CN1111881C - 多层陶瓷部件 - Google Patents

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Abstract

本发明的多层陶瓷部件包含共同烧制形成的内导体层和陶瓷层。内导体层由以银为主要成分的导电材料形成，而陶瓷层由钇-铁-石榴石为基的氧化物磁性材料添加0.2～5重量%的银而形成。烧制温度等于或高于上述导电材料的熔点而低于上述导电材料的沸点。由此，能以高的合格率制造尺寸更小的多层陶瓷部件。

Description

多层陶瓷部件
技术领域
本发明涉及多层陶瓷部件。
背景技术
随着无线电通信技术最近的突破性进展，对能够用于从几百MHz到几GHz或更高的高频范围内的电子部件的需求急剧增长。随着无线电通信设备例如移动电话尺寸减小，也强烈要求用于这类设备的高频电子部件尺寸和价格降低。为了满足这些要求，现在通过应用各种集成技术制造多层陶瓷部件。
通过把陶瓷材料即氧化磁性材料和导电材料同时烧制得到多层电子部件，其本身具有一种、两种或多种功能。这样一种多层电子部件通过印刷或制片工艺形成由陶瓷和导电材料互相层叠而成的薄层，并按照所希望的形状和尺寸切割薄片，随后烧制；或者先烧制薄层，再按照所希望的形状和尺寸切割。如果需要，则在电子部件上提供一外导体。因此这种多层陶瓷部件具有在陶瓷层之间包含内导体的结构。通常，如Ag或Cu之类的材料适合用于高频、尤其是微波的内导体。然而，按照上述生产方法，为了实现令人满意的特性，至今都在考虑必须防止内导体熔化，因此烧制必须在等于或低于内导体熔点的温度下进行。因此，总是认为在高温下烧制的陶瓷材料也许不能用来与具有低电阻率而且低熔点的形成内导体的导电材料例如Ag和Cu组合。
在这方面，申请者已递交的日本专利申请(JP-A-6-252618)提供了一种方法，其中具有如上述所低熔点的内导体在不适宜低温烧制的陶瓷材料内形成。该方法被称为导体熔化法，其中，形成内导体的导电材料在等于或高于导电材料熔点但低于导电材料沸点的温度下烧制，并且在冷却过程中使已烧制的导电材料凝固。按照这种方法，熔化的导电材料凝固形成的金属晶粒边界变得很薄，实质上可看作没有边界。而陶瓷材料和内导体之间界面的粗糙度趋于变小，导致内导体高频电阻降低以及高频区的Q值上升。此外，具有较低熔点的廉价导电材料，例如Ag和Cu可用于内导体。而且，将陶瓷材料和内导体共同烧制是可能的。考虑到合格率和价格这些是非常合适的。
然而，采用上述导体熔化法，在内导体熔化之后的冷却过程中，内导体的凝固导致在内导体内常常形成许多孔眼。从而引起内导体电阻值上升，同时多层陶瓷部件的Q值下降。在少有的场合下会由于这些孔眼的存在导致内导体本身破裂。如果在内导体内存在孔眼，则在冷却过程中凝固潜热造成孔眼内气体膨胀而导致内导体材料的断裂。这也引起合格率下降。因此当多层陶瓷部件通过导体熔化法制造时，必须防止在内导体内形成孔眼。
为了提供能够防止孔眼形成以及由于这种孔眼产生断裂的高质量导电浆料以及用这种导电浆料得到的多层陶瓷部件，即使仍然是主要由银组成的内导电体通过导体熔化法与陶瓷材料共同烧制，也同样改善了合格率，降低价格，此外还具有极佳的电特性，申请者在WO 98/05045中提出如下所述的这样一种导电浆料以及包含用这种导电浆料形成的内导体的多层陶瓷部件。
即：上述的导电浆料是通过把主要由银和金属氧化物组成的导电材料分散在媒质(载体物质)内而得到的导电浆料。就金属氧化物而言，采用从Ga、La、Rr、Sm、Eu、Gd、Dy、Er、Tm和Yb的氧化物中选择的至少一种。
如果多层陶瓷部件通过用这种导电浆料，即通过用导体熔化法共同烧制导电浆料和陶瓷材料制造，不产生孔眼，则陶瓷材料绝不可能断裂。导体的电阻率也低。因此，通过采用这种导电浆料可以高合格率制造具有极佳质量的多层陶瓷部件。
然而在现在，由于(尤其是)移动通信设备对尺寸减小的要求，也要求具有上述应用的多层陶瓷部件尺寸越来越减小。
发明内容
本发明的目的是提供其尺寸减小且可高合格率制造的多层陶瓷部件。
通过以下(1)到(4)说明的本发明来实现这样的目的。
(1)一种多层陶瓷部件，该部件包含共同烧制而成的内导体层和陶瓷层，其中：上述内导体层由以银为主要成分的导电材料形成，上述陶瓷层由以钇-铁-石榴石为基的氧化物磁性材料添加0.2～5重量％的银而形成，且烧制温度等于或高于上述导电材料的熔点，低于上述导电材料的沸点。
(2)根据(1)所述的多层陶瓷部件，其中：通过把导电材料分散在媒质内得到的导电浆料烧制而得到上述内导体，且上述导电材料以银作为主要成分，还包含从Ga氧化物，La氧化物，Rr氧化物，Sm氧化物，Eu氧化物，Gd氧化物，Dy氧化物，Er氧化物，Tm氧化物和Yb氧化物中选择的至少一种金属氧化物。
(3)根据(2)所述的多层陶瓷部件，其中：相对于100重量份上述导电材料，上述金属氧化物为0.1～20重量份。
(4)根据(1)所述的多层陶瓷部件，它是不可逆电路元件。
在上述本发明的包含通过共同烧制形成的内导电层和陶瓷层的多层陶瓷部件中，内导体层由以银作为主要成分的导电材料形成，而陶瓷材料由添加银的钇-铁-石榴石基的氧化物磁性材料形成。在该银的作用下内导体内孔眼等的形成大大减少，导致部件合格率提高。
附图说明
图1是示三端环行器内的磁转子结构的局部剖透视图。
图2是表示三端环行器一般构造的分解透视图。
图3是图2所示的三端环行器的等效电路图。
图4A、4B和4C示出图1所示磁转子制造过程的一部分。
图5A、5B和5C示出在实施例中制造的不可逆电路元件结构。
具体实施方式
现在详细说明本发明。
本发明的多层陶瓷部件包含内导体层和陶瓷层。
在制造多层陶瓷部件时，在陶瓷材料层间夹入的导电浆料在等于或高于导电材料溶点而低于导电材料沸点的温度下烧制，由此形成内导体层和陶瓷层。导电浆料是通过以银为主要成分的导电材料分散在媒质内而得到的。在这种情况下最好还有一定的金属氧化物分散在媒质内。
以银作主要成分的导电材料可以仅用银，或是用可与银形成固溶体的其它金属如铜、金、钯、铂与银的混合物。如果应用这些添加金属，则在导电材料内银的含量必须至少为70mol％(摩尔数比)。其原因是混合物量超过30mol％时，合金的电阻率高于银的电阻率。更优选地或者是为了降低制造成本，与银混合的添加金属的量必须不高于5mol％(或银的含量必须至少为95mol％)。
从Ga氧化物(Ga2O3)、La氧化物(La2O3)、Pr氧化物(Pr6O11)、Sm氧化物(Sm2O3)、Eu氧化物(Eu2O3)、Gd氧化物(Gd2O3)、Dy氧化物(Dy2O3)、Er氧化物(Er2O3)、Tm氧化物(Tm2O3)和Yb氧化物(Yb2O3)中选择至少一种金属氧化物用作金属氧化物。原因是这些金属氧化物与陶瓷材料反应并扩散入陶瓷材料内。在这种情况下，如果每100重量份导电材料中金属氧化物的含量低于0.1重量份，则在界面上没有足够的反应相形成，导致银的浸润性下降。如果内导体内金属氧化物大于20重量份，则由于其不完全扩散导致导体电阻上升。因此，最好金属氧化物的含量在每百份重量的导电材料中占0.1～20份。而就粒径尺寸而言对导电材料并不严格，当导体通过丝网印刷工艺形成时，其平均粒径尺寸最好为0.1～20μm。鉴于类似的原因，金属氧化物的平均粒径尺寸最好为0.1～20μm。
对于媒质可选择应用粘接剂如乙基纤维素、硝化纤维、丙烯酸树脂和有机溶剂如萜品醇、丁基卡必醇、己基卡必醇，并在其中添加分散剂、活化剂等。在这里必须注意，导电浆料的媒质含量最好处于重量的5％到70％的范围内。最好将导电浆料的粘度调整为约300到30000cps(厘泊)。
对于用来形成陶瓷层的磁性材料，一般采用用于高频的石榴石型铁氧体。高频用石榴石型铁氧体最好是具有基于YIG(钇-铁-石榴石)尤其是Y3Fe3O12为基的基本成分，其中添加有各种元素的代位型石榴石铁氧体。如果代位型铁氧体的成分由(Y3-XαX)(Fe5-YβY)O12表示，则取代Y的α元素最好是Ca，Bi和Gd中至少一种元素。在这种情况下为了改善特性，最好应用Ho、Dy、Ce中的至少一种元素作微量添加剂。取代Fe的β元素最好是V、Al、Ge、Ga、Sn、Zr、Ti和In中的至少一种元素。在这种情况下为了改善特性，最好采用Mn，Co和Si中的至少一种元素作微量添加剂。取代量最好为：
O≤X≤1.5
O≤Y≤2
O≤Y2≤0.5
在这里必须注意：在上述公式中为改善特性采用的微量添加剂的原子比一般为0.2或更少些；比值(包含Y的取代元素)：(包含Fe的取代元素)：O可以偏离3∶5∶12的定比成分比。还必须注意：石榴石铁氧体的平均粒径尺寸为约1到10μm。
磁性材料片可以用包含磁性材料和媒质的磁性浆料形成。
对于媒质已提及，由粘接剂例如乙基纤维素，聚乙烯醇缩丁醛，甲基丙烯酸树脂以及丁基异丁烯酸，和溶剂如萜品醇、丁基卡必醇，丁基卡必醇的乙酸酯，乙酸酯，甲苯，乙醇和二甲苯以及各种分散剂，活化剂，增塑剂等构成，根据使用目的可以从中选择任何所希望的媒质。添加的媒质量约占氧化物聚集体和玻璃总重量的65％到85％。
根据本发明，把银添加入上述磁性浆料内。在磁性材料内的银含量不高于重量的10％，较好为重量的5％，更好为重量的3％，再好为重量的1％。尽管用量非常少，但发现银是十分有效的。虽然添加的银量不应为零，但并不特别规定添加银量的下限。然而，最好下限为重量的0.1％，尤其是重量的0.2％。
银最好以颗粒形式加入磁性浆料内。在这种情况下最好银具有2.5～4.5μm的平均粒径尺寸。在此必须注意：在烧制后银通常存在于晶界上。
根据本发明，用已知方法例如印刷法或制片法，通过层叠导电层和陶瓷层形成半成品叠层，并在等于或高于导电材料的熔点但低于导电材料沸点下的温度烧制该叠层来获得各种多层陶瓷部件。例如可制造芯片电容器、芯片电感器、不可逆电路元件(环行器和绝缘器)、LC滤波器、半导体电容器、玻璃陶瓷多层板。
现在结合优选应用本发明的不可逆电路元件的环行器具体描述本发明。优选采用本发明的环行器在例如US 08/219,917(USP 5,450,045)中已公开。该环行器包含一磁转子。磁转子包含内导体、与内导体整体地烧制的绝缘磁性体(与内导体密切接触并包围内导体)、多个连接到内导体一端的端电极，多个耦合到端电极上以所用频率谐振的电容器，用于对磁转子提供直流磁场的激励永磁铁。在这种结构的环行器内，由于在磁性体内没有不连续性，高频磁通量在磁转子内形成闭合环，不产生退磁场。因此，环行器可以降低尺寸和价格，并且能够在较宽的频带下应用且具有较低损耗。
图1是说明在作为上述环行器一例的三端环行器内的磁转子结构的局部剖透视图。图2是说明环行器一般结构的分解透视图。图3是环行器的等效电路图。图4A、4B和4C是说明环行器内磁转子的制造过程的部分视图。
正如图中所示，这种环行器具有三端子形状，其中磁转子为正六角形。然而如果磁转子具有能产生均匀旋转磁场的结构，它的平面并不总限于正六角形。换句话说，磁转子可能具有其它六角形或多角形。通过提供具有多角形的磁转子，可以降低磁转子的总尺寸。这是因为当电路元件如谐振电容器从外面装在磁转子的侧面时可以有效地应用现有空间。
在图1，标号10代表整体烧制的磁性层。内层体(中心导体)11按照给定的图案形成，且它被磁性层10所包围。在本实施例中，内导体11包含互相层叠的两层。两层各具有在三径向延伸的线圈图形的条形(该径向至少垂直于六角形的一侧)。在两层上向同一方向延伸的线圈图形的条形通过通路孔导体彼此电连接。即：磁性层也用作绝缘体。每一线圈图形的一端电连接到在上述磁性层10的侧面上间隔形成的端电极12上。磁性层10的上面和下面以及磁性层10的没有端电极的侧面上具有接地导体(接地电极)13。各线圈图形的另一端电连接到磁性层无端电极侧的各侧面上的接地导体13。
正如从说明环行器总结构的图2所看到的，谐振电容器21a，21b，和21c电连接到磁转子20的三个端电极上。对于这些电容器，最好应用高频电容器，例如具有高自谐振频率的馈通电容器，并且它已在申请者提出的JP-A-5-251261中公开。该高频电容器具有多层三板带线状结构，其中接地导体和介电材料依次叠置在包含介电材料的多层结构的至少一层上，而外导体和介电材料按照上述次序叠置在接地电极上。采用工作频率宽的该馈通电容器，可以防止Q值降低。在此必须注意：端电极和电容器之间的连接与图3的等效电路图中所示的相同。
磁转子20在其上表面和下表面装配有激励永磁铁22和23(见图2)以在磁转子20上加直流磁场14(见图1)。
现在描述具有这种结构的环行器的制造过程。
如图4A所示，提供均由相同的绝缘磁性材料组成的上片40、中片41和下片42。上片40和下片42的每一片通常具有约0.5～2mm的厚度，它们是由层叠的多个片材料构成的，每一层厚度约100～200μm(最好160μm)。中片41厚度约为30～200μm，最好约为160μm。
通路孔43a、43b和43c是在给定位置穿过中片41形成的。在每一通路孔位置，用印刷或转移法形成具有直径稍大于通路孔直径的通路孔导体。对于该通路孔导体，可采用与内导体相同的导电材料。然而，最好用熔点高于导电材料的材料。
在中片41的上面根据通过内导体浆料的印刷或转移形成的线圈图案提供三组上层内导体44a、44b和44c。每一组包含沿同一径向伸延的两个线圈图形(该径向垂直于六边形至少一侧面)，且它们避开了通路孔部分。在低片42的上表面上以与上述相同的方式提供类似的三组下层内导体45a、45b和45c。在如此形成的上、中、下片40、41和42叠后，通过加热和加压将它们层叠在一起。由此三方对称的线圈图形处于中片41的两面。正是这对称性保证了三端环行器的端子之间的传播特性彼此符合得很好。
如图4B所示地叠置的上、中、下片40、41、42在等于或高于导电材料熔点、低于导电材料沸点的温度下在一起至少烧制一次。如果烧制二次或多次，则要求至少有一次在等于或高于上述熔点的温度烧制。通过这种烧制形成上、中和下片40、41、42的磁性材料被构造成完整的连续构件。
尽管已经描述了上、中和下片40、41和42具有图4A和4B所示正六角形的情况，应该认为：它们在烧制后被切割是为了防止因熔化引起的导电材料的泄漏，因为根据本发明的烧制操作是在等于或高于导电材料熔点的温度下实现的。
通过上述的烧制操作，上层内导体44a、44b、44c的一端通过在通路孔43a、43b和43c的通路孔导体电连接到下层内导体45a，45b，45c上。
在烧制和切割后，对每一磁转子进行滚筒抛光，以便内导体在其两侧面暴露出来，并对烧结体的棱角进行倒角处理。之后烘烤端电极46使其凝结在转子的每隔一边的侧边上。烘烤接地电极47使其凝结在磁转子的上、下面以及在磁转子的没有端电极46的表面上，如图4c所示。这保证了在磁转子侧面上暴露的上层内导体44a、44b和44c的其它端电极连接到有关的端电极46上，而在磁转子侧面上暴露的下层内导体45a、45b和45c电连接到磁转子的有关侧面上的接地导体上。随后，谐振电容器21a、21b和21c安装在磁转子的有关的端电极上，通过回流钎焊等把它们焊接到端电极46上，如图2所示。之后，将作为激励永久磁铁和磁轭以产生直流磁场的组合的金属外壳安装在组件上，由此而完成了环行器。
虽然在上述实施例中描述了三端型环行器，应当认为本发明也可以用于具有四端或多端的环行器。此外，本发明不仅可以用于集总的稳定环行器例如上述的环行器，也可以用于分散的稳定的环行器，其中磁转子与电容电路组合成一体，且用于展宽工作频率范围的和阻抗变换器加入终端电路。此外不可逆电路元件例如绝缘体也可以通过这种环行器的延伸而容易制造。
现在参考特定实施例对本发明进行说明。
实施例1
氧化钇(Y2O3)和氧化铁(Fe2O3)以摩尔比3∶5混合在一起。粉末混合物在1200℃煅烧。得到的煅烧粉在球磨机内研磨。有机粘接剂和溶剂添加到粉粒中并在其中添加的0.2～5％重量银粉，如表1所示，由此制成磁浆，通过刮刀法把得到磁浆成形为半成品片。用冲孔机对半成品片冲孔，以便在其内提供用作通路孔的孔，随后通过厚膜印刷法把银导体图形印刷在半成品片上。在这里及其后，银导体的宽度为WO 98/05045所述的一半。同时通路孔中也填充银。对印刷浆料，采用仅由银分散而得到的浆料和包含银并添加3mol％的Ga2O3而得到的浆料。热压半成品片以得到叠层。此后，在1430℃下烧制该叠层，并随后按预定尺寸和形状切割。
随后银浆料烤烘而凝结在烧制叠层的上、下面上以在其上形成接地电极。而且，烘烤银浆料将其凝结在烧制层的侧面上形成在端电级和上、下接地电极之间实现连接的电极。按照这种方式，得到一磁转子，其中磁性体与中心导体结合成一体。按照图5A，5B和5C所示的布局，磁转子101、电容基片102、铁氧磁体103和磁轭104组合在一起。按照这种方式，得到不可逆电路元件的样品(例1-1到1-10)。在比较例1，除了不添加银到磁性材料之外，如上例那样制作样品1。在上述实施例和比较例中以及在后面的实施例和比较例中，所用电容基片102、铁氧磁体103和轭104与现有技术一样。表1给出了不可逆电路元件样品的合格率。在此注意，制作了108个样品。用透射X射线测量仪观测每一样品的内部。断线或线宽超过2/3的部分有毛病的元件判定为有缺陷。必须注意平均颗粒大小为3.2～5.4μm。
                         表1
     添加的银量(重量％)  对银导体添加Ga2O3   合格率％
实施例1-1     0.2  ○   99.1
实施例1-2     0.5  ○   97.2
实施例1-3     1.0  ○   95.3
实施例1-4     3.0  ○   94.4
实施例1-5     5.0  ○   92.6
实施例1-6     0.2  ×   83.3
实施例1-7     0.5  ×   81.5
实施例1-8     1.0  ×   76.9
实施例1-9     3.0  ×   75.9
实施例1-10     5.0  ×   72.2
比较例1     0.0  ○   27.8
实施例2
除了氧化物磁性材料采用  摩尔比为6∶9∶1的氧化钇(Y2O3)、氧化铁(Fe2O3)、氧化铝(Al2O3)的混合物之外，其它与实施例1相同地获得不可逆电路元件(例2-1到2-10)。添加到磁性材料的银量和不可逆元件的合格率在表2中示出。用网络分析器测量了高频特性。
                             表2
    添加的银量(重量％)   对银导体添加Ga2O3     合格率％
实施例2-1     0.2   ○     99.1
实施例2-2     0.5   ○     95.4
实施例2-3     1.0   ○     99.1
实施例2-4     3.0   ○     94.4
实施例2-5     5.0   ○     93.5
实施例2-6     0.2   ×     82.4
实施例2-7     0.5   ×     76.9
实施例2-8     1.0   ×     77.8
实施例2-9     3.0   ×     71.3
实施例2-10     5.0   ×     75.0
比较例2     0.0   ○     23.1
实施例3
除了氧化物磁性材料采用摩尔比为11∶23∶2∶8的氧化钇(Y2O3)、氧化铁(Fe2O3)、氧化钒(V2O5)和氧化钙(CaCO3)混合物之外，其它与实施例1相同地得到不可逆电路元件。
添加到磁性材料上的银量和不可逆电路元件的合格率在表3中示出。高频特性用网络分析器测量。
                        表3
   添加的银量(重量％)     对银导体添加Ga2O3     合格率％
实施例3-1     0.2     ○     91.7
实施例3-2     0.5     ○     88.9
实施例3-3     1.0     ○     86.1
实施例3-4     3.0     ○     81.5
实施例3-5     5.0     ○     82.4
实施例3-6     0.2     ×     71.3
实施例3-7     0.5     ×     74.1
实施例3-8     1.0     ×     67.6
实施例3-9     3.0     ×     69.4
实施例3-10     5.0     ×     65.7
比较例3     0.0     ○     22.2
除了用La2O3、Pr6O11、Sm2O3、Eu2O3、Gd2O3、Dy2O3、Er2O3、Tm2O3和Yb2O3取代Ga2O3之外，与在例1-1到1-5、2-1到2-5、3-1到3-5同样地测量合格率，获得相当的结果。
根据以上所述，本发明的有效性是显而易见的。

Claims (4)

1.一种多层陶瓷部件，该部件包含共同烧制而成的内导体层和陶瓷层，其特征在于：上述内导体层由以银作主要成分的导电材料形成，上述陶瓷层由以钇-铁-石榴石为基的氧化物磁性材料添加0.2～5重量％的银而形成，且烧制温度等于或高于上述导电材料的熔点而低于上述导电材料的沸点。
2.如权利要求1所述的多层陶瓷部件，其特征在于：通过把导电材料分散在媒质内得到的导电浆料烧制而得到上述内导体，且上述导电材料以银作为主要成分，还包含从Ga氧化物、La氧化物、Pr氧化物、Sm氧化物、Eu氧化物、Gd氧化物、Dy氧化物、Er氧化物、Tm氧化物和Yb氧化物中选择的至少一种金属氧化物。
3.根据权利要求2所述的多层陶瓷部件，其特征在于：相对于100重量份上述导电材料，上述金属氧化物为0.1～20重量份。
4.根据权利要求1所述的多层陶瓷部件，其特征在于：该部件是不可逆电路元件。
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