JP3554136B2

JP3554136B2 - High frequency dielectric ceramic composition and dielectric resonator

Info

Publication number: JP3554136B2
Application number: JP10872397A
Authority: JP
Inventors: 健岡村; 哲也岸野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-04-25
Filing date: 1997-04-25
Publication date: 2004-08-18
Anticipated expiration: 2017-04-25
Also published as: JPH10297959A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、マイクロ波、ミリ波等の高周波で用いられる高周波用誘電体組成物に係わり、例えば、マイクロ波、ミリ波集積回路等のマイクロ波、ミリ波帯域で用いられる回路素子用基板、誘電体共振器用支持部材、誘電体共振器、誘電体導波路、誘電体アンテナ等の材料として有用な高周波用誘電体磁器組成物、並びに誘電体磁器を支持部材を介して基板に固定した誘電体共振器に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
マイクロ波、ミリ波集積回路をはじめとする高周波用回路素子では、誘電体磁器を支持部材を介して基板に固定する構造が採用される場合がある。例えば、誘電体共振器制御型マイクロ波発信器は、図１に示すように、誘電体磁器１を支持部材２を介して磁器基板３に取り付け、誘電体磁器１の外部に漏れ出る電磁界Ｈを利用して磁器基板３に設けたストリップライン４に結合させ、これらを金属ケース５に収容させた構造を有している。
【０００３】
この種の高周波用回路においては、誘電体磁器１の電界が支持部材２を介して漏れるのを制御することによって、無負荷Ｑの高い共振系が構成されることになるため、支持部材には誘電率が低く誘電損失（ｔａｎδ）が小さい（Ｑ値が大きい）材料を使用する必要がある。このため、従来、支持部材の材料としては比誘電率が約７、測定周波数１０ＧＨｚでのＱ値が約１５０００のフォルステライトが採用され、また、磁器基板の材料としては主として比誘電率が約１０、測定周波数１０ＧＨｚでのＱ値が２００００以上のアルミナ磁器が採用されていた（例えば、特開昭６２−１０３９０４号公報等参照）。
【０００４】
一方、比誘電率が低い材料としては、従来、コーディエライトが知られているが、焼成温度範囲がきわめて狭いことから緻密な焼結体が得がたく、ガラス材を添加することによって、比誘電率が４〜６、測定周波数１０ＧＨｚでのＱ値が１０００程度のガラスセラミックが用いられていた（例えば、特願昭６１−２３４１２８号公報等参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来用いられていたアルミナ、及びフォルステライトの比誘電率はそれぞれ約１０及び約７程度であり、近年における高周波数帯の誘電体共振器の普及にともない、より低誘電率材料が求められていた。
【０００６】
一方、低誘電率材料として用いられているガラスセラミック等の磁器は比誘電率が約４〜６と小さいが、Ｑ値が１０ＧＨｚで１０００程度であり、近年における高周波数帯の誘電体共振器の普及に伴い、より高いＱ値の低誘電率材料が求められていた。
【０００７】
また、共振器の磁器基板に主として使用されているアルミナ磁器は比誘電率が約１０と比較的高く、高インピーダンスのストリップラインを形成しようとすると、ライン幅が小さくなりすぎて（通常１μｍ以下）、断線が生じたり、相対的なライン幅のばらつきが大きくなり、マイクロ波集積回路の不良率が増大するという問題があった。
【０００８】
他方、この種の磁器基板におけるストリップラインのインピーダンスは、基板の厚さが一定であれば、その誘電率及びストリップラインの幅にそれぞれ反比例するため、ライン幅を小さくする代わりに、誘電率の低い基板材料を使用することによってもインピーダンスを高めることができ、このため、より低誘電率材料が求められていた。
【０００９】
本発明は、アルミナ、フォルステライトよりも低い比誘電率を有し、かつ、ガラスセラミックよりも高いＱ値を有する高周波用誘電体磁器組成物および誘電体共振器を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決する為の手段】
本発明者等は、前記課題を解決すべく鋭意検討した結果、金属元素としてＢ、Ｓｉのみからなり、これらの元素の酸化物による重量比組成式をｘＢ_２Ｏ_３・ｙＳｉＯ_２と表した時に、ｘ、ｙが一定の範囲である場合にはアルミナ、フォルステライトよりも低い比誘電率を有し、かつガラスセラミックよりも高いＱ値を有する高周波用誘電体磁器組成物が得られることを見い出し、本発明に至った。
【００１１】
即ち、本発明の高周波用誘電体磁器組成物は、金属元素としてＢ、Ｓｉからなる複合酸化物であって、各金属元素の酸化物による重量比組成式をｘＢ_２Ｏ_３・ｙＳｉＯ_２と表した時、前記ｘ、ｙが０．１≦ｘ≦２０、８０≦ｙ≦９９．９、ｘ＋ｙ＝１００を満足するとともに、比誘電率が４以下、かつ１０ＧＨｚでのＱ値が２０００以上のものである。
【００１２】
また、基板上に支持部材を介して誘電体磁器を固定してなる誘電体共振器において、前記基板および／または前記支持部材を、前述した誘電体磁器組成物により構成したものである。
【００１３】
【作用】
本発明の誘電体磁器組成物では、誘電率が４以下、１０ＧＨｚにおけるＱ値が２０００以上の低誘電率の特性を得ることができ、このような低誘電率、高Ｑ値の誘電体磁器を、例えば、誘電体共振器の支持部材および／または基板に用いることにより、高インピーダンスのマイクロ波用集積回路などの高周波用回路素子を信頼性を損なうことなく製造することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の高周波用誘電体磁器組成物は、金属元素としてＢ、Ｓｉからなる複合酸化物であって、各金属元素の酸化物による重量比組成式をｘＢ_２Ｏ_３・ｙＳｉＯ_２と表した時、前記ｘ、ｙが０．１≦ｘ≦２０、８０≦ｙ≦９９．９、ｘ＋ｙ＝１００を満足するものである。
【００１５】
本発明の高周波用磁器組成物の成分組成を前記範囲に限定したのは、次の理由による。すなわち、Ｂ_２Ｏ_３の重量百分率を示すｘを０．１≦ｘ≦２０（８０≦ｙ≦９９．９）としたのはｘが０．１よりも小さい場合（ｙが９９．９よりも大きい場合）は焼結体が緻密化せず、ｘが２０を越えると（ｙが８０よりも小さい場合）良好な焼結体が得られずＱ値が低くなるからである。特にＢ_２Ｏ_３量を示すｘは、Ｑ値を３０００以上とするという点から０．２〜１０重量％（９０≦ｙ≦９９．８）が望ましい。
【００１６】
測定周波数１０ＧＨｚでのＱ値が２０００以上を満足するようにしたのは、Ｑ値が２０００以上ある場合には、近年における高周波数帯の誘電体共振器にも十分対応することができるからである。Ｑ値は、高ければ高い程望ましいが、特には、測定周波数１０ＧＨｚでのＱ値が３０００以上であることが望ましい。
【００１７】
また、本発明の誘電体磁器組成物では、主相はガラス相であり、他に結晶相として、クリストバライト、トリジマイト、クオーツ等が析出する場合があるが、組成によってその析出相が異なる。本発明の誘電体磁器組成物ではガラス相のみであってもよい。
【００１８】
また、本発明の誘電体共振器は、図１に示すように、基板３上に支持部材２を介して誘電体磁器１を固定してなり、支持部材２または基板３、或いは支持部材２及び基板３が、上記誘電体磁器組成物からなるものである。この場合、誘電体磁器１としては、周知の材料が用いられる。誘電体磁器１として、本発明の誘電体磁器組成物を用いても良い。
【００１９】
本発明の誘電体磁器は、原料粉末として、例えば、Ｂ_２Ｏ_３粉末，ＳｉＯ_２粉末を用い、所定の割合で秤量し、湿式混合した後乾燥し、得られた粉末に適量のバインダを加えて成形し、この成形体を大気中１２５０〜１４００℃で焼成することにより得られる。
【００２０】
尚、本発明の誘電体磁器組成物は、金属元素として、Ｂ、Ｓｉからなるものであるが、例えば、粉砕ボールや原料粉末の不純物として、Ａｌ、Ｃａ、Ｂａ、Ｚｒ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｐ，Ｎａ，Ｔｉ等が混入する場合があるが、この場合も、上記組成を満足する限り低誘電率で、高Ｑ値の磁器を得ることができる。
【００２１】
また、本発明の誘電体磁器組成物では、低誘電率および高Ｑ値が求められるものであれば、例えば、回路素子用基板，誘電体共振器の誘電体磁器，誘電体導波路，誘電体アンテナ等、どのようなものでも適用できるが、上記したように、誘電体共振器の支持部材または基板に最適である。
【００２２】
また、本発明の誘電体磁器組成物は、図２に示すように、平行平板導体１１の間に誘電体１２を挟持してなる誘電体導波管の前記誘電体１２としても最適である。
【００２３】
また、本発明の誘電体磁器組成物は、図３に示すように、基板１３の上下面に導体１４を形成してなる誘電体アンテナの前記基板１３としても最適である。
【００２４】
【実施例】
原料粉末として純度９５％のＢ_２Ｏ_３、純度９９％のＳｉＯ_２粉末を用い、これらを焼結体が表１に示す組成となるように秤量し、１５時間湿式混合した後、乾燥し、得られた粉末に適量のバインダを加えて造粒し、これを１０００ｋｇ／ｃｍ^２の圧力の下で成形して直径１２ｍｍ厚さ８ｍｍの成形体を得た。この成形体を大気中表１に示す温度で２時間焼成して直径１０ｍｍ厚さ５ｍｍに研磨し、誘電体磁器試料を得た。
【００２５】
この試料を用いて誘電体円柱共振器法にて周波数約２０ＧＨｚにおいて比誘電率およびＱ値を測定した。Ｑ値に関してはＱｆ＝一定とみなして１０ＧＨｚにおけるＱ値を求めた。その結果を表１に示す。
【００２６】
【表１】

【００２７】
表１によれば、本発明に係る高周波用誘電体磁器組成物は、比誘電率が３．８以下と低く、しかも測定周波数１０ＧＨｚでのＱ値が２０００以上と高い値を示すことがわかる。
【００２８】
尚、図４に試料Ｎｏ．５のＸ線回折チャート図を示す。この図４から、ガラス相の他に、クリストバライトが析出していることが判る。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の高周波用誘電体磁器組成物では、４以下の低い比誘電率を有し、１０ＧＨｚでのＱ値が２０００以上の高いＱ値を示す磁器が得られ、例えば、誘電体共振器の支持部材または基板に用いることにより、高インピーダンスのマイクロ波用集積回路などの高周波用回路素子を信頼性を損なうことなく製造することができる。また、低誘電率および高Ｑ値であるため、例えば、マイクロ波，ミリ波集積回路等のマイクロ波，ミリ波帯域で用いられる回路素子用基板，誘電体共振器用支持部剤，誘電体共振器，誘電体導波路，誘電体アンテナ等の材料として最適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】高周波用回路素子の一例を示す誘電体共振器制御型マイクロ波発信器の概略断面図である。
【図２】誘電体導波管を示す斜視図である。
【図３】誘電体アンテナを示す斜視図である。
【図４】試料Ｎｏ．５の結晶構造を示すＸ線回折チャート図である。
【符号の説明】
１・・・誘電体磁器
２・・・支持部材
３・・・磁器基板
４・・・ストリップライン
５・・・金属ケース[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to, for example, a high-frequency dielectric composition used at high frequencies such as microwaves and millimeter waves, and for example, a substrate for circuit elements used in microwaves and millimeter-wave bands such as microwaves and millimeter-wave integrated circuits. A dielectric resonator support member, a dielectric resonator for use as a material for a dielectric resonator, a dielectric waveguide, a dielectric antenna, and the like, and a dielectric in which the dielectric ceramic is fixed to a substrate via the support member. It relates to a body resonator.
[0002]
[Prior art]
In a high-frequency circuit element such as a microwave or millimeter-wave integrated circuit, a structure in which a dielectric ceramic is fixed to a substrate via a support member may be adopted. For example, as shown in FIG. 1, a dielectric resonator control type microwave transmitter attaches a dielectric porcelain 1 to a porcelain substrate 3 via a support member 2, and transmits an electromagnetic field H leaking out of the dielectric porcelain 1. Is used to connect to a strip line 4 provided on a porcelain substrate 3, and these are accommodated in a metal case 5.
[0003]
In this type of high-frequency circuit, by controlling the leakage of the electric field of the dielectric ceramic 1 through the support member 2, a resonance system with a high no-load Q is formed. It is necessary to use a material having a low dielectric constant and a small dielectric loss (tan δ) (a large Q value). For this reason, conventionally, forsterite having a relative dielectric constant of about 7 and a Q value of about 15,000 at a measurement frequency of 10 GHz has been employed as a material of the support member, and a dielectric substrate having a relative dielectric constant of about 10 Alumina porcelain having a Q value of 20,000 or more at a measurement frequency of 10 GHz has been employed (for example, see JP-A-62-103904).
[0004]
On the other hand, cordierite is conventionally known as a material having a low relative dielectric constant. However, since the firing temperature range is extremely narrow, it is difficult to obtain a dense sintered body. Glass ceramics having a dielectric constant of 4 to 6 and a Q value of about 1000 at a measurement frequency of 10 GHz have been used (for example, see Japanese Patent Application No. 61-234128).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the relative dielectric constants of conventionally used alumina and forsterite are about 10 and about 7, respectively, and with the spread of high-frequency band dielectric resonators in recent years, lower dielectric constant materials are required. I was
[0006]
On the other hand, porcelain such as glass ceramic used as a low dielectric constant material has a relative dielectric constant as small as about 4 to 6, but a Q value of about 1000 at 10 GHz. With the spread, low dielectric constant materials having a higher Q value have been demanded.
[0007]
Further, the alumina porcelain mainly used for the porcelain substrate of the resonator has a relatively high relative dielectric constant of about 10, and the line width becomes too small to form a high impedance strip line (usually 1 μm or less). In addition, there has been a problem that disconnection occurs, a relative variation in line width increases, and a defective rate of the microwave integrated circuit increases.
[0008]
On the other hand, if the thickness of the substrate is constant, the impedance of the strip line in this type of porcelain substrate is inversely proportional to the dielectric constant and the width of the strip line, respectively. The use of a substrate material can also increase the impedance, and therefore a lower dielectric constant material has been required.
[0009]
An object of the present invention is to provide a high-frequency dielectric ceramic composition and a dielectric resonator having a lower dielectric constant than alumina and forsterite and a higher Q value than glass ceramic.
[0010]
[Means for solving the problem]
The present inventors have conducted intensive studies in order to solve the above-mentioned problems. As a result, when the weight ratio composition formula composed of oxides of these elements only consisting of B and Si is expressed as xB ₂ O ₃ .ySiO ₂ , , X, y in a certain range, a dielectric ceramic composition for high frequency having a lower dielectric constant than alumina and forsterite and a higher Q value than glass ceramic can be obtained. This has led to the present invention.
[0011]
That is, the high frequency dielectric ceramic composition of the present invention is a composite oxide composed of B and Si as metal elements, and the weight ratio composition formula of each metal element oxide is expressed as xB ₂ O ₃ .ySiO _2. When x and y satisfy 0.1 ≦ x ≦ 20, 80 ≦ y ≦ 99.9, x + y = 100, the relative dielectric constant is 4 or less, and the Q value at 10 GHz is 2000 or more. It is.
[0012]
Further, in a dielectric resonator in which a dielectric ceramic is fixed on a substrate via a support member, the substrate and / or the support member are made of the above-described dielectric ceramic composition.
[0013]
[Action]
In the dielectric ceramic composition of the present invention, a dielectric constant of 4 or less, a Q value at 10 GHz, and a characteristic of a low dielectric constant of 2000 or more can be obtained, and a dielectric ceramic having such a low dielectric constant and a high Q value can be obtained. For example, by using the dielectric resonator as a support member and / or a substrate, a high-frequency circuit element such as a high-impedance microwave integrated circuit can be manufactured without loss of reliability.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The dielectric ceramic composition for a high frequency wave of the present invention is a composite oxide composed of B and Si as metal elements, and when a weight ratio composition formula of each metal element oxide is represented by xB ₂ O ₃ .ySiO _2. , X and y satisfy 0.1 ≦ x ≦ 20, 80 ≦ y ≦ 99.9, and x + y = 100.
[0015]
The component composition of the high frequency ceramic composition of the present invention is limited to the above range for the following reason. That is, x indicating the weight percentage of B ₂ O ₃ is set to 0.1 ≦ x ≦ 20 (80 ≦ y ≦ 99.9) when x is smaller than 0.1 (y is smaller than 99.9). This is because when the value is larger, the sintered body is not densified, and when x exceeds 20 (when y is smaller than 80), a good sintered body cannot be obtained, and the Q value decreases. In particular, x indicating the amount of B ₂ O ₃ is desirably 0.2 to 10% by weight (90 ≦ y ≦ 99.8) from the viewpoint that the Q value is 3000 or more.
[0016]
The reason why the Q value at the measurement frequency of 10 GHz satisfies 2000 or more is that if the Q value is 2000 or more, it can sufficiently cope with a recent high-frequency band dielectric resonator. . The Q value is preferably as high as possible. In particular, the Q value at a measurement frequency of 10 GHz is desirably 3000 or more.
[0017]
In the dielectric porcelain composition of the present invention, the main phase is a glass phase, and cristobalite, tridymite, quartz and the like may be precipitated as other crystal phases, but the precipitated phase differs depending on the composition. In the dielectric ceramic composition of the present invention, only the glass phase may be used.
[0018]
As shown in FIG. 1, the dielectric resonator according to the present invention has a dielectric porcelain 1 fixed on a substrate 3 via a supporting member 2, and the supporting member 2 or the substrate 3, or the supporting member 2 and The substrate 3 is made of the above-mentioned dielectric ceramic composition. In this case, a known material is used for the dielectric porcelain 1. As the dielectric ceramic 1, the dielectric ceramic composition of the present invention may be used.
[0019]
The dielectric porcelain of the present invention uses, for example, B ₂ O ₃ powder and SiO ₂ powder as raw material powders, weighs them at a predetermined ratio, wet-mixes them, and then dries them. It is obtained by sintering the molded body at 1250 to 1400 ° C. in the atmosphere.
[0020]
The dielectric porcelain composition of the present invention comprises B and Si as metal elements. For example, Al, Ca, Ba, Zr, Ni, Fe, and Cr are used as impurities in crushed balls and raw material powders. , P, Na, Ti, and the like may be mixed. In this case, too, a ceramic having a low dielectric constant and a high Q value can be obtained as long as the above composition is satisfied.
[0021]
In the dielectric porcelain composition of the present invention, if a low dielectric constant and a high Q value are required, for example, a circuit element substrate, a dielectric porcelain of a dielectric resonator, a dielectric waveguide, a dielectric Any type of antenna or the like can be applied, but as described above, it is most suitable for a support member or a substrate of a dielectric resonator.
[0022]
Further, as shown in FIG. 2, the dielectric ceramic composition of the present invention is most suitable as the dielectric 12 of a dielectric waveguide having a dielectric 12 sandwiched between parallel plate conductors 11.
[0023]
Further, the dielectric ceramic composition of the present invention is most suitable as the substrate 13 of the dielectric antenna having the conductors 14 formed on the upper and lower surfaces of the substrate 13 as shown in FIG.
[0024]
【Example】
Raw powder as a purity of 95% _B 2 _{O 3,} with a purity of 99% SiO ₂ powder, and these sintered bodies were weighed so as to have the composition shown in Table 1 were mixed for 15 hours wet, dried, The obtained powder was granulated by adding an appropriate amount of a binder, and the obtained powder was molded under a pressure of 1000 kg / cm ² to obtain a molded body having a diameter of 12 mm and a thickness of 8 mm. The molded body was fired in the atmosphere at a temperature shown in Table 1 for 2 hours and polished to a diameter of 10 mm and a thickness of 5 mm to obtain a dielectric ceramic sample.
[0025]
Using this sample, the dielectric constant and the Q value were measured at a frequency of about 20 GHz by the dielectric cylinder resonator method. Regarding the Q value, the Q value at 10 GHz was determined assuming that Qf = constant. Table 1 shows the results.
[0026]
[Table 1]

[0027]
Table 1 shows that the dielectric ceramic composition for high frequencies according to the present invention has a low relative dielectric constant of 3.8 or less and a high Q value at a measurement frequency of 10 GHz of 2000 or more.
[0028]
Note that FIG. 5 shows an X-ray diffraction chart. From FIG. 4, it can be seen that cristobalite is precipitated in addition to the glass phase.
[0029]
【The invention's effect】
In the high frequency dielectric ceramic composition of the present invention, a porcelain having a low relative dielectric constant of 4 or less and a high Q value at 10 GHz of 2000 or more can be obtained, for example, supporting a dielectric resonator. By using it for a member or a substrate, a high-frequency circuit element such as a high-impedance microwave integrated circuit can be manufactured without deteriorating reliability. Further, because of its low dielectric constant and high Q value, for example, a substrate for a circuit element used in a microwave or millimeter wave band such as a microwave or a millimeter wave integrated circuit, a support for a dielectric resonator, a dielectric resonator , Dielectric waveguide, dielectric antenna, etc.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a dielectric resonator control type microwave transmitter showing an example of a high-frequency circuit element.
FIG. 2 is a perspective view showing a dielectric waveguide.
FIG. 3 is a perspective view showing a dielectric antenna.
FIG. 5 is an X-ray diffraction chart showing the crystal structure of Sample No. 5. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Dielectric porcelain 2 ... Support member 3 ... Porcelain board 4 ... Strip line 5 ... Metal case

Claims

A composite oxide composed of B and Si as metal elements, wherein when the weight ratio composition formula of the oxide of each metal element is expressed as xB ₂ O ₃ .ySiO ₂ , x and y are 0.1 ≦ x ≦ A dielectric ceramic composition for high frequencies, which satisfies 20, 80 ≦ y ≦ 99.9, x + y = 100, has a relative dielectric constant of 4 or less, and a Q value at 10 GHz of 2,000 or more.

In a dielectric resonator in which a dielectric ceramic is fixed on a substrate via a supporting member, the substrate and / or the supporting member may have a weight ratio composition formula of an oxide of a metal element represented by xB ₂ O ₃ .ySiO _2. Where x and y satisfy 0.1 ≦ x ≦ 20, 80 ≦ y ≦ 99.9, x + y = 100, the relative dielectric constant is 4 or less, and the Q value at 10 GHz is 2000 or more. A dielectric resonator, characterized in that: