JP5454414B2 - Thick film conductor forming composition, thick film conductor formed using the composition, and chip resistor using the thick film conductor - Google Patents
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Description
本発明は、鉛を含有しない厚膜導体形成用組成物に関し、特に、チップ抵抗器の上面電極として用いられる厚膜導体を形成するための組成物に関する。また、この組成物を用いて形成された厚膜導体、さらには、この厚膜導体を少なくとも上面電極に適用したチップ抵抗器に関する。 The present invention relates to a composition for forming a thick film conductor that does not contain lead, and more particularly to a composition for forming a thick film conductor used as an upper surface electrode of a chip resistor. The present invention also relates to a thick film conductor formed using this composition, and further to a chip resistor in which this thick film conductor is applied to at least the upper surface electrode.
厚膜技術を用いて厚膜導体を形成する場合、通常、導電率の高い導電粉末を、ガラス粉末などの酸化物粉末とともに、有機ビヒクル中に分散させて、ペースト状の厚膜導体形成用組成物を得て、該厚膜導体形成用組成物を、アルミナ基板などのセラミック基板上に、スクリーン印刷法、その他の塗布手段を用いて所定の形状に塗布し、500℃〜900℃で焼成することが行われている。 When forming a thick film conductor using thick film technology, a conductive powder with a high conductivity is usually dispersed in an organic vehicle together with an oxide powder such as glass powder to form a paste-like thick film conductor. The composition for forming a thick film conductor is applied to a ceramic substrate such as an alumina substrate in a predetermined shape using a screen printing method or other application means, and is fired at 500 ° C. to 900 ° C. Things have been done.
厚膜導体形成用組成物を構成する材料のうち、導電粉末としては、導電率の高いAu、Ag、Pd、およびPtから選択される少なくとも1種の金属からなり、平均粒径が10μm以下の金属粉末が用いられている。これらの金属の中では、安価であることから、Ag粉末およびPd粉末が一般的に使用されているが、より良好な導電性の観点から、Ag粉末が導電粉末の主材料として用いられている。 Among the materials constituting the thick film conductor forming composition, the conductive powder is made of at least one metal selected from Au, Ag, Pd, and Pt having high conductivity, and has an average particle size of 10 μm or less. Metal powder is used. Among these metals, Ag powder and Pd powder are generally used because they are inexpensive, but Ag powder is used as the main material of conductive powder from the viewpoint of better conductivity. .
一方、ガラス粉末としては、これまで、軟化点の制御が容易で、化学的耐久性の高いホウケイ酸鉛、またはアルミノホウケイ酸鉛系が用いられていた。しかしながら、最近の環境汚染を防止する観点から、鉛を含有しない厚膜導体形成用組成物が望まれており、ガラス粉末の鉛フリー化の検討が行われている。 On the other hand, as the glass powder, lead borosilicate or lead aluminoborosilicate, which has been easy to control the softening point and has high chemical durability, has been used. However, from the viewpoint of preventing recent environmental pollution, a composition for forming a thick film conductor that does not contain lead is desired, and a study of lead-free glass powder is being conducted.
このような厚膜導体形成用組成物を用いて形成される厚膜導体は、電子工業で用いられるチップ抵抗器、抵抗ネットワーク、ハイブリッドICなどの電子部品の電極などとして適用されている。このうちのチップ抵抗器は、図1に模式的に示すように、アルミナ基板と、厚膜導体により形成された上面電極と側面電極と裏面電極からなる内部電極と、酸化ルテニウム系厚膜からなる抵抗と、抵抗を覆う絶縁ガラスの保護膜とを備えており、露出した電極面には半田付け性を向上させるために、Niメッキからなる中間電極とSn−Pb半田メッキやこれに代替するSn系合金の鉛フリー半田メッキからなる外部電極とがそれぞれ電解メッキによってさらに形成されている。 A thick film conductor formed using such a composition for forming a thick film conductor is applied as an electrode of an electronic component such as a chip resistor, a resistor network, or a hybrid IC used in the electronics industry. Among these, as schematically shown in FIG. 1, the chip resistor is made of an alumina substrate, an internal electrode composed of a top electrode, a side electrode and a back electrode formed by a thick film conductor, and a ruthenium oxide thick film. In order to improve solderability on the exposed electrode surface, an intermediate electrode made of Ni plating and Sn—Pb solder plating or Sn substituted for this are provided. External electrodes made of lead-free solder plating of an alloy are further formed by electrolytic plating.
現在、導体粉末として主として用いられているAgは、特に硫化に対し非常に弱い材料である。チップ抵抗器では、Niメッキや半田メッキのコーティングにより、Ag系の厚膜導体からなる電極の保護が図られており、通常の使用においてはAgの硫化の問題は生ずることはない。しかしながら、チップ抵抗器を、熱エージングあるいは冷熱サイクルがかかるような過酷な条件下で使用した場合、応力によって絶縁ガラスからなる保護膜と半田メッキおよびNiメッキとの界面に隙間が発生したり、または、抵抗器の製造工程における不具合などを起因として保護膜の位置ズレが生じたりするなどして、内部電極が露出してしまい、空気中のイオウ性ガスによるAgの硫化が生じて、電極が短絡してしまう場合がある。特に火山性のガスの発生する温泉地など、空気中のイオウ性ガスの濃度の高い地域では、Agの硫化による電極の短絡などの問題が生じやすい。 At present, Ag, which is mainly used as a conductor powder, is a material that is particularly vulnerable to sulfuration. In the chip resistor, the electrode made of an Ag-based thick film conductor is protected by coating with Ni plating or solder plating, and the problem of Ag sulfidation does not occur in normal use. However, when the chip resistor is used under severe conditions such as thermal aging or thermal cycle, a gap is generated at the interface between the protective film made of insulating glass and the solder plating and Ni plating due to stress, or The internal electrode is exposed due to the displacement of the protective film due to a failure in the manufacturing process of the resistor, etc., and the sulfurization of Ag due to sulfur gas in the air occurs, and the electrode is short-circuited. May end up. In particular, in areas where the concentration of sulfur gas in the air is high, such as hot springs where volcanic gas is generated, problems such as short-circuiting of electrodes due to Ag sulfide are likely to occur.
また、製造工程、あるいは実装工程で、チップ抵抗器などの電子部品には半田付けが行なわれるが、その際に内部電極が露出している場合には、Agなどの金属材料が半田中に拡散し、導体部分が消失し、断線してしまう半田食われが生じることがある。半田も、63Sn/37PbなどのSn−Pb系共晶半田から、鉛フリーでSn含有量の高い組成の半田に代替されつつあり、このSn系合金の半田の融点が高いことから、半田付け温度も高くなる傾向がある。このような半田組成の変更や、半田付け温度の上昇にともない、半田食われが今まで以上に発生しやすくなっているという問題もある。 Also, in the manufacturing process or the mounting process, soldering is performed on electronic components such as chip resistors. If the internal electrodes are exposed at that time, a metal material such as Ag diffuses into the solder. In addition, the conductor portion disappears and solder breakage that breaks may occur. Solder is also being replaced by Sn-Pb eutectic solder such as 63Sn / 37Pb with a lead-free and high Sn content solder, and since the melting point of this Sn-based alloy solder is high, the soldering temperature Tend to be higher. With such a change in solder composition and an increase in soldering temperature, there is also a problem that solder erosion is more likely to occur than before.
このようなAg系の厚膜導体からなる電極の硫化や半田食われによる短絡に対処する方法としては、導体粉末としてAgにPdを添加する方法が一般的に行われている。たとえば、特開2004−250308号公報は、Agのイオウ性ガスによる硫化を防止するために、耐酸性にすぐれたBi系ガラス粉末を使用するとともに、0.3〜2重量%のPd粉末を添加することを開示している。ただし、硫化に対しては、目視によりAg系の電極の変色を観察するのみであり、その効果についての定量的な議論はなされていない。 As a method of coping with such a short circuit due to sulfidation or solder erosion of an electrode made of an Ag-based thick film conductor, a method of adding Pd to Ag as a conductor powder is generally performed. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-250308 uses Bi-based glass powder having excellent acid resistance and prevents addition of 0.3 to 2% by weight of Pd powder in order to prevent sulfuration due to sulfur gas of Ag. Is disclosed. However, for sulfurization, only the discoloration of the Ag-based electrode is observed with the naked eye, and no quantitative discussion has been made on the effect thereof.
しかしながら、Pd粉末自体の使用は、電極の比抵抗値の上昇や電極の膜強度の低下による基板との接触強度の低下、さらに、コストアップを招くといった問題がある。また、特開平7−335402号公報では、電極材料として、Ag被覆のPd粉末を使用して、焼成後の膜の緻密性を向上させるとともに、耐硫化を図っている。しかしながら、このような粉末の使用はさらなるコストアップを招くため、実用面では問題がある。 However, the use of Pd powder itself has problems such as an increase in the specific resistance value of the electrode, a decrease in contact strength with the substrate due to a decrease in the film strength of the electrode, and an increase in cost. In JP-A-7-335402, Ag-coated Pd powder is used as an electrode material to improve the denseness of the fired film and to prevent sulfuration. However, the use of such a powder causes a further increase in cost, which is problematic in practical use.
チップ抵抗器の構造を工夫することで、電極の硫化を防止することも検討されている。たとえば、特開2002−64003号公報の技術では、隙間の発生しやすい部位の上面電極の上に、保護層としてPd含有率が5.0%以上のAg系厚膜導体を形成している。また、特開2003−224001号公報の技術では、同様の保護層として、ルテニウム抵抗体層を形成している。ただし、これらは新たな構造を追加するものであり、チップ抵抗器の小型化やコスト面で問題を生ずる。 It has also been studied to prevent electrode sulfidation by devising the structure of the chip resistor. For example, in the technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-64003, an Ag-based thick film conductor having a Pd content of 5.0% or more is formed as a protective layer on the upper surface electrode where a gap is likely to occur. Moreover, in the technique of Unexamined-Japanese-Patent No. 2003-224001, the ruthenium resistor layer is formed as a similar protective layer. However, these add a new structure and cause problems in terms of downsizing and cost of the chip resistor.
また、特開2004−221006号公報や特開2002−324428号公報により教示されるように、導電性を有するカーボンペーストにより形成される保護層を設けることも考えられる。しかしながら、カーボン保護層は、電極自体の導電性を低下させるなどの問題があり、このようなカーボン保護層を設けないで耐硫化を図ることが要請されている。カーボン材料による保護層の形成やカーボン材料の単なる添加によっては、Ag系の厚膜導体における、効果的な耐硫化が図られていないのが現状である。 Further, as taught by Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2004-221006 and 2002-324428, it is conceivable to provide a protective layer formed of a conductive carbon paste. However, the carbon protective layer has a problem such as lowering the conductivity of the electrode itself, and it is required to achieve sulfur resistance without providing such a carbon protective layer. The present situation is that effective sulfidation resistance is not achieved in an Ag-based thick film conductor by forming a protective layer with a carbon material or simply adding a carbon material.
一方、半田食われに対する対策としては、Ag系の電極材料については、特開2004−327356号公報などに記載があるように、Pdを添加する方法が一般的である。しかしながら、半田食われ対策としては、Pdを2〜20質量部程度まで添加する必要があり、上述のように、電極の比抵抗値の上昇などの種々の問題を生じる。また、これらの添加材料が少ない場合には、Au、PdおよびPtといった添加材料についても、厚膜導体への半田付けに際して、半田食われが生じうる。 On the other hand, as a countermeasure against solder erosion, a method of adding Pd is generally used for Ag-based electrode materials as described in JP-A No. 2004-327356. However, as a countermeasure against solder erosion, it is necessary to add Pd to about 2 to 20 parts by mass, and as described above, various problems such as an increase in the specific resistance value of the electrode occur. Further, when these additive materials are small, additive materials such as Au, Pd, and Pt may be eroded when soldering to the thick film conductor.
このような半田食われに対する対策としては、特開平6−223616号公報に記載されているように、厚膜導体形成用組成物として、PbO−SiO2−CaO−Al2O3系ガラス粉末と、Al2O3粉末と、SiO2粉末と、導電粉末とを、有機ビヒクルに分散させたものを用いて、該組成物の焼成時に、アノーサイト(CaAl2Si2O8)とよばれる針状の結晶相を、厚膜導体の内部に析出させる方法がある。 As countermeasures against such solder erosion, as described in JP-A-6-223616, as a thick film conductor forming composition, PbO—SiO 2 —CaO—Al 2 O 3 glass powder and A needle called anorthite (CaAl 2 Si 2 O 8 ) at the time of firing the composition using a dispersion of Al 2 O 3 powder, SiO 2 powder and conductive powder in an organic vehicle There is a method of precipitating a crystalline phase inside a thick film conductor.
しかしながら、この厚膜導体形成用組成物では、Pbを含有するガラス粉末を用いるとともに、アノーサイトの生成にこのPbの存在を必須としており、鉛フリー化の厚膜導体におけるアノーサイトの生成を直ちに示唆するものではない。 However, in this thick film conductor forming composition, glass powder containing Pb is used, and the presence of this Pb is essential for the formation of anorthite, and the generation of anorthite in the lead-free thick film conductor is immediately performed. It is not a suggestion.
これに対して、特開平7−97269号公報および特開2001−114556号公報には、SiO2−B2O3−Al2O3−CaO系ガラス粉末と、Al2O3粉末との含む厚膜導体形成用組成物を焼成することによって、厚膜導体にアノーサイトを析出させることが開示されている。しかしながら、これらの場合、十分な大きさのアノーサイトを析出させるためには、その結晶化温度が高い(ガラスの軟化温度が高い)ことから、900℃以上の高温が必要である。900℃以上の温度で厚膜導体形成用組成物を焼成すると,厚膜導体が過焼結となったり、Agの融点が低いため、Ag系の厚膜導体からなる電極が島状になって,均質な電極の形成が困難になったりするなどの問題がある。 In contrast, Japanese Unexamined 7-97269 and JP-open 2 001-114556 discloses a SiO 2 -B 2 O 3 -Al 2 O 3 -CaO based glass powder, the Al 2 O 3 powder It is disclosed that anorthite is deposited on a thick film conductor by firing the thick film conductor forming composition. However, in these cases, in order to precipitate a sufficiently large anorthite, the crystallization temperature is high (the softening temperature of the glass is high), so a high temperature of 900 ° C. or higher is required. When the composition for forming a thick film conductor is fired at a temperature of 900 ° C. or higher, the thick film conductor becomes oversintered or the melting point of Ag is low, so the electrode made of the Ag-based thick film conductor becomes an island shape. However, there is a problem that it is difficult to form a homogeneous electrode.
本発明者らは、特開2006−228572号公報において、ガラス系粉末として、SiO2−B2O3−Al2O3−CaO−Li2O系ガラス粉末を用いることにより、ガラスの軟化温度を低下させ、もって900℃未満の焼成によっても、厚膜内部にアノーサイトを均一に析出させることを開示している。この方法によって、耐半田食われ性に関して顕著な向上が認められているが、本発明者によるさらなる評価検討により、主たる導電材料としてAg粉末を用いた厚膜導体形成用組成物を用いてチップ抵抗器の上面電極を形成した場合であって、該チップ抵抗器を上述のようなイオウ性ガスの濃度が高い特殊環境で使用した場合に、経時により上面電極の硫化が生じる可能性が指摘され、その耐硫化性のさらなる改善が要求されている。 In the Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-228572, the present inventors use a SiO 2 —B 2 O 3 —Al 2 O 3 —CaO—Li 2 O-based glass powder as a glass-based powder, whereby the glass softening temperature. And thus anorthite is uniformly deposited inside the thick film even by firing at less than 900 ° C. By this method, a marked improvement in solder erosion resistance has been recognized. However, as a result of further evaluation and examination by the present inventors, chip resistance was obtained using a thick film conductor forming composition using Ag powder as the main conductive material. When the upper surface electrode of the vessel is formed, and when the chip resistor is used in a special environment with a high concentration of sulfurous gas as described above, it is pointed out that the upper surface electrode may be sulfided over time, Further improvement of the sulfidation resistance is required.
本発明は、耐硫化性と耐半田食われ性にともにすぐれる、鉛フリーの厚膜導体形成用組成物を低コストで提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a lead-free composition for forming a thick film conductor that is excellent in both resistance to sulfidation and resistance to solder corrosion at low cost.
本発明の厚膜導体形成用組成物は、導電粉末と、酸化物粉末と、添加物と、有機ビヒクルとからなる厚膜導体形成用組成物であって、前記導電粉末として、少なくともAg粉末が含まれており、前記酸化物粉末として、SiO2−B2O3−Al2O3−CaO−Li2O系ガラス粉末と、Al2O3粉末とが含まれており、かつ、前記添加物としてカーボン粉末が添加されていることを特徴とする。 The composition for forming a thick film conductor of the present invention is a composition for forming a thick film conductor comprising a conductive powder, an oxide powder, an additive, and an organic vehicle, and the conductive powder includes at least an Ag powder. And the oxide powder includes SiO 2 —B 2 O 3 —Al 2 O 3 —CaO—Li 2 O-based glass powder and Al 2 O 3 powder, and the addition Carbon powder is added as a product.
前記導電粉末100質量部に対し、前記カーボン粉末が1〜10質量部、前記SiO2−B2O3−Al2O3−CaO−Li2O系ガラス粉末が0.1〜15質量部、前記Al2O3粉末が0.1〜8質量部であることが好ましい。 1 to 10 parts by mass of the carbon powder, 0.1 to 15 parts by mass of the SiO 2 —B 2 O 3 —Al 2 O 3 —CaO—Li 2 O-based glass powder with respect to 100 parts by mass of the conductive powder, The Al 2 O 3 powder is preferably 0.1 to 8 parts by mass.
また、前記SiO2−B2O3−Al2O3−CaO−Li2O系ガラス粉末の組成比が、SiO2:20〜60質量%、B2O3:2〜25質量%、Al2O3:2〜25質量%、CaO:20〜50質量%、およびLi2O:0.5〜6質量%であることが好ましい。 The composition ratio of the SiO 2 —B 2 O 3 —Al 2 O 3 —CaO—Li 2 O glass powder is SiO 2 : 20 to 60% by mass, B 2 O 3 : 2 to 25% by mass, Al 2 O 3 : 2 to 25% by mass, CaO: 20 to 50% by mass, and Li 2 O: 0.5 to 6% by mass are preferable.
本発明において、前記Ag粉末100質量部に対し、導電粉末としてのAu、PdおよびPtから選択される少なくとも1種が、0.1〜5質量部さらに添加されていてもよい。 In the present invention, 0.1 to 5 parts by mass of at least one selected from Au, Pd and Pt as a conductive powder may be further added to 100 parts by mass of the Ag powder.
本発明の厚膜導体は、上記の厚膜導体形成用組成物を、セラミック基板に塗布した後、500℃以上、900℃未満の温度で焼成することにより得られ、内部にアノーサイトが均一に析出しており、かつ、前記Li2Oがアノーサイトに固定化されていることを特徴とする。 The thick film conductor of the present invention is obtained by applying the above thick film conductor forming composition to a ceramic substrate and then firing at a temperature of 500 ° C. or more and less than 900 ° C., and anorthite is uniformly formed inside. It is precipitated, and the Li 2 O is immobilized on anorthite.
さらに、本発明のチップ抵抗器は、前記セラミック基板と、該セラミック基板上に形成され、上面電極と側面電極と裏面電極とからなる内部電極と、該セラミック基板および該上面電極上に形成される抵抗膜と、該抵抗膜を覆う絶縁ガラス保護膜と、前記内部電極を覆うNiメッキからなる中間電極と、半田メッキからなる外部電極とを備えるチップ抵抗器であって、少なくとも前記上面電極が本発明の厚膜導体のみから構成されていることを特徴とする。 Furthermore, the chip resistor of the present invention is formed on the ceramic substrate, the internal electrode formed on the ceramic substrate, and composed of the top electrode, the side electrode, and the back electrode, and on the ceramic substrate and the top electrode. A chip resistor comprising a resistance film, an insulating glass protective film covering the resistance film, an intermediate electrode made of Ni plating covering the internal electrode, and an external electrode made of solder plating, wherein at least the upper surface electrode is a main resistor It is characterized by comprising only the thick film conductor of the invention.
本発明の厚膜導体形成用組成物により、材料の工夫のみによって、半田食われが防止されるだけでなく、耐硫化性にもすぐれる、鉛フリーの厚膜導体形成用組成物を提供することができる。 The composition for forming a thick film conductor of the present invention provides a lead-free composition for forming a thick film conductor that not only prevents solder erosion but also has excellent sulfidation resistance only by devising the material. be able to.
この厚膜導体形成用組成物を用いることにより、電子部品、特にチップ抵抗器の電極に使用した場合に、電極を構成する導電材料であるAgの硫化や半田食われが防止できる。また、特別な構造上の工夫や特殊な材料の使用は不要であるため、このような硫化や半田食われによる断線故障の少ない電子部品を、効率よく低コストで提供できるという効果がある。 By using this composition for forming a thick film conductor, when used for an electrode of an electronic component, particularly a chip resistor, it is possible to prevent sulfuration and solder erosion of Ag which is a conductive material constituting the electrode. Further, since there is no need for a special structural device or use of a special material, there is an effect that it is possible to efficiently and inexpensively provide such an electronic component with less disconnection failure due to sulfidation or solder erosion.
本発明の厚膜導体形成用組成物は、SiO2−B2O3−Al2O3−CaO−Li2O系ガラス粉末と、Al2O3粉末とを含有することを特徴とし、導電ペースト焼成時に前記ガラス粉末とAl2O3粉末とを反応させることにより、アノーサイトが厚膜導体内部に均一に析出している厚膜導体を得ることができる。かかる厚膜導体を用いると、わずかな量の厚膜導体中の貴金属が、半田に溶け出すことにより、アノーサイトが厚膜導体の表面に棘状に露出する。アノーサイトは針状の結晶であり、これが厚膜導体表面に棘状に露出すると、半田が、表面張力によって貴金属に達しなくなり、半田食われが進行しなくなる。 The composition for forming a thick film conductor of the present invention comprises SiO 2 —B 2 O 3 —Al 2 O 3 —CaO—Li 2 O-based glass powder and Al 2 O 3 powder, and has a conductive property. By reacting the glass powder and the Al 2 O 3 powder during paste firing, a thick film conductor in which anorthite is uniformly deposited inside the thick film conductor can be obtained. When such a thick film conductor is used, a small amount of the noble metal in the thick film conductor is dissolved into the solder, so that the anorthite is exposed in a spine shape on the surface of the thick film conductor. Anorthite is a needle-like crystal, and when this is exposed in a spine shape on the surface of the thick film conductor, the solder does not reach the noble metal due to the surface tension, and the solder erosion does not proceed.
本発明において、酸化物粉末として上記のガラス粉末のほか、Al2O3粉末を含有させるのは、アノーサイトの厚膜導体内部における均一な析出を実現するためである。すなわち、前記ガラス粉末に、Al2O3粉末を混合させない場合、得られる厚膜導体とセラミック基板の界面付近に、アノーサイトが多く析出してしまうため、半田食われを抑制する効果が十分に得られない。よって、半田が、表面張力によって貴金属に達しないようにするためには、アノーサイトが厚膜導体内部に均一に析出している必要がある。さらに、半田付けにより露出するアノーサイトの棘の長さが1μm以上、好ましくは3μm以上、必要である。長さが1μm未満の微細な結晶相では、該アノーサイトが厚膜導体中から半田中に移動してしまい、半田食われを抑制する効果が十分に得られなくなる。 In the present invention, the Al 2 O 3 powder is included as the oxide powder in addition to the above glass powder in order to achieve uniform precipitation inside the thick film conductor of anorthite. That is, when Al 2 O 3 powder is not mixed with the glass powder, a lot of anorthite is deposited near the interface between the resulting thick film conductor and the ceramic substrate. I can't get it. Therefore, in order to prevent the solder from reaching the noble metal due to the surface tension, the anorthite needs to be uniformly deposited inside the thick film conductor. Further, the length of the anorthite barb exposed by soldering is 1 μm or more, preferably 3 μm or more. In a fine crystal phase having a length of less than 1 μm, the anorthite moves from the thick film conductor into the solder, and the effect of suppressing solder erosion cannot be sufficiently obtained.
アノーサイトは、SiO2−B2O3−Al2O3−CaO系ガラス粉末と、Al2O3粉末との混合物を焼成することによっても、析出させることができる。ただし、この場合に十分な大きさのアノーサイトを析出させるには、900℃以上の高温が必要である。これに対して、本発明では、ガラス粉末中にLi2Oが含有されているため、より低温でもアノーサイトを析出させることを可能としている。 Anorthite can also be deposited by firing a mixture of SiO 2 —B 2 O 3 —Al 2 O 3 —CaO glass powder and Al 2 O 3 powder. In this case, however, a high temperature of 900 ° C. or higher is necessary to deposit a sufficiently large anorthite. On the other hand, in the present invention, since Li 2 O is contained in the glass powder, anorthite can be precipitated even at a lower temperature.
本発明では、導電粉末100質量部に対し、前記Al2O3粉末を0.1〜8質量部、好ましくは0.5〜3質量部としている。酸化物粉末として使用するAl2O3粉末が、導電粉末の100質量部に対して0.1質量部より少なくなると、アノーサイトの析出が少なく、半田食われを起こしやすくなる。アノーサイトは、SiとAlとCaの複合酸化物であり、特にAlが十分に供給されないとアノーサイトの析出は生じない。また、アノーサイトの析出は、耐硫化性を発揮させるためにも必要である。すなわち、ガラス粉末に単にカーボン粉末を加えたとしても、耐硫化性は十分に発揮されず、カーボン粉末の添加とアノーサイトの析出との組合せによって、はじめて耐硫化性が十分に発揮されることになる。一方、Al2O3粉末の添加量が8質量部より多くなると、接触抵抗が大きくなるだけでなく、セラミック基板との接着強度が低下してしまう。 In the present invention, with respect to the conductive powder 100 parts by weight, the Al 2 O 3 powder 0.1 to 8 parts by weight, but is preferably 0.5-3 parts by weight. When the Al 2 O 3 powder used as the oxide powder is less than 0.1 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the conductive powder, the precipitation of anorthite is small and solder erosion is likely to occur. Anorthite is a complex oxide of Si, Al, and Ca. Anorthite does not precipitate unless Al is sufficiently supplied. In addition, the precipitation of anorthite is necessary for exerting sulfidation resistance. That is, even if carbon powder is simply added to the glass powder, the sulfide resistance is not sufficiently exhibited, and the combination of the addition of the carbon powder and the precipitation of anorthite is sufficient to exhibit the sulfide resistance for the first time. Become. On the other hand, when the added amount of Al 2 O 3 powder exceeds 8 parts by mass, not only the contact resistance increases, but also the adhesive strength with the ceramic substrate decreases.
酸化物粉末として使用されるAl2O3粉末の平均粒径は、3μm以下、好ましくは0.5〜2μmの範囲であることが望ましい。Al2O3粉末の平均粒径が3μmを超えると、アノーサイトが厚膜導体中に均一に析出しにくくなるばかりでなく、厚膜導体の表面が粗くなり、電子部品の特性を測定するためのプローブとの接触抵抗が大きくなるおそれがある。なお、Al2O3粉末の形状は特に限定されるものではないが、ガラス粉末との均一混合化、アノーサイトの均一析出化という観点から、球状または粉状のものが好ましい。 The average particle diameter of the Al 2 O 3 powder used as the oxide powder is 3 μm or less, preferably 0.5 to 2 μm. When the average particle size of the Al 2 O 3 powder exceeds 3 μm, not only is the anorthite difficult to deposit uniformly in the thick film conductor, but also the surface of the thick film conductor becomes rough and the characteristics of the electronic component are measured. The contact resistance with the probe may increase. The shape of the Al 2 O 3 powder is not particularly limited, but is preferably spherical or powdery from the viewpoint of uniform mixing with the glass powder and uniform precipitation of anorthite.
本発明において、酸化物粉末として使用されるSiO2−B2O3−Al2O3−CaO−Li2O系ガラス粉末の組成比は、SiO2:20〜60質量%、B2O3:2〜25質量%、Al2O3:2〜25質量%、CaO:20〜50質量%、およびLi2O:0.5〜6質量%であることが好ましい。 In the present invention, the composition ratio of SiO 2 -B 2 O 3 -Al 2 O 3 -CaO-Li 2 O glass powder used as the oxide powder, SiO 2: 20 to 60 wt%, B 2 O 3 : 2 to 25 wt%, Al 2 O 3: 2 to 25 wt%, CaO: 20 to 50 wt%, and Li 2 O: is preferably 0.5 to 6 wt%.
ガラス粉末の組成において、SiO2が、20質量%より少なくなると、Siが十分に供給されず、アノーサイトが析出しにくくなり、半田食われおよび硫化を防止できなくなるおそれがある。また、厚膜導体中のガラスの耐候性、耐水性および耐酸性が低下する傾向となる。一方、SiO2が、60質量%より多くなると、ガラスの軟化温度が高くなりすぎて、アノーサイトが析出する温度が高くなる傾向となる。 If the SiO 2 content is less than 20% by mass in the composition of the glass powder, Si is not sufficiently supplied, and anorthite is difficult to precipitate, and solder erosion and sulfidation may not be prevented. In addition, the weather resistance, water resistance and acid resistance of the glass in the thick film conductor tend to decrease. On the other hand, when SiO 2 exceeds 60% by mass, the softening temperature of the glass becomes too high, and the temperature at which anorthite precipitates tends to increase.
B2O3が、2質量%より少なくなると、ガラスの軟化温度が高くなりすぎる傾向となる。また、厚膜導体のガラスが脆くなりやすくなってしまう。一方、B2O3が、25質量%より多くなると、ガラスが分相しやすくなり、厚膜導体中のガラスの耐候性、耐水性および耐酸性も低下するおそれがある。 When B 2 O 3 is less than 2% by mass, the softening temperature of the glass tends to be too high. In addition, the glass of the thick film conductor tends to become brittle. On the other hand, if the B 2 O 3 content exceeds 25% by mass, the glass is likely to undergo phase separation, and the weather resistance, water resistance, and acid resistance of the glass in the thick film conductor may be reduced.
ガラス粉末の組成において、Al2O3が、2質量%より少なくなると、同様にアノーサイトが析出しにくくなり、また、厚膜導体中のガラスが分相しやすくなる。一方、Al2O3が、25質量%より多くなると、ガラスの軟化温度が高くなりすぎ、アノーサイトが析出する温度が高くなりすぎるおそれがある。 In the composition of the glass powder, when Al 2 O 3 is less than 2% by mass, anorthite is similarly hardly precipitated, and the glass in the thick film conductor is easily phase-separated. On the other hand, if Al 2 O 3 is more than 25% by mass, the softening temperature of the glass becomes too high, and the temperature at which anorthite precipitates may become too high.
CaOが、20質量%より少なくなると、Caの供給が不十分となり、アノーサイトが析出しにくくなる。一方、CaOが、50質量%より多くなると、ガラス化しにくくなる。 When CaO is less than 20% by mass, the supply of Ca becomes insufficient, and anorthite becomes difficult to precipitate. On the other hand, when CaO exceeds 50 mass%, it will become difficult to vitrify.
Li2Oは、ガラスの軟化温度を低下させる働きがあり、Li2Oの含有量を増やすと、それに応じて、アノーサイトの結晶を大きく成長させることができる。したがって、ガラス粉末の組成において、Li2Oが、0.1質量%よりも少なくなると、低い温度でアノーサイトが析出しにくくなり、また、析出したアノーサイトの大きさも小さくなりやすい。一方、Li2Oが、10質量%より多くなると、ガラスの耐候性、耐水性および耐酸性が低下するおそれがある。なお、Li2Oが、4〜6質量%の範囲にある場合には、厚膜導体形成用組成物に含まれるガラス粉末の含有量が少ない場合でも、得られる厚膜導体の耐半田食われ性が損なわれることなく、その接着強度を向上させることができる。 Li 2 O has a function of lowering the softening temperature of the glass. When the content of Li 2 O is increased, anorthite crystals can be grown correspondingly. Therefore, in the composition of the glass powder, when Li 2 O is less than 0.1% by mass, anorthite is difficult to precipitate at a low temperature, and the size of the precipitated anorthite tends to be small. On the other hand, if the Li 2 O content exceeds 10% by mass, the weather resistance, water resistance and acid resistance of the glass may be lowered. Incidentally, Li 2 O is, if the range of 4-6 wt%, even if a small amount of glass powder contained in the thick film conductor composition for forming erosion soldering of the resulting thick film conductor The adhesive strength can be improved without impairing the properties.
本発明のSiO2−B2O3−Al2O3−CaO−Li2O系ガラス粉末の組成比では、Li2Oは、ペースト焼成中に析出したアノーサイトにほとんど取り込まれて、固定化される。したがって、形成された電極間に電位差があっても、Liイオンがマイグレーションしてしまうことはない。 In the composition ratio of the SiO 2 —B 2 O 3 —Al 2 O 3 —CaO—Li 2 O-based glass powder of the present invention, Li 2 O is almost taken into the anorthite precipitated during paste firing and immobilized. Is done. Therefore, even if there is a potential difference between the formed electrodes, Li ions do not migrate.
本発明で使用するガラス粉末は、SiO2−B2O3−Al2O3−CaO−Li2O系であるが、その組成中に他の成分を含むこともでき、軟化点、耐酸性などに応じて、ZnO、BaO、TiO2、ZrO2、Bi2O3、CuO、MnO2などの成分を適宜選択し、含有させることができる。 The glass powder used in the present invention is of the SiO 2 —B 2 O 3 —Al 2 O 3 —CaO—Li 2 O system, but it can also contain other components in its composition, softening point, acid resistance Depending on the above, components such as ZnO, BaO, TiO 2 , ZrO 2 , Bi 2 O 3 , CuO, and MnO 2 can be appropriately selected and contained.
本発明において、SiO2−B2O3−Al2O3−CaO−Li2O系ガラス粉末の平均粒径は、10μm以下、好ましくは3〜7μmであることが望ましい。平均粒径が10μm以上では、ガラス粉末の軟化が遅れ、電極膜と基板との接着強度が低下する傾向となり、好ましくない。 In the present invention, the average particle size of the SiO 2 —B 2 O 3 —Al 2 O 3 —CaO—Li 2 O glass powder is 10 μm or less, preferably 3 to 7 μm. When the average particle size is 10 μm or more, the softening of the glass powder is delayed, and the adhesive strength between the electrode film and the substrate tends to decrease, which is not preferable.
本発明においては、SiO2−B2O3−Al2O3−CaO−Li2O系ガラス粉末の添加量は、導電粉末100質量部に対して、0.1〜15質量部、好ましくは3〜8質量部とする。SiO2−B2O3−Al2O3−CaO−Li2O系ガラス粉末が、導電粉末の100質量部に対して0.1質量部より少なくなると、セラミック基板との接着強度が低下してしまう。また、アノーサイト析出のための材料が十分に供給されないこととなる。一方、15質量部より多くなると、厚膜導体の抵抗値が高くなるばかりでなく、厚膜導体の表面にガラスが浮き、メッキ性、半田の濡れ、および特性評価のためのプローブとの接触抵抗が、劣化するおそれがある。 In the present invention, the addition amount of the SiO 2 —B 2 O 3 —Al 2 O 3 —CaO—Li 2 O glass powder is 0.1 to 15 parts by mass, preferably 100 parts by mass of the conductive powder. 3 to 8 parts by mass. When the SiO 2 —B 2 O 3 —Al 2 O 3 —CaO—Li 2 O-based glass powder is less than 0.1 part by mass with respect to 100 parts by mass of the conductive powder, the adhesive strength with the ceramic substrate decreases. End up. Moreover, the material for anorthite precipitation will not be supplied sufficiently. On the other hand, when the amount exceeds 15 parts by mass, not only the resistance value of the thick film conductor becomes high, but also glass floats on the surface of the thick film conductor, plating property, solder wettability, and contact resistance with the probe for characteristic evaluation. However, there is a risk of deterioration.
導電粉末としては、Au、Ag、PdおよびPtから選択される少なくとも1種の貴金属粉末が用いられる。本発明は、Agの硫化を防止しようとするものであるから、本発明の対象となるのは、少なくともAgを含む導電粉末である。ただし、Agに、Au、PdおよびPtから選択される少なくとも1種の貴金属粉末をさらに包含することができる。これらの貴金属の添加は、導電材料として、Agの耐半田食われ性および耐硫化性を向上させる作用を有する。ただし、これらの貴金属は硫化に対して耐性が強いものの、高価な貴金属であることから、本発明ではこのような高価な金属の含有率を下げ、低コストで提供できる厚膜導体形成用組成物を供給することが目的となる。したがって、本発明では、導電粉末として、低コストのAgのみを用いてもよいし、耐硫化性をさらに高める必要がある場合に、これらの貴金属、好ましくはPdまたはPt、特にコスト面からPdをAg100質量部に対して0.1〜5質量部まで添加してもよい。 As the conductive powder, at least one kind of noble metal powder selected from Au, Ag, Pd and Pt is used. Since the present invention is intended to prevent the sulfurization of Ag, the object of the present invention is a conductive powder containing at least Ag. However, Ag may further include at least one kind of noble metal powder selected from Au, Pd and Pt. The addition of these noble metals has an effect of improving Ag solder resistance and sulfidation resistance as a conductive material. However, although these noble metals are highly resistant to sulfuration, they are expensive noble metals. Therefore, in the present invention, the composition for forming a thick film conductor can be provided at a low cost by reducing the content of such expensive metals. The purpose is to supply. Therefore, in the present invention, only low-cost Ag may be used as the conductive powder, and when it is necessary to further improve the sulfidation resistance, these noble metals, preferably Pd or Pt, particularly Pd from the cost viewpoint. You may add to 0.1-5 mass parts with respect to 100 mass parts of Ag.
なお、Pdなどの添加によってAgの硫化が抑制される理由は、Agの硫化はAgの外方からのSの拡散によって起こるためとされ、AgとPdなどが合金化していると、Agが合金表面から硫化表面に徐々に拡散し、硫化物直下の合金部分がPdなどの貴金属リッチ相に変化していくため、硫化していくにしたがって、その硫化速度が減少するためと考えられている。 The reason why the sulfurization of Ag is suppressed by the addition of Pd or the like is that the sulfurization of Ag is caused by the diffusion of S from the outside of Ag. If Ag and Pd are alloyed, Ag is alloyed. It is considered that the sulfidation rate decreases as the sulfidation occurs because the alloy portion gradually diffuses from the surface to the sulfide surface and the alloy portion immediately below the sulfide changes to a noble metal rich phase such as Pd.
しかしながら、導電金属成分とガラス成分の混合体である厚膜導体においては、その硫化の度合いは、厚膜導体の組成、たとえばガラス粉末の組成や添加量にも影響されることから、組成物の検討によって低コストかつ低Pd化の実現に向けて日々研究されていることは周知の通りである。すなわち、本発明では、導電粉末としてAgのみの組成であって、Pdを添加していない場合でも、耐硫化性を発揮できる厚膜導体形成用組成物を提供しえる点で、顕著な効果を有するものである。 However, in a thick film conductor that is a mixture of a conductive metal component and a glass component, the degree of sulfidation is also influenced by the composition of the thick film conductor, for example, the composition and amount of glass powder added. It is well known that research is being conducted every day to realize low cost and low Pd by study. That is, the present invention has a remarkable effect in that it can provide a composition for forming a thick film conductor that can exhibit sulfidation resistance even when it is composed only of Ag as the conductive powder and Pd is not added. I have it.
導電粉末の平均粒径は、焼結性の観点から、10μm以下が望ましい。導電粉末の形状については、粒状、フレーク状など任意の形状が採用でき、混合して使用することができる。その中で、粉状の導電粉末の粉径は、焼結性の観点から、好ましくは0.1〜2μmであることが望ましい。 The average particle size of the conductive powder is desirably 10 μm or less from the viewpoint of sinterability. About the shape of electrically conductive powder, arbitrary shapes, such as a granular form and flake shape, can be employ | adopted and can be mixed and used. Among them, the powder diameter of the powdered conductive powder is preferably 0.1 to 2 μm from the viewpoint of sinterability.
本発明においては、導電粉末100質量部に対して、カーボン粉末を1〜10質量部、好ましくは3〜7質量部だけ、さらに添加している点に特徴がある。カーボン粉末は、導電性を有することから、広い意味での導電ペーストの分野において、導電粉末として用いられる材料である。ただし、貴金属粉末を用いる厚膜導体形成用組成物においては、その導電材料としての単なる添加は、得られる厚膜導体の本来の導体性能ないしは接着強度を含む電極性能を低下させるものであるため、通常、添加されることはない。また、カーボン粉末を、Agを導体粉末の主材料とするが、アノーサイトが形成されることのない厚膜導体形成用組成物の材料として単に添加した場合に、Agの硫化を好適に防止することはできない。
The present invention is characterized in that the carbon powder is further added in an amount of 1 to 10 parts by mass, preferably 3 to 7 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the conductive powder. Since carbon powder has electrical conductivity, it is a material used as conductive powder in the field of conductive paste in a broad sense. However, in the composition for forming a thick film conductor using the noble metal powder, the mere addition as the conductive material decreases the electrode performance including the original conductor performance or adhesive strength of the obtained thick film conductor, Usually it is not added. In addition, when carbon powder is simply added as a material for a thick film conductor forming composition in which Ag is the main material of the conductor powder but no anosite is formed, sulfuration of Ag is suitably prevented. It is not possible.
本発明者の試行錯誤および実験により、導電粉末と、酸化物粉末と、有機ビヒクルとからなる厚膜導体形成用組成物であって、前記導電粉末として、少なくともAg粉末が含まれており、前記酸化物粉末として、SiO2−B2O3−Al2O3−CaO−Li2O系ガラス粉末と、Al2O3粉末とが含まれている厚膜導体形成用組成物において、添加物としてカーボン粉末をさらに添加することにより、得られる厚膜導体の耐硫化性が向上することが確認されたのである。この効果について確認した後、カーボン粉末を添加した厚膜導体形成用組成物の焼成後の電極膜の断面構造を観察してみたところ、以下のような知見が得られている。 According to the inventor's trial and error and experiment, a thick film conductor-forming composition comprising a conductive powder, an oxide powder, and an organic vehicle, the conductive powder containing at least an Ag powder, In the composition for forming a thick film conductor, which contains SiO 2 —B 2 O 3 —Al 2 O 3 —CaO—Li 2 O glass powder and Al 2 O 3 powder as an oxide powder, an additive As a result, it was confirmed that the addition of carbon powder further improves the sulfidation resistance of the resulting thick film conductor. After confirming this effect, observation of the cross-sectional structure of the electrode film after firing of the composition for forming a thick film conductor to which carbon powder has been added reveals the following findings.
すなわち、添加したカーボン粉末はその作用によって組成物中のガラス粉末の溶融挙動に影響を与えており、ガラスが溶融して粘性が低下することによって、そのガラスがセラミック基板との界面に移動してしまうことを抑制する。これにより、焼成後の電極膜の断面観察では、導体であるAgのマトリックス中に、針状のアノーサイト結晶と、非晶質のガラス成分が網目状に均一に析出しており、Agとガラス酸化物が複合している特徴的な膜構造となっている。このような構造となる理由は明らかではないが、この膜構造がAgを含む電極膜を硫化雰囲気にさらしたときに、Ag表面からイオウの拡散によって進行する硫化銀の生成過程において、イオウの拡散速度を抑制しているものと考えられる。なお、カーボンは、焼成途中で酸素との結合によりCOとなり分解されるため、焼成後の膜構造中では、そのほとんどが消失しているものと考えられる。 That is, the added carbon powder affects the melting behavior of the glass powder in the composition by its action, and when the glass melts and the viscosity decreases, the glass moves to the interface with the ceramic substrate. It suppresses it. As a result, in the cross-sectional observation of the electrode film after firing, acicular anorthite crystals and amorphous glass components are uniformly deposited in a network shape in the matrix of Ag, which is a conductor. It has a characteristic film structure in which oxides are combined. The reason for such a structure is not clear, but when this film structure is exposed to a sulfurizing atmosphere in an electrode film containing Ag, sulfur diffusion occurs in the formation process of silver sulfide that proceeds by diffusion of sulfur from the Ag surface. It is thought that the speed is suppressed. Note that carbon is decomposed as CO by bonding with oxygen during firing, and thus most of the carbon is considered to have disappeared in the film structure after firing.
本発明に用いるカーボン粉末の種類、形状および大きさについては、特に限定されるのではなく、カーボンインク用途として市販されている一般的な製品を用いることができる。このような製品におけるカーボン粉末の平均粒径は、0.01〜0.5μmの範囲のものが多い。ペースト中に均一に分散させる必要があるため、0.1μm前後の粉末を使用することが好ましい。 The type, shape, and size of the carbon powder used in the present invention are not particularly limited, and general products that are commercially available as carbon ink applications can be used. The average particle size of the carbon powder in such products is often in the range of 0.01 to 0.5 μm. Since it is necessary to disperse uniformly in the paste, it is preferable to use a powder of around 0.1 μm.
また、カーボン粉末の添加量に関しては、導電粉末100質量部に対して、1〜10質量部、好ましくは3〜7質量部とする。1質量部よりも少ないと、得られる厚膜導体の耐硫化性の向上が十分に図られない。10質量部以上の添加では、焼成膜の緻密性が低下し、セラミック基板との接着強度が低下してしまうので、好ましくない。 Moreover, regarding the addition amount of carbon powder, it is 1-10 mass parts with respect to 100 mass parts of conductive powder, Preferably it is 3-7 mass parts. When the amount is less than 1 part by mass, the resulting thick film conductor cannot be sufficiently improved in sulfidation resistance. Addition of 10 parts by mass or more is not preferable because the denseness of the fired film is lowered and the adhesive strength with the ceramic substrate is lowered.
その他の厚膜導体形成用組成物の材料である有機ビヒクルとしては、従来と同様に、エチルセルロース、メタクリレートなどを、ターピネオール、ブチルカルビトールなどの溶剤に溶解したものを用いることができる。 As the organic vehicle that is another material for forming the thick film conductor, a material obtained by dissolving ethyl cellulose, methacrylate, or the like in a solvent such as terpineol, butyl carbitol, or the like can be used.
なお、本発明では、上記の材料粉末のほか、厚膜導体の接着強度や半田濡れ性などを向上させる目的で、従来から用いられる各種粉末、たとえば、Bi2O3、SiO2、CuO、ZnO、MnO2などの酸化物粉末を添加することは可能である。 In the present invention, in addition to the above material powder, various powders conventionally used for the purpose of improving the adhesive strength and solder wettability of the thick film conductor, such as Bi 2 O 3 , SiO 2 , CuO, ZnO, etc. It is possible to add oxide powder such as MnO 2 .
本発明の厚膜導体は、上述した本発明の厚膜導体形成用組成物を、セラミック基板に塗布した後、500℃以上、900℃未満の温度、好ましくは820℃〜870℃の温度で焼成することにより得られ、内部にアノーサイトが均一に析出しており、かつ、前記Li2Oがアノーサイトに固定化されていることを特徴とする。 The thick film conductor of the present invention is fired at a temperature of 500 ° C. or higher and lower than 900 ° C., preferably 820 ° C. to 870 ° C., after applying the above-described composition for forming a thick film conductor of the present invention to a ceramic substrate. The anorthite is uniformly deposited inside, and the Li 2 O is immobilized on the anorthite.
本発明の厚膜導体は、チップ抵抗器のほか、抵抗ネットワーク、ハイブリッドICなどの電子部品の電極として好適に適用される。特に、本発明は、セラミック基板と、該セラミック基板上に形成され、上面電極と側面電極と裏面電極とからなる内部電極と、該セラミック基板および該上面電極上に形成される抵抗膜と、該抵抗膜を覆う絶縁ガラス保護膜と、前記内部電極を覆うNiメッキからなる中間電極と、半田メッキからなる外部電極とを備えるチップ抵抗器に好適に適用される。すなわち、このようなチップ抵抗器はイオウ性雰囲気などイオウ濃度の高い特殊な環境において使用される場合があるが、本発明のチップ抵抗器では、内部電極のうち、少なくとも上面電極が本発明の厚膜導体のみによって構成されており、他の硫化防止のための構造を採り入れる必要もなく、特殊な導体粉末材料を用いることもなく、そのような特殊環境においても電極の硫化が効果的に防止される。 The thick film conductor of the present invention is suitably applied as an electrode for electronic components such as resistor networks and hybrid ICs in addition to chip resistors. In particular, the present invention relates to a ceramic substrate, an internal electrode formed on the ceramic substrate, and comprising a top electrode, a side electrode, and a back electrode, a resistance film formed on the ceramic substrate and the top electrode, The present invention is suitably applied to a chip resistor including an insulating glass protective film covering a resistance film, an intermediate electrode made of Ni plating covering the internal electrode, and an external electrode made of solder plating. That is, such a chip resistor may be used in a special environment with a high sulfur concentration, such as a sulfur atmosphere, but in the chip resistor of the present invention, at least the top electrode of the internal electrodes has the thickness of the present invention. It is composed only of membrane conductors, and there is no need to adopt other anti-sulfurization structures, and there is no need to use special conductor powder materials. In such special environments, electrode sulfidation is effectively prevented. The
なお、チップ抵抗器などの電子部品における厚膜導体が形成されるセラミック基板としては、アルミナ基板、特に高純度のアルミナ基板が用いられるが、その他、ジルコニア基板なども好適に用いることは可能である。その他の、構成要素については、従来から知られている公知の材料を用いて作成できるので、ここでは詳細な説明を省略する。 An alumina substrate, particularly a high-purity alumina substrate, is used as a ceramic substrate on which a thick film conductor in an electronic component such as a chip resistor is formed, but a zirconia substrate or the like can also be suitably used. . Other constituent elements can be prepared using known materials that have been conventionally known, and thus detailed description thereof is omitted here.
(ガラス粉末の組成)
表1に6種類のガラス粉末の組成比(質量%)を示した。これらのうち、ガラス粉末A、B、C、Fが本発明の組成範囲に該当する。一方、ガラス粉末DはLi2Oが含まれず、ガラス粉末EはCaOが含まれず、それぞれ本発明の組成範囲外である。
(Composition of glass powder)
Table 1 shows the composition ratio (mass%) of the six types of glass powder. Among these, glass powders A, B, C, and F correspond to the composition range of the present invention. On the other hand, the glass powder D does not contain Li 2 O, and the glass powder E does not contain CaO, which are outside the composition range of the present invention.
(厚膜導体形成用組成物の作製)
平均粒径1.5μmの粒状Ag粉末、および平均粒径0.1μmの粒状Pd粉末からなる導電粉末に対して、表1に示した組成で、平均粒径3μmのガラス粉末と、平均粒径0.5μmのAl2O3粉末と、平均粒径0.1μmのカーボン粉末とを、ターピネオール溶液にエチルセルロース樹脂を溶解して得た有機ビヒクルと混合し、3本ロールミルで混練することにより、ペースト状の厚膜導体形成用組成物を作製した。Ag粉末とPd粉末の合計からなる導電粉末の合計量を100質量部として、有機ビヒクルは導電粉末100質量部に対して25質量部とし、その他の材料に関しては、導電粉末100質量部に対して、表2に記載した質量部とした。
(Preparation of thick film conductor forming composition)
For a conductive powder composed of granular Ag powder having an average particle diameter of 1.5 μm and granular Pd powder having an average particle diameter of 0.1 μm, a glass powder having an average particle diameter of 3 μm and an average particle diameter of the composition shown in Table 1 Paste by mixing 0.5 μm Al 2 O 3 powder and carbon powder having an average particle size of 0.1 μm with an organic vehicle obtained by dissolving ethyl cellulose resin in terpineol solution and kneading with a three-roll mill. A thick film conductor forming composition was prepared. The total amount of the conductive powder composed of the Ag powder and the Pd powder is 100 parts by mass, the organic vehicle is 25 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the conductive powder, and other materials are with respect to 100 parts by mass of the conductive powder. The mass parts are shown in Table 2.
作製した厚膜導体形成用組成物を、96質量%アルミナ基板上にスクリーン印刷し、150℃で乾燥した。乾燥した基板を、ピーク温度850℃で9分間、トータル30分間のベルト炉で焼成し、所定のパターンの厚膜導体膜を形成した。 The produced composition for forming a thick film conductor was screen-printed on a 96 mass% alumina substrate and dried at 150 ° C. The dried substrate was baked in a belt furnace for 9 minutes at a peak temperature of 850 ° C. for a total of 30 minutes to form a thick film conductor film having a predetermined pattern.
得られた厚膜導体の膜厚の評価は、2.0mm×2.0mmのパッドについて、触針型の膜厚計を用いて測定することにより行った。 The film thickness of the obtained thick film conductor was evaluated by measuring a 2.0 mm × 2.0 mm pad using a stylus type film thickness meter.
面積抵抗値の評価は、幅0.5mm、長さ50mmの導体パターンの抵抗値をデジタルマルチメータにより測定して、得られた値を面積抵抗値に換算することにより行った。 The area resistance value was evaluated by measuring the resistance value of a conductor pattern having a width of 0.5 mm and a length of 50 mm with a digital multimeter, and converting the obtained value into an area resistance value.
耐半田食われ性の評価は、次のように行った。まず、幅0.5mm、長さ50mmの焼成した厚膜導体を用いて、270℃に保持した96.5質量%Sn−3質量%Ag−0.5質量%Cu組成の鉛フリー半田浴中に、10秒間、浸した後、抵抗値を測定する操作を1回として、この操作を繰り返した。測定された抵抗値が1kΩ以上になったことにより、半田食われが起きたことを確認し、半田食われが起きるまで、すなわち測定された抵抗値が1kΩ以上となるまでの繰返し回数を計測し、耐半田食われ性の評価とした。繰り返し回数12回を超えた場合を良好(○)、それ以下の場合を不良(×)とした。 Evaluation of solder erosion resistance was performed as follows. First, in a lead-free solder bath having a composition of 96.5 mass% Sn-3 mass% Ag-0.5 mass% Cu maintained at 270 ° C. using a fired thick film conductor having a width of 0.5 mm and a length of 50 mm. Then, after dipping for 10 seconds, this operation was repeated with one operation for measuring the resistance value. Confirm that the solder erosion occurred when the measured resistance value was 1 kΩ or more, and measure the number of repetitions until the solder erosion occurred, that is, until the measured resistance value became 1 kΩ or more. Evaluation of solder erosion resistance was made. The case where the number of repetitions exceeded 12 was judged as good (◯), and the case where it was less than that was judged as bad (x).
また、耐硫化性の評価は、次のように行なった。イオウ性雰囲気を得るために、市販の機械切削用オイル(イオウ含有)を80℃に保持し、このオイルの中に、焼成された電極基板を浸漬、静置し、硫化を促進させる方法を用いた。評価に使用した機械切削用オイルのイオウ分と塩素分の濃度は、全イオウ分3000質量ppm、全塩素分23.2質量%(イオンクロマトグラフ法による)であった。 Further, the evaluation of sulfidation resistance was performed as follows. In order to obtain a sulfur atmosphere, a commercially available oil for machine cutting (containing sulfur) is maintained at 80 ° C., and a fired electrode substrate is immersed in this oil and allowed to stand to promote sulfidation. It was. The concentrations of sulfur and chlorine in the machine cutting oil used for the evaluation were 3000 ppm by mass of total sulfur and 23.2% by mass of total chlorine (by ion chromatography).
耐半田食われ性の評価と同様に、幅0.5mm、長さ50mmの焼成した厚膜導体を用い、まず初期の面積抵抗値を測定した。前述の機械切削用オイルを80℃に保持し、このオイル中に前述の厚膜導体焼成基板を電極が露出したままの状態で浸漬し、30分ごとに基板を取り出し、面積抵抗値を測定した。切削オイル中のイオウにより硫化し電極が銀色から黒変するため、硫化の状態は目視でも確認できる。耐硫化性の判定方法として、オイル浸漬後、面積抵抗値が1Ω/□以上となるまでに要した時間を確認し、浸漬12時間で、面積抵抗値が1Ω/□未満であるものを良好(○)、1Ω/□以上のものを不良(×)とした。 Similar to the evaluation of solder erosion resistance, an initial sheet resistance value was measured using a fired thick film conductor having a width of 0.5 mm and a length of 50 mm. The above-mentioned machine cutting oil was kept at 80 ° C., and the thick film conductor fired substrate was immersed in this oil with the electrode exposed, the substrate was taken out every 30 minutes, and the sheet resistance value was measured. . Sulfurization is caused by sulfur in the cutting oil, and the electrode turns black from silver, so the state of sulfidation can be confirmed visually. As a method for determining sulfidation resistance, the time required for the sheet resistance value to become 1 Ω / □ or more after immersion in the oil is confirmed, and the one having a sheet resistance value of less than 1 Ω / □ after 12 hours of immersion is good ( (Circle)) The thing more than 1 ohm / square was made into the defect (x).
接着強度の評価は、2.0mm×2.0mmのパターンの厚膜導体上に、直径0.65mmのSnメッキ銅線を、96.5質量%Sn−3質量%Ag−0.5質量%Cu組成の鉛フリー半田を用いて半田付けし、垂直方向に引っ張り、剥離させ、剥離時の引張り力を測定することにより行なった。 The evaluation of the adhesive strength was performed by using an Sn-plated copper wire having a diameter of 0.65 mm on a thick film conductor having a pattern of 2.0 mm × 2.0 mm, 96.5 mass% Sn-3 mass% Ag-0.5 mass%. Soldering was performed using lead-free solder having a Cu composition, and was pulled and peeled in the vertical direction, and the tensile force at the time of peeling was measured.
(実施例1〜3、比較例1〜3)
表2に示すとおり、Ag粉末とPd粉末の比率(質量比)を99.3:0.7とし、カーボン粉末の添加量を導電粉末100質量部に対して4.0質量部とし、Al2O3粉末の添加量と、ガラス粉末A、B、C、D、Eを用いて、添加量を3.0〜5.0質量部の範囲として、各材料の組合せとその添加量を変えて、ペースト状の厚膜導体形成用組成物を作製した。測定された厚膜導体の膜厚、面積抵抗値、接着強度、耐半田食われ性および耐硫化性の結果とその評価について、それぞれ表2に示す。
(Examples 1-3, Comparative Examples 1-3)
As shown in Table 2, the ratio (mass ratio) of Ag powder to Pd powder was 99.3: 0.7, the amount of carbon powder added was 4.0 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the conductive powder, and Al 2 Using the addition amount of O 3 powder and glass powders A, B, C, D, E, the addition amount is in the range of 3.0 to 5.0 parts by mass, and the combination of the materials and the addition amount are changed. A paste-like thick film conductor forming composition was prepared. Table 2 shows the results of the film thickness, sheet resistance value, adhesion strength, solder erosion resistance, and sulfidation resistance of the measured thick film conductor and their evaluation.
実施例1のガラス粉末Aを用い、その添加量を5.0質量部として得られた厚膜導体は、12回、半田に浸しても、面積抵抗値は10Ω/□以下で、断線することはなく、耐半田食われ性にすぐれていた。また、耐硫化性についても、イオウ含有オイルに、12時間浸漬したのちの面積抵抗値は、1Ω/□以下であり、耐硫化性にもすぐれていた。また、接着強度も58Nとチップ抵抗器の電極用途として十分な強度が得られていた。 The thick film conductor obtained by using the glass powder A of Example 1 with an addition amount of 5.0 parts by mass should be disconnected with a sheet resistance of 10Ω / □ or less even if immersed in solder 12 times. There was no solder erosion resistance. In addition, with respect to sulfidation resistance, the sheet resistance after immersion in sulfur-containing oil for 12 hours was 1Ω / □ or less, and the sulfidation resistance was also excellent. The adhesive strength was 58N, which was sufficient for use as an electrode for chip resistors.
実施例2のガラス粉末Bを用い、その添加量を4.0質量部として得られた厚膜導体、および実施例3のガラス粉末Cを用い、その添加量を3.0質量部として得られた厚膜導体についても、同様の結果と評価が得られた。 Using the glass powder B of Example 2 and using the thick film conductor obtained by adding 4.0 parts by mass, and the glass powder C of Example 3, using 3.0 parts by mass. Similar results and evaluations were obtained for the thick film conductors.
比較例1の本発明の組成範囲外であり、Li2Oを含まないガラス粉末Dを用い、その添加量を5.0質量部として得られた厚膜導体は、4回目の半田槽浸漬により、面積抵抗値が1kΩ/□以上となり、耐半田食われ性に劣っていた。また、耐硫化性についても、オイル2時間浸漬後の面積抵抗値が1Ω/□以上となり、耐硫化性についても劣っていた。 The thick film conductor obtained by using the glass powder D which is outside the composition range of the present invention of Comparative Example 1 and does not contain Li 2 O and the addition amount thereof is 5.0 parts by mass is immersed in the fourth solder bath. The sheet resistance was 1 kΩ / □ or more, and the solder corrosion resistance was poor. In addition, regarding the sulfidation resistance, the sheet resistance after immersion for 2 hours in the oil was 1Ω / □ or more, and the sulfidation resistance was also inferior.
比較例1のように、Li2Oを含まないガラス粉末を使用する組成物を用いて得た厚膜導体では、900℃未満の焼成温度では、厚膜導体中にアノーサイトが十分に析出および成長しないので、厚膜導体のAgのみならず、Pdについても、完全に半田に食われてしまっている。このことから、Li2Oがアノーサイトの析出および成長を促進させていることが理解される。また、耐硫化性の発現にもアノーサイトの析出が必要であることも理解される。 In the thick film conductor obtained by using the composition using the glass powder not containing Li 2 O as in Comparative Example 1, the anorthite sufficiently precipitates in the thick film conductor at a firing temperature of less than 900 ° C. Since it does not grow, not only the Ag of the thick film conductor but also Pd is completely eaten by the solder. From this, it is understood that Li 2 O promotes the precipitation and growth of anorthite. In addition, it is understood that the precipitation of anorthite is necessary for the development of sulfidation resistance.
同様に、比較例2の本発明の組成範囲外であるガラス粉末Eを用い、その添加量を5.0質量部として得られた厚膜導体は、2回目の半田槽浸漬により、面積抵抗値が1kΩ/□以上となり、オイル1.5時間浸漬後の面積抵抗値が1Ω/□以上となり、耐半田食われ性、耐硫化性のいずれについても劣っていた。 Similarly, the thick film conductor obtained by using the glass powder E which is outside the composition range of the present invention of Comparative Example 2 and the addition amount is 5.0 parts by mass is immersed in the solder bath for the second time. Was 1 kΩ / □ or more, and the sheet resistance after immersion for 1.5 hours in the oil was 1Ω / □ or more, which was inferior in both solder erosion resistance and sulfidation resistance.
比較例2のように、CaOを含まないガラス粉末を使用する組成物を用いて得た厚膜導体でも、Caが供給されず、厚膜導体中にアノーサイトが析出せず、耐半田食われ性および耐硫化性のいずれの効果も発揮されないことが理解される。 Even in the thick film conductor obtained using the composition using the glass powder not containing CaO as in Comparative Example 2, Ca is not supplied, and anorthite does not precipitate in the thick film conductor, so that it is eroded by solder. It is understood that neither the effects of sulfidity nor sulfidation resistance are exhibited.
比較例3の本発明の組成範囲にあるガラス粉末Aを用い、その添加量を5.0質量部としたが、Al2O3粉末を添加せずに得られた厚膜導体についても、2回目の半田槽浸漬により、面積抵抗値が1kΩ/□以上となり、オイル8時間浸漬後の面積抵抗値が1Ω/□以上となり、耐半田食われ性、耐硫化性のいずれについても劣っていた。 The glass powder A in the composition range of the present invention of Comparative Example 3 was used and the addition amount was 5.0 parts by mass, but the thick film conductor obtained without adding the Al 2 O 3 powder was 2 By the immersion in the solder bath for the second time, the sheet resistance value was 1 kΩ / □ or more, the sheet resistance value after immersion for 8 hours in oil was 1Ω / □ or more, and both the solder corrosion resistance and the sulfidation resistance were inferior.
比較例3のように、酸化物粉末材料としてAl2O3粉末を含まず、ガラス粉末のみかならなる組成物を用いて得た厚膜導体では、アノーサイトが厚膜導体中に均一に析出せず、厚膜導体とアルミナ基板の界面部に集中的に析出してしまい、耐半田食われ性および耐硫化性のいずれの効果も発揮されないことが理解される。 As in Comparative Example 3, in the thick film conductor obtained by using a composition that does not contain Al 2 O 3 powder as the oxide powder material and only consists of glass powder, anorthite is uniformly deposited in the thick film conductor. However, it is understood that it concentrates on the interface between the thick film conductor and the alumina substrate, and neither of the effects of solder erosion resistance and sulfidation resistance is exhibited.
(実施例4〜6、比較例4)
実施例4、実施例5、実施例6、および比較例4には、本発明の組成範囲であるガラス粉末Fを用いた。ガラス粉末Fは、本発明範囲内のガラス組成に加えて、さらなる導体特性の向上を図るために。Bi2O3、CuO、MnO2を表2に示す分量だけ添加したものである。それぞれ、ガラスFの添加量を6.3質量部、AgとPdの比率(質量比)を99.3:0.7として、カーボン粉末の添加量を0から6.0質量部まで変化させた。
(Examples 4-6, Comparative Example 4)
In Example 4, Example 5, Example 6, and Comparative Example 4, glass powder F that is the composition range of the present invention was used. The glass powder F is intended to further improve the conductor properties in addition to the glass composition within the scope of the present invention. Bi 2 O 3 , CuO, and MnO 2 are added in the amounts shown in Table 2. The addition amount of glass F was set to 6.3 parts by mass, the ratio of Ag and Pd (mass ratio) was 99.3: 0.7, and the addition amount of carbon powder was changed from 0 to 6.0 parts by mass. .
その結果、これらのガラス材料を用いて作成された厚膜導体において、耐半田食われ性に関しては、いずれも12回半田槽に浸漬しても抵抗値の上昇がなく、良好な結果が得られた。また、接着強度についても、いずれも60Nを超えており、上記の添加材料の添加効果が現れたものと考えられる。 As a result, in the thick film conductors made using these glass materials, the resistance to solder erosion does not increase even when immersed in a solder bath 12 times, and good results are obtained. It was. Moreover, also about adhesive strength, all exceeded 60N, and it is thought that the addition effect of said additive material appeared.
しかしながら、耐硫化性に関して、実施例4〜6は、いずれもオイル12時間浸漬後の面積抵抗値が1Ω/□未満と、面積抵抗値の上昇が抑制されていたが、カーボン粉末が無添加である比較例4では、面積抵抗値がオイル浸漬3.5時間で1Ω/□以上となり、耐硫化性に劣っていた。 However, with respect to sulfidation resistance, in all of Examples 4 to 6, the area resistance value after immersion for 12 hours in oil was less than 1 Ω / □, and the increase in area resistance value was suppressed, but no carbon powder was added. In a comparative example 4, the sheet resistance value was 1 Ω / □ or more after 3.5 hours of oil immersion, and the sulfur resistance was poor.
(実施例7、8)
実施例7、実施例8は、実施例5の系列であって、Al2O3粉末の添加量をそれぞれ0.5質量部、3.0質量部としたものである。
(Examples 7 and 8)
Examples 7 and 8 are the series of Example 5, and the addition amounts of Al 2 O 3 powder are 0.5 parts by mass and 3.0 parts by mass, respectively.
その結果、耐半田食われ性に関して、いずれも12回半田槽に浸漬しても面積抵抗値の上昇は認められず、良好な結果が得られており、かつ、耐硫化性についても、オイル浸漬12時間後において面積抵抗値は1Ω/□未満と、良好な結果が得られた。さらに、接着強度も高い結果であった。 As a result, regarding the resistance to solder erosion, no increase in the sheet resistance value was observed even when immersed in the solder bath 12 times, and good results were obtained. After 12 hours, the sheet resistance value was less than 1 Ω / □, and good results were obtained. Further, the adhesive strength was also high.
(実施例9)
実施例9も、実施例5の系列であって、Pd粉末を添加せずに、導電粉末をAg粉末のみで構成したものである。
Example 9
Example 9 is also a series of Example 5 in which the conductive powder is composed only of Ag powder without adding Pd powder.
その結果、耐半田食われ性に関して、12回半田槽に浸漬しても面積抵抗値の上昇は認められず、良好な結果が得られており、耐硫化性についても、オイル浸漬12時間後において面積抵抗値は1Ω/□未満と、良好な結果が得られた。さらに、接着強度も高い結果であった。 As a result, regarding the resistance to solder erosion, no increase in the sheet resistance value was observed even when immersed in the solder bath 12 times, and good results were obtained. The sheet resistance value was less than 1Ω / □, and good results were obtained. Further, the adhesive strength was also high.
(比較例5〜7)
比較例5、比較例6、比較例7は、それぞれCaOを含まない本発明の組成範囲外のガラス粉末Eを用いて、Al2O3粉末を1.0質量部添加し、カーボン粉末を無添加とする組成物を用いて得た厚膜導体であり、組成物中のAg粉末とPd粉末の比率を変化させて、この組成におけるPd添加の効果を確認したものである。いずれも、耐半田食われ性や耐硫化性を向上させるPd粉末が添加されているが、アノーサイトの析出がなく、かつ、アノーサイトとカーボンの添加効果による特殊な結晶構造を有しないこれらの比較例の厚膜導体では、いずれも耐半田食われ性は劣っていた。
(Comparative Examples 5-7)
In Comparative Example 5, Comparative Example 6, and Comparative Example 7, 1.0 parts by mass of Al 2 O 3 powder was added using glass powder E that does not contain CaO and is outside the composition range of the present invention, and no carbon powder was used. This is a thick film conductor obtained by using the composition to be added, and the effect of Pd addition in this composition was confirmed by changing the ratio of Ag powder to Pd powder in the composition. In both cases, Pd powder that improves solder erosion resistance and sulfidation resistance is added, but there is no precipitation of anorthite and there is no special crystal structure due to the addition effect of anorthite and carbon. The comparative example thick film conductors were inferior in solder erosion resistance.
耐硫化性に関しては、Ag粉末100質量部に対してPd粉末の添加量が7.0質量部である比較例7に関しては、オイル浸漬後12時間での面積抵抗値の上昇は抑制されており、耐硫化性が発揮されているが、それ以下のPd添加量のものでは、耐硫化性についても劣っていた。 Regarding the sulfidation resistance, for Comparative Example 7 in which the addition amount of Pd powder is 7.0 parts by mass with respect to 100 parts by mass of Ag powder, an increase in sheet resistance value 12 hours after oil immersion is suppressed. Although sulfidation resistance was exhibited, the sulfidation resistance was inferior when the Pd content was less than that.
本発明範囲の実施例9においてはAgのみの組成で、Pd粉末を添加していなくとも耐硫化性を得ており、その効果は比較例5との比較により十分に理解される。また、比較例7のPdを高い含有量で有する組成との比較により、本発明ではPdの含有量をその1/10以下に抑えても、同等の耐硫化性が得られることが理解される。 In Example 9 within the scope of the present invention, the composition of only Ag is obtained and sulfidation resistance is obtained even when no Pd powder is added, and the effect is fully understood by comparison with Comparative Example 5. Further, it is understood from the comparison with the composition having a high content of Pd in Comparative Example 7 that even in the present invention, the equivalent sulfur resistance can be obtained even if the content of Pd is suppressed to 1/10 or less. .
以上のように、本発明による厚膜導体形成用組成物を用いることで、低コストで、耐硫化性、耐半田食われ性を実現することが可能となり、Agの硫化による電極の短絡の抑制と、半田付けの際のAgを含む貴金属材料の半田食われによる電極の短絡の抑制の両方を同時に実現する、厚膜導体形成用組成物を提供することが可能となる。よって、本発明の厚膜導体形成用組成物を用いて作成される厚膜導体を用いることで、イオウ性雰囲気などの特殊な環境下におかれた場合でも、安定した性能を発揮しうるチップ抵抗器などの電子部品が低コストで提供されることから、本発明は、チップ部品メーカーを含む電子部品の分野に対して大いに貢献をなすものといえる。 As described above, by using the composition for forming a thick film conductor according to the present invention, it is possible to realize sulfidation resistance and solder erosion resistance at low cost, and suppress short-circuiting of electrodes due to Ag sulfidation. It is possible to provide a thick film conductor forming composition that can simultaneously achieve both suppression of short-circuiting of electrodes due to solder erosion of noble metal material containing Ag during soldering. Therefore, a chip capable of exhibiting stable performance even when placed in a special environment such as a sulfur atmosphere by using the thick film conductor formed by using the thick film conductor forming composition of the present invention. Since electronic components such as resistors are provided at low cost, it can be said that the present invention greatly contributes to the field of electronic components including chip component manufacturers.
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