CN114206794B - 玻璃粉末、电介质材料、烧结体以及高频用电路部件 - Google Patents

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Abstract

本发明的玻璃粉末的特征在于，在包含碱硼硅酸玻璃的玻璃粉末中，在玻璃组成中包含Li2O+Na2O+K2O 0.1～1.0摩尔％(其中不含1.0摩尔％)，摩尔比Li2O/(Li2O+Na2O+K2O)为0.35～0.65，摩尔比Na2O/(Li2O+Na2O+K2O)为0.25～0.55，摩尔比K2O/(Li2O+Na2O+K2O)为0.025～0.20，且25℃、16GHz下的相对介电常数为3.5～4.0，25℃、16GHz下的介质损耗角正切为0.0020以下。

Description

玻璃粉末、电介质材料、烧结体以及高频用电路部件
技术领域
本发明涉及在10GHz以上的高频区域内，具有低相对介电常数和介质损耗角正切的玻璃粉末、电介质材料、烧结体以及高频用电路部件。
背景技术
氧化铝陶瓷作为布线基板、电路部件被广泛使用。但是，氧化铝陶瓷的相对介电常数为10而较高，有信号处理的速度慢的缺点。另外，氧化铝陶瓷使用高熔点金属的钨作为导体材料，因此还有导体损失变大的缺点。
为了弥补氧化铝陶瓷的缺点，以至于开发、使用含有玻璃粉末和陶瓷填料粉末的电介质材料。例如，包含含有碱硼硅酸玻璃的玻璃粉末的电介质材料的相对介电常数为6～8，比氧化铝陶瓷的相对介电常数低。另外，该电介质材料能够在1000℃以下的温度下烧成，因此能够与导体损失低的Ag、Cu等低熔点金属同时烧成，有能够使用这些作为内层导体的优点(参照专利文献1、2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平11-116272号公报
专利文献2：日本特开平9-241068号公报
发明内容
发明所要解决的问题
现在，正在进行面向应对第五代移动通信系统(5G)的开发，正在研究为了系统的高速化、高传输容量化、低延迟化的技术。5G通信使用高频的电波。并且，对于5G通信的高频器件中使用的材料，为了传输信号的低损失化，要求低介电常数、低介质损耗角正切。
但是，上述专利文献中公开的电介质材料由于高频区域内的介电特性不充分，因此存在信号处理的速度变慢的问题。
本发明的目的在于，提供能够在1000℃以下的温度下烧成，而且在高频区域内具有低相对介电常数和介质损耗角正切的玻璃粉末、电介质材料、烧结体以及高频用电路部件。
用于解决问题的手段
本发明人反复各种的实验的结果发现，在包含碱硼硅酸玻璃的玻璃粉末中，若严格地限制碱金属氧化物的含量和含有比率，则相对介电常数和介质损耗角正切显著降低，从而作为本发明提出。即，本发明的玻璃粉末的特征在于，在包含碱硼硅酸玻璃的玻璃粉末中，在玻璃组成中包含Li2O+Na2O+K2O0.1～1.0摩尔％(其中不含1.0摩尔％)，摩尔比Li2O/(Li2O+Na2O+K2O)为0.35～0.65，摩尔比Na2O/(Li2O+Na2O+K2O)为0.25～0.55，摩尔比K2O/(Li2O+Na2O+K2O)为0.025～0.20，且25℃、16GHz下的相对介电常数为3.5～4.0，25℃、16GHz下的介质损耗角正切为0.0020以下。在此，“碱硼硅酸玻璃”是在玻璃组成中包含碱金属氧化物、SiO2、B2O3的玻璃。“Li2O+Na2O+K2O”是指Li2O、Na2O和K2O的总量。“Li2O/(Li2O+Na2O+K2O)”是指将Li2O的含量除以Li2O、Na2O和K2O的总量的值。“Na2O/(Li2O+Na2O+K2O)”是指将Na2O的含量除以Li2O、Na2O和K2O的总量的值。“K2O/(Li2O+Na2O+K2O)”是指将K2O的含量除以Li2O、Na2O和K2O的总量的值。“25℃、16GHz下的相对介电常数”和“25℃、16GHz下的介质损耗角正切”是指依据两端短路型介质谐振器法(JIS R1627)测定的值。
本发明的玻璃粉末以硼硅酸盐玻璃为基本组成，包含Li2O+Na2O+K2O 0.1摩尔％以上，因此能够在1000℃以下的温度下烧成。另外，在碱硼硅酸玻璃中，碱金属氧化物成为使相对介电常数、介质损耗角正切上升的原因，但若将其含量限制在低于1摩尔％，则能够将高频区域内的相对介电常数、介质损耗角正切的上升限制在实用上没有问题的水平。此外，本发明的玻璃粉末中将碱金属氧化物的含有比率如上述限制，因此碱混合效果最优化，能够使介质损耗角正切大幅降低。
本发明的电介质材料是含有玻璃粉末50～100质量％、和陶瓷填料粉末0～50质量％的电介质材料，该玻璃粉末为上述的玻璃粉末，该陶瓷填料粉末优选为选自α-石英、α-方石英、β-鳞石英、α-氧化铝、莫来石、氧化锆、堇青石中的1种或2种以上。
本发明的烧结体是使电介质材料烧结而成的烧结体，该电介质材料优选为上述电介质材料。
另外，本发明的烧结体优选25℃、16GHz下的相对介电常数为3.5～6.0，25℃、16GHz下的介质损耗角正切为0.0030以下。
本发明的高频用电路部件是具有电介质层的高频用电路部件，该电介质层优选为上述烧结体。
发明效果
本发明的电介质材料能够在1000℃以下的温度下烧成，因此能够使用Ag、Cu等低熔点金属材料作为内层导体。此外，本发明的电介质材料在高频区域内具有低相对介电常数和介质损耗角正切。因此，本发明的电介质材料适合作为高频用电路部件。
附图说明
图1是用三角图示出摩尔比Li2O/(Li2O+Na2O+K2O)、摩尔比Na2O/(Li2O+Na2O+K2O)、摩尔比K2O/(Li2O+Na2O+K2O)的范围的图。
具体实施方式
本发明的玻璃粉末在包含碱硼硅酸玻璃的玻璃粉末中，在玻璃组成中包含Li2O+Na2O+K2O 0.1～1.0摩尔％(其中不含1.0摩尔％)，摩尔比Li2O/(Li2O+Na2O+K2O)为0.35～0.65，摩尔比Na2O/(Li2O+Na2O+K2O)为0.25～0.55，摩尔比K2O/(Li2O+Na2O+K2O)为0.025～0.20。以下示出按照上述方式限定各成分的含量和含有比率的理由。需要说明的是，在玻璃组成的说明中，％的表示是指摩尔％。
碱硼硅酸玻璃期望是即使烧成也不析出结晶的非晶质的玻璃。这是由于，非晶质的玻璃与结晶性的玻璃相比，烧成时的软化流动性良好，容易得到致密的烧结体。
碱金属氧化物(Li2O、Na2O、K2O)是提高熔融性的成分，并且是使电介质材料的烧成温度降低的成分。若Li2O+Na2O+K2O的含量变多，则介质损耗角正切容易变大，传输信号的损失容易变大。另一方面，若Li2O+Na2O+K2O的含量变少，则熔融性容易降低，并且电介质材料的低温烧成变得困难。因此，Li2O+Na2O+K2O的含量为0.1％以上且低于1.0％，优选为0.5～0.98％。需要说明的是，Li2O的含量优选0.05～0.55％、特别是0.2～0.5％，Na2O的含量优选0.05～0.5％、特别是0.1～0.4％，K2O的含量优选0.01～0.3％、特别是0.05～0.2％。
摩尔比Li2O/(Li2O+Na2O+K2O)为0.35～0.65，优选0.4～0.6。摩尔比Na2O/(Li2O+Na2O+K2O)为0.25～0.55，优选0.3～0.5。摩尔比K2O/(Li2O+Na2O+K2O)为0.025～0.20，优选0.025～0.15。若上述摩尔比在范围外，则难以享有碱混合效果，介质损耗角正切容易上升。
需要说明的是，若用三角图表示摩尔比Li2O/(Li2O+Na2O+K2O)、摩尔比Na2O/(Li2O+Na2O+K2O)、摩尔比K2O/(Li2O+Na2O+K2O)的范围，则如图1所示，(Li2O/(Li2O+Na2O+K2O)、Na2O/(Li2O+Na2O+K2O)、K2O/(Li2O+Na2O+K2O))在被点A(0.65、0.325、0.025)、点B(0.65、0.25、0.1)、点C(0.55、0.25、0.2)、点D(0.35、0.45、0.2)、点E(0.35、0.55、0.1)、点F(0.425、0.55、0.025)包围的区域内。优选的区域为被点A′(0.60、0.375、0.025)、点B′(0.60、0.30、0.10)、点C′(0.55、0.30、0.15)、点D′(0.40、0.45、0.15)、点E′(0.40、0.50、0.1)、点F′(0.475、0.50、0.025)包围的区域。需要说明的是，图1中R2O是指Li2O、Na2O和K2O的总量。
SiO2是形成玻璃网络的成分。若SiO2的含量变多，则有烧成温度变高的倾向，有可能不能使用Ag、Cu作为导体、电极。另一方面，若SiO2的含量变少，则相对介电常数容易上升，有信号处理的速度变慢的可能性。因此，SiO2的含量优选65～85％、特别是70～80％。
B2O3是使玻璃的粘度降低的成分。若B2O3的含量变多，则玻璃容易分相，另外耐水性容易降低。另一方面，若B2O3的含量变少，则有烧成温度变高的倾向，有可能不能使用Ag、Cu作为导体、电极。因此，B2O3含量优选15～40％、特别是15～30％。
除了上述成分以外，在不损害介电特性的范围内可以添加Al2O3、MgO、CaO等成分分别到3摩尔％为止。
本发明的玻璃粉末中，25℃、16GHz下的相对介电常数优选为3.5～4.0、特别是3.6～3.9，25℃、16GHz下的介质损耗角正切优选为0.0020以下、0.0015以下、特别是0.0012以下。若相对介电常数、介质损耗角正切变高，则传输信号的损失容易变大，另外信号处理的速度容易变慢。
本发明的电介质材料可以仅由上述的包含碱硼硅酸玻璃的玻璃粉末构成，但优选对玻璃粉末添加陶瓷填料粉末，制成混合粉末。其混合比例优选为玻璃粉末50～80质量(优选55～80质量％)、陶瓷填料粉末20～50质量％(优选20～45质量％)。如此限定陶瓷填料粉末的比例的理由是，若陶瓷填料粉末变多，则烧成体的致密化变得困难，若陶瓷填料粉末变少，则烧成体的弯曲强度容易降低。
作为陶瓷填料粉末，优选使用1GHz以上的高频区域内的相对介电常数为16以下、介质损耗角正切为0.010以下的陶瓷填料粉末，例如可以使用α-石英、α-方石英、β-鳞石英、α-氧化铝、莫来石、氧化锆、堇青石中的一种或两种以上。如此一来，在高频区域内，能够使电介质材料的相对介电常数、介质损耗角正切降低。
本发明的电介质材料(烧成体)中，25℃、16GHz下的相对介电常数优选为3.5～6.0、特别是4.0～5.0，25℃、16GHz下的介质损耗角正切优选为0.0030以下、特别是0.0020以下。若相对介电常数、介质损耗角正切变高，则传输信号的损失容易变大，另外信号处理的速度容易变慢。
本发明的烧结体是使电介质材料烧结而成的烧结体，该电介质材料优选为上述的电介质材料。以下，对本发明的烧结体的制造方法进行说明。
首先，相对于上述的玻璃粉末和陶瓷填料粉末的混合粉末，添加规定量的结合剂、增塑剂和溶剂而制备浆料。作为结合剂，可以适宜地使用例如聚乙烯醇缩丁醛树脂、甲基丙烯酸树脂等，作为增塑剂，可以适宜地使用例如邻苯二甲酸二丁酯等，作为溶剂，可以适宜地使用例如甲苯、甲乙酮等。
接着，通过刮刀法将上述浆料成形为生片。进而，使该生片干燥，并切断成规定尺寸，利用机械加工形成导通孔，例如将银导体、成为电极的低电阻金属材料印刷于导通孔和生片表面。其后，层叠多片这样的生片，通过热压接而一体化。
对所得到的层叠生片进行烧成，得到烧结体。如此制作的烧结体在内部、表面具备导体、电极。烧成温度期望为1000℃以下、特别是800～950℃的温度。
至此，利用使用生片的例子对烧结体的制造方法进行了说明，但本发明不限于此，可以应用陶瓷的制造中使用的各种方法，例如制作包含粘结剂的颗粒进行压制成型等的方法。
本发明的高频用电路部件是具有电介质层的高频用电路部件，该电介质层优选为上述烧结体。此外，高频用电路部件进而优选用布线形成线圈，另外还优选在电介质层(烧结体)的表面上连接Si系、GaAs系等的半导体元件的芯片。
实施例
以下，基于实施例对本发明进行说明。需要说明的是，本发明不受以下的实施例任何限定。以下的实施例仅为例示。
将本发明的实施例(试样No.1～4、7～12)和比较例(试样No.5、6)示于表1、2。需要说明的是，表中的R2O是指Li2O+Na2O+K2O。
【表1】
【表2】
按照以下方式制作各试样。首先，按照成为表中的玻璃组成方式，配合各种氧化物的玻璃原料，均匀混合后，放入铂坩埚中以1550～1650℃熔融3～8小时，将得到的熔融玻璃用水冷辊成形成薄板状。接着，将得到的玻璃膜粗粉碎后，加醇并利用球磨机湿式粉碎，按照平均粒径成为1.5～3μm的方式分级，得到玻璃粉末。
接着，对于上述玻璃粉末，均匀混合表中所示的陶瓷填料粉末(平均粒径2～3μm)，得到电介质材料。
接着，对于上述电介质材料，添加作为结合剂的聚乙烯醇缩丁醛15质量％、作为增塑剂的邻苯二甲酸丁苄酯4质量％、作为溶剂的甲苯30质量％，制备了浆料。接着，将上述浆料通过刮刀法成形成生片，使其干燥并切断成规定尺寸后，层叠多片并通过热压接而一体化。进而，对得到的层叠生片进行烧成，从而得到烧结体。
对于如此得到的各试样，测定玻璃的介电特性、电介质材料的烧成温度、介电特性和热膨胀系数。将其结果示于表1、2。
玻璃的相对介电常数和介质损耗角正切是，在将熔融玻璃成形成薄板状时，将熔融玻璃的一部分流出到模具中成形成棒状，退火后加工成直径13mm、高度6.5mm的尺寸，基于两端短路型介质谐振器法(JIS R1627)，在温度25℃、测定频率16GHz下测定的值。
对于电介质材料的烧成温度而言，向在各种温度下烧成的烧结体涂布墨液后擦拭，在不残留墨液(＝致密地进行了烧结)的试样中，记载了在最低的温度下烧成的试样的烧成温度。
烧结体(电介质材料)的相对介电常数和介质损耗角正切是，将粉末状的电介质材料冲压成形成直径13mm、高度6.5mm的圆柱后，将在830～920℃下烧成的试样作为测定试样，基于两端短路型介质谐振器法(JIS R1627)，在温度25℃、测定频率16GHz下测定的值。
烧结体(电介质材料)的热膨胀系数是，在30～300℃的温度范围内测定的值，是利用热机械分析装置测定的值。
由表1、2可以明确，试样No.1～4、7～12的玻璃粉末的相对介电常数为3.7～3.9，介质损耗角正切为0.0008～0.0017，因此烧结体(电介质材料)的相对介电常数为3.8～5.2，介电损耗为0.0011～0.0027。另外，试样No.1～4、7～12的烧成温度为920℃以下，热膨胀系数为4.6～6.3ppm/℃。
与此相对，试样No.5由于摩尔比Li2O/(Li2O+NaxO+K2O)大，而摩尔比Na2O/(Li2O+Na2O+K2O)小，因此介质损耗角正切为0.0045。试样No.6的Li2O+Na2O+K2O的含量为2摩尔％，介质损耗角正切为0.0050。

Claims (5)

1.一种玻璃粉末，其特征在于，
在包含碱硼硅酸玻璃的玻璃粉末中，
玻璃组成中包含Li2O+Na2O+K2O 0.1摩尔％～1.0摩尔％且不含1.0摩尔％、SiO2 65摩尔％～85摩尔％，摩尔比Li2O/(Li2O+Na2O+K2O)为0.35～0.65，摩尔比Na2O/(Li2O+Na2O+K2O)为0.3～0.55，摩尔比K2O/(Li2O+Na2O+K2O)为0.025～0.15，且25℃、16GHz下的相对介电常数为3.5～4.0，25℃、16GHz下的介质损耗角正切为0.0020以下。
2.一种电介质材料，其特征在于，
是含有玻璃粉末50质量％～100质量％、陶瓷填料粉末0质量％～50质量％的电介质材料，
该玻璃粉末是权利要求1所述的玻璃粉末，
该陶瓷填料粉末为选自α－石英、α－方石英、β－鳞石英、α－氧化铝、莫来石、氧化锆、堇青石中的1种或2种以上。
3.一种烧结体，其特征在于，
是将电介质材料烧结而成的烧结体，
该电介质材料是权利要求2所述的电介质材料。
4.根据权利要求3所述的烧结体，其特征在于，
25℃、16GHz下的相对介电常数为3.5～6.0，25℃、16GHz下的介质损耗角正切为0.0030以下。
5.一种高频用电路部件，其特征在于，
是具有电介质层的高频用电路部件，
该电介质层是权利要求3或4所述的烧结体。
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