電子ペーストとは、 電子材料 ペースト状または流動状の製品です。通常、スクリーン印刷、インクジェット印刷、コーティング、パッド印刷、3Dプリントなどの方法で、セラミック、ガラス、ポリマーフィルム、シリコンウエハー、金属基板などの基板に塗布されます。焼結または硬化後、機能層またはパターンを形成します。厚膜回路、MLCC、積層チップインダクタ、太陽電池、半導体パッケージ、ディスプレイデバイス、センサーなどに広く使用されています。これらのペーストは、導電性、抵抗調整、誘電特性、保護、透明導電性など、様々な機能を発揮します。現代の電子部品の高性能と信頼性を実現するための重要な材料システムです。
電子ペーストは見た目は単純な「ペースト」に見えますが、本質的には多相複合システムであり、通常は機能性粉末、バインダー、有機ビヒクルの3つの部分から構成されます。ほとんどの厚膜ペーストでは、このシステムは機能性粉末、ガラスフリット、有機ビヒクルの3つの主要成分で構成されています。機能性粉末は電気特性を決定し、ガラスフリットは構造安定性と接着性を確保し、有機ビヒクルはプロセス適応性を高めます。これら3つの成分はそれぞれ異なる役割を担いながらも相互に依存しており、ペーストの最終的な性能を決定づけます。なお、一部の特殊な用途では、ガラスフリットを省略し、代わりに樹脂を使用したり、金属の自己焼結を利用したりできる代替システムが存在することに留意してください。
機能性パウダー
電子ペーストにおいて、機能性粉末は必要な電気特性を提供します。選択する粉末の種類は、デバイス内でのペーストの役割を直接的に決定します。ペーストは導体、抵抗体、誘電体、透明導体として機能します。つまり、機能性粉末が電子ペーストの最終的な機能を決定づけるのです。電子ペーストに一般的に使用される機能性粉末の種類には、以下のものがあります。
ガラスフリット
電子ペースト配合において主役ではないものの、ガラスフリットは極めて重要な役割を果たします。焼結プロセスにおいて、ガラスフリットは軟化、流動化し、最終的には基板および機能性粉末と固化し、「バインダー」と「構造改質剤」という二重の役割を果たします。主な機能は以下のとおりです。
① 接着剤接合: 高温で軟化したガラスは、金属または酸化物の粉末をセラミック、ガラス、またはシリコンウェハの表面に効果的に「溶接」します。ガラスフリットが不足すると、接着力が不十分になったり、電極が剥離したりする可能性があります。
② 高密度化: ガラスの流動性により、粒子間の細孔が埋められ、焼成層の密度と完全性が高まり、電気的安定性が向上します。
③ 熱膨張マッチング: ガラスの組成を調整することで、熱膨張係数 (CTE) を基板のものと一致させることができ、応力を緩和して焼結後のひび割れや反りのリスクを軽減できます。
機能性粉末が電子ペーストの電気性能を決定するのであれば、ガラスフリットはこれらの特性が「しっかりとかつ永続的に」維持されるかどうかを決定します。電子ペーストに使用される主なガラス系は次のとおりです。
電子ペーストにおけるガラスシステム
| ガラスの種類 | 代表的システム | ガラス軟化点 /°C | 化学的安定性 | 熱膨張係数 /10⁻⁷°C⁻¹ | 利点 | デメリット |
| 鉛ガラス | PbO-SiO₂、PbO-B₂O₃-SiO₂、PbO-ZnO-B₂O₃-SiO₂など。 | 350~600 | 優れた安定性 | 70~120 | 高い抵抗率、低い誘電損失、低い軟化温度、優れた化学的安定性。 | 人体および環境に有害であり、AlN セラミックを酸化させる可能性があります。 |
| ビスマス系ガラス | Bi₂O₃-B₂O₃-SiO₂、Bi₂O₃-B₂O₃-BaO、Bi₂O₃-ZnO-SiO₂、Bi₂O₃-B₂O₃-ZnO、Bi₂O₃-SiO₂-Sb₂O₅など | 350~500 | 優れた安定性 | 90~150 | 鉛ベースのガラスと同様、軟化温度が低く、化学的安定性に優れています。 | 耐酸性が低いため、AlNセラミックを酸化させる可能性があります。 |
| ホウ酸塩ガラス | BaO-B₂O₃-SiO₂、CaO-B₂O₃-SiO₂-BaO、SiO₂-B₂O₃-Al₂O₃-ROなど | 300~600 | 安定性が低い | 90~150 | 一般的に熱膨張係数が高い。低融点効果は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、または重金属イオンを添加することによってのみ達成される。 | 化学的に不安定で、相分離を起こしやすい。 |
| 亜鉛系ガラス | ZnO-BaO-B₂O₃、ZnO-B₂O₃-Al₂O₃-SiO₂など。 | 450~600 | 優れた安定性 | 60~90 | 化学的に安定しており、熱膨張係数が低く、接着強度が高く、融点が低い。 | はんだ付け性が低く、高温フラックス能力が比較的低い。 |
注: ガラス基板、PET、PI、その他の透明/フレキシブル基板によく使用される透明導電性ペーストは、ガラスフリットの代わりにバインダー相としてポリマー (エポキシ、アクリル樹脂、PU など) を使用するのが一般的で、低温または室温で硬化します。
有機車両
有機ビヒクルは有機溶剤から構成されています。ビヒクルの総重量の約65%～98%を占めます。一般的な例としては、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、クエン酸トリブチル、フタル酸トリブチルなど）、増粘剤、チキソトロピー剤、界面活性剤、レベリング剤などが挙げられます。ビヒクルには、少なくとも有機溶剤と増粘剤が含まれています。
有機ビヒクルは最終焼成層の電気的機能には寄与しませんが、ペースト調製時の加工性を決定づけます。その基本的な役割は、ペーストに様々な塗布プロセスに適したレオロジー特性と基材への初期接着性を付与することです。近年、有機ビヒクルの開発は、低残留性、低臭性、そして環境への配慮を指向しています。一部の製品では、グリーン製造の要求に応えるため、水系または無機コロイド系の使用も試みられています。
まとめ
機能性粉末は、電子ペーストに必要な電気特性を提供します。ガラスフリットは、これらの特性の安定性と耐久性を確保します。最後に、有機ビヒクルは、製造時のペーストの加工性を保証します。これら3つの成分は明確な役割分担を持ちながらも相互に依存し、バランスの取れた多相システムを形成しています。
エアジェットミルの応用と 分類器 エアジェットミルは、電子ペーストに使用される機能性粉末やガラスフリットの製造に非常に適しています。銀、銅、ニッケルなどの機能性金属粉末の場合、エアジェットミルはコンタミネーションのない方法を提供します。高い導電性と印刷適性を確保するために不可欠な、正確な粒度分布（PSD）と球状形態を実現できます。同様に、分級ミルはガラスフリットのような脆性材料の処理に優れています。制御された破砕により、最適な焼結活性と結合強度に必要な比表面積を持つ、均一で微細な粉末が得られます。統合された制御機能により、トップカットサイズと分布幅を正確に制御できます。 分類 は非常に重要です。これらのパラメータは、ペーストのレオロジー、焼結密度、そして最終的には焼成後の電子フィルムの性能に直接影響します。
エピックパウダー
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