JP6618969B2 - 導電性ペースト - Google Patents

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Description

本発明は、導電性ペーストに関する。特には、積層セラミック電子部品の内部電極層の形成に好適な導電性ペーストに関する。
積層セラミックコンデンサ(Multi-Layer Ceramic Capacitor:MLCC)等の電子部品の製造では、基材上に導電性ペーストを付与して導体膜を形成し、これを焼成することによって電極層を形成する手法が広く用いられている(特許文献1〜4参照)。
MLCCの製造方法の一例では、まず、セラミック粉末とバインダとを含む未焼成のセラミックグリーンシートを複数枚用意する。次に、複数枚のセラミックグリーンシートの上にそれぞれ導電性ペーストを付与して乾燥することにより、導体膜を形成する。次に、複数枚の導体膜付きセラミックグリーンシートを積層し、積層方向にプレスして相互に圧着させる。次に、これを所定のサイズに切断した後、焼成して一体焼結させる。そして、焼成後の複合体の両端面に外部電極を形成する。以上のようにして、セラミックからなる誘電体層と、導電性ペーストの焼成体からなる内部電極層とが交互に多数積層された構造を有するMLCCが製造される。
例えば特許文献1には、導電性粉末、樹脂バインダおよび溶剤を主成分とし、樹脂バインダとして、エチルセルロース系樹脂、および、セラミックグリーンシートと接着性の良好な樹脂、を含んだMLCCの内部電極層形成用の導電性ペーストが開示されている。特許文献1の導電性ペーストによれば、上記プレスの際にセラミックグリーンシートと導体膜との接着性を向上して導体膜が所定の位置からずれること(位置ズレ)を抑制し得る。
特開2004−186339号公報 特開2009−147359号公報 特開2011−139019号公報 特開2012−129181号公報
しかしながら、本発明者の検討によれば、特許文献1に記載されるような導電性ペーストには、未だ改善の余地が認められた。すなわち、従来の導電性ペーストでは、例えば生産性の向上やコスト削減の観点から、圧着時のプレス時間を短くしたりプレス圧を低くしたりすると、十分な接着性向上の効果を得られずに、位置ズレが発生することがあった。このため、ユーザからは、基材(例えばセラミックグリーンシート)との接着性がより良く向上した導体膜を形成することが求められていた。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、基材との接着性に優れた導体膜を形成することができる導電性ペーストを提供することにある。
本発明により、無機成分と有機成分とを含み、導体膜の形成に用いられる導電性ペーストが提供される。上記無機成分は、導電性粉末を含む。上記有機成分は、有機バインダと、ロジン系樹脂と、を含む。上記ロジン系樹脂は、酸価を有する有酸価ロジンを含む。上記導電性ペーストの単位質量あたりの上記有酸価ロジンの酸価量をX(mgKOH)とし、上記導電性ペーストの単位質量あたりの上記無機成分の含有量をY(g)としたときに、次の式:0.8≦(X/Y);を満たす。
上記構成によれば、ロジン系樹脂の酸性基が無機成分の表面に適切に作用して、導体膜のタック性や流動性が高められる。そのため、この導電性ペーストによれば、基材(例えばセラミックグリーンシート)との接着性に優れた導体膜を形成することができる。
なお、「酸価」とは、単位試料(1g)中に含まれる遊離脂肪酸を中和するのに必要な水酸化カリウム(KOH)の含量(mg)である。単位は、mgKOH/gである。
また、「有酸価ロジンの酸価X(mgKOH)」は、導電性ペーストの単位質量(100g)あたりについて、次の式(1):X(mgKOH)=有酸価ロジンの酸価(mgKOH/g)×導電性ペースト全体を基準とした有酸価ロジンの含有割合(質量%);で計算することができる。上記有酸価ロジンの酸価としては、JIS K0070:1992に準じて電位差滴定法で測定された値を採用することができる。
また、「無機成分の含有量Y(g)」は、導電性ペーストの単位質量(100g)あたりについて、次の式(2):Y(g)=Σ〔導電性ペースト全体を基準とした各無機成分の含有割合(質量%)〕;で計算することができる。
ここで開示される好ましい一態様では、上記X/Yが、次の式:(X/Y)≦3;を満たす。これにより、表面平滑性の優れた導体膜を好適に実現することができる。
ここで開示される好ましい一態様では、上記有酸価ロジンは、酸価が100mgKOH/g以上である。これにより、有酸価ロジンの使用量を抑えつつ、ここに開示される技術の効果を好適に実現することができる。
ここで開示される好ましい一態様では、上記導電性ペーストの全体を100質量%としたときに、上記ロジン系樹脂が2質量%以下である。これにより、焼成後の電極層にロジン系樹脂が残存し難くなり、電気伝導性や緻密性に優れた電極層を好適に実現することができる。
ここで開示される好ましい一態様では、上記導電性粉末が、ニッケル、白金、パラジウム、銀および銅のうちの少なくとも1つである。これにより、電気伝導性に優れた電極層を好適に実現することができる。
ここで開示される好ましい一態様では、積層セラミック電子部品の内部電極層を形成するために用いられる。例えばチップタイプの積層セラミックコンデンサは、誘電体層および内部電極層の一層分の厚みがサブミクロン〜ミクロンレベルにまで薄層化され、積層数も1000層を超えるようになってきている。このような多積層構造を有する積層セラミック電子部品の製造時には、位置ズレによる不具合が生じ易い。そのため、積層セラミック電子部品の内部電極層の形成において、上記導電性ペーストを好適に使用することができる。
一実施形態に係る積層セラミックコンデンサを模式的に示す断面図である。 X/Yと剥離強度との関係を示すグラフである。
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項(例えば、導電性ペーストの組成)以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、導電性ペーストの調製方法や導体膜の形成方法等)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
なお、以下の説明では、導電性ペーストを基材上に付与して、導電性ペーストに含まれる分散剤の沸点以下の温度で(例えば100℃以下で)乾燥させた焼成前の膜状体を、導体膜という。また、本明細書において範囲を示す「A〜B」の表記は、A以上B以下を意味する。
≪導電性ペースト≫
ここで開示される導電性ペースト(以下、単に「ペースト」ということがある。)は、導体膜の形成に用いられる。なお、本明細書において「ペースト」とは、インクやスラリーを包含する用語である。ここで開示される導電性ペーストの成分は、無機成分(A)と有機成分(B)とに大別される。以下、各成分について順に説明する。
≪無機成分(A)≫
無機成分(A)は、典型的には導体膜の焼成時に燃え抜けず、焼成後に残存して電極層を構成する成分である。無機成分(A)は、少なくとも導電性粉末(A−1)を含んでいる。
<(A−1)導電性粉末>
導電性粉末(A−1)は、電極層に電気伝導性を付与する成分である。導電性粉末(A−1)の種類等については特に限定されず、一般的に使用される各種の導電性粉末の中から、用途等に応じて1種または2種以上を適宜用いることができる。導電性粉末(A−1)の一好適例として、導電性金属粉末が挙げられる。具体的には、ニッケル(Ni)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、アルミニウム(Al)等の金属の単体、およびこれらの混合物や合金等が例示される。
特に限定されるものではないが、例えば積層セラミック電子部品の内部電極層を形成する用途では、導電性粉末(A−1)の溶融温度が、誘電体層に含まれるセラミック粉末の焼結温度よりも十分に高い金属種の使用が好ましい。そのような金属種の一例として、ニッケル、白金、パラジウム、銀、銅が挙げられる。なかでも、安価で、導電性とコストとのバランスに優れることから、ニッケルが好ましい。
導電性粉末(A−1)を構成する粒子の性状、例えば粒子のサイズや形状等は、電極層の断面における最小寸法(典型的には、電極層の厚みおよび/または幅)に収まる限りにおいて、特に限定されない。
導電性粉末(A−1)の平均粒子径(電子顕微鏡観察に基づく個数基準の粒度分布において、粒径の小さい方から累積50%に相当する粒径。以下同じ。)は、例えばペーストの用途や電極層の寸法(微細度)等に応じて適宜選択することができる。通常は、導電性粉末(A−1)の平均粒子径が、概ね数nm〜数十μm程度、例えば10nm〜10μmであるとよい。
一例として、超小型MLCCの内部電極層を形成する用途では、導電性粉末(A−1)の平均粒子径が、内部電極層の厚み(積層方向の長さ)よりも小さく、典型的には0.5μm以下、好ましくは0.3μm以下、より好ましくは0.25μm以下であるとよい。平均粒子径が所定値以下であると、薄膜状の導体膜を安定的に形成することができる。さらに、導体膜の算術平均粗さRaを顕著に小さく、例えば5nm以下のレベルにまで抑えることができる。また一般に、導体膜の算術平均粗さRaが小さくなると、上記したような「位置ズレ」の不具合が生じ易い。したがって、ここに開示される技術の効果がてきめんに発揮される。
導電性粉末(A−1)の平均粒子径は、概ね0.01μm以上、典型的には0.05μm以上、好ましくは0.1μm以上、例えば0.2μm以上であるとよい。平均粒子径が所定値以上であると、粒子の表面エネルギーが抑えられて、ペースト中での凝集が抑制される。そのため、電気伝導性や緻密性の高い電極層を好適に実現することができる。また、セルフレベリング性を、より良く向上することができる。
導電性粉末(A−1)の比表面積(窒素ガス吸着法で測定され、BET法で解析されたBET比表面積。以下同じ。)は特に限定されないが、概ね10m/g以下、好ましくは1〜8m/g、例えば2〜6m/gであるとよい。これにより、ペースト中での凝集が好適に抑えられ、ペーストの均質性や分散性、保存安定性を、より良く向上することができる。また、電気伝導性に優れた電極層を、より安定して実現することができる。
導電性粉末(A−1)の形状は特に限定されないが、真球状または略球状であるとよい。言い換えれば、導電性粉末(A−1)の平均アスペクト比(電子顕微鏡観察に基づいて算出される粒子の短径に対する長径の比の平均値。)は、典型的には1〜2、好ましくは1〜1.5であるとよい。これにより、ペーストの粘度を低めに維持して、ペーストのハンドリング性や、成膜時の作業性を向上することができる。また、ペーストの均質性をも向上することができる。
導電性粉末(A−1)の含有割合は特に限定されないが、ペースト全体を100質量%としたときに、概ね30質量%以上、典型的には40〜95質量%、例えば45〜60質量%であるとよい。上記範囲を満たすことで、電気伝導性や緻密性の高い電極層を好適に実現することができる。また、ペーストのハンドリング性や、成膜時の作業性を向上することができる。
なお、無機成分(A)は、導電性粉末(A−1)のみで構成されていてもよく、導電性粉末(A−1)に加えて、必要に応じて種々の無機添加剤を含んでいてもよい。無機添加剤としては、ここに開示される技術の効果を著しく損なわない限りにおいて、一般的な導電性ペーストに使用し得ることが知られているものを適宜用いることができる。無機添加剤の一例として、誘電体粉末(A−2)、焼結助剤、無機フィラー等が挙げられる。例えば積層セラミック電子部品の内部電極層を形成する用途では、導電性粉末(A−1)に加えて、無機添加剤としての誘電体粉末(A−2)を含むことが好ましい。
<(A−2)誘電体粉末>
誘電体粉末(A−2)は、導体膜の焼成時に導電性粉末(A−1)の熱収縮を緩和する成分である。誘電体粉末(A−2)の種類等については特に限定されず、一般的に使用される各種の無機材料粉末の中から、用途等に応じて1種または2種以上を適宜用いることができる。誘電体粉末(A−2)の一好適例として、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸マグネシウム、ジルコン酸カルシウム、チタン酸ビスマス、チタン酸ジルコニウム、チタン酸亜鉛等の、ABOで表されるペロブスカイト構造を有するセラミックや、酸化チタン、二酸化チタン等が挙げられる。例えば積層セラミック電子部品の内部電極層を形成する用途では、誘電体層に含まれるセラミック粉末と同種の材料、典型的にはチタン酸バリウム(BaTiO)の使用が好ましい。これにより、誘電体層と内部電極層との一体性がより良く高められる。
誘電体粉末(A−2)の比誘電率は、典型的には100以上であり、好ましくは1000以上、例えば1000〜20000程度であるとよい。
誘電体粉末(A−2)を構成する粒子の性状、例えば粒子のサイズや形状等は、電極層の断面における最小寸法(典型的には、電極層の厚みおよび/または幅)に収まる限りにおいて、特に限定されない。
誘電体粉末(A−2)の平均粒子径は、例えばペーストの用途や電極層の寸法(微細度)等に応じて適宜選択することができる。通常は、誘電体粉末(A−2)の平均粒子径が、概ね数nm〜数十μm程度、典型的には0.01〜10μm、好ましくは0.3μm以下、例えば0.05μm以下であるとよい。電極層の電気伝導性や均質性、緻密性を高める観点からは、誘電体粉末(A−2)の平均粒子径が、導電性粉末(A−1)の平均粒子径よりも小さいことが好ましく、導電性粉末(A−1)の平均粒子径の1/20〜1/2程度であることがより好ましい。
一例として、超小型MLCCの内部電極層を形成する用途では、誘電体粉末(A−2)の平均粒子径が、概ね数nm〜数百nm程度、例えば10〜100nmであるとよい。平均粒子径が所定値以上であると、粒子の表面エネルギーが抑えられて、ペースト中での凝集が抑制される。そのため、セルフレベリング性を、より良く向上することができる。また、平均粒子径が所定値以下であると、導体膜の算術平均粗さRaを顕著に小さく抑えることができる。
誘電体粉末(A−2)の比表面積は特に限定されないが、典型的には導電性粉末(A−1)の比表面積よりも大きく、概ね100m/g以下、好ましくは5〜80m/g、例えば10〜70m/gであるとよい。これにより、粒子の凝集が好適に抑制されて、ペーストの均質性や分散性、保存安定性を、より良く向上することができる。また、電気伝導性に優れた電極層を、より安定して実現することができる。
ペーストに誘電体粉末(A−2)を含む場合、誘電体粉末(A−2)の含有割合は特に限定されないが、例えば積層セラミック電子部品の内部電極層を形成する用途等では、ペースト全体を100質量%としたときに、概ね1〜20質量%、典型的には3〜15質量%、例えば5〜10質量%であるとよい。上記範囲を満たすことで、誘電体粉末(A−2)の効果が好適に発揮されて、導電性粉末(A−1)の熱収縮を、より良く緩和することができる。また、電気伝導性に優れた電極層を好適に実現することができる。
ペースト中の無機成分(A)の含有割合は特に限定されないが、ペーストの取扱性や成膜時の作業性を向上する観点と、電極層の電気伝導性や緻密性を向上する観点とから、ペースト全体を100質量%としたときに、概ね30〜95質量%、典型的には40〜70質量%、例えば50〜65質量%であるとよい。
≪有機成分(B)≫
有機成分(B)は、典型的には導体膜の焼成時に(例えば、酸化雰囲気中において概ね250℃以上、例えば500℃以上の温度での加熱処理で)燃え抜ける成分である。言い換えれば、有機成分(B)は、その沸点が導体膜の焼成温度よりも低いことが好ましい。有機成分(B)は、少なくとも有機バインダ(B−1)とロジン系樹脂(B−2)とを含んでいる。
<(B−1)有機バインダ>
有機バインダ(B−1)は、焼成前の導体膜に接着性を付与して、無機成分(A)同士および導体膜とこれを支持する基材とを密着させる成分である。有機バインダ(B−1)は、後述するロジン系樹脂(B−2)と相溶性であるとよい。有機バインダ(B−1)は、典型的には繰り返し構成単位を有する。有機バインダ(B−1)の種類等については特に限定されず、一般的に使用される各種の有機重合体(ポリマー)の中から、用途等に応じて1種または2種以上を適宜用いることができる。有機バインダ(B−1)の一好適例として、後述するロジン系樹脂(B−2)以外の有機高分子化合物、例えば、セルロース系樹脂、ブチラール系樹脂、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、アルキド系樹脂、エチレン系樹脂等が挙げられる。なかでも、焼成時の燃焼分解性に優れる点や環境配慮の点等から、セルロース系樹脂が好ましい。
セルロース系樹脂としては、例えば、繰り返し構成単位としてのセルロースの水酸基における水素原子の一部または全部が、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基等のアルキル基、アセチル基、プロピオニル基、ブチリル基等のアリル基、メチロール基、エチロール基、カルボキシメチル基、カルボキシエチル基等で置換されたセルロース有機酸エステル(セルロース誘導体)が挙げられる。具体例としては、例えば、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、カルボキシエチルセルロース、カルボキシエチルメチルセルロース、酢酸フタル酸セルロース、ニトロセルロース等が挙げられる。
ブチラール系樹脂としては、例えば、酢酸ビニルの単独重合体(ホモポリマー)や、酢酸ビニルを主モノマー(単量体全体の50質量%以上を占める成分。以下同じ。)として当該主モノマーに共重合性を有する副モノマーを含む共重合体(コポリマー)が挙げられる。単独重合体としては、ポリビニルブチラールが挙げられる。共重合体の具体例としては、主鎖骨格に、繰り返し構成単位として、ビニルブチラール(ブチラール基)と、酢酸ビニル(アセチル基)と、ビニルアルコール(水酸基)と、を含むポリビニルブチラール(PVB)等が挙げられる。
アクリル系樹脂としては、例えば、アルキル(メタ)アクリレートの単独重合体や、アルキル(メタ)アクリレートを主モノマーとして当該主モノマーに共重合性を有する副モノマーを含む共重合体が挙げられる。単独重合体の具体例としては、例えば、ポリメチル(メタ)アクリレート、ポリエチル(メタ)アクリレート、ポリブチル(メタ)アクリレート等が挙げられる。共重合体の具体例としては、例えば、構成単位としてメタクリル酸エステルの重合体ブロックとアクリル酸エステルの重合体ブロックとを含むブロック共重合体等が挙げられる。なお、本明細書中において「(メタ)アクリレート」とは、アクリレートおよびメタクリレートを意味する用語である。
有機バインダ(B−1)の重量平均分子量Mw(ゲルクロマトグラフィー(Gel Permeation Chromatography:GPC)によって測定し、標準ポリスチレン検量線を用いて換算した重量基準の平均分子量。以下同じ。)は、概ね2万以上、典型的には2万〜100万、例えば5万〜50万程度であるとよい。分子量が所定値以上であると、有機バインダ(B−1)の接着性が高まり、少ない添加量で接着効果を発揮することができる。また、分子量が所定値以下であると、ペーストの粘度を低めに維持して、ペーストのハンドリング性やセルフレベリング性を向上することができる。そのため、導体膜の表面の凹凸を、より小さく抑えることができる。
有機バインダ(B−1)の含有割合は特に限定されないが、ペースト全体を100質量%としたときに、概ね0.1〜10質量%、典型的には0.5〜5質量%、例えば1〜3質量%であるとよい。上記範囲を満たすことで、ペーストのハンドリング性や成膜時の作業性を向上して、デラミネーションの発生を高度に抑制することができる。また、セルフレベリング性を高めて、より滑らかな表面の導体膜を実現することができる。
<(B−2)ロジン系樹脂>
ロジン系樹脂(B−2)は、所謂、粘着性付与剤である。例えば、感圧接着剤である。ロジン系樹脂(B−2)は、焼成前の導体膜のタック性(基材に対する粘着力)や流動性、基材との濡れ性(親和性)を高めて、導体膜とこれを支持する基材との接着性を向上する成分である。例えば積層セラミック電子部品の内部電極層を形成する用途では、導体膜とこれを支持するセラミックグリーンシートとの密着性を向上する成分である。
ロジン系樹脂(B−2)は、ロジンとその誘導体を含む。ロジンは、松科の植物に含まれる松脂の不揮発性の成分である。ロジンは、トールロジンとガムロジンとウッドロジンとを包含する。ロジンの誘導体としては、例えば、重合ロジン、変性ロジン、不均化ロジン、水素化ロジン、水添ロジン、マレイン化ロジン、フマル化ロジン、アクリル化ロジン、フェノール変性ロジン、エステルガム、及びこれらのエステル化物等が挙げられる。ロジンのエステル化には、例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール、グリセリン、ペンタエリスリトール等の多価アルコールを用いることができる。
ロジン系樹脂(B−2)は、樹脂酸と呼ばれる炭素数20の三環式ジテルペノイド異性体、例えば、アビエチン酸、ネオアビエチン酸、パラストリン酸、ピマール酸、イソピマール酸、デヒドロアビエチン酸のなかの1種または2種以上を主成分(50モル%以上を占める成分。)として含む。ロジン系樹脂(B−2)は、典型的には、アビエチン酸を主体(モル基準で最も多くの割合を占める成分。)とする。アビエチン酸は、疎水性の高いバルキーな環構造(ヒドロフェナントレン骨格)と親水性のカルボキシル基とを有する。
ロジン系樹脂(B−2)の市販品としては、例えば、荒川化学工業株式会社の白菊ロジン、アラダイム(登録商標)R-140, R-95、マルキード(登録商標)No.1, 2, 5, 6, 8, 31, 32, 33, 32-30WS,3002、トラフィックス(登録商標)4102、エステルガム 105, AT, H, HP、ペンセル(登録商標)GA-100, AZ, C, D-125, D-135,D-160, KK、スーパーエステル L, A-18, A-75, A-100, A-115, A-125、ロンヂス(登録商標)R-CH, K-25, K-80, N-18、パインクリスタル(登録商標)KR-85, KR-612, KR-614, KE-604, KR-120, KR-140, KR-50M、ハイペール(登録商標)CH等や、ハリマ化成グループ株式会社のネオトール(登録商標)G2, 101N, 125HK、ハリタック8LJA, ER95, SE10, PH, F85, F105, FK100, FK125, PCJ, 4851, 4821, 4740, 28JA, F-75, FG-90, AQ-90A、ハリマックT-80, R-100, M-453, R-80、ハリエスターTF, S, KT-3, C, DS-70L, DS-90, DS-130, AD-130, MSR-4等が挙げられる。
ロジン系樹脂(B−2)の重量平均分子量Mwは、典型的には有機バインダ(B−1)よりも小さく、概ね1万未満、例えば数百〜数千程度であるとよい。
ロジン系樹脂(B−2)は、環球法に基づく軟化点が、概ね60〜250℃、典型的には70〜200℃、例えば80〜185℃であるとよい。軟化点が上記範囲であると、導体膜の接着性や濡れ性を、より高いレベルで安定的に発揮することができる。
ロジン系樹脂(B−2)は、固体状(粉末状)や液体状の形態であってもよいし、溶剤に分散されたエマルジョンの形態であってもよい。
ロジン系樹脂(B−2)は、酸価を有する(酸価が検出下限を超える)有酸価ロジンを含んでいる。有酸価ロジンは、ペーストの単位質量あたりの酸価量Xを調整するための成分である。有酸価ロジンは、1つまたは2つ以上の酸性基を有している。有酸価ロジンは、酸性基として、典型的には1つまたは2つ以上のカルボキシル基(COOH基)を有する。有酸価ロジンは、酸性基として、カルボキシル基にかえて、あるいはカルボキシル基に加えて、1つまたは2つ以上のヒドロキシ基(OH基)を有していてもよい。
有酸価ロジンの酸価は、概ね10mgKOH/g以上、典型的には40mgKOH/g以上、例えば50mgKOH/g以上、好ましくは100mgKOH/g以上であるとよい。これにより、有酸価ロジンの使用量を抑えつつ、粘着効果を好適に発揮することができる。したがって、電気伝導性や緻密性の高い電極層を好適に実現することができる。
有酸価ロジンの酸価の上限は特に限定されないが、市販品の製品仕様では概ね400mgKOH/g以下であり、典型的には300mgKOH/g以下、例えば250mgKOH/g以下であるとよい。これにより、ペーストの単位質量あたりの酸価量Xを微調整し易くなる。また、ペースト中の無機成分(A)との親和性が過度に高まり過ぎることを抑制することができる。したがって、ペーストの粘度上昇を抑えて、ペーストのハンドリング性や成膜時の作業性を向上することができる。さらに、セルフレベリング性を向上して、滑らかな表面の導体膜を好適に実現することができる。
なお、ロジン系樹脂(B−2)は、酸価を有する有酸化ロジンに加えて、酸価を有しない無酸価ロジンを含んでいてもよい。無酸価ロジンとは、酸価が検出下限値以下(測定精度にもよるが、概ね0.5mgKOH/g以下)のロジン系樹脂をいう。無酸価ロジンを含む場合、ロジン系樹脂(B−2)全体に占める無酸価ロジンの割合は特に限定されないが、概ね50質量%未満、例えば10質量%以下であるとよい。
ロジン系樹脂(B−2)の含有割合は特に限定されないが、ペースト全体を100質量%としたときに、概ね0.1〜10質量%、典型的には0.5〜5質量%、例えば3質量%以下、好ましくは2質量%以下、より好ましくは1質量%以下であるとよい。ロジン系樹脂(B−2)の割合を所定値以上とすることで、ここに開示される技術の効果を安定的に、より良く発揮することができる。ロジン系樹脂(B−2)の割合を所定値以下とすることで、電気伝導性や緻密性の高い電極層を好適に実現することができる。また、ペーストのハンドリング性や成膜時の作業性を向上して、デラミネーションの発生を高度に抑制することができる。
なお、有機成分(B)は、有機バインダ(B−1)とロジン系樹脂(B−2)とで構成されていてもよく、有機バインダ(B−1)とロジン系樹脂(B−2)とに加えて、必要に応じて種々の有機添加剤を含んでいてもよい。有機添加剤としては、ここに開示される技術の効果を著しく損なわない限りにおいて、一般的な導電性ペーストに使用し得ることが知られているものを適宜用いることができる。有機添加剤の一例として、有機溶剤(B−3)、分散剤(B−4)、レベリング剤、消泡剤、増粘剤、可塑剤(B−5)、pH調整剤、安定剤、酸化防止剤、防腐剤、着色剤(顔料、染料等)等が挙げられる。
<(B−3)有機溶剤>
有機溶剤(B−3)は、無機成分(A)、例えば導電性粉末(A−1)や誘電体粉末(A−2)を分散させる成分である。また、ペーストに適度な粘性や流動性を付与して、ペーストの取扱性や成膜時の作業性を向上する成分でもある。有機溶剤(B−3)の種類等については特に限定されず、一般的に使用される各種の有機溶剤の中から、用途等に応じて1種または2種以上を適宜用いることができる。成膜時の作業性やペーストの保存安定性を高める観点からは、沸点が概ね200℃以上、例えば200〜300℃の高沸点有機溶剤が主成分(50体積%以上を占める成分。)であるとよい。
有機溶剤(B−3)の一好適例として、ターピネオール、テキサノール、ジヒドロターピネオール、ベンジルアルコール等の、−OH基を有するアルコール系溶剤;エチレングリコール、ジエチレングリコール等の、グリコール系溶剤;ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ブチルカルビトール(ジエチレングリコールモノブチルエーテル)等の、グリコールエーテル系溶剤;イソボルニルアセテート、エチルジグリコールアセテート、ブチルグリコールアセテート、ブチルジグリコールアセテート、ブチルセロソルブアセテート、ブチルカルビトールアセテート(ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセタート)等の、エステル結合基(R−C(=O)−O−R’)を有するエステル系溶剤;トルエン、キシレン等の炭化水素系溶剤;ミネラルスピリット等が挙げられる。なかでも、アルコール系溶剤を好ましく用いることができる。
ペーストに有機溶剤(B−3)を含む場合、有機溶剤(B−3)の含有割合は特に限定されないが、ペースト全体を100質量%としたときに、概ね70質量%以下、典型的には5〜60質量%、例えば30〜50質量%であるとよい。上記範囲を満たすことで、ペーストに適度な流動性を付与することができ、成膜時の作業性を向上することができる。また、ペーストのセルフレベリング性を高めて、より滑らかな表面の導体膜を実現することができる。
<(B−4)分散剤>
分散剤(B−4)は、ペースト中に無機成分(A)、典型的には、導電性粉末(A−1)および誘電体粉末(A−2)を均質に分散させて、無機成分(A)の粒子の凝集を高度に抑制する成分である。なお、本明細書において「分散剤」とは、親水性部位と親油性部位とを有する両親媒性を有する化合物全般をいい、所謂、界面活性剤、湿潤分散剤、乳化剤をも包含する用語である。ただし、ロジンとその誘導体については、酸性基を有する両親媒性の化合物であっても、上記したロジン系樹脂(B−2)に分類する。
分散剤(B−4)については特に限定されず、一般的に使用される各種の分散剤の中から、用途等に応じて1種または2種以上を適宜用いることができる。分散剤(B−4)の一好適例として、カルボキシル基(COO基)を有するカルボン酸系分散剤、ホスホン酸基(PO 基、PO 2−基)を有するリン酸系分散剤、スルホン酸基(SO 基、SO 2−基)を有するスルホン酸系分散剤等の、酸性基を有するアニオン系分散剤;アミノ基を有するカチオン系分散剤;等が挙げられる。なかでも、ロジン系樹脂(B−2)との併用を考慮すると、酸性度の弱いカルボン酸系分散剤の使用が好ましい。カルボン酸系分散剤を用いることで、例えば他のアニオン系分散剤を用いる場合に比べて、相対的にロジン系樹脂(B−2)を、より多く使用することができ、ここに開示される技術の効果を、より高いレベルで発揮することができる。
ペーストに分散剤(B−4)を含む場合、分散剤(B−4)の含有割合は特に限定されないが、ペースト全体を100質量%としたときに、概ね0.01〜5質量%、典型的には0.05〜3質量%、例えば0.1〜2質量%であるとよい。上記範囲を満たすことで、分散剤添加の効果を好適に発揮してペーストの均質性や分散性、保存安定性を高めると共に、電気伝導性や緻密性の高い電極層を、より良く実現することができる。
<(B−5)可塑剤>
可塑剤(B−5)は、導体膜に柔軟性を付与したり、導体膜の靱性を高めたりする成分である。可塑剤(B−5)については特に限定されず、一般的に使用される各種の可塑剤の中から、用途等に応じて1種または2種以上を適宜用いることができる。可塑剤(B−5)の一好適例として、フタル酸ジブチル、フタル酸ジオクチル、フタル酸ジイソノニル、フタル酸ジイソデシル、テレフタル酸ジオクチル等のフタル酸エステル;アジピン酸ジオクチル、アジピン酸ジイソノニル等のアジピン酸エステル;トリメリット酸トリオクチル等のトリメリット酸エステル;リン酸トリクレシル等のリン酸エステル;アセチルクエン酸トリブチル等のクエン酸エステル;セバシン酸エステル;マレイン酸エステル;安息香酸エステル;エポキシ化大豆油、エポキシ化亜麻仁油等のエポキシ化植物油;アクリル酸、アクリル酸メチル等のアクリル酸エステル、メタクリル酸、メタクリル酸メチル等のメタクリル酸エステル等のアクリルモノマー;カルボン酸とグリコールから成る低分子のポリエステル;等が挙げられる。
ペーストに可塑剤(B−5)を含む場合、可塑剤(B−5)の含有割合は特に限定されないが、ペースト全体を100質量%としたときに、概ね0.01〜5質量%、典型的には0.05〜3質量%、例えば0.1〜2質量%であるとよい。上記範囲を満たすことで、可塑剤添加の効果を好適に発揮して導体膜の柔軟性(耐屈曲性)や靱性を高めると共に、展延性を低く抑えることができる。そのため、例えばプレスや切断等で導体膜に応力が加えられる場合にも、導体膜の変形を抑制することができる。また、電気伝導性や緻密性の高い電極層を、より良く実現することができる。
ここで開示されるペーストは、ペーストの単位質量あたりの有酸価ロジンの酸価量をX(mgKOH)とし、ペーストの単位質量あたりの無機成分の含有量をY(g)としたときに、無機成分の含有量Yに対する有酸価ロジンの酸価量Xの比(X/Y)が、次の式:0.8≦(X/Y);を満たしている。上記比(X/Y)を満たすことにより、ロジン系樹脂の酸性基が無機成分の表面に適切に作用して、ロジン系樹脂の粘着性付与剤としての効果が良好に発揮される。上記比(X/Y)は、概ね1.0以上、一例では1.2以上、例えば1.8以上であってもよい。なお、上記Xの値は、上記した式(1)で求められる。また、上記Yの値は、上記した式(2)で求められる。
上記比(X/Y)の上限は特に限定されないが、概ね7.0以下であって、一例では5.0以下、例えば4.5以下であってもよい。一好適例では、上記比(X/Y)が、次の式:(X/Y)≦3;を満たしている。本発明者の検討によれば、上記比(X/Y)が大きくなると、導体膜の表面粗さRaが大きくなる傾向にある。例えば多積層構造を有する積層セラミック電子部品では、導体膜の表面のわずかな凹凸が積層構造の歪みにつながり、ショート不良等の不具合の原因になり得る。そのため、このような用途においては、上記比(X/Y)を満たすことが好ましい。上記比(X/Y)を所定値以下とすることによって、導体膜の表面平滑性をより良く向上することができ、例えば導体膜の表面粗さRaを5nm以下にまで小さく抑えることができる。かかる観点から、上記比(X/Y)は、概ね2.83以下、好ましくは2.7以下、より好ましくは2.6以下であるとよい。
上記Xの値は特に限定されない。例えば、ペースト100gあたりについて、概ね30mgKOH以上、一例では40mgKOH以上、例えば45mgKOH以上であって、概ね500mgKOH以下、一例では300mgKOH以下、例えば250mgKOH以下であってもよい。
また、上記Yの値も特に限定されない。例えば、ペースト100gあたりについて、概ね30g以上、一例では40g以上、例えば50g以上であって、概ね95g以下、一例では70g以下、例えば65g以下であってもよい。
このようなペーストは、上述した材料を所定の含有割合(質量比率)となるよう秤量し、均質に撹拌混合することで調製し得る。材料の撹拌混合は、従来公知の種々の攪拌混合装置、例えばロールミル、マグネチックスターラー、プラネタリーミキサー、ディスパー等を用いて行うことができる。また、基材へのペーストの付与は、例えばスクリーン印刷、グラビア印刷、オフセット印刷およびインクジェット印刷等の印刷法やスプレー塗布法等を用いて行うことができる。特に積層セラミック電子部品の内部電極層を形成する用途では、高速印刷が可能なグラビア印刷法が好適である。
ここに開示される導電性ペーストによれば、例えば、70℃での動的弾性率測定(DMA)における弾性率Eが、0.1〜3.0(GPa)の導体膜を形成することができる。これにより、導体膜の接着性や濡れ性を高めると共に、展延性を低く抑えることができる。そのため、例えばプレスや切断等で導体膜に応力が加えられる場合にも、導体膜の変形を抑制することができる。
以上の通り、ここに開示される導電性ペーストによれば、基材との接着性に優れた導体膜を形成することができる。例えば、後述の実施例に記載する方法で行われる180°剥離試験において、基材(セラミックグリーンシート)に対する剥離強度(ピール強度)が、150gf/cm以上、好ましくは180gf/cm以上、より好ましくは190gf/cm以上、さらには200gf/cm以上であって、例えば300gf/cm以下の導体膜を形成することができる。このように剥離強度の高い導体膜は、例えばプレスや切断等で導体膜に応力が加えられる場合にも、基材との一体性を好適に維持することができる。
<ペーストの用途>
ここで開示されるペーストの代表的な使用用途として、積層セラミック電子部品における内部電極層の形成が挙げられる。ここで開示されるペーストは、例えば、各辺が5mm以下、例えば1mm以下の超小型MLCCの内部電極層の形成に好適に用いることができる。なお、本明細書において、「セラミック電子部品」とは、非晶質のセラミック基材(ガラスセラミック基材)あるいは結晶質(すなわち非ガラス)のセラミック基材を有する電子部品一般を指す用語である。例えば、セラミック製の基材を有するインダクタ、高周波フィルター、アクチュエータ、セラミックコンデンサ、低温焼成積層セラミック基材(Low Temperature Co-fired Ceramics Substrate:LTCC基材)、高温焼成積層セラミック基材(High Temperature Co-fired Ceramics Substrate:HTCC基材)等は、ここでいう「セラミック電子部品」に包含される典型例である。
セラミック基材を構成するセラミック材料としては、例えばチタン酸バリウム(BaTiO)、酸化ジルコニウム(ジルコニア:ZrO)、酸化マグネシウム(マグネシア:MgO)、酸化アルミニウム(アルミナ:Al)、酸化ケイ素(シリカ:SiO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化チタン(チタニア:TiO)、酸化セリウム(セリア:CeO)、酸化イットリウム(イットリア:Y)等の酸化物系材料;コーディエライト(2MgO・2Al・5SiO)、ムライト(3Al・2SiO)、フォルステライト(2MgO・SiO)、ステアタイト(MgO・SiO)、サイアロン(Si−AlN−Al)、ジルコン(ZrO・SiO)、フェライト(MO・Fe)等の複合酸化物系材料;窒化ケイ素(シリコンナイトライド:Si)、窒化アルミニウム(アルミナイトライド:AlN)等の窒化物系材料;炭化ケイ素(シリコンカーバイド:SiC)等の炭化物系材料;ハイドロキシアパタイト等の水酸化物系材料;炭素(C)、ケイ素(Si)等の元素系材料;もしくはこれらを2種以上含む無機複合材料;等が挙げられる。
図1は、積層セラミックコンデンサ(MLCC)10を模式的に示す断面図である。MLCC10は、誘電体層20と内部電極層30とが交互に多数積層されて構成されたセラミックコンデンサである。誘電体層20は、例えばセラミックで構成されている。内部電極層30は、ここに開示される導電性ペーストの焼成体で構成されている。MLCC10は、例えば、以下の手順で製造される。
すなわち、まず、基材としてのセラミックグリーンシートを用意する。一例では、誘電体材料としてのセラミック材料と、バインダと、有機溶剤等とを撹拌混合して、誘電体層形成用のペーストを調製する。次に、調製したペーストをドクターブレード法等でキャリアシート上に延ばし、未焼成のセラミックグリーンシートを複数枚成形する。このセラミックグリーンシートは、焼成後に誘電体層となる部分である。
次に、ここに開示される導電性ペーストを用意する。具体的には、少なくとも導電性粉末(A−1)と有機バインダ(B−1)とロジン(B−2)とを準備し、これらが上記比(X/Y)を満たすように撹拌混合して、導電性ペーストを調製する。次に、調製したペーストを上記成形した複数枚のセラミックグリーンシートの上に、所定のパターンで所望の厚み(例えばサブミクロン〜ミクロンレベル)になるように付与して、それぞれ導体膜を形成する。この導体膜は、焼成後に内部電極層となる部分である。
このようにして未焼成の導体膜付きのセラミックグリーンシートを複数枚(例えば、数百〜数千枚)作成した後、これらを積層し、圧着する。これにより、未焼成の積層チップを作製する。
次に、上記作製した未焼成の積層チップを、所望のサイズに切断した後、適当な加熱条件(例えば、1000〜1300℃程度の温度)で焼成する。これにより、積層チップを同時焼成(焼き付け)し、一体焼結させる。以上のようにして、誘電体層20と内部電極層30とが交互に多数積層された複合体を得ることができる。そして最後に、焼成後の複合体の両端面に電極材料を塗布して焼き付ける。これにより、外部電極40を形成する。以上のようにして、MLCC10を製造することができる。
以下、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明を係る実施例に示すものに限定することを意図したものではない。
<導電性ペーストの調製>
まず、表1に示すように、無機成分としての導電性粉末(A−1)と誘電体粉末(A−2)、および、有機成分としての有機バインダ(B−1)とロジン系樹脂(B−2)と有機溶剤(B−3)と分散剤(B−4)と可塑剤(B−5)とを混合して、導電性ペースト(例1〜14、比較例1〜7)を調製した。なお、ロジン系樹脂の酸価については、メーカーの公称値(JIS K0070:1992に準じて電位差滴定法で測定された値。)を記載している。また、導電性粉末(A−1)としては、平均粒子径(メーカーの公称値。電子顕微鏡観察に基づく個数基準の平均粒子径。)が0.25μm、比表面積が2.75m/gのニッケル粉末を使用した。また、誘電体粉末(A−2)としては、平均粒子径(メーカーの公称値。電子顕微鏡観察に基づく個数基準の平均粒子径。)が0.05μm(50nm)、比表面積が21m/gのチタン酸バリウム粉末を使用した。
<比(X/Y)の算出>
次に、上記した式(1),式(2)を用いて、上記比(X/Y)の値を算出した。
具体的には、まず、各例につき、ロジン系樹脂の酸価(mgKOH/g)×含有割合(質量%)から、ペースト100g中のロジン系樹脂の酸価量X(mgKOH)を算出した。次に、各例につき、導電性粉末の含有割合(質量%)と誘電体粉末の含有割合(質量%)とを合計して、ペースト100g中の無機成分の含有量Y(g−無機成分)を算出した。そして、ペースト100g中のロジン系樹脂の酸価量Xを、ペースト100g中の無機成分の含有量Yで除して、比(X/Y)を算出した。結果を表1に示す。
<剥離強度の測定>
まず、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムの表面にセラミックグリーンシートが付着している基材を用意した。次に、上記調製した導電性ペーストを、スクリーン印刷によって上記基材のセラミックグリーンシートの側の表面に、35mm×22mmの長方形パターンとなるように塗工し、80℃・5分間の熱風乾燥を行った。これにより、セラミックグリーンシート上に約1μm厚みの導体膜を形成した。
次に、上記形成した導体膜の上に第2のセラミックグリーンシートを載せ、70℃・6秒間の熱圧着を行った。これを25℃の環境下に30分間放置した後、PETフィルムを引き剥がして、導体膜の両面にセラミックグリーンシートが圧着された積層体を得た。次に、この積層体を導体膜が5mm×32mmの大きさになるように切断した。次に、一方のセラミックグリーンシートをアルミナ基板の上に両面テープで固定し、もう一方のセラミックグリーンシートに2つ折りにしたセロハンテープを付着させた。そして、引張試験機を使用し、2つのセラミックグリーンシートを、引張条件:引張速度100mm/分、剥離角度:180°で反対方向に引っ張り、導体膜とセラミックグリーンシートとを剥離させた。このときの平均荷重から、導体膜の剥離強度(対セラミックグリーンシート、単位:gf/cm幅)を求めた。
結果を表1に示す。なお、剥離強度は、値が大きいほど接合性に優れることを表す。表1では、剥離強度の値が180gf/cm以上のものを、接着性が良好と判定し、「〇」を示している。一方、接着性が180gf/cm未満のものを、接着性が不足と判定し、「×」を示している。
<表面粗さの測定>
光干渉顕微鏡を用いて、以下の条件で導体膜の表面平滑性(算術平均粗さRa)を算出した。
装置:超分解能非接触三次元表面形状計測システム BW-A501(株式会社ニコン製)
光学顕微鏡 LV-150(株式会社ニコン製)
倍率:100倍、操作幅:±5μm、測定範囲:50μm×1000μm
結果を表1に示す。なお、Raは、値が小さいほど表面平滑性に優れることを表す。表1では、Raの値が5nm未満のものを、表面平滑性が良好と判定し、「〇」を示している。一方、Raの値が5nm以上のものを、表面平滑性が不足と判定し、「×」を示している。なお、「−」は未測定であることを示している。
Figure 0006618969
図2は、X/Yと剥離強度との関係を示すグラフである。表1および図2に示すように、ロジン系樹脂と可塑剤とをいずれも添加しなかった比較例1は、最も剥離強度が小さかった。これに対して、可塑剤のみを1.5〜2質量%の割合で添加した比較例2,3では、若干の接着性の向上が認められた。また、無機成分の含有量Yに対するロジン系樹脂の酸価量Xの比(X/Y)を0.12〜0.4とした比較例4〜7では、X/Yの増加に伴って接着性が向上する傾向が認められた。そして、X/Yが0.8以上(ここでは、0.8〜4.14)を満たす例1〜14では、導体膜の剥離強度が195gf/cm以上にまで高められ、接着性の顕著な向上が実現されていた。
以上のことから、ここに開示される導電性ペーストによれば、例えば、比較例1〜7のように、ロジン系樹脂を含まない、あるいはX/Yが小さい導電性ペーストに比べて、基材との接着性が向上した導体膜を形成することができる。
また、表1に示すように、X/Yが大きな例8,10,14では、導体膜の表面の凹凸が大きかった。これに対して、X/Yが3以下(ここでは2.83以下)を満たす例1〜7,9,11〜13では、導体膜の表面粗さRaが5nm以下に抑えられ、優れた表面平滑性が実現されていた。
以上のことから、X/Yを3以下、より好ましくは2.6以下とすることで、X/Yが大きな導電性ペーストに比べて、表面平滑性に優れた導体膜を形成することができる。
以上、本発明を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、本発明はその主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。
10 積層セラミックコンデンサ
20 セラミックグリーンシート
30 内部電極層
40 外部電極

Claims (6)

  1. 無機成分と有機成分とを含み、導体膜の形成に用いられる導電性ペーストであって、
    前記無機成分は、導電性粉末と、誘電体粉末と、を含み、
    前記有機成分は、有機バインダと、ロジン系樹脂と、を含み、
    前記ロジン系樹脂は、酸価を有する有酸価ロジンを含み、
    前記導電性ペーストの単位質量あたりの前記有酸価ロジンの酸価量をX(mgKOH)とし、前記導電性ペーストの単位質量あたりの前記無機成分の全体の含有量をY(g)としたときに、次の式:0.8≦(X/Y);を満たす、導電性ペースト。
  2. 前記X/Yが、次の式:(X/Y)≦3;を満たす、請求項1に記載の導電性ペースト。
  3. 前記有酸価ロジンは、酸価が100mgKOH/g以上である、請求項1または2に記載の導電性ペースト。
  4. 前記導電性ペーストの全体を100質量%としたときに、前記ロジン系樹脂が2質量%以下である、請求項1から3のいずれか一項に記載の導電性ペースト。
  5. 前記導電性粉末が、ニッケル、白金、パラジウム、銀および銅のうちの少なくとも1つである、請求項1から4のいずれか一項に記載の導電性ペースト。
  6. 積層セラミック電子部品の内部電極層を形成するために用いられる、請求項1から5のいずれか一項に記載の導電性ペースト。
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