DE3623152A1 - Dielektrische keramische zusammensetzung fuer hohe frequenzen - Google Patents

Dielektrische keramische zusammensetzung fuer hohe frequenzen

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine dielektrische keramische Zusammensetzung für hohe Frequenzen und insbesondere eine dielektrische keramische Zusammensetzung, die als Material für Schaltkreisplatten und Trägerelemente nützlich ist, die in elektronischen Einrichtungen, die für einen Betrieb im Bereich der Mikrowellen- Frequenzen vorgesehen sind, eingesetzt werden beispielsweise etwa integrierte Mikrowellenschaltungen, dielektrische Resonatoren, Mikrowellenfilter und dergleichen.
In Hochfrequenz-Schaltkreiselementen, einschließlich Mikrowellen-Einrichtungen, werden häufig schwach dielektrische Materialien als Isolierung für Schaltkreis- Komponenten verwendet. Beispielsweise besteht ein Mikrowellenfilter, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, aus einem dielektrischen Resonator 1, einem schwach dielektrischen Trägerglied 2 und einem keramischen Substrat 3, das mit Streifenleitungen 4 versehen ist, die mittels des von dem Resonator entweichenden elektromagnetischen Feldes H mit dem Resonator elektromagnetisch gekoppelt sind, und die ganze Einheit ist in einem Metall-Gehäuse 5 eingekapselt.
Je kleiner in solchen Mikrowellen-Einrichtungen das Herausdringen des elektrischen Feldes durch das Trägerglied ist, desto größer ist der ungeladene Q-Wert seines resonanten Systems. Infolgedessen ist es erforderlich, daß ein Material für die Trägerelemente eine niedrige Dielelektrizitätskonstante und einen niedrigen dielektrischen Verlustfaktor (tan δ) hat. Bisher wird Forsterit am weitesten verbreitet als Material für Trägerelemente verwendet, da er eine niedrige Dielektrizitätskonstante von 6,5 hat. Wenngleich der Q-Wert von Forsterit etwa 3000 bei 10 GHz beträgt, besteht zunehmender Bedarf für die Entwicklung dielektrischer Materialien mit höherem Q-Wert.
Andererseits haben Aluminiumoxid-Keramiken, die hauptsächlich als Material für Hochfrequenzschaltkreis- Platten verwendet werden, eine hohe Biegefestigkeit von etwa 294 N/mm2 (3000 kg/cm2), jedoch ist ihre Dielektrizitätskonstante relativ hoch und liegt bei etwa 9,0 bis 90,5. In dem Fall, in dem Streifenleistungen mit hoher Impedanz auf der Aluminiumoxid-Platte benötigt werden, ist es erforderlich, die Breite der Streifenleitungen klein zu machen (im allgemeinen weniger als 1 µm). Dies bewirkt einen Bruch der Streifenleitungen, woraus eine Zunahme schlechter Mikrowellen-Einrichtungen resultiert.
Die Impedanz der auf der keramischen Platte gebildeten Streifenleitungen mit gegebener Dicke ist, grob gesagt, der Breite der Streifenleitungen und der Dielektrizitätskonstante des Substrats umgekehrt proportional. Dementsprechend kann die Impedanz der Streifenleitungen durch den Einsatz von Stoffen mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante an Stelle einer Verringerung der Breite der Streifenleitungen erhöht werden. Jedoch können die schwach dielektrischen Materialien des Standes der Technik wie beispielsweise Forsterit (ε: 6,5) und Steatit (ε: 5,5-7,5) zu einer Verringerung der Zuverlässigkeit der Mikrowellen-Einrichtungen führen, da ihre Biegefestigkeit kleiner als 147 N/mm2 (1500 kg/cm2) sind, was etwa weniger als die Hälfter derjenigen der Aluminiumoxid-Keramiken ist.
Demgemäß ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine dielektrische keramische Zusammensetzung für hohe Frequenzen verfügbar zu machen, die eine kleinere Dielektrizitätskonstante als Aluminiumoxid-Keramiken und eine größere Biegefestigkeit als Forsterit besitzt.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine dielektrische keramische Zusammensetzung für hohe Frequenzen verfügbar zu machen, die einen beträchtlich höheren Q-Wert als Forsterit hat.
Gemäß der vorliegenden Erfingung werden diese und andere Ziele dadurch erreicht, daß eine dielektrische keramische Zusammensetzung für hohe Frequenzen bereitgestellt wird, die durch die allgemeine Formel
xMgO-yAl2O3-zSiO2
bezeichnet wird, in der x, y und z die prozentualen Stoffmengen-Anteile ("Molprozente") der betreffenden Komponenten sind, x + y + z = 100, 55 x 92, 1 y 15 und 7 z 44, wobei die Zusammensetzung einen Satz Werte für x, y und z umfaßt, die in eine Fläche fallen, die durch ein Polygon ABCD umschlossen ist, das durch die Punkte A, B, C und D in Fig. 1 definiert ist, wobei die Sätze von x, y und z an den Eckpunkten A, B, C und D des Polygons die folgenden Werte haben:
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die dielektrischen Kennwerte, insbesondere der Q-Wert der obigen Zusammensetzung, dadurch noch weiter verbessert werden, daß 0,1 bis 10,0 Gew.-% LiO2 in die durch die vorstehende allgemeine Formel bezeichnete Zusammensetzung eingearbeitet werden.
Die Gründe für die Begrenzung der prozentualen Stoffmengen- Anteile der drei Komponenten, d. h. x, y und z auf die Bereiche innerhalb der oben bezeichneten Grenzen sind folgende: Wenn der MgO-Gehalt kleiner als 55 Mol-% ist, wird der Q-Wert kleiner, und gut gesinterte Körper sind nur schwer erhältlich. Wenn der MgO-Gehalt 92 Mol-% überschreitet, wird die Dielektrizitätskonstante hoch. Infolgedessen ist der MgO-Gehalt auf einen Wert im Bereich von 55 bis 92 Mol-% begrenzt. Wenn der Al2O3- Gehalt kleiner als 1 Mol-% ist, wird der Q-Wert erniedrigt. Wenn der Al2O3-Gehalt 15 Mol-% überschreitet, können gut gesinterte Körper nicht erhalten werden, und der Q-Wert wird erniedrigt. Aus diesen Gründen ist der Al2O3-Gehalt auf einen Wert im Bereich von 1 bis 15 Mol-% begrenzt. Wenn der SiO2-Gehalt kleiner als 7 Mol-% ist, wird die Dielektrizitätskonstante groß. Wenn der Gehalt 44 Mol-% überschreitet, wird der Q-Wert gesenkt. Demgemäß ist der SiO2-Gehalt auf einen Wert im Bereich von 7 bis 44 Mol-% beschränkt.
Der Zusatz von Lithiumoxid trägt zu einer Verbesserung der elektrischen Charakteristika der Zusammensetzungen bei und ermöglicht die Herstellung von Mikrowellen-Einrichtungen mit höheren Q-Werten bei hohen Frequenzen. Die zugesetzte Menge Lithiumoxid wird aus folgenden Gründen auf den Bereich von 0,1 bis 10,0 Gew.-% begrenzt. Wenn die Lithiumoxid-Menge kleiner als 0,1 Gew.-% ist, wird der Q-Wert kaum verbessert. Wenn die Lithiumoxid-Menge 10 Gew.-% übersteigt, besteht die Gefahr, daß die Zusammensetzung während des Sinterns schmilzt.
Die dielektrische keramische Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung hat einen hohen Q-Wert und eine hohe Biegefestigkeit, die den entsprechenden Werten der Aluminiumoxid-Keramiken vergleichbar sind, und sie hat eine niedrige Dielektrizitätskonstante, die denjenigen von Forsterit- und Steatit-Keramiken vergleichbar ist. Dementsprechend macht es die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung möglich, Hochfrequenz-Schaltkreis- Elemente wie, beispielsweise, integrierte Mikrowellen- Schaltkreise, mit hoher Impedanz und hoher Zuverlässigkeit herzustellen.
Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf mehrere erfindungsgemäße Beispiele noch weiter hervor.
Fig. 1 zeigt ein ternäres Phasendiagramm, das die Fläche der Zusammensetzung der dielektrischen keramischen Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Mikrowellen-Oszillators, die durch einen dielektrischen Resonator gesteuert wird.
Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung eines Röntgenbeugungsmusters einer dielektrischen keramischen Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung.
Beispiel 1
Unter Einsatz von MgO, Al2O3 und SiO2 als Rohstoffe wurden Mischungen mit den Verhältnissen der Zusammensetzung hergestellt, die in Tabelle 1 angegeben sind. Die erhaltenen Mischungen wurden 2 h nach dem Naßverfahren vermahlen, entwässert, getrocknet, 2 h bei 1100°C calciniert und dann pulverisiert. Das erhaltene Pulver wurde mit einer geeigneten Menge Bindemittel granuliert und dann unter einem Druck von 1962 bar (2000 kg/cm2) zu Scheiben mit einem Durchmesser von 18 mm und einer Dicke von 7 mm verpreßt. Die Scheiben wurden an der Luft 3 h bei einer Temperatur im Bereich von 1400°C bis 1550°C gebrannt, wodurch dielektrische keramische Probekörper hergestellt wurden.
Für jede Probe wurden dielektrische Kennwerte im Frequenzbereich von 8 bis 10 GHz in Resonanz-Schaltungen gemessen. Die Biegefestigkeit wurde nach der Methode der Dreipunkt-Aufhängung gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.
In Tabelle 1 sind mit einem Sternchen (*) gekennzeichnete Proben solche mit einer Zusammensetzung, die außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegt, während die anderen Proben im Bereich der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
Tabelle 1
Wie aus den in Tabelle 1 aufgeführten Ergebnisse zu entnehmen ist, hat die dielektrische keramische Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung eine niedrige Dielektrizitätskonstante im Bereich von 6,4 bis 8,4 und hat einen hohen Q-Wert im Bereich von 3400 bis 15300 bei 10 GHz und eine hohe Biegefestigkeit im Bereich von 196 bis 265 N/mm2 (2000 bis 2700 kg/cm2), die den Werten der Aluminiumoxid-Keramiken vergleichbar ist.
Für Probe Nr. 6 wurde die Kristallstruktur mittels Röntgenbeugungsuntersuchung bestimmt. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, umfaßt die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung Forsterit, Spinell und Magnesiumoxid. Die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung besitzt selbst dann einen hohen Q-Wert, wenn der größte Teil der Zusammensetzung aus Forsterit besteht. Dies rührt von der Tatsache her, daß die Keramiken im Bereich der vorliegenden Erfindung ohne flüssige Phase gesintert werden, während reiner Forsterit mit einem Q-Wert von 3000 in flüssiger Phase gesintert wird.
Beispiel 2
Unter Einsatz von Mgo, Al2O3, SiO2 und LiCo3 als Rohstoffe wurden Mischungen mit den Verhältnissen der Zusammensetzung hergestellt, die in Tabelle 2 angegeben sind. Die erhaltenen Mischungen wurden 2 h nach dem Naßverfahren vermahlen, entwässert, getrocknet, 2 h bei 1100°C calciniert und dann pulverisiert. Das erhaltene Pulver wurde mit einer geeigneten Menge Bindemittel ganuliert und dann unter einem Druck von 1962 bar (2000 kg/cm2) zu Scheiben mit einem Durchmesser von 18 mm und einer Dicke von 7 mm verpreßt. Die Scheiben wurden an der Luft 3 h bei einer Temperatur im Bereich von 1400°C bis 1550°C gebrannt, wodurch dielektrische keramische Probekörper hergestellt wurden.
Für jede Probe wurden dielektrische Kennwerte und die Biegefestigkeit in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt.
In Tabelle 2 sind mit einem Sternchen (*) gekennzeichnete Proben solche mit einer Zusammensetzung, die außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegt, während die anderen Proben die im Bereich der vorliegenden Erfindung enthaltenen sind.
Tabelle 2
Wie aus den in Tabelle 2 aufgeführten Ergebnissen zu entnehmen ist, hat die Lithiumoxid enthaltende dielektrische keramische Zusammensetzung eine niedrige Dielektrizitätskonstante im Bereich von 6,3 bis 8,4 und eine hohe Biegefestigkeit im Bereich von 196 bis 245 N/mm2 (2000 bis 2700 kg/cm2). Außerdem besitzt die Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung einen hohen Q-Wert im Bereich von 4800 bis 21300 bei 10 GHz. Aus dem Vergleich der Proben Nr. 16 bis 18 wird deutlich, daß durch den Zusatz von LiO2 der Q-Wert beträchtlich verbessert werden kann.

Claims (2)

1. Dielektrische keramische Zusammensetzung für hohe Frequenzen der allgemeinen Formel xMgO-yAl2O3-zSiO2,in der x, y und z die prozentualen Stoffmengen-Anteile ("Molprozente") der betreffenden Komponenten sind, x + y + z = 100, 55 x 92, 1 y 15 und 7 z 44, wobei die Zusammensetzung einen Satz Werte für x, y und z umfaßt, die in eine Fläche fallen, die durch ein Polygon ABCD umschlossen ist, das durch die Punkte A, B, C und D in Fig. 1 definiert ist, wobei die Sätze von x, y und z an den Eckpunkten A, B, C und D des Polygons die folgenden Werte haben:
2. Dielektrische keramische Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Zusatzstoff 0,1 bis 10,0 Gew.-% LiO2 enthält.
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