DE4213003C2

DE4213003C2 - Dielektrische Keramiken und elektronische Teile, die diese verwenden

Info

Publication number: DE4213003C2
Application number: DE4213003A
Authority: DE
Inventors: Seiji Kanba; Kazuyo Kawabata; Hiroshi Takagi
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1991-04-19
Filing date: 1992-04-21
Publication date: 1993-09-30
Anticipated expiration: 2012-04-22
Also published as: US5631624A; JPH05298923A; US5948718A; DE4213003A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf dielektrische Keramiken nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf di elektrische Keramiken und elektronische Teile, die diese verwenden. In einem besonderen Anwendungsfall bezieht sich die Erfindung auf dielektrische Keramiken, die beispiels weise auf eine Mikrostreifenleitungsvorrichtung, ein mono lithisches IC, einen Polarisator oder ähnliche elektronische Geräte angewendet werden, sowie auf elektronische Teile unter Verwendung derartiger dielektrischer Keramiken.

Im Stand der Technik werden als dielektrische Keramiken für elektronische Teile solche mit einer gleichmäßigen Zusammen setzung und einer gleichmäßigen Verteilung der dielektri schen Konstante verwendet.

Beispielsweise wird als dielektrisches Substrat für eine bekannte Mikrostreifenleitungsvorrichtung ein solches mit einer gleichmäßigen Zusammensetzungsstruktur verwendet, in der Materialien, wie beispielsweise Aluminiumoxid und Fluor harz mit einer Dielektrizitätskonstanten von 10 oder der gleichen verwendet werden.

Bei einem derartigen dielektrischen Substrat kann durch Erhöhung der Dielektrizitätskonstante die Mikrostreifenlei tungsvorrichtung bzw. das Substrat minimiert werden. Wenn jedoch die Dielektrizitätskonstante ansteigt, muß die Breite der Streifenleitung entsprechend verringert werden, damit die Größe der charakteristischen Impedanz unverändert bleibt.

Wenn man die Miniaturisierung einer Streifenleitungsvorrich tung mit einem bekannten dielektrischen Substrat unter der Bedingung einer Substratdicke von 1 mm und einer charakteri stischen Impedanz von 50 Ω betrachtet, ergibt sich eine nötige Leitungsbreite von ungefähr 1,0 mm bei einem Substrat mit einer Dielektrizitätskonstante von 10. Andererseits liegt die nötige Leitungsbreite bei einem Substrat mit einer Dielektrizitätskonstante von 30 bei ungefähr 0,2 mm. Wenn daher eine Miniaturisierung durch Erhöhung der Dielektrizi tätskonstanten des Substrates herbeigeführt werden soll, wird die Leitungsbreite derart gering, daß es schwierig ist, äußere Schaltungen an Eingangs-/Ausgangs-Anschlüssen zu kontaktieren.

Wenn daher das Substrat mit der gleichmäßigen Zusammen setzung für ein Substrat eines monolithischen IC′s verwendet wird, wird die Leitungsbreite, die auf dem Substrat ausge bildet ist, durch die charakteristische Impedanz festgelegt. Wenn daher die Dielektrizitätskonstante des Substrates erhöht wird, um die Leitungsbreite zu vermindern, ist es schwierig, einen Kontakt für äußere Schaltungen zu erzeugen.

In einem Satelliten-Rundfunksystem, wie dies in den Fig. 25 (A) und (B) dargestellt ist, umfaßt ein Polarisator einen Wellenleiter 1, in den eine dielektrische Platte 2 mit einer Dielektrizitätskonstanten von ungefähr 10 eingesetzt ist. Diese dielektrische Platte 2 ist dergestalt, daß deren Dielektrizitätskonstante sich in einer axialen Richtung des Wellenleiters kontinuierlich ändert, indem V-förmig angewin kelte Abschnitte 3 an deren entgegengesetzten Enden ausge bildet sind. Mit einer derartigen Struktur werden Reflextio nen der elektrischen Welle an dem Grenzbereich der dielek trischen Platte und der Luft verhindert, wenn eine elektri sche Welle in den Polarisator einfällt oder von diesem abgestrahlt wird, indem sich die Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Platte ändert.

Ebenfalls kann dieser Polarisator miniaturisiert werden, indem Keramiken mit hohen Dielektrizitätskonstanten als dielektrische Platte eingesetzt werden. Wenn jedoch Kera miken mit hohen Dielektrizitätskonstanten verwendet werden, steigt die Differenz zwischen der Dielektrizitätskonstanten von Luft und derjenigen der dielektrischen Platte an, so daß eine Ausbreitungswelle, wie beispielsweise eine Übergangs welle oder Schnittstellenwelle an der Grenze zwischen Luft und der dielektrischen Platte erzeugt wird, was zu einer Erhöhung des Übertragungsverlustes führt.

Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, dielektrische Keramiken zu schaffen, die sich für eine Miniaturisierung und für eine Kontaktierung äußerer Schal tungen bei Verwendung in einer Streifenleitungsvorrichtung, in einem monolithischen IC oder in einem ähnlichen elektri schen Gerät eignen.

Diese Aufgabe wird durch dielektrische Keramiken gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Vorzugsweise sollen die erfindungsgemäßen Keramiken eine Miniaturisierung der Geräte und eine Reduktion der Über tragungsverluste bei Verwendung in einem Polarisator oder einem ähnlichen elektronischen Gerät ermöglichen. Weiterhin ist es wünschenswert, elektronische Geräte und Teile unter Verwendung dieser dielektrischen Keramiken zu schaffen.

Die Erfindung liefert dielektrische Keramiken, die zumindest zwei Sorten von Metallionen umfassen und in denen sich die Dielektrizitätskonstante kontinuierlich oder schrittweise als Funktion des Ortes ändert.

In der dielektrischen Keramik umfassen die Metallionen wenigstens zwei aus der folgenden Gruppe ausgewählte Ionen: Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Pb, Bi, Y, La, Ce, Nd, Sm, Gd, Er, Ti, Zr, Sn, Si und Mn, wobei sich die Dielektrizitätskonstante ε in dem Bereich von 7ε90 ändert.

Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Keramik ist die Dielektrizitätskonstante in einem dielektrischen Substrat in einer Richtung oder in allen Richtungen, die parallel zu einer Oberfläche sind, gleichmäßig nahe an einem Mittenab schnitt und wird schrittweise oder kontinuierlich geringer in Richtung auf deren Enden.

Auf dem dielektrischen Substrat kann eine Leitung, die pa rallel zur Hauptfläche ist, auf dessen Oberfläche oder in nerhalb des Substrates ausgebildet sein. An einem Abschnitt, an dem die Dielektrizitätskonstante vermindert ist, wird ein leitfähiger Abschnitt, dessen Breite zu den Enden hin zu nimmt, ausgebildet.

Ein Polarisator kann gleichfalls unter Verwendung der Kera miken nach der Erfindung hergestellt werden. In diesem Fall werden die dielektrischen Keramiken in einer Form gebildet, wobei konische Abschnitte an entgegengesetzten Enden einer kreisförmigen Säule oder pyramidenförmige Abschnitte an entgegengesetzten Enden einer quadratischen Säule ausgebil det sind. In einer Richtung, die parallel zu einer Ober fläche senkrecht zu der Axialrichtung der zirkularen oder quadratischen Säule liegt, ändert sich die Dielektrizitäts konstante kontinuierlich oder schrittweise.

Da ein Abschnitt auf der dielektrischen Keramik vorliegt, bei dem sich die Dielektrizitätskonstante kontinuierlich oder schrittweise ändert, ändert sich eine Leitungsbreite entsprechend der Änderung der Dielektrizitätskonstante im Falle der Ausbildung einer Streifenleitung mit einer konstanten charakteristischen Impedanz auf dem dielektri schen Substrat unter Verwendung der dielektrischen Keramik.

Bei dem Polarisator unter Verwendung der dielektrischen Keramik wird kaum eine Ausbreitungswelle an einem Übergang oder einer Schnittstelle erzeugt, da keine Übergangsstelle vorliegt, bei der die Differenz der Dielektrizitätskonstan ten zwischen Luft und der dielektrischen Platte auftritt, wie dies in der Vergangenheit der Fall ist.

Selbst im Falle der Erzeugung der Streifenleitung mit konstanter charakteristischer Impedanz gemäß der Erfindung ändert sich die Leitungsbreite in Abhängigkeit von dem Ort. Da demgemäß die Streifenleitungsbreite an dem Ende des dielektrischen Substrates aufgeweitet sein kann, ist es möglich, eine Kontaktierung äußerer Schaltungen vorzunehmen.

Im Falle der Herstellung eines Polarisators unter Verwendung der dielektrischen Keramik kann dieser miniaturisiert wer den, da ein Bereich existiert, an dem die Dielektrizitäts konstante hoch ist. Da sich die Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Keramik ständig oder schrittweise ändert, gibt es keinen Bereich, an dem eine große Differenz der Di elektrizitätskonstante vorliegt, was zu einem verminderten Übertragungsverlust führt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine zur Erläuterung dienende Darstellung eines Ausführungsbeispieles eines dielektrischen Sub strates unter Verwendung einer dielektrischen Keramik nach der Erfindung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung eines Verteilungs zustandes der Dielektrizitätskonstanten des dielektrischen Substrates gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Zustand, bei dem eine Streifenleitungselektrode auf dem dielektrischen Substrat gem. Fig. 1 ausgebildet ist;

Fig. 4(A) eine zur Erläuterung dienende Darstellung eines Blockes, der durch Laminieren von sog. grünen Schichten zum Erzeugen des erfindungsgemäßen dielektrischen Substrates gebildet ist;

Fig. 4(B) eine erläuternde Darstellung eines Endabschnittes des Blockes;

Fig. 5 eine zur Erläuterung dienende Darstellung eines geformten Körpers, der durch Schneiden des in Fig. 4 gezeigten Blockes erzeugt ist;

Fig. 6(A) eine zur Erläuterung dienende Darstellung eines Sinterteiles, welches durch Brennen des in Fig. 5 gezeigten, geformten Körpers hergestellt ist;

Fig. 6(B) eine graphische Darstellung der Zusammensetzungs verteilung;

Fig. 7 eine graphische Darstellung eines Verteilungszu standes einer Dielektrizitätskonstanten des Sinterkörpers gem. Fig. 6;

Fig. 8 eine Draufsicht eines Zustandes, bei dem eine Streifenleitungselektrode auf dem in Fig. 1 ge zeigten dielektrischen Substrat ausgebildet ist;

Fig. 9 eine Draufsicht einer Streifenleitungsvorrichtung, die zum Vergleich mit einem dielektrischen Sub strat der Erfindung hergestellt ist;

Fig. 10 eine Draufsicht und eine Frontansicht eines verän derten Ausführungsbeispieles des in Fig. 3 gezeig ten Streifenleitungsgerätes;

Fig. 11(A) eine zur Erläuterung dienende Darstellung eines Ausführungsbeispieles des dielektrischen Substra tes zur Verwendung in einem monolithischen IC un ter Verwendung einer erfindungsgemäßen dielektri schen Keramik;

Fig. 11(B) eine graphische Darstellung eines Verteilungs zustandes ihrer Dielektrizitätskonstanten;

Fig. 12(A) eine perspektivische Darstellung eines Blockes, der aus einer Art des Rohmaterials gebildet ist;

Fig. 12(B) eine zur Erläuterung dienende Darstellung eines Strukturkörpers, der durch Tauchen des Blockes in eine Schlämmung mit einer Vielzahl von Rohmate rialen erhalten wird;

Fig. 13 eine graphische Darstellung eines Verteilungs zustandes der Dielektrizitätskonstanten des in Fig. 11 gezeigten dielektrischen Substrates;

Fig. 14 eine Draufsicht auf einen Zustand, bei dem eine Streifenleitung auf dem dielektrischen Substrat, das in Fig. 11 gezeigt ist, ausgebildet ist;

Fig. 15 eine Draufsicht eines Zustandes, bei dem eine Streifenleitung auf einem dielektrischen Substrat ausgebildet ist, welches durch eine Art des Roh materials gebildet ist;

Fig. 16(A) und Fig. 16(B) zur Erläuterung dienende Darstel lungen von abgeänderten Ausführungsbeispielen des in Fig. 11 gezeigten dielektrischen Substrates;

Fig. 17 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines dielektrischen Blockes eines Polarisators unter Verwendung der erfindungsgemäßen dielektrischen Keramik;

Fig. 18(A) eine zur Erläuterung dienende Darstellung eines Schnittes des in Fig. 17 gezeigten dielektrischen Blocks;

Fig. 18(B) eine graphische Darstellung eines Verteilungs zustandes seiner Dielektrizitätskonstanten;

Fig. 19 eine zur Erläuterung dienende Darstellung eines Laminates, in das eine Grünschicht mit einer Mehrzahl von Rohmaterialien einlaminiert ist, um den in Fig. 17 gezeigten dielektrischen Block zu erzeugen;

Fig. 20(A) eine zur Erläuterung dienende Darstellung eines Ausführungsbeispiels, welches durch Brennen und Schneiden des in Fig. 19 gezeigten Laminates er halten wird;

Fig. 20(B) eine graphische Darstellung der Zusammensetzungs verteilung der Dielektrizitätskonstante eines Sinterkörpers, der durch Brennen des in Fig. 19 gezeigten Laminates erhalten wird;

Fig. 22(A) eine fragmentarische, zur Erläuterung dienende Darstellung eines Sinterkörpers, der durch Brennen des in Fig. 19 gezeigten Laminates er halten wird;

Fig. 22(B) eine fragmentarische, zur Erläuterung dienende Darstellung einer säulenförmigen Stange, die durch Schleifen des Sinterkörpers erhalten wird;

Fig. 23 eine Draufsicht auf eine dielektrische Platte, die als Vergleichsbeispiel gebildet wird;

Fig. 24(A), Fig. 24(B) und Fig. 24(C) zur Erläuterung dienende Schnittdarstellungen abweichender Aus führungsbeispiele des in Fig. 17 gezeigten di elektrischen Blocks;

Fig. 25(A) eine zur Erläuterung dienende Draufsichtdarstel lung eines Ausführungsbeispieles eines bekannten Polarisationsübertragers; und

Fig. 25(B) dessen zur Erläuterung dienende Querschnitts darstellung.

Fig. 1 ist eine zur Erläuterung dienende Darstellung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung. Ein dielektrisches Substrat 10 wird durch Zusammensetzungen gebildet, die wenigstens zwei oder mehr Arten von Metallionen enthalten, die aus folgender Gruppe ausgewählt sind: Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Pb, Bi, Y, La, Ce, Nd, Sm, Gd, Er, Ti, Zr, Sn, Si und Mn. Das dielektrische Substrat 10 besteht aus einem Mitten abschnitt 12, der innerhalb der Abschnitte liegt, die durch die gestrichelten Linien in Fig. 1 bezeichnet sind, und aus äußeren Abschnitten 14, die außerhalb des durch die ge strichelten Linien bezeichneten Abschnittes liegen. Der mittlere Abschnitt 12 und die äußeren Abschnitte 14 sind einstückig ausgebildet.

Der mittige Abschnitt 12 ist derart ausgebildet, daß dessen Zusammensetzung gleichförmig ist. Die äußeren Abschnitte 14 sind derart ausgebildet, daß deren Zusammensetzung in Ab hängigkeit vom Ort abweicht. Die äußeren Abschnitte 14 sind derartig, daß sich deren Zusammensetzungsverteilung in einer solchen Weise ändert, daß eine Dielektrizitätskonstante ε innerhalb des Bereiches 7ε90 in Richtung auf die Enden des Mittenabschnittes 12 kleiner wird. Diese Zusammen setzungsverteilung kann schrittweise oder kontinuierlich geändert werden. Demgemäß ist in der durch den Pfeil X ge zeigten Richtung der Verteilungszustand der Dielektrizitäts konstante von einem Ende zu dem anderen Ende des dielektri schen Substrates 10, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, in dem mittleren Abschnitt 12 konstant und in den äußeren Abschnit ten 14 geneigt.

Wenn üblicherweise eine Streifenleitung auf einem dielektri schen Substrat erzeugt wird, bei der die dielektrische Konstante ε ist und die Streifenleitungsbreite W ist, ergibt sich folgende charakteristische Impedanz Z in Abhängigkeit von der Dicke t:

Z = 60A^-0.5ln (8t(W + 0.25 W/t)) (für den Fall, daß W/t 1)

Z = 120π6^-0.5 (W/T + 1.393 + 0.667 ln (W/t + 1.444))^-1 (für den Fall, daß W/t 1).

In diesen Gleichungen gilt folgender Zusammenhang für den Wert A:

A = 0.5 (ε + 1) + 0.5 (ε - 1) F (W/t).

In dieser Gleichung bezeichnet F (W/t) folgendes:

F (W/t) = (1 + 12t/W)^-0.5 + 0.04 (1 - W/T)² (für den Fall, daß W/t 1)

F (W/t) = (1 + 12t/W)^-0.5 (für den Fall, daß W/t 1).

Für den Fall, daß die charakteristische Impedanz Z 50 Ω ist und die Substratdicke 1 mm beträgt, ist die Beziehung zwi schen der dielektrischen Konstante ε und der Streifenlei tungsbreite W in Tabelle 1 dargestellt. Man erkennt aus der Tabelle 1, daß durch Erhöhung der Dielektrizitätskonstante ε des dielektrischen Substrates 10 die Streifenleitungsbreite W, die für eine bestimmte charakteristische Impedanz benö tigt wird, verschmälert werden kann.

Aus dieser Beziehung zwischen Dielektrizitätskonstante und der Streifenleitungsbreite ergibt sich für den Fall, daß die charakteristische Impedanz auf jedem Punkt der Streifen leitung gleich ist, bei Erzeugung einer Elektrode auf dem dielektrischen Substrat 10 eine Elektrodengröße 16, die an dessen Enden gemäß Fig. 3 zunehmend ist. Demzufolge kann ein koaxiales Kabel oder ein ähnliches elektrisches Gerät an den vergrößerten leitfähigen Abschnitt der Elektrode 16 ange bondet werden. Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann eine Masse-Elektrode auf der gesamten Rückseite des dielektri schen Substrates 10 ausgebildet sein.

Als Ausführungsbeispiele wurden dielektrische Keramikzusam mensetzungen, deren Dielektrizitätskonstante sich wunschge mäß ändert, auf der Grundlage der folgenden gemischten Kri stallmaterialgruppen hergestellt oder durch Kombination derselben oder durch Herstellung von Ersatzstoffen für diese erzeugt.

BaO-Pb₃O₄-Nd₂O₃-TiO₂-Gruppe ε = 37-90
CaO-MgO-TiO₂-Gruppe ε = 17-170
SnO₂-TiO₂-Gruppe ε = 9-104
MgO-TiO₂-SiO₂-Gruppe ε = 6-17

Insbesondere wurden MgCO₃, CaCO₃, BaCO₃, Nd₂O₃, TiO₂, SiO₂ und Pb₃O₄ als sog. "grüne", d. h. ungebrannte Rohmaterialien vorbereitet, deren Gewichtsverhältnisse wie in Fig. 2 ge zeigt ausgewählt wurden, gemischt und in einer Naßkugelmühle pulverisiert, um neun verschiedene Arten von pulverartig gemischten Rohmaterialien zu erhalten.

Die gemischten Rohmaterialien wurden in Luft bei 1150°C wäh rend einer Zeitdauer von zwei Stunden kalziniert, daraufhin mit einem Trockenschleifgerät pulverisiert, um ein kalzi niertes Pulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 1,5 µm zu erhalten. Ein organisches Lösungsmittel, welches Äthanol und Toluen in einem Verhältnis von 8 : 2 bezogen auf das Volumen enthält, ein Binder der Polyvinylbutyral-Gruppe, ein Weichmacher der Dioktyl-Phthalat-Gruppe und ein Disper sionsmittel einer Lösungsmittel-Fett-Säureester-Gruppe wurden gemischt, um eine Schlämmung des kalzinierten Pulvers zu erhalten. Unter Verwendung dieser drei Schlämmungen wur den neun Arten von Grünschichten mittels eines sogenannten "Doktor-Klingen"-Verfahrens hergestellt.

Für die Messung einfacher Substanzcharakteristika wurde eine jede der neuen Arten von Grünschichten laminiert und nach Durchführung eines Wärmepreßverfahrens in geformte Körper von 10×10×0,5 mm geschnitten. Nachdem die organischen Komponenten der neun Arten von geformten Körpern in der Luft bei 500°C verbrannt worden sind, wurde während einer Zeit dauer von zwei Stunden ein Brennen in einer Sauerstoffatmos phäre durchgeführt, um gesinterte Körper zu erhalten. In-Ga-Elektroden wurden auf diese neun Arten von gesinterten Körpern aufgebracht, wobei die jeweiligen Dielektrizitäts konstanten gemessen worden sind. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 dargestellt.

Als nächstes wurden zum Erzielen von erfindungsgemäßen di elektrischen Substraten die durch die Rohmaterialien gemäß den Nummern 1 bis 9 gebildeten Grünschichten laminiert und einem Wärmepressen ausgesetzt, um einen Block 20 zu erzeu gen, wie er in Fig. 4(A) dargestellt ist. Zu diesem Zeit punkt wird ein Mittenabschnitt 22 des Blockes 20 durch die Grünschicht hergestellt, die aus dem Rohmaterial Nr. 9 be steht, wobei Endabschnitte 24 durch Laminieren grüner Schichten gebildet werden, die aus den Rohmaterialien der Nummern 1 bis 8 gemäß Fig. 4 (B) gebildet sind. Diese Blöcke werden geschnitten, um einen geformten Körper 30 mit den Ab messungen von 5,0×13,2×1,5 mm gemäß Fig. 5 zu erhalten. In dem geformten Körper 30 beträgt eine Länge L₁ des Ab schnittes 22, welcher aus dem Rohmaterial Nr. 9 besteht, 10,0 mm, während eine Länge L₂ der Endabschnitte 24, die aus den Rohmaterialien Nr. 1 bis 8 gebildet sind, jeweils 1,6 mm beträgt.

Nach dem Verbrennen der organischen Komponenten des geform ten Körpers 30, das in Luft bei 500°C erfolgt, wird ein Brennen in einer Sauerstoffatmosphäre bei 1350°C über eine Zeitdauer von zwei Stunden zum Erhalten eines Sinterkörpers 40 durchgeführt. Für den gesinterten Körper 40 wurde eine Zusammensetzungsanalyse (Linienanalyse) bezüglich der Stoffe Ca und Ba unter Verwendung eines Röntgenstrahl-Mikroanaly sators in der durch den Pfeil X in Fig. 6(A) gezeigten Richtung durchgeführt. Als Ergebnis hat sich herausgestellt, daß der Sinterkörper 40 eine gleichmäßige, uniforme Zusam mensetzungsverteilung in einem Mittenabschnitt 42 und eine geneigte oder ansteigende Zusammensetzungsverteilung in den Endabschnitten 44 hat, wie dies in Fig. 6(B) dargestellt ist. Aufgrund der Daten, die zu dieser Zusammensetzungsver teilung in Bezug stehen, und der Daten, die zu der Dielek trizitätskonstante einer einfachen Substanz in Bezug stehen, wurde herausgefunden, daß eine geneigte dielektrische Konstantenstruktur gemäß Fig. 7 innerhalb des Sinterkörpers erzeugt ist.

Der erhaltene Sinterkörper wurde auf Masse gelegt, um ein dielektrisches Substrat 10 zu erzeugen. Eine Ag-Elektrode wurde über eine gesamte Hauptoberfläche des dielektrischen Substrates 10 ausgebildet. Unter Berücksichtigung der Charakteristik der Dielektrizitätskonstante und der Zusam mensetzungsneigung des dielektrischen Substrates 10 wurde die in Fig. 8 gezeigte Streifenelektrode 16 auf der anderen Hauptfläche des dielektrischen Substrates 10 erzeugt, so daß sich eine charakteristische Impedanz von 50 Ω ergibt. Eine Breite W₁ der Streifenleitungselektrode 16, die an dem Mit tenabschnitt 12 des dielektrischen Substrates ausgebildet ist, beträgt 0,08 mm. Die Breite W₂ der obersten Streifen leitungselektrode 16, die an den Außenabschnitten ausgebil det ist, beträgt 0,60 mm.

Zum Vergleich wurde ein dielektrisches Substrat 5 mit einer Dielektrizitätskonstante 65 des Substrates unter Verwendung des Rohmaterials Nr. 9 gemäß Tabelle 2 hergestellt, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist. Die Dicke des dielektrischen Substra tes 5 beträgt 1 mm. Eine Streifenelektrode 6 mit einer festen Breite von 0,08 mm wird auf dem dielektrischen Substrat 5 ausgebildet. Die charakteristische Impedanz der Streifenleitungselektrode 6 beträgt gleichfalls 50 Ω und entspricht somit dem oben genannten Ausführungsbeispiel. Das Ergebnis des Anlötens von Kupferdrähten mit 0,1 mm, 0,3 mm, 0,5 mm und 1,0 mm Durchmesser an die Enden der Streifen leitungselektroden dieser beiden Vorrichtungen bzw. Geräte sind in der Tabelle 3 verdeutlicht. In der Tabelle 3 be zeichnet das Symbol O, daß das Anlöten möglich ist, während das Symbol X zeigt, daß das Löten nicht möglich ist.

Unter Verwendung des erfindungsgemäßen dielektrischen Sub strates können die Enden der Mikrostreifenelektrode verbrei tert werden, so daß es möglich ist, diese Abschnitte als leitfähige Abschnitte zum Anbonden eines koaxialen Kabels oder dergleichen zu verwenden.

Obwohl bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die Strei fenleitung auf der Oberfläche des dielektrischen Substrates 10 ausgebildet wurde, kann mit einer ähnlichen Bauweise eine Leitung 16 innerhalb des dielektrischen Substrates 10 ausge bildet sein, wie dies in Fig. 10 gezeigt ist. Obwohl dies in Fig. 10 nicht im einzelnen dargestellt ist, kann eine Masse-Elektrode über eine Hauptoberfläche oder die andere Hauptoberfläche des dielektrischen Substrates 10 ausgebildet sein.

Das erfindungsgemäße dielektrische Substrat ist gleichfalls als dielektrisches Substrat für eine gestützte Streifenlei tung, für eine konisch-planare Streifenleitung und für einen Schlitzleiter verwendbar, und nicht nur für die oben be schriebenen Ausführungsbeispiele einer Mikrostreifenleitung, und ist wirksam als Mikrostreifenleitungsvorrichtung.

Das erfindungsgemäße dielektrische Substrat kann gleichfalls als Substrat für ein monolithisches IC eingesetzt werden. In diesem Fall, der in den Fig. 11(A) und 11(B) dargestellt ist, wird ein dielektrisches Substrat 50 derart ausgebildet, daß eine Dielektrizitätskonstante in dessen Mittenabschnitt 52 gleichmäßig ist und sich die Dielektrizitätskonstante in einem äußeren Abschnitt 54 in Richtung zur Peripherie hin erniedrigt. Auch bei einem derartigen dielektrischen Substrat 50, welches dem dielektrischen Substrat 10 gemäß Fig. 1 gleicht, ist es möglich, die Leitungsbreite im Mit tenabschnitt 52 zu vermindern und die Breite des leitfähigen Abschnittes an dem äußeren Bereich 54 aufzuweiten. Wenn daher das dielektrische Substrat 50 verwendet wird, ist es möglich, das monolithische IC zu miniaturisieren und einen Kontakt zu äußeren Schaltungen herzustellen.

Zur Herstellung eines derartigen dielektrischen Substrates 50 wurden die Stoffe CaCO₃, MgCO₃, TiO₂ und ZrO₂ mit einem mittleren Teilchen-Durchmesser von 1 bis 2 µm und einer Reinheit von 99% für die Herstellung der sog. "grünen" Rohmaterialien verwendet. Die grünen Rohmaterialien wurden in den in Tabelle 1 gezeigten Gewichtsverhältnissen abgewo gen, um acht verschiedene Arten von gemischten Rohmateria lien zu erhalten.

Die gemischten Rohmaterialien wurden in Luft bei 1150°C während einer Zeitdauer von zwei Stunden kalziniert, um eine grüne Schicht in der gleichen Art zu erhalten, wie die bei der Herstellung des dielektrischen Substrates 10 gemäß Fig. 1 angewandt wurde. Jede der grünen Schichten wurde laminiert und einem Wärmepressen unterworfen, um acht verschiedene Arten von geformten Körpern zu erzielen. Der auf diese Weise erhaltene geformte Körper wird in Luft bei 1370°C während zwei Stunden zum Herstellen eines gesinterten Körpers ge brannt, nachdem organische Komponenten in Luft bei 400°C verbrannt worden sind. Der erhaltene Sinterkörper wurde in eine Größe von 10×10×0,5 mm geschnitten. Es wurde eine In-Ga-Elektrode erzeugt, woraufhin die Dielektrizitätskon stanten gemessen wurden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt.

Als nächstes wurde zum Erhalten des dielektrischen Substra tes 50, das in Fig. 11(A) gezeigt ist, eine Grünschicht unter Verwendung des Rohmaterials Nr. 8 laminiert, um einen Block 60 von 20×20×50 mm gemäß Fig. 12(A) zu erhalten.

Der auf diese Weise erhaltene Block 60 wurde in einem Heiz gerät auf 160°C erwärmt und in eine Schlämmung unter Verwen dung der Rohmaterialien Nr. 7 für eine Zeitdauer von zwei Sekunden eingetaucht, herausgezogen und mit heißer Luft getrocknet. Dann wurden mittels einer isostatischen Presse der Block 60 und die Schlämmung unter Verwendung des Roh materials Nr. 7 akklimatisiert. Diese Operationen wurden der Reihe nach für die Schlämmung unter Verwendung des Rohmate rials Nr. 7 bis zu der Schlämmung unter Verwendung des Roh materials Nr. 1 durchgeführt. Mittels eines derartigen Prozesses wurde ein strukturierter Körper 64 erzeugt, dessen Zusammensetzung in einem Mittenabschnitt 60 uniform ist und dessen Zusammensetzung sich an seinen äußeren Abschnitten 62 in Richtung zu den Endabschnitten ändert, wie dies in Fig. 12(B) gezeigt ist. Die Dicke des äußeren Abschnittes 62 des strukturierten Körpers 64 beträgt 1 mm.

Der strukturierte Körper 64, der auf diese Weise erhalten worden ist, wird in Luft bei 1370°C für zwei Stunden ge brannt, nachdem organische Komponenten in Luft bei 400°C verbrannt worden sind, um einen blockförmigen Sinterkörper mit 15×15×37 mm Abmessungen zu erhalten. Der Sinter körper wurde mit einem Diamantschneidegerät in Scheiben geschnitten und geschliffen, um ein dielektrisches Substrat 50 des in Fig. 11(A) gezeigten monolithischen integrierten Schaltkreises (IC) zu erhalten. Die Größe des dielektrischen Substrates 50 beträgt 15×15×1 mm.

Für das erhaltene dielektrische Substrat 50 wurde eine Zusammensetzungsanalyse (Linienanalyse) bezüglich des Stoffes Ca in der durch den Pfeil X in Fig. (A) gezeigten Richtung unter Verwendung eines Röntgenstrahl-Mikroanalyse gerätes durchgeführt. Als Ergebnis hat sich herausgestellt, daß die in Fig. 13 gezeigte Zusammensetzungsverteilung vor liegt. Ferner wurde aufgrund der Zusammensetzungsverteilung und der Dielektrizitätskonstantencharakteristika der einfa chen Substanz herausgefunden, daß das dielektrische Substrat 50 eine geneigte Dielektrizitätskonstantenstruktur hat, wie dies in Fig. 11(B) gezeigt ist.

Eine Ag-Elektrode wurde über eine gesamte Hauptoberfläche des dielektrischen Substrates 50 ausgebildet. Unter Berück sichtigung der Dielektrizitätskonstantencharakteristika und der Zusammensetzungsneigung des dielektrischen Substrates 50 wurde eine Streifenelektrode 56 gemäß Fig. 14 auf die andere Hauptoberfläche des dielektrischen Substrates 50 derart aufgebracht, daß sich eine charakteristische Impedanz von 50 Ω ergibt. Eine Breite W₃ der Streifenelektrode 56, die an einem Mittenabschnitt 52 des dielektrischen Substrates 50 ausgebildet worden ist, beträgt 0,11 mm. Die Breite W₄ an den äußeren Enden der Streifenelektrode 56, die an einem äußeren Abschnitt 54 ausgebildet ist, beträgt 1,0 mm.

Zum Vergleich wurde ein dielektrisches Substrat 60, das aus einer einzigen Komponente besteht, unter Verwendung des Roh materials Nr. 8 hergestellt. Die Streifenelektrode 56 mit der gleichen Größe wie diejenige, die auf dem dielektrischen Substrat 50 der vorliegenden Erfindung ausgebildet wurde, wurde gemäß Fig. 15 erzeugt.

Für diese Streifenleitungen wurde ein Reflextionskoeffizient r unter Verwendung eines Meßsystemes der 50-Ω-Ordnung gemes sen. Als Ergebnis wurde ein Reflextionskoeffizient r = 0,34 bei dem Vergleichsausführungsbeispiel bezogen auf den Reflextionskoeffizienten r = 0,00 für das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel des dielektrischen Substrates 50 be stimmt. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen dielektrischen Keramik kann ein monolithisches IC leicht nach außen hin kontaktiert werden, während eine Impedanzanpassung aufrecht erhalten wird. Das bedeutet, daß die Streifenelektrode 56, die an dem äußeren Abschnitt 54 ausgebildet ist, als leitfä higer Abschnitt zum Anschließen der äußeren Schaltungen ver wendet werden kann. Da ferner die Leitungsbreite der Strei fenelektrode 56 in dem Mittenabschnitt 52 des dielektrischen Substrates 50 vermindert werden kann, ist es möglich, ein monolithisches IC von geringer Abmessung zu erhalten.

Ein Abschnitt 58, bei dem die Dielektrizitätskonstante geneigt verläuft, wird an einer Ecke des dielektrischen Substrates 50 oder längs einer Seite desselben ausgebildet, wie dies in den Fig. 16(A) und 16(B) gezeigt ist.

Fig. 17 ist eine perspektivische Darstellung eines Ausfüh rungsbeispiels, bei dem die erfindungsgemäße dielektrische Keramik auf einen Polarisator angewendet wird. Der dielek trische Block 70 umfaßt einen Säulenabschnitt 72, an dessen einander entgegengesetzten Enden konische Abschnitte 74 aus gebildet sind. Innerhalb des dielektrischen Blockes 70 gibt es, wie in Fig. 18(A) dargestellt ist, einen geneigten Ab schnitt 76, an dem die Dielektrizitätskonstantenverteilung geneigt ist, in einer Richtung parallel zu der Fläche, die senkrecht auf einer Achse des Säulenabschnittes 72 steht. Der geneigte Abschnitt 76 ist an einem Mittenabschnitt des dielektrischen Blockes 70 ausgebildet. In diesem in Fig. 19 (B) gezeigten Fall ist die Dielektrizitätskonstante an dem Mittenabschnitt des geneigten Abschnittes 76 groß und nimmt zu den beiden Seiten hin ab. An den beiden Seiten des ge neigten Abschnittes 76 sind Abschnitte 78 ausgebildet, bei denen eine geringe Dielektrizitätskonstante gleichmäßig verteilt ist.

Da in einem derartigen dielektrischen Block 70 ein geneigter Abschnitt 76 vorgesehen ist, gibt es keine Stelle mit einer großen Differenz bezüglich der Dielektrizitätskonstante. Da her wird keine Übergangswelle erzeugt, wodurch die Übertra gungsverluste vermindert werden. Ferner gibt es einen Ab schnitt einer hohen Dielektrizitätskonstante in dem dielek trischen Block 70, so daß der Polarisator miniaturisiert werden kann.

Zum Herstellen des dielektrischen Blockes 70 werden CaCO₃, MgCO₃, SnO₂, TiO₂, La₂O₃ und MnCO₃ mit einem mittleren Teil chen-Durchmesser von 1 bis 2 µm und einer Reinheit von 99% zur Erzeugung der grünen Rohmaterialien verwendet. Die grü nen Rohmaterialien werden dann in den in Tabelle 5 gezeigten Gewichtsverhältnissen abgewogen, um vierzehn verschiedene Arten von gemischten Rohmaterialien zu erhalten. Die ge mischten Rohmaterialien werden in Luft bei 1150°C über eine Zeitdauer von zwei Stunden kalziniert, um vierzehn Arten von kalzinierten Rohmaterialien zu erhalten.

Die kalzinierten Rohmaterialien werden verwendet, um vier zehn verschiedene Arten von Grünschichten in der gleichen Art wie bei der Herstellung des dielektrischen Substrates 10 zu erzeugen. Daraufhin wird eine jede der grünen Schichten laminiert und einem Wärmepressen unterworfen, um einen geformten Körper herzustellen. Der geformte Körper wird in Luft bei 1370°C über eine Zeitdauer von zwei Stunden ge brannt, um vierzehn verschiedene Arten von Sinterkörpern zu erhalten, nachdem organische Komponenten in der Luft bei 400°C verbrannt worden sind. Der gesinterte Körper wird auf eine Größe von 10×10×0,5 mm geschnitten. Daraufhin wird eine In-Ga-Elektrode erzeugt. Anschließend werden die Di elektrizitätskonstanten gemessen, wie dies in Fig. 5 dar gestellt ist.

Zum Erzeugen eines dielektrischen Blockes 70 werden die Grünschichten laminiert, wie dies in Fig. 19 gezeigt ist. Eine Grünschicht, die aus dem Rohmaterial Nr. 14 hergestellt ist, wird mit einer Dicke von 2,0 mm in einem Mittenab schnitt einlaminiert. Auf deren beide Seiten werden Grün schichten aus den Rohmaterialien Nr. 13 bis 2 der Reihe nach mit einer jeweiligen Dicke von 0,1 mm laminiert. An den beiden Seiten der durch die Rohmaterialien Nr. 2 gebildeten Grünschichten wird eine Grünschicht aus den Rohmaterialien Nr. 1 auflaminiert, die eine Dicke von 9,0 mm hat. Auf diese Art wird ein Block 80 erhalten. Die Breite des Blockes 80 beträgt 23,0 mm. Dessen Länge ist 46,0 mm.

Der auf diese Weise erhaltene Block 80 wird in Luft bei 1370°C während einer Zeitdauer von zwei Stunden gebrannt, um einen blockförmigen Sinterkörper mit den Abmessungen 17×17 ×35 mm zu erhalten, nachdem die organischen Komponenten in Luft bei 400°C verbrannt worden sind.

Der gesinterte Körper wird senkrecht zu dessen Achse ge schnitten, um eine Probe 90 zu erhalten. Demgemäß hat die Probe 90 einen Abschnitt 92, der aus den Rohmaterialien Nr. 2 bis 14 gebildet wird, an dessen beiden Seiten Abschnitte 94 ausgebildet sind, die aus dem Rohmaterial Nr. 1 bestehen. Bei der Probe 90 wird eine Zusammensetzungsanalyse (Linien analyse) bezüglich Sn und Ca mittels eines Röntgenstrahl- Mikroanalysators in der in Fig. 20(A) durch den Pfeil X dargestellten Richtung ausgeführt. Als Ergebnis hat man herausgefunden, daß eine Zusammensetzungsverteilung gemäß Fig. 20(B) vorliegt. Aus dieser Zusammensetzungsverteilung und der Dielektrizitätskonstantencharakteristika des ein fachen Substrates ist es offenkundig, daß der gesinterte Körper eine geneigte Dielektrizitätskonstantenstruktur hat, wie dies in Fig. 21 gezeigt ist.

Als nächstes wird der Sinterkörper, der in Fig. 22(A) gezeigt ist, einem äußeren Schleifen unterworfen, um eine säulenförmige Stange von 12 mm Durchmesser zu erhalten, wie dies in Fig. 22(B) gezeigt ist, welche weiter auf eine Länge von 30 mm mittels eines Diamantschneidegerätes ge schnitten wird. Der Sinterkörper wird durch Schleifen in eine konische Form an den Abschnitten, die 5 mm von den entgegengesetzten Enden entfernt sind, drehbearbeitet, um den in Fig. 17 gezeigten dielektrischen Block zu erhalten.

Zum Vergleich wird, wie in Fig. 23 gezeigt ist, eine Fluor harz-Platte von 30×12×2 mm in dreieckiger Form an Ab schnitten, die 5 mm von den entgegengesetzten Enden entfernt liegen, vorbereitet. Zum Vergleich wurde eine Platte mit der Form gemäß Fig. 23 unter Verwendung der Rohmaterialien gemäß Fig. 11 hergestellt.

Zur Erzeugung eines Prüfprobekörpers wurden Proben des erfindungsgemäßen dielektrischen Blocks 70, die Fluorharz- Platte und eine Platte unter Verwendung des Rohmaterials Nr. 11 in einen Wellenleiter von 12 mm Innendurchmesser einge setzt. Dann wurde eine zirkular polarisierte Welle der Frequenz 5 GHz mit einer Phasendifferenz von 90° zwischen der horizontalen Polarisation und der vertikalen Polarisa tion in derartige Probekörper eingeführt. Der durch den Polarisator erzeugte Verlust und der Phasenwinkel zwischen der horizontalen Polarisation und der vertikalen Polari sation der den Polarisator durchlaufenden Welle wurden gemessen, wobei die Ergebnisse in Tabelle 6 gezeigt sind.

Wie man aus Tabelle 6 erkennt, ist bei Verwendung der dielektrischen Keramik gemäß der Erfindung der Verlust an der Schnittstelle bzw. dem Übergang des dielektrischen Blockes 70 gering. Da ein Abschnitt des Polarisators mit hoher Dielektrizitätskonstante existiert, kann dieser miniaturisiert werden.

Der Neigungsabschnitt 76 des dielektrischen Blockes 70 kann mehrfach ausgebildet sein, wie dies in den Fig. 24(A) und 24(B) dargestellt ist, oder kann an einem Abschnitt ausge bildet sein, der von dem Mittenabschnitt beabstandet ist, wie dies in Fig. 24(C) gezeigt ist. Als Form des dielek trischen Blockes 70 können gleichfalls pyramidenförmige Abschnitte an den beiden Seiten eines quadratischen Säulen abschnittes ausgebildet sein.

Bei Verwendung der dielektrischen Keramik gemäß der Er findung können elektronische Teile miniaturisiert werden. Bei Anwendung als Streifenleitungsvorrichtung oder als ein Substrat für ein monolithisches IC ist es ohne weiteres möglich, andere Schaltungen zu kontaktieren, wobei die Impedanzanpassung erleichtert wird. Ferner können die erfindungsgemäßen dielektrischen Keramiken in einem Polari sator eingesetzt werden, dessen Übertragungsverlust aufgrund einer Schnittstellenwelle vermindert werden kann.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Tabelle 4

Tabelle 5

Tabelle 6

Claims

1. Eine dielektrische Keramik mit wenigstens zwei Arten von Metallionen, dadurch gekennzeichnet, daß sich deren Dielektrizitätskonstante kontinuierlich oder schritt weise in Abhängigkeit von dem Ort ändert.

2. Dielektrische Keramik nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet,
daß die Metallionen wenigstens zwei Arten von Metall ionen aus folgender Gruppe umfassen: Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Pb, Bi, Y, La, Ce, Nd, Sm, Gd, Er, Ti, Zr, Sn, Si und Mn; und
daß sich die Dielektrizitätskonstante ε in dem Bereich von 7ε90 ändert.

3. Ein dielektrisches Substrat unter Verwendung der Keramik gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für eine parallel zu einer Fläche des dielektrischen Substrates (10) liegenden Richtung die Dielektrizitäts konstante an dessen Mittenbereich (12) gleichförmig ist und in Richtung auf die Enden (14) hin kontinuierlich oder schrittweise abnimmt.

4. Dielektrisches Substrat nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß eine Leitung (16) parallel zu einer Oberfläche des dielektrischen Substrates (10) in diesem ausgebildet ist.

5. Dielektrisches Substrat gemäß Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß ein leitfähiger Abschnitt (18), dessen Breite in Richtung auf die Enden des dielektrischen Substrates zunimmt, an einem Bereich ausgebildet ist, wo die Di elektrizitätskonstante abnimmt.

6. Dielektrisches Substrat unter Verwendung einer Keramik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrizitätskonstante in allen Richtungen, die parallel zu einer Oberfläche des dielektrischen Substrates (64) liegen, in dessen Mittenbereich (60) gleichförmig ist und kontinuierlich oder schrittweise in Richtung auf dessen Peripherie hin abnimmt.

7. Dielektrisches Substrat nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß ein leitfähiger Abschnitt (56), dessen Breite in Richtung zur Peripherie des dielektrischen Substrates zunimmt, an einem Abschnitt ausgebildet ist, wo dessen Dielektrizitätskonstante abnimmt.

8. Polarisator unter Verwendung der Keramiken gemäß An spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Polarisator (70) eine Form hat, bei der konische Abschnitte (74) an den entgegengesetzten Enden einer im Querschnitt kreisförmigen Säule (72) ausgebildet sind oder bei der pyramidenförmige Abschnitte an den entge gengesetzten Enden einer im Querschnitt quadratischen Säule ausgebildet sind; und
daß die Dielektrizitätskonstante sich kontinuierlich oder schrittweise in einer Richtung ändert, die parallel zu der Oberfläche und orthogonal zu der axialen Richtung der kreisförmigen oder quadratischen Säule liegt.