JP3721570B2 - ガラスセラミック誘電体材料 - Google Patents
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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低い誘電損失を有し、マイクロ波用回路部品材料として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、ガラス粉末とフィラー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】
【発明が解決しようとする課題】
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。しかしながら、従来より知られているガラスセラミック材料は、高周波領域での誘電損失が２０〜５０×１０-4と高いという欠点があり、これを用いて高性能な高周波回路基板や誘電体フィルター等を作製することはできない。
【０００４】
本発明の目的は、１０００℃以下の温度で焼成でき、しかもマイクロ波領域の周波数において誘電損失が低いガラスセラミック誘電体材料を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は種々の実験を重ねた結果、ＳｉＯ2 、ＣａＯ、ＭｇＯ及び、Ａｌ2 Ｏ3 を主成分として特定量含有する結晶性のガラス粉末を使用することによって上記目的が達成できることを見いだし、本発明として提案するものである。
【０００６】
即ち、本発明のガラスセラミック誘電体材料は、重量百分率で、結晶性ガラス粉末７０〜１００％、セラミック粉末０〜３０％からなり、該結晶性ガラス粉末がＳｉＯ2 ４５〜６５％、ＣａＯ ２０〜３０％、ＭｇＯ １１〜３０％、Ａｌ2 Ｏ3 ０．５〜１０％、ＳｒＯ ０〜１０％、ＺｎＯ ０〜１０％、ＴｉＯ2 ０〜１０％、Ｎａ2 Ｏ ０〜３％の組成を有するとともに、主結晶としてディオプサイドを析出する性質を有することを特徴とする。
【０００７】
以上の組成を有する本発明のガラスセラミック誘電体材料は、焼成すると、０．１ＧＨｚ以上の高周波領域において誘電率が６〜８、誘電損失が１０×１０-4以下の焼成体となる。
【０００８】
本発明において、結晶性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。
【０００９】
ＳｉＯ2 はガラスのネットワークフォーマーであるとともに、ディオプサイド結晶の構成成分となり、その含有量は４５〜６５％である。ＳｉＯ2 が４５％より少ないとガラス化せず、６５％より多いと１０００℃以下で焼成することができず、導体や電極としてＡｇやＣｕを用いることができない。
【００１０】
ＣａＯはディオプサイド結晶の構成成分となり、その含有量は２０〜３０％、好ましくは２５〜３０％である。ＣａＯが２０％より少ないとディオプサイド結晶が析出し難くなって誘電損失が高くなり、３０％より多いとガラス化しなくなる。
【００１１】
ＭｇＯもディオプサイド結晶の構成成分となり、その含有量は１１〜３０％、好ましくは１２〜２５％である。ＭｇＯが１１％より少ないと結晶が析出し難くなり、３０％より多いとガラス化しなくなる。
【００１２】
Ａｌ2 Ｏ3 は結晶性を調節する成分であり、その含有量は０．５〜１０％、好ましくは１〜５％である。Ａｌ2 Ｏ3 が０．５％より少ないと結晶性が強くなり過ぎてガラス成形が困難になり、１０％より多くなるとディオプサイド結晶が析出しなくなる。
【００１３】
ＳｒＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ2 はガラス化を容易にするために添加する成分であり、その含有量は各成分とも０〜１０％、好ましくは０〜５％である。これら成分が各々１０％より多くなると結晶性が弱くなり、ディオプサイドの析出量が少なくなって誘電損失が大きくなる。
【００１４】
Ｎａ2 Ｏはガラスの溶融性を向上させるために３％まで含有させることができる。しかし３％を越えると誘電損失が高くなる。
【００１５】
また上記成分以外にも、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。
【００１６】
本発明のガラスセラミック誘電体材料は、上記組成を有する結晶性ガラス粉末のみで構成されてもよいが、曲げ強度、靱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３０重量％以下である。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３０％より多いと緻密化しなくなるためである。
【００１７】
セラミック粉末としては、例えばアルミナ、ムライト、ウイレマイト、及びガーナイト等が使用可能である。
【００１８】
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以下に述べる。
【００１９】
まず結晶性ガラス粉末、或いは結晶性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。
【００２０】
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。
【００２１】
さらに積層グリーンシートを、焼成することによって回路部品を得る。
【００２２】
なお回路部品の製造方法として、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。
【００２３】
【作用】
本発明のガラスセラミック誘電体材料は、焼成することによりガラス中からディオプサイド（ＭｇＯ・ＣａＯ・２ＳｉＯ2 ）結晶が析出する。この結晶は低誘電損失であるため、得られるガラスセラミック焼成体も０．１ＧＨｚ以上の高周波領域で誘電損失が低いという特性を示す。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明のガラスセラミック誘電体材料を実施例に基づいて説明する。
【００２５】
表１は本発明の実施例（試料Ｎｏ．１〜４）及び比較例（試料Ｎｏ．５）を示すものである。
【００２６】
【表１】
【００２７】
各試料は以下のように調製した。
【００２８】
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、水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の結晶性ガラス粉末とした。さらに試料Ｎｏ．２〜５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。
【００２９】
このようにして得られた試料について、焼成温度、析出結晶、誘電率、誘電損失及び曲げ強度を測定した。結果を表に示す。
【００３０】
表から明らかなように、実施例の各試料は、８５０〜９５０℃の低温で焼成可能であり、焼成後にディオプサイド結晶を析出していることが確認された。また２ＧＨｚの周波数で誘電率が７．３〜８．２、誘電損失が３〜６×１０-4であり、しかも曲げ強度が２０００ｋｇ／ｃｍ2 以上と高かった。一方、比較例である試料Ｎｏ．５は、析出結晶としてディオプサイド以外の結晶（アノーサイト）が析出したために、誘電損失が３０×１０-4と高かった。
【００３１】
なお析出結晶は、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。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２ＧＨｚ）を使用して２５℃の温度での値を求めた。曲げ強度は、焼成した試料を１０×４０×１ｍｍの板柱に成形し、３点荷重測定法によって測定した。
【００３２】
【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、導体や電極として導体抵抗の低いＡｇやＣｕを使用することができる。しかも０．１ＧＨｚ以上の高周波領域において低い誘電損失を有し、また機械的強度が高いため、マイクロ波用回路部品材料として好適である。
【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低い誘電損失を有し、マイクロ波用回路部品材料として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、ガラス粉末とフィラー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】
【発明が解決しようとする課題】
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。しかしながら、従来より知られているガラスセラミック材料は、高周波領域での誘電損失が２０〜５０×１０-4と高いという欠点があり、これを用いて高性能な高周波回路基板や誘電体フィルター等を作製することはできない。
【０００４】
本発明の目的は、１０００℃以下の温度で焼成でき、しかもマイクロ波領域の周波数において誘電損失が低いガラスセラミック誘電体材料を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は種々の実験を重ねた結果、ＳｉＯ2 、ＣａＯ、ＭｇＯ及び、Ａｌ2 Ｏ3 を主成分として特定量含有する結晶性のガラス粉末を使用することによって上記目的が達成できることを見いだし、本発明として提案するものである。
【０００６】
即ち、本発明のガラスセラミック誘電体材料は、重量百分率で、結晶性ガラス粉末７０〜１００％、セラミック粉末０〜３０％からなり、該結晶性ガラス粉末がＳｉＯ2 ４５〜６５％、ＣａＯ ２０〜３０％、ＭｇＯ １１〜３０％、Ａｌ2 Ｏ3 ０．５〜１０％、ＳｒＯ ０〜１０％、ＺｎＯ ０〜１０％、ＴｉＯ2 ０〜１０％、Ｎａ2 Ｏ ０〜３％の組成を有するとともに、主結晶としてディオプサイドを析出する性質を有することを特徴とする。
【０００７】
以上の組成を有する本発明のガラスセラミック誘電体材料は、焼成すると、０．１ＧＨｚ以上の高周波領域において誘電率が６〜８、誘電損失が１０×１０-4以下の焼成体となる。
【０００８】
本発明において、結晶性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。
【０００９】
ＳｉＯ2 はガラスのネットワークフォーマーであるとともに、ディオプサイド結晶の構成成分となり、その含有量は４５〜６５％である。ＳｉＯ2 が４５％より少ないとガラス化せず、６５％より多いと１０００℃以下で焼成することができず、導体や電極としてＡｇやＣｕを用いることができない。
【００１０】
ＣａＯはディオプサイド結晶の構成成分となり、その含有量は２０〜３０％、好ましくは２５〜３０％である。ＣａＯが２０％より少ないとディオプサイド結晶が析出し難くなって誘電損失が高くなり、３０％より多いとガラス化しなくなる。
【００１１】
ＭｇＯもディオプサイド結晶の構成成分となり、その含有量は１１〜３０％、好ましくは１２〜２５％である。ＭｇＯが１１％より少ないと結晶が析出し難くなり、３０％より多いとガラス化しなくなる。
【００１２】
Ａｌ2 Ｏ3 は結晶性を調節する成分であり、その含有量は０．５〜１０％、好ましくは１〜５％である。Ａｌ2 Ｏ3 が０．５％より少ないと結晶性が強くなり過ぎてガラス成形が困難になり、１０％より多くなるとディオプサイド結晶が析出しなくなる。
【００１３】
ＳｒＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ2 はガラス化を容易にするために添加する成分であり、その含有量は各成分とも０〜１０％、好ましくは０〜５％である。これら成分が各々１０％より多くなると結晶性が弱くなり、ディオプサイドの析出量が少なくなって誘電損失が大きくなる。
【００１４】
Ｎａ2 Ｏはガラスの溶融性を向上させるために３％まで含有させることができる。しかし３％を越えると誘電損失が高くなる。
【００１５】
また上記成分以外にも、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。
【００１６】
本発明のガラスセラミック誘電体材料は、上記組成を有する結晶性ガラス粉末のみで構成されてもよいが、曲げ強度、靱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３０重量％以下である。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３０％より多いと緻密化しなくなるためである。
【００１７】
セラミック粉末としては、例えばアルミナ、ムライト、ウイレマイト、及びガーナイト等が使用可能である。
【００１８】
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以下に述べる。
【００１９】
まず結晶性ガラス粉末、或いは結晶性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。
【００２０】
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。
【００２１】
さらに積層グリーンシートを、焼成することによって回路部品を得る。
【００２２】
なお回路部品の製造方法として、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。
【００２３】
【作用】
本発明のガラスセラミック誘電体材料は、焼成することによりガラス中からディオプサイド（ＭｇＯ・ＣａＯ・２ＳｉＯ2 ）結晶が析出する。この結晶は低誘電損失であるため、得られるガラスセラミック焼成体も０．１ＧＨｚ以上の高周波領域で誘電損失が低いという特性を示す。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明のガラスセラミック誘電体材料を実施例に基づいて説明する。
【００２５】
表１は本発明の実施例（試料Ｎｏ．１〜４）及び比較例（試料Ｎｏ．５）を示すものである。
【００２６】
【表１】
【００２７】
各試料は以下のように調製した。
【００２８】
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、水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の結晶性ガラス粉末とした。さらに試料Ｎｏ．２〜５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。
【００２９】
このようにして得られた試料について、焼成温度、析出結晶、誘電率、誘電損失及び曲げ強度を測定した。結果を表に示す。
【００３０】
表から明らかなように、実施例の各試料は、８５０〜９５０℃の低温で焼成可能であり、焼成後にディオプサイド結晶を析出していることが確認された。また２ＧＨｚの周波数で誘電率が７．３〜８．２、誘電損失が３〜６×１０-4であり、しかも曲げ強度が２０００ｋｇ／ｃｍ2 以上と高かった。一方、比較例である試料Ｎｏ．５は、析出結晶としてディオプサイド以外の結晶（アノーサイト）が析出したために、誘電損失が３０×１０-4と高かった。
【００３１】
なお析出結晶は、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。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２ＧＨｚ）を使用して２５℃の温度での値を求めた。曲げ強度は、焼成した試料を１０×４０×１ｍｍの板柱に成形し、３点荷重測定法によって測定した。
【００３２】
【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、導体や電極として導体抵抗の低いＡｇやＣｕを使用することができる。しかも０．１ＧＨｚ以上の高周波領域において低い誘電損失を有し、また機械的強度が高いため、マイクロ波用回路部品材料として好適である。
Claims (10)
- 重量百分率で、結晶性ガラス粉末７０〜１００％、セラミック粉末０〜３０％からなり、該結晶性ガラス粉末がＳｉＯ2 ４５〜６５％、ＣａＯ ２０〜３０％、ＭｇＯ １１〜３０％、Ａｌ2Ｏ3 ０．５〜１０％、ＳｒＯ ０〜１０％、ＺｎＯ ０〜１０％、ＴｉＯ2 ０〜１０％、Ｎａ2Ｏ ０〜３％含有するとともに、主結晶としてディオプサイドを析出する性質を有することを特徴とするガラスセラミック誘電体材料。
- セラミック粉末が、アルミナ、ムライト、ウイレマイト、及びガーナイトから選ばれる１種以上であることを特徴とする請求項１のガラスセラミック誘電体材料。
- 請求項１又は２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。
- 請求項１又は２のガラスセラミック誘電体材料を焼成してなることを特徴とするガラスセラミック焼成体。
- 請求項３のグリーンシートを焼成してなることを特徴とするガラスセラミック焼成体。
- ディオプサイドが析出してなることを特徴とする請求項４又は５のガラスセラミック焼成体。
- 重量百分率でＳｉＯ2 ４５〜６５％、ＣａＯ ２０〜３０％、ＭｇＯ １１〜３０％、Ａｌ2Ｏ3 ０．５〜１０％、ＳｒＯ ０〜１０％、ＺｎＯ ０〜１０％、ＴｉＯ2 ０〜１０％、Ｎａ2Ｏ ０〜３％含有し、主結晶としてディオプサイドを析出する性質を有する性質を有する結晶性ガラス粉末７０〜１００重量％と、セラミック粉末０〜３０重量％とを混合してガラスセラミック誘電体材料を作製した後、グリーンシートに成形することを特徴とするグリーンシートの製造方法。
- ガラスセラミック誘電体材料に、結合剤、可塑剤及び溶剤を添加してスラリーを調製した後、グリーンシートに成形することを特徴とする請求項７のグリーンシートの製造方法。
- 重量百分率でＳｉＯ2 ４５〜６５％、ＣａＯ ２０〜３０％、ＭｇＯ １１〜３０％、Ａｌ2Ｏ3 ０．５〜１０％、ＳｒＯ ０〜１０％、ＺｎＯ ０〜１０％、ＴｉＯ2 ０〜１０％、Ｎａ2Ｏ ０〜３％含有し、主結晶としてディオプサイドを析出する性質を有する結晶性ガラス粉末７０〜１００重量％と、セラミック粉末０〜３０重量％とを混合してガラスセラミック誘電体材料を作製した後、焼成することにより、ディオプサイドが析出したガラスセラミック焼成体を作製することを特徴とするガラスセラミック焼成体の製造方法。
- ガラスセラミック誘電体材料を用いてグリーンシートを作製した後、焼成することを特徴とする請求項９のガラスセラミック焼成体の製造方法。
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| JP29809896A JP3721570B2 (ja) | 1996-10-22 | 1996-10-22 | ガラスセラミック誘電体材料 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10120436A JPH10120436A (ja) | 1998-05-12 |
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ID=17855140
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP29809896A Expired - Fee Related JP3721570B2 (ja) | 1996-10-22 | 1996-10-22 | ガラスセラミック誘電体材料 |
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- 1996-10-22 JP JP29809896A patent/JP3721570B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP3624407B2 (ja) | ガラスセラミックス誘電体材料 |
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