DE3915169A1

DE3915169A1 - Dielektrische keramische zusammensetzung fuer hochfrequenz

Info

Publication number: DE3915169A1
Application number: DE19893915169
Authority: DE
Inventors: Mitsuhiro Saitoh; Hiroshi Tamura
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1988-05-11
Filing date: 1989-05-09
Publication date: 1989-12-07
Also published as: FR2631332B1; JPH01286949A; JPH068209B2; FR2631332A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine dielektrische keramische Zusammensetzung für hohe Frequenzen und insbesondere eine dielektrische keramische Zusammen setzung, die einen Q-Wert bei hohen Frequenzen im Bereich von Mikrowellen-Frequenzen bis zu Millimeter wellen-Frequenzen hat.

Bisher finden dielektrische keramische Materialien weit verbreitete Anwendung für dielektrische Resonatoren, dielektrische Substrate für integrierte Mikrowellen- Schaltungen und dergleichen. Es ist erforderlich, daß die dielektrischen keramischen Materialien für solche Elemente einen hohen Q-Wert und einen kleinen Tempera turkoeffizienten der Resonanz-Frequenz haben. Zu diesem Zweck wurden verschiedenartige dielektrische keramische Zusammensetzungen als Materialien vorgeschlagen, die für Hochfrequenz-Schaltungselemente zu verwenden sind.

Beispielsweise offenbart die US-PS 44 85 180 eine dielektrische keramische Zusammensetzung, die durch die allgemeine Formel

Ba(Zr_xZn_yTa_z)O_7/2-x/2-3y/2

dargestellt wird, in der 0,02 x 0,13, 0,28 y 0,33, 0,59 z 0,65 und x+y+z=1. Die JP-Patentanmel dung Nr. 60-225627 offenbart eine dielektrische keramische Masse, deren Zusammensetzung durch die allgemeine Formel

Ba(Zr_xZn_yNi_zTa_uNb_v)O_{7/2-x/2-3y/2-3z/2}

dargestellt wird, in der 0,01 x 0,06, 0,28 y 0,33, 0,01 z 0,05 0,52 u 0,65, 0 < v 0,13 und x+y+z+u+v=1,00.

Diese dielektrischen keramischen Zusammensetzungen haben einen hohen Q-Wert und können für Schaltungselemente verwendet werden, die für einen Betrieb bei hohen Frequenzen von nicht mehr als 10 HGz gedacht sind. Diese Zusammensetzungen des Standes der Technik haben jedoch den Nachteil, daß ihre Q-Werte nicht für einen Einsatz bei elektronischen Vorrichtungen ausreichen, die bei höheren Frequenzen als 10 GHz betrieben werden sollen, da der Q-Wert mit steigender Betriebsfrequenz abnimmt.

Demgemäß ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine dielektrische keramische Zusammensetzung für hohe Frequenzen verfügbar zu machen, die einen hohen Q-Wert im Bereich hoher Frequenzen besitzt.

Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine dielektrische keramische Zusammensetzung für hohe Frequenzen verfügbar zu machen, die bei Schaltungs elementen eingesetzt werden kann, die für einen Betrieb in einem Frequenzbereich, der 10 GHz überschreitet, be stimmt sind.

Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden dadurch gelöst, daß eine dielektrische keramische Zusammensetzung für hohe Frequenzen verfügbar gemacht wird, die durch die allgemeine Formel

Ba[Zr_x(Zn_1-uNi_u)_y(Ta_1-vNb_v)_z]αOβ

dargestellt wird, in der 0,01 x 0,06, 0,29 y 0,34, 0,60 z 0,70, 0 u 0,30, 0 v 0,30, x+y+z=1,00, 1,00<α<1,03 und β irgendeinen Wert annimmt. Im all gemeinen wird β so bestimmt, daß es theoretisch den Wert [1+α(4x+2y+5z)/2] hat.

Vorzugsweise fallen die Zusammensetzungs-Anteile der durch die vorstehende allgemeine Formel dargestellten Masse in eine durch die Punkte A, B, C und D in der Fig. 1 definierte polygonale Fläche, wobei die Sätze der Stoffmengenanteile ("Molenbrüche") der drei Komponenten an den betreffenden Punkten die folgenden sind:

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine dielektrische keramische Zusammensetzung für hohe Frequenzen verfügbar gemacht, die durch die allgemeine Formel

Ba(Zr_xZn_yTa_z)_αO_β (I)

dargestellt wird, in der 0,01 x 0,06, 0,29 y 0,34, 0,60 z 0,70, x+y+z=1,00, 1,00<α<1,03 und in der β theoretisch den Wert [1+α(4x+2y+5z)/2] annimmt.

Die dielektrische keramische Zusammenfassung der allge meinen Formel kann dadurch modifiziert werden, daß ein Teil des Zn durch 30 Mol-% oder weniger Ni und/oder ein Teil des Ta durch 30 Mol-% oder weniger Nb ersetzt wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch eine dielek trische keramische Zusammensetzung für hohe Frequenzen verfügbar gemacht, die durch die allgemeine Formel

Ba[Zr_x(Zn_1-uNi_u)_y(Ta_1-vNb_v)_z]αOb (II)

dargestellt wird, in der 0,01 x 0,06, 0,29 y 0,34, 0,60 z 0,70, 0 u 0,30, 0 v 0,30, x+y+z=1,00, 1,00<α<1,03 und β theoretisch den Wert [1+α(4x+2y+5z)/2] annimmt.

Bevorzugte Ergebnisse werden erhalten, wenn in der durch die allgemeinen Formeln (I) oder (II) dargestellten Zu sammensetzung die Zusammensetzungs-Anteile in eine durch die Punkte A, B, C und D in der Fig. 1 definierte poly gone Fläche fallen, wobei die Sätze der Stoffmengen anteile ("Molenbrüche") der drei Komponenten an den betreffenden Punkten die folgenden sind:

Ganz besonders bevorzugte Ergebnisse werden erhalten, wenn die Stoffmengenanteile der jeweiligen Elemente in den obigen allgemeinen Formeln (I) und (II), d. h. x, y und z, Werte annehmen, die in die nachstehenden Bereiche fallen:

0,02 x 0,05, 0,31 y 0,33, 0,64 z 0,66.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Tatsache, daß ein Q-Wert einer dielektrischen keramischen Zusammen setzung eines Ba(Zr_xZn_yTa_z)O-Systems dadurch erhöht werden kann, daß man das Stoffmengen-Verhältnis ("Mol verhältnis") (Zr_xZn_yTa_z) zu Ba auf einen Wert erhöht, der größer ist als das stöchiometrische Stoffmengen- Verhältnis, d. h. 1,00.

Die dielektrische keramische Zusammensetzung der vor liegenden Erfindung hat im Vergleich zu denjenigen des Standes der Technik selbst bei einer Mikrowellen- Frequenz einen höheren Q-Wert und besitzt einen kleinen Temperaturkoeffizienten der Resonanz-Frequenz. Somit kann die dielektrische keramische Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung als dielektrisches Material für Teile der Hochfrequenz-Elektronik verwendet werden, die für einen Betrieb bei Frequenzen oberhalb von 10 GHz kozipiert sind.

Die Gründe dafür, daß x, y, z, u und v, d. h. die Stoff mengen-Anteile der betreffenden Elemente, auf die im Vorstehenden genannten Bereiche beschränkt sind, sind folgende: Wenn x kleiner als 0,01 ist, sintert die Zusammensetzung nicht. Wenn x 0,06 übersteigt, erreicht der Temperaturkoeffizient der Resonanz-Frequenz einen Wert von beträchtlicher Größe, die es unmöglich macht, die Zusammensetzung in der Praxis einzusetzen. Dement sprechend ist der Stoffmengen-Anteil des Zr auf einen Wert begrenzt, der in den Bereichen von 0,01 bis 0,06 fällt.

Wenn y kleiner als 0,29 ist oder 0,34 übersteigt, wird die Zusammensetzung nicht gesintert. Demgemäß ist der Stoffmengen-Anteil des Zn auf den Bereich von 0,29 bis 0,34 begrenzt. Wenn z kleiner als 0,60 ist oder 0,70 übersteigt, wird die Zusammensetzung nicht gesintert. Dementsprechend ist der Stoffmengen-Anteil des Ta auf einen Wert begrenzt, der in den Bereich von 0,60 bis 0,70 fällt.

Das Stoffmengen-Verhältnis des Platzhalters B zu dem Platzhalter A in der allgemeinen Formel ABO₃ ist aus den folgenden Gründen auf einen Wert begrenzt, der 1,00 übersteigt, jedoch kleiner als 1,03 ist: wenn α kleiner als 1,00 ist, sintert die Zusammensetzung nicht. Wenn α nicht kleiner als 1,03 ist, nimmt der Q-Wert ab.

Wenn u 0,30 überschreitet, nimmt der Q-Wert ab. Wenn v 0,30 überschreitet, wird der Q-Wert erniedrigt. Demgemäß ist der Stoffmengen-Anteil von Ni oder Nb auf einen Wert von nicht mehr als 0,30 begrenzt.

Die Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfin dung werden an Hand der Beispiele und der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Dreiecks-Diagramm, das den bevorzugten Zusammensetzungs-Bereich der dielektrischen keramischen Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung wieder gibt.

Beispiel

Als Rohstoffe wurden hochgereinigte Pulver von BaCO₃, ZrO₂, ZnO, NiO, Ta₂O₅ und Nb₂O₅ verwendet. Diese Roh stoffe wurden zur Herstellung einer Mischung so einge wogen, daß das Produkt eine in Tabelle 1 angegebene Zusammensetzung hatte. Die resultierende Mischung wurde mit einer Kugelmühle nach dem Naßverfahren 2 h vermischt, entwässert, getrocknet, 2 h bei 1200°C kalziniert und dann pulverisiert. Das resultierende Pulver wurde mit einer geeigneten Menge Bindemittel 2 h granuliert, dann unter einem Druck von 1961 bar (2000 kg/cm²) zu Scheiben mit einem Durchmesser von 12 mm und einer Dicke von 6 mm verdichtet und danach 4 h bei 1400°C gebrannt, wodurch Keramik-Proben hergestellt wurden.

Jede Probe wurde Messungen der elektrischen Kennwerte, der relativen Dielektrizitätskonstante (ε r), des Q-Wertes und des Temperaturkoeffizienten der Resonanz- Frequenz (τ f) unterworfen. Diese Messungen wurden nach der Methode des dielektrischen Resonators von Hakki und Coleman durchgeführt. Die Resonanz-Frequenzen lagen um 7 GHz. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 aufgeführt.

In den Tabellen sind die mit einem Sternchen bezeichneten Proben solche, die eine Zusammensetzung außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung haben, während die anderen Proben in dem Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten sind. Jede Zahl in Fig. 1 bezeichnet eine Zusammensetzung, die derjenigen der betreffenden Probe entspricht.

Tabelle 1

Tabelle2

Aus den in Tabelle 2 aufgeführten Ergebnissen ist er sichtlich, daß die dielektrische keramische Zusammen setzung der vorliegenden Erfindung eine hohe Dielektri zitätskonstante, einen hohen Q-Wert und einen zu bevor zugenden Temperaturkoeffizienten der Resonanz-Frequenz auch bei hohen Frequenzen besitzt. Zusätzlich ermöglicht die vorliegende Erfindung, eine dielektrische keramische Zusammensetzung mit einem hohen Q-Wert von etwa 20 000 bei 7 GHz zu erhalten, der etwa das Zweifache desjenigen einer herkömmlichen Zusammensetzung beträgt. Demgemäß kann die dielektrische keramische Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung als dielektrisches Material für elektronische Teile verwendet werden, die dafür ent worfen sind, bei Frequenzen oberhalb von 10 GHz be trieben zu werden.

Claims

1. Dielektrische keramische Zusammensetzung für hohe Frequenzen, dargestellt durch die allgemeine Formel Ba(Zr_xZn_yTa_z)_αO_β,in der 0,01 x 0,06, 0,29 y 0,34, 0,60 z 0,70, x+y+z=1,00, 1,00<α<1,03 und in der β theoretisch den Wert [1+α(4x+2y+5z)/2] annimmt.

2. Dielektrische keramische Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß x, y und z Werte an nehmen, die jeweils in die folgenden Bereiche fallen: 0,02 x 0,05, 0,31 y 0,33, 0,64 z 0,66.

3. Dielektrische keramische Zusammensetzung für hohe Frequenzen, dargestellt durch die allgemeine Formel Ba[Zr_x(Zn_1-uNi_u)_y(Ta_1-vNb_v)_z]αOβin der 0,01 x 0,06, 0,29 y 0,34, 0,60 z 0,70, x+y+z=1,00, 1,00<α<1,03, 0 u 0,30, 0 v 0,30 und β den Wert [1+α(4x+2y+5z)/2] annimmt.

4. Dielektrische keramische Zusammensetzung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß x, y und z Werte an nehmen, die jeweils in die folgenden Bereiche fallen: 0,02 x 0,05, 0,31 y 0,33, 0,64 z 0,66.

5. Dielektrische keramische Zusammensetzung für hohe Frequenzen, dargestellt durch die allgemeine Formel Ba[Zr_x(Zn_1-uNi_u)_y(Ta_1-vNb_v)_z]αOβin der 0,01 x 0,06, 0,29 y 0,34, 0,60 z 0,70, x+y+z=1,00, 1,00<α<1,03, 0 u 0,30, 0 v 0,30 und β den Wert [1+α(4x+2y+5z)/2] annimmt, wobei die Zusammen setzung in eine durch die Punkte A, B, C und D in der Fig. 1 definierte polygonale Fläche fällt, wobei die Sätze der Stoffmengenanteile ("Molenbrüche") der drei Komponenten an den betreffenden Punkten die folgenden sind: