上形成具有良好的粘附性的导电膜。在其中不使用粘附改善剂的情况下，膜的外观变为金属铜的外观，但是未获得导电膜的粘附性，如比较实施例1至6所示。
本发明不限于上述实施方式的配置，可以在不背离本发明的主题的范围内进行修改。例如，无机基材3的形状不限于板状形状，并可以是任意选择的三维形状。
数字和符号说明
1：铜微粒分散体
11：铜微粒
2：膜
3：无机基材
4：导电膜
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种铜微粒分散体，包含分散介质和分散于所述分散介质中的铜微粒，其特征在于：
所述铜微粒分散体包含粘附改善剂，所述粘附改善剂改善导电膜和基材之间的粘附性，所述导电膜通过对铜微粒光烧结而形成于所述基材上；
所述基材为无机基材；且
所述粘附改善剂添加至所述分散介质中，其是选自羟基乙叉二膦酸、乙二胺四亚甲基膦酸、磷酸、四丁基硫酸鏻和辛基膦酸的含有磷原子的化合物。
2.根据权利要求1所述的铜微粒分散体，其特征在于所述无机基材选自玻璃、陶瓷、硅晶片和铝。
3.一种导电膜的形成方法，其特征在于包括以下步骤：
在无机基材上形成如权利要求1或2所述的铜微粒分散体的膜的步骤；和
通过用光辐照所述膜以使所述膜中的铜微粒光烧结而形成导电膜的步骤。
4.一种电路板，其特征在于包含在包括所述无机基材的基板上的电路，所述电路包含通过如权利要求3所述的导电膜形成方法而形成的导电膜。

Claims (9)

1.一种铜微粒分散体，包含分散介质和分散于所述分散介质中的铜微粒，其特征在于：
所述铜微粒分散体包含粘附改善剂，所述粘附改善剂改善导电膜和基材之间的粘附性，所述导电膜通过对铜微粒光烧结而形成于所述基材上；
所述基材为无机基材；且
所述粘附改善剂是含有磷原子的化合物。
2.根据权利要求1所述的铜微粒分散体，其特征在于所述无机基材选自玻璃、陶瓷、硅晶片和铝。
3.根据权利要求1或2所述的铜微粒分散体，其特征在于所述粘附改善剂添加至所述分散介质中。
4.根据权利要求3所述的铜微粒分散体，其特征在于所述粘附改善剂选自羟基乙叉二膦酸、乙二胺四亚甲基膦酸、磷酸、四丁基硫酸鏻、辛基膦酸以及含有磷原子的聚合物。
5.根据权利要求3所述的铜微粒分散体，其特征在于所述粘附改善剂具有使所述铜微粒分散于所述分散介质中的功能。
6.根据权利要求5所述的铜微粒分散体，其特征在于所述粘附改善剂选自磷酸酯和高分子量磷酸酯。
7.根据权利要求1或2所述的铜微粒分散体，其特征在于所述分散介质包含含有磷原子的化合物。
8.一种导电膜的形成方法，其特征在于包括以下步骤：
在无机基材上形成如权利要求1至7中任一项所述的铜微粒分散体的膜的步骤；和
通过用光辐照所述膜以使所述膜中的铜微粒光烧结而形成导电膜的步骤。
9.一种电路板，其特征在于包含在包括所述无机基材的基板上的电路，所述电路包含通过如权利要求8所述的导电膜形成方法而形成的导电膜。
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