JP2002193662A - 誘電体磁器及びその製造方法 - Google Patents

誘電体磁器及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】導体材料と同時焼成しても反りや歪みが無く、
高いQ値を有する誘電体磁器を実現する。 【解決手段】MgTiO3、CaTiO3、Mg2SiO4
及びBaTi49のうち少なくとも1種からなる第1の
結晶相とMg2TiO4、Mg225及びLi2TiSi
5のうち少なくとも1種からなる第2の結晶相と、S
i、B及びLiの酸化物とを含むことを特徴とし、前記
第1の結晶相100重量部に対して、BがB23換算で
3〜20重量部、LiがLi2CO3換算で1〜10重量
部、SiがSiO2換算で0〜30重量部の割合で含有
することが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波、ミリ
波等の高周波領域において、5〜90の範囲の誘電率と
高いQ値及び従来のガラスセラミックスと同等の低い収
縮開始温度を有する誘電体磁器に関するものであり、例
えば、マイクロ波やミリ波などの高周波領域において使
用される種々の共振器用材料やMIC用誘電体基板材
料、誘電体導波路用材料や積層型セラミックコンデンサ
等に好適に用いることができる誘電体磁器及びその製造
方法に関する。
【0002】
【従来技術】従来、誘電体磁器は、マイクロ波やミリ波
等の高周波領域において、誘電体共振器、MIC用誘電
体基板や導波路等に広く利用されている。そして、近年
においては、携帯電話をはじめとする移動体通信等の発
達および普及に伴い、電子回路基板や電子部品の材料と
して、誘電体セラミックスの需要が増大しつつある。
【0003】電子回路基板や電子部品において、誘電体
セラミックスと内部導体を同時焼成するに際しては、従
来の誘電体セラミックスの焼成温度が1100℃以上と
いう高温であったため、導体材料としては、比較的高融
点であるPt、Pd、W、Mo等が使用されていた。こ
れら高融点の導体材料は導通抵抗が大きいため、従来の
電子回路基板において、共振回路やインダクタンスのQ
値が小さくなってしまい、導体線路の伝送損失が大きく
なる等の問題があった。
【0004】そこで、この問題点を解決するために、導
通抵抗の小さいAg、Cu等と同時焼成可能な低温焼成
の誘電体セラミックスが提案されている。例えば、特開
平8−208330号公報に開示された誘電体磁器は、
MgO、CaO、TiO2とB23、Li2CO3からな
るものであり、900〜1050℃の比較的低温でA
g、Cu等の内部導体と同時に焼成でき、誘電体磁器の
比誘電率εrが18以上、測定周波数7GHzでのQ値
が2000以上の優れた特性を有し、高周波電子部品の
小型化と多機能化を実現できるものであった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
8−208330号公報に記載された誘電体磁器は、焼
結温度がまだ高く、さらに焼結における収縮開始温度が
845〜960℃と高温であるため、収縮開始温度が低
温であるAgやCuを主成分とする導体材料との収縮挙
動のマッチングが悪く、焼成された基板が反る、歪む等
の問題があった。
【0006】また、この誘電体磁器は、共振回路やイン
ダクタンスのQ値を向上させるために、4000以上が
要求されており、Q値が十分ではないという問題があっ
た。
【0007】従って、本発明は、導体材料と同時焼成し
ても反りや歪みが無く、Q値の高い誘電体磁器及びその
製造方法を実現することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】 本発明は、Si、B及
びLiを含むガラス相により同時焼成が可能な焼成温度
を達成するとともに、ガラス相を結晶化させ、Mg2
iO4、Mg225及びLi2TiSiO5のうち少なく
とも1種の結晶相を形成することにより、Q値を改善で
きるという知見に基づく。
【0009】即ち、本発明の誘電体磁器は、MgTiO
3、CaTiO3、Mg2SiO4及びBaTi49のうち
少なくとも1種からなる第1の結晶相とMg2TiO4
Mg 225及びLi2TiSiO5のうち少なくとも1
種からなる第2の結晶相とを特徴とするもので、これら
の結晶相を組み合わせることで、比誘電率を5〜90、
測定周波数2GHzでのQ値を4000以上にすること
ができる。
【0010】さらに、(Mg,Ti)2(BO3)Oで表
される結晶相をさらに含むことが好ましい。これによ
り、更に高Q値化することができる。
【0011】また、本発明の誘電体磁器の製造方法は、
MgTiO3、CaTiO3、Mg2SiO4及びBaTi
49のうち少なくとも1種を構成する原料粉末100重
量部に対して、B23を3〜20重量部、Li2CO3
1〜10重量部、SiO2を0〜30重量部の割合で含
む成形体を、870〜920℃で焼成し、Mg2Ti
4、Mg225及びLi2TiSiO5のうち少なくと
も1種からなる第2の結晶相を析出させることを特徴と
し、これにより、低温焼成が可能となるため、Ag、C
uを主成分とする導体と同時焼成しても、反りや歪み等
を防止できる。
【0012】特に、MgTiO3、CaTiO3、Mg2
SiO4及びBaTi49のうち少なくとも1種を構成
する原料粉末100重量部に対して、さらにアルカリ土
類元素を酸化物換算で1〜5重量部、Mnが酸化物換算
で0.1〜15重量部含有することが好ましい。これに
より、焼成温度を低温化、かつ安定化ができる。
【0013】また、前記焼成を、2時間以上行うこと、
又は前記焼成の後に、700〜900℃で熱処理するこ
とが好ましい。これにより、前記第2結晶相をより析出
しやすくできる。
【0014】
【発明の実施の形態】本発明の誘電体磁器は、MgTi
3、CaTiO3、Mg2SiO4及びBaTi49のう
ち少なくとも1種からなる第1の結晶相とともに、Mg
2TiO4、Mg225及びLi2TiSiO5のうち少
なくとも1種からなる第2の結晶相を含有することが重
要である。第1の結晶相が主結晶相として存在し、第2
の結晶相と組み合わせることにより、比誘電率を5〜9
0、測定周波数2GHzでのQ値を4000以上にする
ことができる。
【0015】また、後述するように、ガラス成分を調整
し、製造方法を制御することによって、焼成温度を87
0〜920℃とすることが可能となり、さらに特性を改
善できる。従って、基板や電子部品において、Ag、C
uを主成分とする導体と同時焼成した場合でも、反りや
歪み等の発生を抑制することができ、かつ高機能な高周
波回路部品の設計が可能となる。
【0016】また、本発明によれば、さらに(Mg,T
i)2(BO3)Oが含有されていることが好ましい。こ
の結晶は、磁器に含まれることにより、Q値を高める効
果があり、その結果、2GHzでのQ値を更に高めるこ
とができる。
【0017】なお、この結晶相は、X線回折により同定
されるもので、JCPDSの19−0775に示される
結晶である。そして、少なくともメインピークである
(201)面のピーク(面間隔2.59Å)がCuをX
線源に用いた場合に、34〜35°に認められるもので
ある。
【0018】上記のように構成された本発明の誘電体磁
器は、比誘電率が5〜90、測定周波数2GHzでのQ
値が4000以上になり、また、焼成温度も870〜9
20℃と、AgやCuを主成分とする導体との同時焼成
が可能な温度範囲に設定できる。従って、同時焼成でも
反りや歪み等の発生を抑制することができる。
【0019】次に、本発明の誘電体磁器を製造する方法
について、以下に説明する。
【0020】まず、原料粉末を用意する。第1の結晶相
のために、MgTiO3、CaTiO3、Mg2SiO4
びBaTi49のうち少なくとも1種の組成を含む原料
粉末を準備する。例えば、各金属元素、MgO、TiO
2、CaO、BaO、SiO2等の酸化物、及びMgTi
3、CaTiO3、Mg2SiO4、BaTi49の複合
酸化物等の粉末を用いることができる。
【0021】ここで、第1の結晶相の組み合わせとして
は、MgTiO3−CaTiO3、MgTiO3−Mg2
iO4、MgTiO3−CaTiO3−Mg2SiO4、M
gTiO3−BaTi49等がある。
【0022】本発明によれば、助剤成分として、B、L
i及びSiからなるガラス成分を用いることが必要であ
る。即ち、MgTiO3、CaTiO3、Mg2SiO4
びBaTi49のうち少なくとも1種を構成する原料粉
末100重量部に対して、B 23を3〜20重量部、L
2CO3を1〜10重量部、SiO2を0〜30重量部
の割合で含有することが重要である。
【0023】Bを第1の結晶相100重量部に対してB
23換算で3〜20重量部含有したのは、B23の含有
量が3重量部未満の場合には1100℃でも焼結せず、
AgまたはCuを主成分とする導体と同時焼成ができな
くなり、逆に20重量部を越える場合には、焼結体中の
ガラス相の割合が増加して、Q値が低下するからであ
る。
【0024】従って、特に、焼結性を維持し、高いQ値
を得るという観点から、Bの含有量はB23換算で5〜
15重量部が望ましい。なお、添加する際の硼素源であ
る硼素含有化合物としては、B23の他に、金属硼素、
コレマイト、CaB24、ホウケイ酸ガラス、ホウケイ
酸アルカリガラス、ホウケイ酸アルカリ土類ガラス等が
ある。
【0025】また、LiをLi2CO3換算で1〜10重
量部添加したのは、添加量が1重量部未満の場合には1
100℃でも焼結せず、AgまたはCuを主成分とする
導体と同時焼成ができなくなり、逆に10重量部を越え
る場合には、Q値が低下するからである。従って、焼結
性と誘電体磁器のQ値の観点から、特に4〜9重量部が
望ましい。
【0026】さらに、SiをSiO2換算で0〜30重
量部添加したのは、30重量部を越えると、誘電体磁器
中のガラス相の割合が増加してQ値が低下するからであ
る。誘電体磁器のQ値の観点からは、SiO2は0〜1
0重量部が望ましい。
【0027】また、さらに焼結助剤として、MgO、C
aO、SrO及びBaO等のアルカリ土類元素酸化物粉
末及びMnO2粉末を加えることが好ましい。
【0028】即ち、MgTiO3、CaTiO3、Mg2
SiO4及びBaTi49のうち少なくとも1種を構成
する原料粉末100重量部に対して、さらにアルカリ土
類元素を酸化物換算で少なくとも1種を1〜5重量部含
むことが好ましい。これにより、焼成温度をさらに低下
でき、かつ誘電体磁器のQ値を高める効果がある。とり
わけ、焼結性とQ値の点でアルカリ土類元素の含有量
は、酸化物換算で1.5〜3.5重量部が好ましい。な
お、アルカリ土類元素酸化物とは、周期律表2a族元素
の酸化物であり、MgO、CaO、SrO及びBaO等
を例示できる。
【0029】さらに、MnをMnO2換算で0.1〜1
5重量部含むことが好ましい。このMnも、焼結性を高
め、Q値を高める効果があり、特に、3〜9重量部が望
ましい。
【0030】なお、上記の元素以外であっても、Q値が
高く維持され、同時焼成をしたときに、基板に反りや歪
みが発生しない範囲であれば、含有していても差し支え
ない。
【0031】これらの原料粉末を含む混合粉末を作製す
る。例えば、原料粉末を上記組成となるように秤量し
て、ZrO2ボールにより粉砕混合し、粉砕粒径が2.
0μm以下となった粉末を650〜850℃で仮焼した
後、再度ZrO2ボールにより粉砕粒径が2.5μm以
下になるまで粉砕混合し、混合粉末を作製する。
【0032】得られた粉末は、各種の公知の成形方法、
例えばプレス法、ドクターブレード法、射出成形法、テ
ープ成形等により任意の形状に成形する。これらの方法
の中で、ドクターブレード法、及びテープ成形が積層体
形成のために特に好ましい。
【0033】得られた成形体は、大気中または酸素雰囲
気中または窒素雰囲気等の非酸化性雰囲気において87
0〜920℃で焼成することにより得られる。特に、第
2結晶相を析出させるため、焼成時間を2時間以上、特
に3時間以上、さらには4時間以上とすることが好まし
い。また、焼成時間を例えば0.5〜2時間で行った
後、焼成後に500〜900℃、特に650〜800℃
で後処理を行って、ガラス相の結晶化を促進しても同様
の効果が得られる。
【0034】従って、本発明によれば、焼結助剤成分と
して加えられた酸化物は、焼成時に第1の結晶相のため
に加えられた原料粉末と反応し、第2の結晶相であるM
2TiO4、Mg225及びLi2TiSiO5のうち
少なくとも1種を形成することができる。
【0035】なお、原料粉末は、焼成により酸化物を生
成する水酸化物、炭酸塩、硝酸塩等の金属塩を用いても
良い。また、本発明の誘電体磁器中には、不可避不純物
として、Al、Fe、Hf、Sn等が含まれることもあ
るが、特性及び焼結性に影響が無ければ差し支えない。
【0036】
【実施例】原料として純度99%以上の、MgTi
3、CaTiO3、Mg2SiO4、BaTi49粉末、
およびB23、Li2CO3、SiO2、アルカリ土類元
素酸化物(MgO、CaO、BaO)、MnO2粉末を
含むガラスフリットを、表1に示す割合となるように秤
量し、純水を媒体とし、ZrO2ボールを用いたボール
ミルにて20時間湿式混合し、粉砕粒径を2.0μm以
下とした。
【0037】次に、この混合物を乾燥して脱水し、80
0℃で1時間仮焼した。この仮焼物を、粉砕粒径が1.
4μm以下になるように粉砕し、誘電特性評価用の試料
として直径60mm高さ2mmの円柱状に100MPa
の圧力でプレス成形し、表1に示す焼成条件で焼成し、
直径50mm、高さ1mmの円柱状の試料を得た。次い
で、所望により、850℃で2時間の熱処理を行った。
【0038】誘電特性の評価は、上記の試料を用いて誘
電体円柱共振器法にて周波数2GHzにおける比誘電率
とQ値を測定した。
【0039】
【表1】
【0040】本発明の試料No.1〜5、7〜21は、
比誘電率が5.8〜90、Q値が4000以上の優れた
誘電特性を有し、920℃以下で同時焼結が可能で反り
や歪みが見られなかった。
【0041】一方、第2の結晶相がなく、本発明の範囲
外の試料No.6は、Q値が2900であった。
【0042】
【発明の効果】本発明は、MgTiO3、CaTiO3
Mg2SiO4及びBaTi49のうち少なくとも1種か
らなる第1の結晶相に対して、Mg2TiO4、Mg22
5及びLi2TiSiO5のうち少なくとも1種の結晶
を含有させることにより、比誘電率を5〜90、測定周
波数2GHzでのQ値を4000以上にすることができ
るとともに、Si、B及びLiの酸化物を含有させるこ
とにより、870〜920℃の温度でAgやCu等の導
体金属との同時焼成を行っても、基板の反りや歪みが抑
制でき、高周波領域において高いQ値を有するため、電
子部品や基板の高性能化が実現できる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01G 4/12 358 H01G 4/12 364 364 C04B 35/16 Z Fターム(参考) 4G030 AA02 AA05 AA07 AA08 AA10 AA16 AA37 BA09 CA01 GA09 GA23 GA33 4G031 AA01 AA02 AA03 AA04 AA06 AA11 AA30 BA09 CA01 GA02 GA07 GA16 5E001 AB03 AE00 AE03 AE04 AH08 AH09 AJ02 5G303 AA01 AB06 AB08 AB15 BA12 CA01 CB02 CB03 CB06 CB17 CB35 DA05

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】MgTiO3、CaTiO3、Mg2SiO4
    及びBaTi49のうち少なくとも1種からなる第1の
    結晶相とMg2TiO4、Mg225及びLi2TiSi
    5のうち少なくとも1種からなる第2の結晶相とを含
    むことを特徴とする誘電体磁器。
  2. 【請求項2】(Mg,Ti)2(BO3)Oで表される結
    晶相をさらに含むことを特徴とする請求項1記載の誘電
    体磁器。
  3. 【請求項3】MgTiO3、CaTiO3、Mg2SiO4
    及びBaTi49のうち少なくとも1種を構成する原料
    粉末100重量部に対して、B23を3〜20重量部、
    Li2CO3を1〜10重量部、SiO2を0〜30重量
    部の割合で含む成形体を、870〜920℃で焼成し、
    Mg2TiO4、Mg225及びLi2TiSiO5のう
    ち少なくとも1種からなる第2の結晶相を析出させるこ
    とを特徴とする誘電体磁器の製造方法。
  4. 【請求項4】MgTiO3、CaTiO3、Mg2SiO4
    及びBaTi49のうち少なくとも1種を構成する原料
    粉末100重量部に対して、さらにアルカリ土類元素酸
    化物を1〜5重量部、酸化マンガンを0.1〜15重量
    部含有することを特徴とする請求項3記載の誘電体磁器
    の製造方法。
  5. 【請求項5】前記焼成を、2時間以上行うことを特徴と
    する請求項3又は4記載の誘電体磁器の製造方法。
  6. 【請求項6】前記焼成の後に、500〜900℃で熱処
    理することを特徴とする請求項3又は4記載の誘電体磁
    器の製造方法。
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