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厚膜抵抗体開発の現状と問題点
厚膜抵抗体開発の現状と問題点 日大生産工 ○阿部 治 １ はじめに 厚膜抵抗体はスクリーン印刷→乾燥→焼成 といった行程を経て製作される。印刷に用い られる抵抗ペーストは、RuO2などの導電体成 分とこれらを結合させるとともに基板へ付着 させるための固結剤、印刷を容易にするため の樹脂、ペーストの粘度を維持する溶剤から 構成されている。このような単純な組成と製 作の容易さなどから、電子回路形成部品とし て広く用いられている。しかし、抵抗体内部 での詳細な導電メカニズムはいまだに解明さ れきっておらず、試行錯誤による特性向上が 図られている。本報告では、厚膜抵抗体の開 発目標と問題点について報告する。 ２ 厚膜抵抗体材料 厚膜抵抗体の主材料は導電成分と固結材で ある。導電成分として最も多く用いられてい るのがRuO2である。これは酸化物でありなが ら、およそ3×10−7Ωｍという金属に近い抵抗 率を示し、熱的にも非常に安定であり、微細 な粉末を作製できるなどの多くの利点を持っ ている。図１は厚膜抵抗体に用いられている 平均粒径がおよそ40nmのRuO2粉末の走査電子 顕微鏡写真である。Ruは貴金属であるため、 相場の高騰によりペースト価格が上昇する。 このため、卑金属化・非金属化が求められて いる。筆者らは多くの卑金属を導電材料とし ての使用を試みたが、未だにRuO2なみの特性 が得られる材料は見つかっていない。固結剤 には導電成分および基板との濡れ性、基板の 熱膨張係数に近いことなどが要求されるた め、硼珪酸鉛ガラスが多く用いられてきた。 しかし、地球環境や人体へ悪影響を及ぼす材 料を排除するため鉛フリー化が求められてい る。このため、硼珪酸亜鉛ガラス等の鉛を含 まないガラスの使用が増加している。しかし、 鉛レスガラスは軟化温度が高く、抵抗体の焼 成温度を下げられない、RuO2との濡れ性が硼 珪酸鉛ガラスほど得られないなどの問題点も ある。 ３ 厚膜抵抗体の微細構造 ガラス粉末の大きさが違う場合の印刷され た抵抗体の乾燥後と焼成後の抵抗体の構造の 違いを示したのがを図２である。抵抗体の形 状を小さくするためには、微細なガラス粉末 の使用が求められることがわかる。 図２ 図１ 乾燥後と焼成後の微細構造 RuO2粉末のFE-SEM Current state and problems of thick film resistors Osamu ABE しかし、超微細なガラス粉末は非常に活性で あり、外部からのわずかなエネルギの注入に よりガラス粉末同士が固結してクラスタを形 成してしまい、大きなサイズのガラスと同様 のふるまいをするようになるため、扱いが困 難である。また、ペースト作製時にガラス粉 末の浮遊も問題となる。 抵抗体を微小化することにより材料のコ ストを減少することができる。このため、抵 抗体のサイズは年々小さくなり、現在の主流 は基板のサイズで1.0mm×0.50mmとなってい る。さらなる微細化が求められているが、す でにチップ抵抗では微細化が極限まで達して いるのが現状である。 ４ 厚膜抵抗体の導電機構 図３は厚膜抵抗体の微細構造の模式図で ある。RuO2濃度がおよそ40％以上の場合には 鎖状の導電路と周辺に生成された反応層の結 合による導電路ができる。このような場合で は電流の大部分が反応層よりも抵抗の低い鎖 状の導電路を流れるため、抵抗値のRuO2濃度 依存性はほとんど見られなくなる。RuO2の粒 子数が多いため、特に温度が低い状態では導 電粒子間の接触抵抗が主な抵抗の因子となっ ている。 RuO2の濃度がおよそ30％になると、RuO2の相 互接触による鎖状導電路が形成され、抵抗体 の電気的特性は導電粒子相互の接触状態と RuO2の持つ電気的特性に依存するようになる。 以上のように厚膜抵抗体の導電機構は鎖状 導電路による金属的な伝導性と反応層による 半導体的な伝導性から成立している。 ５ 厚膜抵抗体の微細化と低価格化 厚膜抵抗体は熱的・経時的に安定でなけれ ばならない。このため導電成分には熱的に安 定なRuO2が、固結剤にはガラスが用いられて きた。そこで、RuO2とガラスのリアクション により生成される反応層に着目し、反応層の みを用いた厚膜抵抗体開発を試みている。現 状では反応層の取り出しに成功し、抵抗体の 試作も行っている。しかし、反応層の抵抗率 はとガラスの混合比、焼成温度などによって 決定してしまうため、以後の抵抗値の調整が 必要になってくる。 図４ 図３ 厚膜抵抗体のRuO2濃度と微細構造 RuO2の濃度が数％の場合はRuO2粒子が孤立 分散しており、ガラス中に形成された反応層 が相互に接触することにより導電性を保つこ とができている。このため、抵抗体の電気伝 導は半導体的な特性を示す。 RuO2の濃度が15％程度の場合では、抵抗体 の伝導は電極の間を結ぶ連続した鎖状の導電 路と半導体的な特性を示す反応層の結合によ り作られた導電路との割合によって決定す る。RuO2の濃度が多めの場合では鎖状の導電 路が支配的であるが、RuO2濃度が少ない場合 では鎖状の導電路が切断され、反応層の連結 による電気伝導が主流となる。 添加物効果 抵抗体へ添加物を加えた場合の抵抗温度係 数と抵抗値の変化を図４に示す。抵抗体ペー スト中へ添加物を混合することによって、抵 抗体の抵抗値と温度特性を制御することがで きる。反応層のみを用いて作製した抵抗体で も、各種の元素を添加することにより、RuO2と ガラス粉末を混合した抵抗体と同様に添加効 果および重ね合わせ効果が得られている。こ のため、数μｍ角の超微細な抵抗体作製が期 待できる。また、チップ抵抗として使用する 場合は、抵抗体の超微細化により、現在使用 されている基板上に数十個から数百個の抵抗 体を形成し、抵抗アレイとしての使用も可能 となるため、抵抗体部品の低価格化が実現で きる。