JP4288656B2

JP4288656B2 - ガラスセラミック誘電体材料

Info

Publication number: JP4288656B2
Application number: JP2003022472A
Authority: JP
Inventors: 欣克西川; 芳夫馬屋原
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2002-03-04
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2023-01-30
Also published as: JP2003327450A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、０．１ＧＨｚ以上の高周波領域においてアルミナと同等の誘電率を有し、誘電損失が低く、共振周波数の温度係数がゼロに近いために、マイクロ波用回路部品の作製に好適なガラスセラミック誘電体材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣ、ＬＳＩ等が高密度実装されるセラミック基板材料等の回路部品材料として、アルミナセラミック材料や、ガラス粉末とセラミック粉末からなるガラスセラミック材料が知られている。特にガラスセラミック材料は、機械的強度はアルミナセラミック材料に比べて劣るものの、１０００℃以下の温度で焼成することができるため、導体抵抗の低いＡｇ、Ｃｕ等と同時焼成することができるという長所がある。
【０００３】
ところで、自動車電話やパーソナル無線に代表される移動体通信機器、衛星放送、衛星通信、ＣＡＴＶ等に代表されるニューメディア機器に使用されるマイクロ波用回路部品材料には、０．１ＧＨｚ以上の高周波領域における誘電損失が低いことが要求される。そこでディオプサイド系結晶を析出するガラスセラミック材料が提案されている。例えば特許文献１には、この種の材料が開示されている。
【０００４】
また、マイクロ波用回路部品用途では、部品自身が共振器として機能することを求められる場合があり、その場合は共振周波数が温度によって変化しないという温度安定性が求められる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−１２０４３６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記したようなディオプサイド系のガラスセラミック材料は、高周波領域での誘電損失が低い焼結体を得られるという特徴を有している。ところが誘電率が６〜８程度とアルミナより低い。また、共振周波数の温度係数が−６５ｐｐｍ／℃と温度安定性が悪い。
【０００７】
本発明の目的は、１０００℃以下の温度で焼成でき、誘電率がアルミナと同等であり、しかもマイクロ波領域の周波数において、誘電損失が低く、共振周波数の温度係数がゼロに近い焼結体を得ることが可能なガラスセラミック誘電体材料を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は種々の検討を行ったところ、ディオプサイドに加え、さらにチタナイトやチタニアを析出させることにより、アルミナと同等の誘電率が得られると同時に共振周波数の温度係数がゼロに近づくことを見いだし、本発明として提案するものである。
【０００９】
即ち本発明の誘電体材料用ガラス粉末は、焼成すると、ディオプサイド（ＣａＭｇＳｉ₂Ｏ₆）と、チタナイト（ＣａＴｉ（ＳｉＯ₄）Ｏ）及び／又はチタニア（ＴｉＯ₂）を析出する性質を有することを特徴とする。
【００１０】
また本発明の誘電体材料用ガラス粉末は、ＳｉＯ₂ ３５〜６５％、ＣａＯ１０〜３０％、ＭｇＯ１０〜２０％、ＴｉＯ₂ １２〜３０％含有することを特徴とする。
【００１１】
本発明のガラスセラミック誘電体材料は、焼成すると、ディオプサイド（ＣａＭｇＳｉ₂Ｏ₆）と、チタナイト（ＣａＴｉ（ＳｉＯ₄）Ｏ）及び／又はチタニア（ＴｉＯ₂）を析出する性質を有するガラス粉末を含むことを特徴とする。
【００１２】
また本発明のガラスセラミック誘電体材料は、ＳｉＯ₂ ３５〜６５％、ＣａＯ１０〜３０％、ＭｇＯ１０〜２０％、ＴｉＯ₂ １２〜３０％含有するガラス粉末からなることを特徴とする。
【００１３】
上記ガラスセラミック誘電体材料は、セラミック粉末等を含み得る。またグリーンシートの形態で提供され得る。
【００１４】
本発明のガラスセラミック焼結体は、析出結晶として、ディオプサイド（ＣａＭｇＳｉ_２Ｏ_６）と、チタナイト（ＣａＴｉ（ＳｉＯ_４）Ｏ）が存在することを特徴とする。
【００１５】
本発明のマイクロ波用回路部品は、ディオプサイド（ＣａＭｇＳｉ_２Ｏ_６）と、チタナイト（ＣａＴｉ（ＳｉＯ_４）Ｏ）が存在するガラスセラミック焼結体からなる誘電体層を有することを特徴とする。
【００１６】
【作用】
本発明のガラスセラミック誘電体材料は、焼成すると、低誘電損失のディオプサイドに加え、ディオプサイドよりも高誘電率であるチタナイトやチタニアを析出したガラスセラミック焼結体となる。
【００１７】
これらの結晶を析出させることにより、得られるガラスセラミック焼結体の高周波領域（０．１ＧＨｚ以上）での誘電率を９〜１０、誘電損失を２０以下に調整することができる。なお、チタナイトやチタニアの析出量はＴｉＯ₂の含有量で調整することが可能である。例えばチタナイトやチタニアの析出量を増やしたい場合には、ＴｉＯ₂の含有量を多くすればよい。
【００１８】
このような結晶を析出させるためには、ＳｉＯ₂、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＴｉＯ₂を主成分とし、これらの主成分の含有量が合量で８０質量％以上、好ましくは９０質量％以上である結晶性のガラス粉末を用いればよい。上記成分が合量で８０質量％未満の場合、異種結晶が析出したり、或いは所望の結晶が析出しなくなり易い。
【００１９】
また質量百分率で、ＳｉＯ₂ ３５〜６５％、ＣａＯ１０〜３０％、ＭｇＯ１０〜２０％、ＴｉＯ₂ １２〜３０％含有するガラスを用いることが望ましい。
【００２０】
ガラス粉末の組成範囲を上記のように限定した理由を以下に述べる。
【００２１】
ＳｉＯ₂はガラスのネットワークフォーマーであるとともに、ディオプサイド、チタナイトの構成成分となり、その含有量は３５〜６５％、好ましくは４０〜５５％である。ＳｉＯ₂が３５％より少ないとガラス化し難く、６５％より多いと１０００℃以下での焼成が困難になり、導体や電極としてＡｇやＣｕを用いることが難しくなる。
【００２２】
ＣａＯはディオプサイド、チタナイトの構成成分となり、その含有量は１０〜３０％、好ましくは１５〜２５％である。ＣａＯが１０％より少ないとこれらの結晶が析出し難くなって誘電損失が高くなり、もしくは誘電率が上がらず、３０％より多いとガラス化し難くなる。
【００２３】
ＭｇＯはディオプサイドの構成成分となり、その含有量は１０〜２０％、好ましくは１２〜１７％である。ＭｇＯが１０％より少ないと結晶が析出し難くなり、２０％より多いとガラス化し難くなる。
【００２４】
ＴｉＯ₂はガラスの誘電率を高める成分であり、かつチタナイト、チタニアの構成成分となり、その含有量は１２〜３０％、好ましくは１５〜２７％である。ＴｉＯ₂が１２％より少ないとチタナイトやチタニアが析出し難くなり、誘電率が十分に高くならない。また共振周波数の温度係数が−１０ｐｐｍ／℃よりも低くなる。３０％より多くなると誘電率が高くなりすぎると同時に共振周波数の温度係数が１０ｐｐｍ／℃よりも高くなる。
【００２５】
また上記成分以外にも、誘電率、誘電損失等の特性を損なわない範囲で他成分を添加してもよい。例えば溶解性向上のためにＳｒＯを１０％まで、ＢａＯを１０％まで、化学耐久性向上のためにＺｒＯ₂を１０％まで添加することができる。ただしこれらの他成分の含有量は、合量で２０％未満に制限することが望ましい。
【００２６】
本発明のガラスセラミック誘電体材料は、上記した特徴を有するガラス粉末のみで構成されてもよいが、得られる焼結体の曲げ強度、靭性等の特性を改善する目的でセラミック粉末と混合してもよい。この場合、セラミック粉末の混合量は５０質量％以下が好ましい。セラミック粉末の割合をこのように限定した理由は、セラミックス粉末が５０％より多いと緻密化し難くなるためである。
【００２７】
セラミック粉末としては、０．１〜１０ＧＨｚでの誘電率が１６以下、誘電損失が１０×１０^-4以下であるセラミック粉末を用いることが望ましい。例えばアルミナ、クリストバライト、フォルステライト、ジルコン、ジルコニア等を使用することができる。セラミック粉末の誘電率が１６を超えるとガラスセラミック焼結体の誘電率が高くなり易い。また０．１〜１０ＧＨｚでの誘電損失が１０×１０−４を越えるセラミック粉末を使用するとガラスセラミックス焼結体の誘電損失が高くなり易く好ましくない。
【００２８】
次に本発明のガラスセラミック誘電体材料を用いた回路部品の製造方法を述べる。
【００２９】
まずガラス粉末、或いはガラス粉末とセラミック粉末の混合粉末に、所定量の結合剤、可塑剤及び溶剤を添加してスラリーを調製する。結合剤としては例えばポリビニルブチラール樹脂、メタアクリル酸樹脂等、可塑剤としては例えばフタル酸ジブチル等、溶剤としては例えばトルエン、メチルエチルケトン等を使用することができる。
【００３０】
次いで上記のスラリーを、ドクターブレード法によってグリーンシートに成形する。その後、このグリーンシートを乾燥させ、所定寸法に切断してから、機械的加工を施してスルーホールを形成し、導体や電極となる低抵抗金属材料をスルーホール及びグリーンシート表面に印刷する。次いでこのようなグリーンシートの複数枚を積層し、熱圧着によって一体化する。
【００３１】
次に、積層したグリーンシートを焼成することによってガラスセラミック焼結体を得る。このようにして作製された焼結体は、内部や表面に導体や電極を備えている。なお焼成温度は１０００℃以下、特に８００〜９５０℃程度の温度であることが好ましい。
【００３２】
なおガラスセラミック焼結体を製造するに当たり、グリーンシートを用いる例を挙げたが、本発明はこれに限定されるものではなく、一般にセラミックの製造に用いられる各種の方法を適用することが可能である。
【００３３】
さらに、上記のようにして作製したガラスセラミック焼結体上にＳｉ系やＧａＡｓ系の半導体素子のチップ等を接続することで、ガラスセラミック焼結体からなる誘電体層を有するマイクロ波用回路部品を得ることができる。
【００３４】
【実施例】
以下、実施例に基づいて本発明を説明する。
【００３５】
表１、２は本発明の実施例（試料Ｎｏ．１〜６）及び比較例（試料Ｎｏ．７）を示すものである。
【００３６】
【表１】

【００３７】
【表２】

【００３８】
各試料は以下のように調製した。
【００３９】
まず表に示す組成となるようにガラス原料を調合した後、白金坩堝に入れて１４００〜１５００℃で３〜６時間溶融してから、水冷ローラーによって薄板状に成形した。次いでこの成形体を粗砕した後、アルコールを加えてボールミルにより湿式粉砕し、平均粒径が１．５〜３μｍのガラス粉末とした。さらに試料Ｎｏ．２〜６については、表に示したセラミック粉末（平均粒径２μｍ）を添加し、混合粉末とした。
【００４０】
このようにして得られた粉末試料について、焼成温度、析出結晶、誘電率、誘電損失を測定した。
【００４１】
表から明らかなように、実施例の各試料は、８８０〜９００℃の低温で焼成可能であり、焼成後にディオプサイド結晶の他に、チタナイト結晶やチタニア結晶が析出していることが確認された。また２．４ＧＨｚの周波数で誘電率が９．２〜９．８とアルミナと同等の誘電率であり、しかも誘電損失が小さかった。さらに、共振周波数の温度係数が−７〜７ｐｐｍ／℃とゼロに近い値となった。一方、比較例である試料Ｎｏ．７は、誘電率が７．８と低かった。また、共振周波数の温度係数が−６５ｐｐｍ／℃とゼロから離れた値となった。
【００４２】
なお焼成温度は、種々の温度で焼成した焼結体にインクを塗布した後に拭き取り、インクが残らない（＝緻密に焼結した）試料のうち最低の温度で焼成したものの焼成温度を記載した。
【００４３】
析出結晶は、各試料を表に示す温度で焼成した後、Ｘ線回折によって求めた。
【００４４】
誘電率と誘電損失は、焼成した試料を用い、空洞共振器（測定周波数２．４ＧＨｚ）を使用して２５℃の温度での値を求めた。
【００４５】
共振周波数の温度係数の測定は、焼成した試料をＪＩＳＲ１６２７により求めた。（共振周波数１５ＧＨｚ）
【００４６】
【発明の効果】
以上のように本発明のガラスセラミック誘電体材料は、１０００℃以下の低温で焼成することが可能であり、導体損失の低いＡｇやＣｕを導体として使用可能である。しかもその焼結体は、誘電率が９〜１０とアルミナに近いため、アルミナと置換して使用する場合に回路設計を大幅に変更する必要がない。さらに０．１ＧＨｚ以上の高周波領域において低い誘電損失とゼロに近い共振周波数の温度係数を有している。従ってマイクロ波用回路部品用途に好適である。

Claims

焼成すると、ディオプサイド（ＣａＭｇＳｉ_２Ｏ_６）と、チタナイト（ＣａＴｉ（ＳｉＯ_４）Ｏ）及び／又はチタニア（ＴｉＯ_２）を析出する性質を有する誘電体材料用ガラス粉末。
ＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＴｉＯ_２を組成中に含み、これらの成分の含有量が合量で８０質量％以上であることを特徴とする請求項１の誘電体材料用ガラス粉末。
ガラス粉末が、質量百分率で、ＳｉＯ_２３５〜６５％、ＣａＯ１０〜３０％、ＭｇＯ１０〜２０％、ＴｉＯ_２１２〜３０％含有することを特徴とする請求項１又は２の誘電体材料用ガラス粉末。
請求項１〜３の何れかのガラス粉末を含むことを特徴とするガラスセラミック誘電体材料。
さらにセラミック粉末を含むことを特徴とする請求項４のガラスセラミック誘電体材料。
セラミック粉末が、０．１〜１０ＧＨｚにおいて、誘電率が１６以下、かつ誘電損失が１０×１０^−４以下であることを特徴とする請求項５のガラスセラミック誘電体材料。
質量百分率でガラス粉末５０〜１００％、セラミック粉末０〜５０％であることを特徴とする請求項５のガラスセラミック誘電体材料。
請求項４〜７の何れかのガラスセラミック誘電体材料を含むことを特徴とするグリーンシート。
質量百分率で、ＳｉＯ_２３５〜６５％、ＣａＯ１０〜３０％、ＭｇＯ１０〜２０％、ＴｉＯ_２１２〜３０％含有することを特徴とする誘電体材料用ガラス粉末。
請求項９のガラス粉末を含むことを特徴とするガラスセラミック誘電体材料。
さらにセラミック粉末を含むことを特徴とする請求項１０のガラスセラミック誘電体材料。
請求項１０又は１１のガラスセラミック誘電体材料を含むことを特徴とするグリーンシート。
析出結晶として、ディオプサイド（ＣａＭｇＳｉ_２Ｏ_６）と、チタナイト（ＣａＴｉ（ＳｉＯ_４）Ｏ）が存在することを特徴とするガラスセラミック焼結体。
ディオプサイド（ＣａＭｇＳｉ_２Ｏ_６）と、チタナイト（ＣａＴｉ（ＳｉＯ_４）Ｏ）が存在するガラスセラミック焼結体からなる誘電体層を有することを特徴とするマイクロ波用回路部品。