JP4493995B2 - 導電性ペースト、導電機能部材、印刷回路部材 - Google Patents
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Description
このため、RF−ID(Radio Frequency-Identification:電波方式認識)用のアンテナコイル,プリント回路基板の回路,液晶ディスプレイの電極,キーボードのメンブレン回路等の印刷回路基板を形成する際に利用されている。
また、印刷回路基板以外にも、電子部品の端子やリード線の接着や、積層セラミックコンデンサの内部導体膜(層間接続導電層)の形成等にも利用されている。
このような導電性ペーストが用いられた印刷回路基板や電子部品を廃棄する際、導電性ペーストを構成する金属粉末と、樹脂ビヒクルなどの有機成分とを分離することが困難であるため、資源のリサイクルがほとんどなされることなく埋め立てや焼却により廃棄されている。
特に、従来の導電性ペーストは、金属粉末を主成分としており、この導電性ペーストを用いた印刷回路基板や電子部品を焼却しても金属成分は残留してしまうため、環境負荷は多大なものとなってしまう。
これにより、十分な導電性を得るために必要となる導電性粉末の含有量を従来に比べて低減できる。また、導電性ペースト中の導電性高分子ゲルは、樹脂バインダと同じ高分子化合物(有機化合物)であり、なじみ易く相容性に優れる。
これにより、導電性高分子ゲルのキャリヤの濃度を高めることができ、導電性を向上させることができる。
これにより、前記した導電機能部材と印刷回路部材では、十分な導電性を得るために必要となる導電性粉末の含有量を従来に比べて低減できる。
これにより、非接触型ICメディアとして使用できる。
また、本発明に係る導電機能部材と印刷回路部材によれば、配線が本発明の導電性ペーストから構成されたことによって、従来に比べて金属成分(導電性粉末)の含有量が少なく、印刷回路基板を廃棄した際、環境負荷を低減できる。
図1は、本発明の導電性ペースト1の一例を示す模式図である。この導電性ペースト1は、導電性高分子ゲル2と、導電性粉末3と、樹脂バインダ4とを少なくとも含有している。前記した導電性高分子ゲル2と導電性粉末3とが導電性ペースト1中の導電性材料である。
前記導電性高分子ゲル2は、水21を主成分とし、導電性共役系高分子22、界面活性剤23及び/又はアルコールを含んでなる。
導電性高分子ゲル2は、導電性共役系高分子22自体が、界面活性剤23及び/又はアルコールによってゲル化して形成されたものであり、例えば特願2003−19120にて提案されたものなどが適用できる。
図3(A)に示したように、PEDOT/PSSのコロイド水分散液は、水21中にPEDOT/PSS分子が分散している。このPEDOT/PSSのコロイド水分散液に、界面活性剤23を添加してゲル化条件に置くことにより図3(B)に示したように、界面活性剤23を介して3次元的なネットワークが形成され、その中に水21を包含して容易にゲル化し、本発明の導電性高分子ゲル2が得られる。
前記ドーパントとしては、例えばヨウ素,フッ化砒素,塩化鉄,過塩素酸,スルホン酸,パーフルオロスルホン酸,ポリスチレンスルホン酸,硫酸,塩酸,硝酸、およびこれらの誘導体から選択された少なくとも1つが挙げられるが、中でも、高い導電性を容易に調整できることから、ポリスチレンスルホン酸が好ましい。
カチオン性界面活性剤としては、例えば第4級アルキルアンモニウム塩,ハロゲン化アルキルピリジニウムなどを挙げることができる。
アニオン性界面活性剤としては、例えば、アルキル硫酸またはそのエステル塩,ポリオキシエチレンアルキルエーテル硫酸またはその塩,アルキルベンゼンスルホン酸またはその塩,アルキルナフタレンスルホン酸またはその塩,アルキルスルホコハク酸またはその塩,アルキルジフェニルエーテルジスルホン酸またはその塩,脂肪酸またはその塩,ナフタレンスルホン酸またはそのホルマリン縮合物などを挙げることができる。
両性界面活性剤としては、例えば、アルキルベタイン,アミンオキサイド,加水分解コラ−ゲンなどを挙げることができる。
非イオン性界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル,ポリオキシアルキレンアルキルエーテル,ポリオキシエチレン,ソルビタン脂肪酸エステル,ポリオキシエチレン脂肪酸エステル,ポリオキシエチレンルビトール脂肪酸エステル,ポリオキシエチレン脂肪酸エステル,ポリオキシエチレン硬化ひまし油,ポリオキシエチレンアルキルアミン,アルキルアルカノールアミド、あるいはこれらの誘導体などを挙げることができる。
本発明で用いる界面活性剤23の導電性高分子ゲル中の添加量は、特に限定されるものではないが、通常、導電性高分子1質量部に対して0.1〜30質量部が好ましく、さらに好ましくは0.5〜10質量部である。
0.1質量部未満ではゲル化しない恐れがあり、30質量部を超えるとやはりゲル化しない恐れがあり好ましくない。
1価アルコールとしては、例えば、エタノール,イソプロピルアルコール,ブタノールなどの分枝状あるいは直鎖状アルコール,環状アルコール,ポリマー状アルコールあるいはこれらの2種以上の混合物などを挙げることができる。
多価アルコールとしては、例えば、エチレングリコール,プロピレングリコールなどのグリコール類、グリセリン,エリスリトール,キシリトール,ソルビト−ルなどの鎖状多価アルコール、グルコース,スクロールなどの環状多価アルコール、ポリエチレングリコール,ポリビニルアルコールなどのポリマー状多価アルコールあるいはこれらの2種以上の混合物などを挙げることができる。
これらのアルコールの中でも、イソプロピルアルコール,エチレングリコール,ポリエチレングリコールが好ましく使用できるが、中でも多価アルコールであるエチレングリコールやポリエチレングリコールは次の理由から好適である。エチレングリコールは低濃度でもゲル化させる効果があり、また、揮発性がないため特に好ましく使用できる。また、ポリエチレングリコールの分子量は特に限定されないが、分子量400のものより分子量1000のものの方が添加量が少なくてもゲル化するので好ましい。
本発明において界面活性剤23とアルコールは、単独で使用することができるが、両者を任意の割合で組み合わせて使用することもできる。
本発明において界面活性剤23とアルコールを併用する場合の両者の比率は特に限定されるものではない。
まず、導電性共役系高分子22を、水21中にコロイド状に分散させたコロイド分散液および/または導電性共役系高分子溶液に、添加物として前記した界面活性剤23および/またはアルコールを気泡などが発生しないように注ぎ入れて添加する。
次いで、通常の大気圧雰囲気にある開放空間あるいは密閉空間内に、所定時間振動が加わらない状態で放置(以下、静置と称する)する。
以上により、3次元的なネットワークが形成されて容易にゲル化し、導電性ペースト1の構成成分となる導電性高分子ゲル2が安定して得られる。
ここで、前記導電性共役系高分子溶液は、前記導電性共役系高分子22を例えば水あるいは有機溶剤などに溶解したものである。本発明において導電性共役系高分子コロイド分散液や導電性共役系高分子溶液は、単独で使用することができるが、両者を任意の割合で組み合わせて使用することもできる。
前記導電性カーボンとしては、ファーネス法やチャンネル法により製造されたカーボンブラックやアセチレンカーボンブラック等が適用でき、導電グレードとして市販されているものが好ましく使用できる。
前記金属粉末としては、銀粉末が好ましく、優れた導電性が得られる。
なお、導電性や半田食われ性を調整するために、銀に、金,白金,パラジウム,ロジウム等を添加し合金粉末として用いても構わない。
前記導電性粉末3には、予め表面処理を施しておき、導電性粉末3の分散性を向上させておくことが好ましい。これにより導電性粉末3は樹脂バインダ4中に均一に分散され、導電率等の特性のムラをなくすことができる。導電性粉末3の表面処理剤としては、通常の界面活性剤やカップリング剤等が適用できる。
なお、前記架橋性樹脂を用いる場合、公知の硬化剤や硬化触媒を適宜使用しても構わない。
前記溶剤としては、公知のものが使用できるが、特に導電性ペースト1を加熱することによって硬化させた際、溶剤が残留せずほぼ完全に気化するように、沸点が250℃以下のものが好ましく使用できる。
例えば、トルエン,シクロヘキサン,メチルシクロヘキサン,n−ヘキンサン,ペンタン等の炭化水素系溶媒、イソプロピルアルコール,ブチルアルコール等のアルコール類、シクロヘキサノン,メチルエチルケトン,メチルイソブチルケトン,ジエチルケトン,イソホロン等のケトン類、酢酸エチル,酢酸プロピル,酢酸ブチル等のエステル類、エチレングリコールモノメチルエーテル,プロピレングリコールモノエチルエーテル,ジエチレングリコールモノメチルエーテル,3−メトキシ−3−メチルブチルアセテート等のグリコールモノエーテル類とそれらのアセテート化物から選択された1種又は2種以上の混合物等が挙げられる。
また、樹脂バインダ4として、光硬化性の架橋性樹脂が含有されている場合、導電性ペースト1を基材に塗布後、マイクロ波,赤外線,可視光,紫外光,真空紫外線,X線,電子線等の電磁波を照射することによって硬化させることができる。
以上のようにして導電性ペースト1を硬化させることができ、配線等を形成することができる。
例えば、まず、ホモジナイザ等の攪拌機を用いて導電性ペースト1の構成成分を撹拌、混合し、次いで得られた混合物を、3本ロール又はニーダ等の混練機を用いて混合し、構成成分を更に均質に分散させて導電性ペースト1とする方法等が挙げられる。
なお、構成成分を均質に分散させるために、超音波や高周波などを加えながら混合したり、攪拌機や混練機内に圧力を印加しこの印加圧力を変化させながら混合しても構わない。
導電性ペースト1中の導電性高分子ゲル2の含有量(G)と導電性粉末3の含有量(P)との和(G+P)に対する導電性高分子ゲル2の含有量(G)と導電性粉末3中の炭素成分(Cp)の含有量との和(G+Cp)の比((G+Cp)/(G+P))は、0.07以上が好ましく、更に好ましくは0.13以上、0.24以下であり、最も好ましくは0.5以上である。
前記比(G+Cp)/(G+P)は、導電性材料のうち、金属成分以外の炭素等の有機化合物成分の含有比率を表しており、この比率を0.07以上とすることによって、環境負荷を低減できる。
前記比(G+P)/Bは、樹脂バインダ4に対する導電性材料の比を表しており、この比(G+P)/Bが3/7以上の場合、導電性ペースト1に要求される導電性が得られ、この導電性ペースト1を用いて十分な導電性を有する配線、電極等が形成でき、また電子部品の端子やリード線の接着等も行うことができる。
また、前記比(G+P)/Bが9/1以下の場合、十分な結着性が得られ、この導電性ペースト1を用いて剥れにくい配線、電極等が形成できる。
以上により、従来に比べて導電性粉末3と樹脂バインダ4との相分離等を抑え、導電性ペースト1の基材に対する結着性や可撓性を向上させることができる。このため、導電性ペースト1を用いて形成された配線は、基材との結着性に優れ剥がれにくく、かつ可撓性に優れ基材が曲げられた際に基材の屈曲部にて断線しにくい。
また、導電性高分子ゲル2は、樹脂バインダ4と同じ高分子化合物(有機化合物)であり、なじみ易く相容性に優れ、容易に導電性高分子ゲル2と樹脂バインダ4とを均質に混合でき、導電性ペースト1を容易に製造できる。
例えば、使用用途によっては、導電性ペースト1には、導電性粉末3が含有されておらず、導電性高分子ゲル2と樹脂バインダ4とから構成されていても構わない。導電性ペースト1中の導電性材料が導電性高分子ゲル2のみであっても、導電性が得られるため、前記導電性ペースト1を基材等に塗布後、加熱等を行うことにより硬化させることによってパターン配線等を形成することができる。
前記充填剤,着色剤,補助剤等の含有量は、導電性高分子ゲル2と導電性粉末3と樹脂バインダ4との総和に対して35質量%以下とすることが好ましく、これにより前述した本発明の作用効果を損うことがない。
次に、本発明の導電機能部材と導電性回路部材5について説明する。
本発明の導電機能部材は、PET(polyethylene terephthalate)等の樹脂フィルムや紙等からなるシート状の基材と、この基材の少なくとも一面に設けられた導電性ペーストからなる導電部とを少なくとも備えたものである。
前記導電部は、前述した本発明の導電性ペースト1が基材に塗布、硬化されて形成されたものである。導電性ペースト1は、前述した通りであるため詳細の説明を省略する。
前記導電部の形成方法としては、例えばスクリーン印刷等の公知の印刷技術によって、本発明の導電性ペースト1を基材上に所定のパターン形状に塗布し、加熱や光等の電磁波照射などにより硬化させる方法等が適用できる。
なお、基材は、シート状のものに限定されず、導電性ペースト1を表面に塗布、硬化可能な部材であれば特に限定されず適用できる。
このため、導電部としては、形状等に限定されず、導電性ペースト1が、線状,面状等の形状で基材の少なくとも一面に塗布、硬化されたもの等が挙げられる。
ここで、前記線状とは、波線状等のパターン形状,直線,曲線,コイル状,三角形や四角形等の多角形状,円形状,楕円形状等やこれらを組み合わせた形状,文字,記号等のように1本又は複数本の直線や曲線からなる形状を言う。
線状の導電部を複数、ピッチ(間隔)無く形成することによって、面状の導電部とすることができる。
前記面状の導電部としては、その一面が三角形や四角形等の多角形状,円形状,楕円形状等やこれらを組み合わせた形状,記号等の形状をした導電部等が挙げられる。
このため線状の導電部を1つ又は複数組み合わせることによって、一次元,二次元,三次元形状の導電部とすることができる。例えば、一次元形状の導電部は、配線等として利用でき、また二次元形状の導電部は、パターン配線,電極,電磁コイル,アンテナ等として利用できる。更に、三次元形状の導電部は、貫通電極等として利用することができる。
このため、導電機能部材は、例えば、配線基板として利用でき、基材上に発光素子、ICチップ等の種々の電子部品等を実装することによって、様々な電子機器に応用できる。また、ICタグ,ICラベル等としても利用できる。
このように構成成分が均質の混合された導電性ペースト1は、その粘度がほぼ一定であり、基材に導電性ペースト1を塗布する際、均一の厚さ、線幅のパターン配線を精度良くかつ容易に形成することができる。このため、インピーダンス特性等の電気特性にばらつきの少ない導電部を有する導電機能部材が実現できる。
前記線状の導電部は、例えば、パターン配線,電極,貫通電極,電磁コイル,アンテナ等として利用することができる。このため、印刷回路部材は、配線基板やICタグ,ICラベル等として利用できる。
前述したように、本発明の導電性ペースト1を硬化させて形成された導電部は、可撓性に優れるため、キーボードのメンブレン回路等のように、基材がPET等の可撓性の樹脂シートから構成され、基材を折り曲げて使用する印刷回路基板であっても、基材の屈曲部にて配線は断線しにくく、好ましく使用できる。
この非接触型ICメディア(以下、導電性回路部材と同じ符号5を付す。)は、PET(polyethylene terephthalate)等の樹脂フィルムや紙等からなる基材6と、この基材6に設けられたRF−IDモジュール7(RF−ID:Radio Frequency-Identification(電波方式認識))とを少なくとも備えたものである。
前記RF−IDモジュール7は、基材6上に平面コイル状に1回又は複数回巻回されたパターン配線(線状の導電部)からなるアンテナコイル71と、このアンテナコイル71に接続されたICチップ72とから構成されている。
前記アンテナコイル71の形成方法としては、例えばスクリーン印刷等の公知の印刷技術によって、本発明の導電性ペースト1を基材6上にアンテナコイル71となるパターン形状に塗布し、加熱や光等の電磁波照射などにより硬化させる方法等が適用できる。
なお、アンテナコイル71としては、図4に示された平面コイル状等の二次元形状の線状の導電部からなるものに限定されず、基材6に貫通孔が設けられ、この貫通孔内面と基材6の両面とに形成された螺旋状等の三次元形状の線状の導電部からなるもの等であっても構わない。
また、アンテナコイル71のようにコイル状のアンテナに限定されず、所定の周波数の電波の送受信が可能な形状の線状の導電部からなるアンテナであれば適用できる。例えば、直線状等の一次元形状や三角形状等の多角形状等の二次元形状等の線状の導電部からなるバイポーラアンテナや、線状の導電部が複数、ピッチ(間隔)無く形成された面状の導電部からなるアンテナ等であっても構わない。
(実施例1乃至実施例4)
まず、導電性高分子ゲル2を以下に示す方法で作製した。
導電性共役系高分子22のコロイド分散液であるPEDOT/PSS[商品名:Baytron P、導電性ポリマー(PEDOT/PSS)の濃度約1.3質量%コロイド水分散液、バイエル社製]100質量部に、界面活性剤23としてドデシルベンゼンスルホン酸(Dodecylbenzene sulfonic acid:(C12F25C6H4SO3H):以下、DBSとも称す。)を1質量部混合し、約10分間攪拌した後に、密閉して静置温度50℃にて1日静置することによって導電性高分子ゲル2を作製した。
ここで、表1では、導電性高分子ゲル2,導電性粉末3の銀粉,樹脂バインダ4,溶剤の和が100質量部となるように示している。
また、前記導電性粉末3の銀粉として、銀粉(商品名:シルベストE−20(徳力本店社製))と、銀粉(商品名:シルベストE−20(徳力本店社製))とを質量比で8:2の割合で混合されたものを用いた。
更に、前記樹脂バインダ4として、ポリエステル(商品名:バイロン500(東洋紡績社製))を用いた。
導電性ペースト1が塗布されたPETフィルムを、内部温度が150℃の熱風炉に静置し、150℃で30分加熱して導電性ペースト1を硬化させてアンテナコイル71を形成した。
次に、NCP(Non Conductive Resin Paste:無導電粒子ペースト)工法によって、ICチップ72(商品名:Mifare、フィリップス社製)を、その金メッキバンプが前記アンテナコイル71の両末端に電気的に接続されるように、基材6に実装した。
以上により、図4に示されたように、導電性ペースト1が硬化されて形成されたアンテナコイル71と、このアンテナコイル71に接続されたICチップ72とから構成されたRF−IDモジュール7を具備する非接触型ICメディア5が製造された。
導電性高分子ゲルを含有せず、表1に示された含有率の銀粉、樹脂バインダ、溶剤を含有する導電性ペーストを用いる以外は、実施例と同様にして非接触型ICメディアを製造した。
また、ICチップ72が実装されていない状態の非接触型ICメディア5、すなわち基材6と、この基材6上に導電性ペースト1が塗布、硬化されて形成されたアンテナコイル71とから構成されたものを焼成し、その焼成後の金属残渣を定量した。得られた電気抵抗と金属残渣の結果を表2に示した。
更に、比((G+Cp)/(G+P))が0.13以上の場合、焼成後の金属残渣が60%以下となり、比較例に比べて大幅に環境負荷を抑制できる。
Claims (5)
- 水を主成分とし、導電性共役系高分子、界面活性剤および/またはアルコールを含んでなる導電性高分子ゲルと、導電性粉末と、樹脂バインダとから少なくとも構成されてなり、前記導電性共役系高分子はポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)−ポリ(スチレンスルホン酸)であることを特徴とする導電性ペースト。
- 前記導電性共役系高分子は、ドーパントがドーピングされており、該ドーパントはポリスチレンスルホン酸であることを特徴とする請求項1に記載の導電性ペースト。
- 基材と、該基材の少なくとも一面に設けられた導電性ペーストからなる導電部とを少なくとも備え、
前記導電性ペーストは、水を主成分とし、導電性共役系高分子、界面活性剤および/またはアルコールを含んでなる導電性高分子ゲルと、導電性粉末と、樹脂バインダとからなり、前記導電性共役系高分子はポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)−ポリ(スチレンスルホン酸)であることを特徴とする導電機能部材。 - 基材と、該基材の少なくとも一面に設けられた導電性ペーストからなる導電部とを少なくとも備え、
前記導電部は、線状の形態をなしており、
前記導電性ペーストは、水を主成分とし、導電性共役系高分子、界面活性剤および/またはアルコールを含んでなる導電性高分子ゲルと、導電性粉末と、樹脂バインダとからなり、前記導電性共役系高分子はポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)−ポリ(スチレンスルホン酸)であることを特徴とする印刷回路部材。 - 前記線状の導電部は、線状の形態のアンテナをなし、該アンテナにICチップが接続されていることを特徴とする請求項4に記載の印刷回路部材。
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