CN116057019A - 玻璃陶瓷电介质材料、烧结体及高频用电路部件 - Google Patents
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Abstract
本发明的玻璃陶瓷电介质材料含有玻璃粉末和α石英粉末,其中,玻璃粉末的含量为60~80质量%、α石英粉末的含量为20~40质量%,并且,作为玻璃组成,玻璃粉末按质量%计含有SiO238~50%、MgO 10~20%、CaO 15~25%、ZnO 15~25%、Li2O‑+‑Na2O+K2O0%~低于2%。
Description
技术领域
本发明涉及一种在20GHz以上的高频区域具有低介电常数和介质损耗角正切、高热膨胀系数的玻璃陶瓷介电材料、烧结体以及高频用电路部件。
背景技术
氧化铝陶瓷广泛被用作布线基板或电路元器件。氧化铝陶瓷的相对介电常数高达10,因此存在信号处理速度慢的问题。另外,由于导体材料中必须使用高熔点的钨,还存在导体损耗变高的问题。
为了弥补上述缺点,开发了含有玻璃粉末和陶瓷粉末的玻璃陶瓷电介质材料,使用其烧结体作为电介质层。例如,使用含有碱硼硅酸玻璃的玻璃粉末的玻璃陶瓷电介质材料的相对介电常数为6~8,低于氧化铝陶瓷材料的相对介电常数。另外,由于能够在1000℃以下的温度下烧结,因此有以下优点:能够进行与导体损耗低的Ag、Cu等低熔点的金属材料的同时烧成,可以将这些作为内层导体使用(参见专利文献1和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
然而,近年,以5G为代表的移动通信设备,WiFi等局域网络通信领域中,使用的频带高达20GHz以上,在高频区域中,开始强烈地要求玻璃陶瓷电介质材料的进一步的低介质损耗角正切化。
电磁波在电子电路中的传输损耗与电路基板的介电常数的平方根、介质损耗角正切、电磁波的频率的积成比例。上述专利文献公开的玻璃陶瓷电介质材料在高频区域中的介电特性、特别是介质损耗角正切不足够低,存在着传输损耗增大的问题。
另外,以往的玻璃陶瓷电介质材料的热膨胀系数低至4~7ppm/℃,因此在焊料接合于树脂母板后,若施加热循环则会因热膨胀差产生变形,发生断线、龟裂等不良问题。
本发明的目的在于提供能够在1000℃以下的温度下进行烧结,并且在20GHz以上的高频区域具有低介电特性和高热膨胀系数的玻璃陶瓷电介质材料、烧结体以及高频用电路部件。
用于解决问题的手段
本发明人经过反复多种试验研究发现,通过将具有特定的玻璃组成的玻璃粉末与α石英粉末进行复合化,能够解决上述技术问题,并作为本发明而提出。即,本发明的玻璃陶瓷电介质材料为含有玻璃粉末和α石英粉末的玻璃陶瓷电介质材料,玻璃粉末的含量为60~80质量%,α石英粉末的含量为20~40质量%,并且,作为玻璃组成,玻璃粉末按质量%计含有SiO2 38~50%、MgO 10~20%、CaO 15~25%、ZnO 15~25%、Li2O+Na2O+K2O 0%~低于2%。在此“Li2O+Na2O+K2O”是指Li2O、Na2O以及K2O的总量。
本发明的烧结体是使上述玻璃陶瓷电介质材料烧结得到的烧结体,优选热膨胀系数为9~11ppm/℃、28GHz下的相对介电常数为5.5~5.9,并且,28GHz下的介质损耗角正切为0.0010~0.0020。在此“热膨胀系数”是指30~380℃的温度范围内利用热机械分析装置测定的值。“相对介电常数”和“介质损耗角正切”是指基于精密陶瓷基板的微波介电特性测定方法(JIS R1641),在测定温度25℃、频率28GHz下测定的值。
本发明的高频电路部件是具有电介质层的高频用电路部件,电介质层优选为上述烧结体。
发明效果
本发明的玻璃陶瓷电介质材料能够在1000℃以下的低温下烧结,能够将Ag、Cu等低熔点的金属材料作为内层导体。并且在20GHz以上的高频区域具有低介电特性,热膨胀系数高达9~10ppm/℃。因此,本发明的玻璃陶瓷电介质材料适合作为安装于树脂母板的高频用电路部件。
具体实施方式
本发明的玻璃陶瓷电介质材料中玻璃粉末的含量为60~80质量%,α石英粉末的含量为20~40质量%,优选玻璃粉末的含量为65~75质量%,α石英粉末的含量为25~35质量%。若α石英粉末增多,则烧结体致密化变困难,若α石英粉末减少,则烧结体的弯曲强度容易降低。
作为陶瓷粉末,可以添加α石英以外其它的陶瓷粉末。例如使用α方石英、β鳞石英、莫来石、氧化锆、堇青石中的一种或两种以上。
在本发明的玻璃陶瓷电介质材料中,作为玻璃组成,玻璃粉末按质量%计含有SiO2 38~50%、MgO 10~20%、CaO 15~25%、ZnO 15~25%、Li2O+Na2O+K2O 0%~低于2%。将各成分的含量范围按照以上方式限定的理由在以下进行叙述。
SiO2是成为玻璃的网络形成物的成分。若SiO2的含量多,则有烧成温度变高倾向,有时会无法使用Ag或Cu作为导体或电极。另一方面,若SiO2的含量少,则玻璃化变困难。另外难以获得低介电特性。因此,SiO2的含量为38~50%,特别优选为40~48%。
MgO、CaO、ZnO均有降低玻璃粉末的软化点的效果。在比各自的限定范围多的区域,玻璃化变困难,在比限定范围少的区域,软化点变得过高。另外,若在上述含量范围外,则介质损耗角正切容易成为0.0020以上。
碱金属氧化物(Li2O、Na2O、K2O)是降低烧成温度的成分,也是使高频区域中的介质损耗角正切上升的成分。因此,Li2O+Na2O+K2O的含量小于2%,优选为小于1%,小于0.5%,尤其是小于0.1%。需要说明的是,Li2O的含量优选小于0.5%,尤其是小于0.1%。Na2O的含量优选小于0.5%,尤其是小于0.1%。K2O的含量优选小于0.5%,尤其是小于0.1%。
除上述成分以外,在不损害介电特性的范围内,也可以添加B2O3、Al2O3等成分至各自3%为止。
本发明的烧结体是使上述玻璃陶瓷电介质材料烧结得到的烧结体。本发明的烧结体的热膨胀系数优选为9~11ppm/℃。若烧结体的热膨胀系数过低,则在与树脂母板焊料接合后施加热循环时,会容易因热膨胀差产生变形。
本发明的烧结体在28GHz下的相对介电常数优选为5.5~5.9,28GHz下的介质损耗角正切优选为0.0010~0.0020。若相对介电常数或介质损耗角正切变高,则传送信号的损失容易变大,另外信号处理的速度也容易变慢。
以下对本发明的烧结体的制造方法进行说明。
首先,向上述的玻璃粉末和α石英粉末的混合粉末中添加规定量的结合剂,增塑剂以及溶剂配制成浆料。作为结合剂可列举聚乙烯醇缩丁醛树脂、甲基丙烯酸树脂等,作为增塑剂可列举邻苯二甲酸二丁酯等,作为溶剂可列举甲苯、甲乙酮等。
接着将上述浆料,通过刮片法在生片上成型后进行干燥,切割为规定尺寸,然后实施机械加工形成通孔,例如,将银导体或成为电极的低电阻金属材料印刷于通孔以及生片表面。然后这样的生片层叠多片,通过热压合而一体化。
进而,将层叠生片进行烧结而能够得到烧结体。通过该方法制造的烧结体在内部或表面具备导体或电极。需要说明的是,从使用导体损耗低的Ag、Cu等低熔点的金属材料的观点出发,期望烧成温度为1000℃以下,特别是温度为800~950℃的温度。
作为烧结体的制造方法,列举了使用生片的例子,但本发明不限定于此,还可以应用制作含有粘合剂的颗粒后进行压制成型等各种方法。
本发明的高频用电路部件可以通过以下方式制作:利用布线形成线圈,或者在按照上述这样制造的烧结体表面上连接Si系或GaAs系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。但是,本发明不限定于以下的实施例,以下的实施例仅是示例。
表1示出本发明的实施例(试样No.1~4)和比较例(试样No.5、6)。需要说明的是,表中的R2O是指Li2O+Na2O+K2O。
[表1]
各试样按照以下方式制作。首先,按照成为表中的玻璃组成的方式调配各种氧化物的玻璃原料,均匀混合后,放入铂坩埚中在1400~1500℃下熔融3~8小时,通过水冷辊将熔融玻璃成形为薄板状。接下来,将得到的玻璃膜粗粉碎,加入酒精并利用球磨机进行湿式粉碎,按照平均粒径成为1.5~3μm的方式进行分级而得到玻璃粉末。
然后,在上述玻璃粉末中均匀地混合表中所示的量的陶瓷粉末(平均粒径2μm),得到玻璃陶瓷电介质材料。
接着,在得到的玻璃陶瓷电介质材料中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基苄基酯4质量%,以及作为溶剂的甲苯30质量%,制备浆料。接下来,将上述浆料通过刮片法在生片上成型并进行干燥,切割为规定尺寸后层叠多片,通过热压合而一体化。进而,通过将得到的层叠生片进行烧结而得到烧结体。
对于按照这样得到的各试样,评价了烧成温度、介电特性以及热膨胀系数,结果示于表1中。
对于烧成温度而言,表述了在不同温度下烧结所得到的烧结体上涂布墨水后进行擦拭而不残留墨水(=进行了致密地烧结)的最低温度。
相对介电常数和介质损耗角正切是按照以下方式测定的:将生片成型而成的材料利用表中所示的烧成温度烧结后,加工为25mm×50mm×0.1mm的尺寸作为测定试样,在此基础上,基于精密陶瓷基板的微波介电特性的测定方法(JIS R1641),在测定温度25℃、频率28GHz下测定。
热膨胀系数是在30~380℃的温度范围内,由热机械分析装置测定的。
由表可以明确,试样No.1~4在频率28GHz下的相对介电常数为5.5~5.9,频率28GHz下的介质损耗角正切为0.0012~0.0019,高频区域下的介电特性低。另外烧成温度低至930℃以下,热膨胀系数高达9.2~10.8ppm/℃。
另一方面,试样No.5因玻璃粉末中的碱金属氧化物多,频率28GHz下的介质损耗角正切为0.0055,高频区域下的介电特性高。试样No.6中,陶瓷粉末为氧化铝,因此,相对介电常数高达7.9,热膨胀系数低至8.5ppm/℃。
Claims (3)
1.一种玻璃陶瓷电介质材料,其为含有玻璃粉末和α石英粉末的玻璃陶瓷电介质材料,其中,玻璃粉末的含量为60质量%~80质量%、α石英粉末的含量为20质量%~40质量%,并且,作为玻璃组成,玻璃粉末按质量%计含有:SiO2 38%~50%、MgO 10%~20%、CaO15%~25%、ZnO 15%~25%、Li2O-++Na2O+K2O 0%~低于2%。
2.一种烧结体,其为使权利要求1所述的玻璃陶瓷电介质材料烧结得到的烧结体,热膨胀系数为9ppm/℃~11ppm/℃,28GHz下的相对介电常数为5.5~5.9,并且,28GHz下的介质损耗角正切为0.0010~0.0020。
3.一种高频电路部件,其为具有电介质层的高频用电路部件,其中,电介质层为权利要求2所述的烧结体。
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