CN1374272A - 低温烧结瓷器及电子部件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供下述的低温烧结瓷器,该低温烧结瓷器可在1000℃以下的低温区中烧结,能降低介电常数εr,能提高质量因数,并且能将裂纹发生率抑制得很低。低温烧结瓷器含有换算成BaO为10～64重量%的钡成分、换算成SiO2为20～80重量%的硅成分、换算成Al2O3为0.1～20重量%的铝成分、换算成B2O3为0.3～1.0重量%的硼成分、换算成ZnO为0.5～20重量%的锌成分、以及换算成Bi2O3为20重量%以下的铋成分。

Description

低温烧结瓷器及电子部件
技术领域
本发明涉及介电常数低、质量因数Q大的低温烧结瓷器及使用它的电子部件。
背景技术
在移动电话机等高频电路无线装置中，使用了层叠型介质滤波器作为高频电路滤波器，例如高端滤波器、发射用级间滤波器、局部滤波器、接收用级间滤波器等。这样的介质层叠滤波器的例子，例如在特开平5-243810号公报上被公开了。
为了制造介质层叠滤波器，制作多个构成介质的陶瓷粉末的成型体，通过对各成型体涂布所规定的导体浆，在各成型体上制作规定的电极图形。接着，层叠各成型体，得到层叠体，通过烧结该层叠体来同时烧结导体浆层和各成型体，使其致密化。
此时，电极一般是使用银系导体、铜系导体、镍系导体之类的低熔点金属的导体。但它们的熔点例如为1100℃以下，也有降低到930℃在右的情况。因此，必须在低于构成电极的低熔点金属的烧结温度下烧结介质。
为了减少杂散电容量、降低延迟时间，减少内置共振器及电容器的高频损耗，希望降低低温烧结瓷器的介电常数εr，并且增加质量因数Q。本申请人在特开2000-211969号公报上公开了具有1000℃以下的最佳烧结温度、介电常数εr为10以下、质量因数Q为2500以上的低温烧结瓷器。
发明内容
在特开2000-211969号公报中，对于BaO-SiO2-Al2O3系的瓷器，通过添加规定量的氧化锌和氧化硼，成功地使瓷器的低温烧结成为可能，使介电常数εr为10以下，使质量因数Q为2500以上。本发明人更进一步研究，尝试一边保持上述的低温烧结和低的介电常数，一边进一步提高质量因数Q。可是，通过增加成为瓷器原料的玻璃中的氧化硼的量降低了瓷器的烧结温度。而若增加成为瓷器原料的玻璃中的氧化硼的量，则质量因数有降低的趋势，因此，进一步提高瓷器的质量因数使之超过2500是困难的。另一方面，如果减少氧化硼的量，则瓷器的质量因数上升。可是已判明：当减少氧化硼的量时，瓷器的热膨胀、热收缩行为发生变化，不适于很多的电子部件。特别是如上述那样，在低温烧结瓷器之间形成银等金属电极时，在金属电极和瓷器的界面附近的瓷器中产生裂纹，产生缝隙，成为不合格品产生的原因。
本发明的课题是：对于低温烧结瓷器，可在1000℃以下的低温区中烧结，能降低介电常数εr、能提高质量因数，并且可将裂纹的发生率抑制得很低。
本发明涉及低温烧结瓷器，其特征在于：含有换算成BaO为10-64重量％的钡成分、换算成SiO2为20～80重量％的硅成分、换算成Al2O3为0.1～20重量％的铝成分、换算成B2O3为0.3～1.0重量％的硼成分、换算成ZnO为0.5～20重量％的锌成分、以及换算成Bi2O3为20重量％以下的铋成分。
本发明人进行了各种研究，结果是，为了使瓷器的低温烧结成为可能，而使用了含有B2O3的低熔点玻璃。可是，当增加B2O3的比例时，得到的瓷器的质量因数Q有降低的趋势，所以，不能得到具有更高的质量因数Q的低温烧结瓷器。当减少B2O3的比例时，质量因数Q增大，但瓷器的热膨胀、热收缩行为发生变化，一般来说变得不适于电子部件。特别是沿金属电极和瓷器的界面附近，在瓷器内产生裂纹的频度变高。
本发明人根据这样的知识发现：作为瓷器组成，通过也同时使用Bi2O3，从而即使减少含有B2O3的低溶点玻璃的量，瓷器也不会产生裂纹，并且使瓷器的质量因数Q提高成为可能，于是完成了本发明。
在优选的实施例中，将含有B2O3的玻璃和含有Bi2O3的陶瓷用作原始原料而得到本发明的瓷器。
在本发明的低温烧结瓷器中，含有换算成SiO2为20重量％以上的硅成分为好，据此能将介电常数控制在10以下。从进一步降低介电常数的观点考虑，含有换算成SiO2为30重量％以上的硅成分为好。另外，含有换算成SiO2为80重量％以下的硅成分为好，据此可降低瓷器的最佳烧结温度。从这种观点看，规定为65重量％以下更理想。
在本发明的低温烧结瓷器中，含有换算成Al2O3为0.1重量％以上的铝成分为好，据此在瓷器中使强度高的钡长石相增加，能使由瓷器构成的基板的强度上升到2000kg/cm2以上。从这种观点考虑，含有换算成Al2O3为2.0重量％以上的铝成分为好。另外，从降低瓷器的烧结温度的观点考虑，含有换算成Al2O3为20重量％以下的铝成分为好，含有换算成Al2O3为15重量％以下更好。
在本发明的低温烧结瓷器中，含有换算成BaO为10重量％以上的钡成分为好，据此能更加提高瓷器的质量因数Q。从这种观点考虑，含有换算成BaO为30重量％以上的钡成分为好。另外，含有换算成BaO为64重量％以下的钡成分为好，据此能确保10以下的介电常数εr。从进一步降低介电常数εr的观点考虑，含有换算成BaO为60重量％以下的钡成分更理想。
通过含有换算成ZnO为0.5重量％以上的锌成分(特别理想的情况是2.0重量％以上)，低温烧结瓷器的热膨胀系数减少，变得容易烧结，所以低温烧结成为可能。通过含有换算成ZnO为20重量％以下(特别理想的情况为15重量％以下)的锌成分，可更加提高瓷器的质量因数Q。
通过含有换算成B2O3为1.0重量％以下的硼成分，能使瓷器的质量因数Q为3500以上。从增大瓷器的质量因数Q的观点考虑，含有换算成B2O3为0.9重量％以下的硼成分更好。另外，通过含有换算成B2O3为0.3重量％以上(特别理想的情况是0.4重量％以上)的硼成分，瓷器的低温烧结成为可能。
通过含有铋成分，瓷器中的裂纹的发生率减少。这种作用效果在对本发明的瓷器层叠金属电极时、或在使金属电极接触瓷器的成型体的状态下烧结瓷器的成型体时、或在瓷器的成型体中埋设金属电极的状态下烧结瓷器的成型体时变得显著。铋成分有必要存在于本发明的瓷器中，但其下限不被限定，例如，只要通过荧光X射线分析法能检测出来即可。可是，理想情况是，铋成分的含量换算成Bi2O3为0.1重量％以上为好，为0.5重量％以上更好，为1.0重量％以上特别好。
通过含有换算成Bi2O3为20重量％的铋成分，能更加增大质量因数Q。从这种观点考虑，优选15重量％以下，特别优选10重量％以下。
本发明的瓷器实质上可由钡成分、硅成分、铝成分、硼成分、锌成分以及铋成分构成。可是，这种情况下也可含有各种金属原料中所含的不可避免的杂质。另外，也可含有上述成分以外的氧化物和金属成分。作为这样的氧化物和金属成分，例如有MgO、CaO、SrO2、Y2O3、V2O5、MnO、Mn2O3、CoO、NiO、Nd2O3、Sm2O3、La2O3、Ag、Cu、Ni、Pd。
在电子部件中可使用的金属电极不被限定，但银电极、铜电极、镍电极或由它们的合金构成的电极为好，由银或银合金构成的电极更好，特别理想的是银电极。
在本发明的电子部件中，能使本发明的低温烧结瓷器与介电常数εr为10～150的其他低温烧结瓷器一体化。
构成其他介质层的低温烧结瓷器的组成体系为以下的体系是特别理想的：
BaO-TiO2-ZnO-SiO2-B2O3
BaO-TiO2-Bi2O3-Nd2O3-ZnO-SiO2-B2O3
BaO-TiO2-Bi2O3-La2O3-Sm2O3-ZnO-SiO2-B2O3
MgO-CaO-TiO2-ZnO-Al2O3-SiO2-B2O3
成为本发明的对象的电子部件不被特别限定，例如可例举出层叠介质滤波器、多层布线基板、介质天线、介质联结器、介质复合模块。
在制造本发明的低温烧结瓷器时，理想情况是将各金属成分的原料以所规定的比率混合，得到混合粉末，将混合粉末在900～1100℃下焙烧，粉碎焙烧体，得到陶瓷粉末。其次，理想情况是使用陶瓷粉末、由SiO2、B2O3以及ZnO构成的玻璃粉末，制作原始片，将原始片在850～930℃下烧结。作为各金属成分的原料，可使用各种金属的氧化物、硝酸盐、碳酸盐、硫酸盐等。
实施例(陶瓷粉末的制造)
称量碳酸钡、氧化铝、氧化硅、氧化锌、氧化铋各粉末，以达到所规定的组成，然后进行湿式混合。将该混合粉末在900～1100℃下焙烧，得到焙烧体。为了研究焙烧物的结晶相和其结晶性，进行粉末X射线衍射测定。然后，将焙烧粉末用球磨机粉碎到所规定的粒度为止，使粉末干燥得到陶瓷粉末。(玻璃粉末的制造)
称量氧化锌、氧化硼以及氧化硅的各粉末，进行干式混合，将混合粉末在铂坩埚中熔融，将熔融物向水中投下，进行急速冷却，得到块状的玻璃。将该玻璃进行湿式粉碎，得到低熔点玻璃粉末。(评价介电特性用样品的制造)
使用氧化铝锅、氧化铝槽将所得的陶瓷粉末和玻璃粉末与离子交换水、有机粘合剂一起混合，得到泥浆，将泥浆干燥制得粉末。采用金属模模压将所得的粉体成型的所规定的形状，在900～930℃烧结。将烧结体加工成所规定的形状。测定以3GHz换算的介电常数εr、质量因数Q值。(基板强度的测定)
另外，加工烧结体，制作了尺寸为30mm×4mm×1mm的测定用样品。关于该样品，按照JISR 1601测定基板强度。(带成型)
使用氧化铝锅、氧化铝槽将所得的陶瓷粉末及玻璃粉末与有机粘合剂、增塑剂、分散剂以及有机溶剂一起进行湿式混合，得到原始片成型用泥浆。使用该泥浆通过刮刀装置将厚度为0.03～2mm的各原始片成型。(裂纹的评价)
在各原始片上采用Ag浆丝网印刷电容器电极图形和共振器电极图形，将所规定片数的各原始片进行层叠，制得层叠体，用切粒机切成11mm×8mm×3mm的形状，在850℃～930℃烧结2小时，由此制得烧结体。关于该烧结体，评价其有无裂纹。确认裂纹的有无是采用超声波探伤装置(日立建筑机械株式会社制My Scope(マィスコ-プ))，通过来自裂纹部分的超声波回波反射的图象数据来判断的。(实验结果)
在以上的实验中，将各金属的比例如表1～表6中所示的那样进行各种改变。然后，关于各试验样品，测定上述的各特性，并示于表1～表6。
表1
  试验编号     Bi2O3     BaO     SiO2     Al2O3     ZnO     B2O3   裂纹发生数   εr     Q 基板强度
    1     0.0     40.0     50.7     5.0     4.0     0.3     5/1000   5.9   2000     900
    2     0.1     35.0     56.6     4.0     4.0     0.3     0/1000   6.0   3500     1800
    3     0.2     50.0     38.3     9.0     2.0     0.3     0/1000   6.3   3600     2000
    4     0.4     41.0     49.1     6.0     3.0     0.3     0/1000   7.2   3800     2400
    5     0.5     45.0     42.0     5.0     7.0     0.3     0/1000   7.5   4300     2400
    6     1.0     55.0     30.5     3.0     10.0     0.3     0/1000   8.3   4500     2300
    7     4.0     47.0     39.5     4.0     5.0     0.3     0/1000   7.9   4600     2500
    8     10.0     40.0     31.5     6.0     12.0     0.3     0/1000   7.8   4600     2400
    9     15.0     34.0     33.5     2.0     15.0     0.3     0/1000   7.5   4100     2000
    10     20.0     30.0     30.5     10.0     9.0     0.3     0/1000   7.6   3500     2700
    11     25.0     35.0     35.0     3.0     2.0     0.3     0/1000   7.6   2200     2700
由表1可知，通过同时使用Bi2O3和B2O3，在减少B2O3的含量、提高质量因数Q的场合也能减少裂纹的发生。特别是通过使Bi2O3的量为20重量％以下，可防止裂纹的发生，同时得到特别高的质量因数Q、低的介电常数以及充分的基板强度。
表2
  试验编号     Bi2O3     BaO     SiO2      Al2O3     ZnO     B2O3   裂纹发生数   εr     Q   基板强度
  12     10.0     5.0     64.7     15.0     5.0     0.3     0/1000   5.2   1500     1800
  13     8.0     10.0     59.6     12.0     10.0     0.4     0/1000   5.9   3600     3000
  14     6.0     30.0     54.5     2.0     7.0     0.5     0/1000   6.2   4600     2000
  15     4.0     45.0     36.4     8.0     6.0     0.6     0/1000   7.2   4700     2500
  16     2.0     60.0     32.3     3.0     2.0     0.7     0/1000   8.3   4300     2100
  17     1.0     64.0     30.2     2.0     2.0     0.8     0/1000   9.2   3700     2100
  18     2.0     72.0     21.1     2.0     2.0     0.9     0/1000   10.1   3300     2000
由表2可知，通过使BaO的比例为10重量％以上、64重量％以下，可防止裂纹的发生，并且得到10以下的介电常数、3500以上的高的质量因数Q以及2000kg/cm2以上的高的基板强度。
表3
  试验编号     Bi2O3     BaO     SiO2    Al2O3     ZnO    B2O3   裂纹发生数   εr     Q 基板强度
  19     8.0     62.0     12.5     5.0     12.0     0.5     0/1000   10.2   3500     2300
  20     10.0     57.7     20.0     6.0     6.0     0.3     0/1000   8.9   4000     2300
  21     3.0     54.3     30.0     6.0     6.0     0.7     0/1000   7.9   3700     2500
  22     4.0     50.4     35.0     5.0     5.0     0.6     0/1000   7.8   3800     2400
  23     7.0     20.2     65.0     4.0     3.0     0.8     0/1000   6.4   3500     2200
  24     3.0     11.3     80.0     2.0     3.0     0.7     0/1000   5.2   3500     2100
  25     2.0     10.0     83.6     2.0     2.0     0.4     0/1000   5.3   900     1500
由表3可知，通过使SiO2的比例为20～80重量％，可防止裂纹的发生，并且得到10以下的介电常数、3500以上的高的质量因数Q以及2000kg/cm2以上的高的基板强度。
表4
  试验编号     Bi2O3     BaO     SiO2     Al2O3     ZnO     B2O3   裂纹发生数   εr     Q    基板强度
  26     5.0     33.0     55.1     0.05     6.0     0.8     0/1000   6.9   3600     1600
  27     4.0     39.0     52.0     0.1     4.0     0.9     0/1000   7.1   3500     2000
  28     7.0     50.0     38.7     2.0     2.0     0.3     0/1000   8.2   4200     2100
  29     6.0     42.0     42.0     5.0     4.5     0.5     0/1000   7.5   4000     2300
  30     2.0     40.0     35.2     15.0     7.0     0.8     0/1000   7.8   3700     3200
  31     1.0     35.0     40.1     20.0     3.0     0.9     0/1000   7.2   3600     3300
  32     4.0     30.0     35.0     25.0     5.3     0.7     0/1000   7.4   3800     3200
由表4可知，通过使Al2O3的比例为0.1～20重量％，可防止裂纹的发生，并且得到10以下的介电常数、3500以上的高的质量因数Q以及2000kg/cm2以上的高的基板强度。
表5
  试验编号     Bi2O3     BaO     SiO2     Al2O3     ZnO     B2O3   裂纹发生数   εr     Q   基板强度
  33     1.0     40.0     52.0     6.0     0.2     0.8     0/1000   7.3   3700     2400
  34     6.0     38.0     45.0     10.0     0.5     0.5     0/1000   7.2   4500     2800
  35     7.0     40.0     39.6     11.0     2.0     0.4     0/1000   7.5   4600     3000
  36     9.0     30.7     40.0     15.0     5.0     0.3     0/1000   7.3   4700     3300
  37     10.0     37.0     33.7     4.0     15.0     0.3     0/1000   7.7   4500     2300
  38     4.0     34.0     39.4     2.0     20.0     0.6     0/1000   7.3   3900     2000
  39     3.0     35.0     33.2     3.0     25.0     0.8     0/1000   7.6   3400     2100
由表5可知，通过使ZnO的比例为0.5～20重量％，可防止裂纹的发生，并且得到10以下的介电常数、3500以上的高的质量因数Q以及2000kg/cm2以上的高的基板强度。
表6
  试验编号    Bi2O3     BaO     SiO2     Al2O3     ZnO     B2O3   裂纹发生数   εr     Q    基板强度
  40     4.0     35.9     40.0     15.0     5.0     0.1     2/1000   7.5   3700     2400
  41     2.0     30.0     50.9     10.0     7.0     0.1     3/1000   6.9   3500     2300
  42     5.0     34.7     45.0     11.0     4.0     0.3     0/1000   7.3   4600     3100
  43     10.0     38.0     35.3     6.0     10.0     0.7     0/1000   7.7   4200     2400
  44     1.0     55.0     35.1     2.0     6.0     0.9     0/1000   8.6   3900     2100
  45     7.0     35.0     34.0     8.0     15.0     1.0     0/1000   7.6   3600     2800
  46     9.0     40.0     40.4     7.0     2.0     1.6     0/1000   7.6   3100     2700
由表6可知，通过使B2O3的比例为0.1～1.0重量％，可防止裂纹的发生，并且得到10以下的介电常数、3500以上的高的质量因数Q。
发明的效果
如以上叙述的那样，根据本发明，对于低温烧结瓷器，在1000℃以下的低温区中可以烧结，能降低介电常数εr，能提高质量因数，并且能将裂纹的发生率抑制得很低。

Claims (10)

1.一种低温烧结瓷器，其特征在于：含有换算成BaO为10～64重量％的钡成分、换算成SiO2为20-80重量％的硅成分、换算成Al2O3为0.1～20重量％的铝成分、换算成B2O3为0.3～1.0重量％的硼成分、换算成ZnO为0.5～20重量％的锌成分以及换算成Bi2O3为20重量％以下的铋成分。
2.权利要求1记载的低温烧结瓷器，其特征在于：含有换算成Bi2O3为0.1重量％以上的铋成分。
3.权利要求1或2记载的低温烧结瓷器，其特征在于：实质上，它是由上述钡成分、上述硅成分、上述铝成分、上述硼成分、上述锌成分以及上述铋成分构成的。
4.权利要求1～3的任何一项记载的低温烧结瓷器，其特征在于：介电常数εr为10以下。
5.权利要求1～4的任何一项记载的低温烧结瓷器，其特征在于：质量因数Q为3500以上。
6.权利要求1～5的任何一项记载的低温烧结瓷器，其特征在于：作为初始原料使用含B2O3的玻璃和含Bi2O3的陶瓷而得到。
7.权利要求6记载的低温烧结瓷器，其特征在于：上述玻璃是含有SiO2、B2O3和ZnO的玻璃。
8.一种电子部件，其特征在于：它的至少一部分是由权利要求1～7的任何一项记载的低温烧结瓷器构成的。
9.权利要求8记载的电子部件，其特征在于：具备金属电极。
10.权利要求8或9记载的电子部件，其特征在于：具备由上述低温烧结瓷器构成的低介电常数层和与该低介电常数层接合的其他介质层，其他的介质层是由介电常数εr为10～150的其他低温烧结瓷器构成的。
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