JP2005004985A

JP2005004985A - 高周波誘電体材料および電子部品

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Publication number: JP2005004985A
Application number: JP2003163927A
Authority: JP
Inventors: Mizuo Ozawa; 水緒小澤; Tomohiro Sogabe; 智浩曽我部; Junichi Yamazaki; 純一山崎
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2003-06-09
Filing date: 2003-06-09
Publication date: 2005-01-06

Abstract

【課題】高周波用共振器の共振周波数の温度特性を改善した、有機高分子樹脂およびセラミックスを複合した高周波誘電体材料と、このような高周波誘電体材料を用いた電子部品である共振器とを提供すること。
【解決手段】樹脂セラミックス複合体誘電率の温度係数を調整するために、誘電率の温度係数τεが負である有機高分子樹脂と、誘電率の温度係数を正とするために、元素を置換したセラミックスとを混合し、温度係数τεの小さい高周波誘電体材料とする。このような材料を用いることにより温度変化による共振周波数の変動が小さい高周波用共振器が実現する。

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、特に高周波領域での使用に好適な樹脂セラミックス複合高周波誘電体材料及びこれを用いた電子部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
情報通信の手法として無線通信があるが、ＩＮＳ（高度情報化社会）への移行とともに無線通信は使用周波数帯がますます高周波帯域に移行している。特に発展が期待されている衛星放送、衛星通信や、携帯電話、自動車電話等の移動体通信にはギガヘルツ（ＧＨｚ）帯の高周波が使用されている。
【０００３】
そのため、これらの送受信機に使用される回路基板の材料はＧＨｚ帯に於いて高周波伝送特性が優れた（誘電損失が小さい）ものでなければならない。
【０００４】
ここで、誘電損失は周波数と基板の誘電率εｒと誘電正接（以下ｔａｎδと記載する）の積に比例することより、誘電損失を小さくするためには基板のｔａｎδを小さくしなければならない。又、基板中では電磁波の波長が１／√εｒに短縮されるため、誘電率εｒが大きい程基板の小型化が可能である。
【０００５】
以上のことから高周波領域で使用される小型の電子機器、情報機器に用いる回路基板としては、誘電率εｒが高く、かつｔａｎδが小さい材料特性が要求されている。
【０００６】
このような回路基板の材料としては、無機材料として誘電体セラミックス、有機材料としてフッ素樹脂等が用いられている。さらに、有機材料と無機材料の複合体として熱硬化性樹脂とチタン酸バリウム等の誘電体セラミックスを混合してなる複合基板も用いられている（例えば特開平８−６７７１２号公報等参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−６７７１２号公報
【特許文献２】
特開平５−２１１００６号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、上記の高周波誘電体材料を用いて形成した誘電体層を積層し、この誘電体層間にストリップ線路を形成してトリプレート回路とし、高周波用共振器を試作した。
【０００９】
しかし、上記の高周波誘電体材料を用いて形成した誘電体層の誘電率は、温度により変化し、例えば周波数２ＧＨｚにおける誘電率の温度係数τεは、１３０ｐｐｍ／℃程度ある。このため、高周波領域、例えば周波数０．５ＧＨｚ以上で使用すると、温度変化により共振周波数が大幅に変化してしまい、実用化が困難であることが判明した。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、高周波用共振器の共振周波数の温度特性を改善した高周波誘電体材料と、このような高周波誘電体材料を用いた共振器等の電子部品とを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、請求項１〜５の本発明により達成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明では、誘電率の温度係数τεが正のセラミックスと、τεが負の有機高分子樹脂とを所定の配合比に混合して高周波誘電体材料を構成し、高周波誘電体材料のτεを零に近づける。このような高周波誘電体材料を用いることにより共振器の共振周波数の温度係数τｆを零に近づけることができる。このため、高周波領域、例えば周波数０．５ＧＨｚ以上で使用しても温度変化による共振周波数の変動が小さい高周波用共振器が実現する。
【００１３】
以下、本発明の具体的構成について詳細に説明する。
【００１４】
本発明の高周波誘電体材料は、例えば０．５ＧＨｚ〜２ＧＨｚの高周波領域で使用される共振器の基板材料であり、高誘電率かつ低誘電損失でさらに誘電率温度変化率の符号が有機高分子樹脂と逆であるＢａＯ−Ｓｍ_２Ｏ_３−Ｂｉ_２Ｏ_３−ＴｉＯ_２系誘電体セラミックスを用いて有機高分子樹脂−セラミックス複合材を作製し、高周波誘電体材料の電気特性の温度依存性τεを小さくする。
【００１５】
一般に、有機高分子樹脂のτεは負のものが多く、例えばビニルベンジルは−４０．４ｐｐｍ／℃、ポリフェニレンエーテルは−９２ｐｐｍ／℃、ポリオレフィン−１５１ｐｐｍ／℃などである。
【００１６】
一方、セラミックスも、特に高誘電率かつ低損失のものはτεが負のものが多い。例えば、特許文献２に示される高誘電率かつ低誘電損失であるＢａＯ−Ｎｄ_２Ｏ_３−Ｂｉ_２Ｏ_３−ＴｉＯ_２−Ｍｎ系誘電体セラミックスはτεが、−１４９ｐｐｍ／℃である。また、ＢａＯ−Ｓｍ_２Ｏ_３−ＴｉＯ_２系誘電体セラミックスも−２２．８ｐｐｍ／℃と負の値を示すが、これを、Ｂｉ_２Ｏ_３で１０〜３０ｍｏｌ％置換することにより、τεの符号が樹脂と逆の正であるＢａＯ−Ｓｍ_２Ｏ_３−Ｂｉ_２Ｏ_３−ＴｉＯ_２系誘電体セラミックスを得ることができる。
【００１７】
これらの場合、セラミックスはτεが正であればよく、鉛系の誘電体材料のなかにも数種みられるが、上記、ＢａＯ−Ｓｍ_２Ｏ_３−Ｂｉ_２Ｏ_３−ＴｉＯ_２系誘電体セラミックスであれば、環境対策にもなる。なお、この出願と同一の出願人の「特許文献１」には、有機高分子樹脂およびセラミックスを複合することは記載されているが、τε等の温度特性については記載されていない。
【００１８】
また、温度特性の異なるセラミックスを混合し、温度特性を補償することは「特許文献２」に示されているが、用いられるセラミックスの誘電率が低く、混合媒体はガラスである。
【００１９】
本発明において、τεが負の有機高分子樹脂と、τεが正のセラミックスとの混合比には特に制限がなく、用いるセラミックスの含有比等に応じ、高周波誘電体材料のεおよびτεが所定値に近づくように、すなわち共振器の共振周波数の温度係数τｆが零に近づくように適宜決定すればよい。
【００２０】
セラミックスの平均粒径には特に制限はないが、０．１〜３μｍ程度が好ましい。この範囲未満では複合材のシート形成が困難となり、この範囲を超えると回路パターンの緻密化の障害となってくる。
【００２１】
また、τεは、実際に誘電体共振器を作製し、共振周波数の温度係数τｆを求め、式（１）から算出して求める。
【００２２】
τε＝−２（τｆ＋α） …（１）
α：試料の線膨張率
この場合、τｆは、恒温槽を用い、−３０℃〜＋８５℃、で共振周波数を測定して求める。これらの場合、セラミックスや有機高分子樹脂およびこれらの高分子誘電体材料の熱膨張係数は示差熱膨張計を用いて測定すればよい。
【００２３】
この他、例えば、１．４ｍｍ角、長さ６０ｍｍ程度の所定形状の試料としたのち、試料の有無による微少な共振周波数の変化から摂動法で誘電率を求め、これからτεを算出してもよい。
【００２４】
資料を空洞共振器に挿入したときの共振周波数をｆｒｓ、空洞共振器そのものの共振周波数をｆｒｏとすると、誘電率は式２により求められる。
【００２５】
ε＝１＋Ｖ／βｖ・（ｆｒｓ−ｆｒｏ）／ｆｒｏ …（２）
Ｖ：空洞全体の体積
β：共振器のモードによって決まる定数
（円形導波管ＴＭｏでは１．８５５）
ｖ：試料の体積
このように本発明では、セラミックスおよび有機高分子樹脂のτεおよびεｒ等に応じて、τεが正のセラミックスと、τεが負の有機高分子樹脂との体積比を所定の値に調整することにより、高周波誘電体材料のτεを所定値に近づけ、共振器のτｆを小さなものとするのである。
【００２６】
この場合、高周波誘電体材料の周波数２ＧＨｚ、−３０〜８５℃における誘電率の温度係数τεを−１００〜１００ｐｐｍ／℃、特に−２５〜＋５ｐｐｍ／℃とすることが好ましく、理想的には、τε＝−２（τｆ＋α）の式に従ってτｆ＝０になるτεが好ましい。例えば、高周波誘電体材料のαが６．０ｐｐｍ／℃程度の場合、τεは−１２ｐｐｍ／℃程度が好ましい。
【００２７】
なお、τｆとしては−１５〜＋１５ｐｐｍ／℃、特に−１０〜＋１０ｐｐｍ／℃、さらには−５〜＋５ｐｐｍ／℃とすることができる。また、本発明の高周波誘電体材料基板の４０〜２９０℃における平均熱膨張係数αは３８ｐｐｍ／℃程度、比誘電率は１２程度である。
【００２８】
以下、図１に示す実施の形態に基づいてこの発明を説明する。
【００２９】
本発明の共振器を用いた電圧制御発振器１は、周波数０．５ｆＧＨｚ以上、特に０．５〜２ＧＨｚで使用されるものであり、図示されるように誘電体層２１、２３、２５、２７を積層一体化した積層体２を有し、少なくともこの積層体２の誘電体層２３、２５間にストリップ線路３を有する。ストリップ線路の形状、寸法、数等には特に制限がなく、目的等に応じて適宜決定すればよい。
【００３０】
また、誘電体層２３、２５間には、必要に応じて内部導体７が形成される。この場合内部導体７は、例えば、コイルの導体、コンデンサの電極等種々の目的や用途に応じて所望のパターンに形成される。
【００３１】
また、誘電体層２３、２１間および誘電体層２７の表面上にはグランドプレーン４ａが形成されている。この場合、グランドプレーン４ａ、４ｂ間にストリップ線路３を位置させる。
【００３２】
また、積層体２上には外部導体６が形成され、この外部導体６と、前記ストリップ線路３、グランドプレーン４ａ、４ｂおよび内部導体７とがそれぞれスルホール５内の導体を介して電気的に接続される。
【００３３】
ストリップ線路３、グランドプレーン４ａ、４ｂ内部導体７およびスルーホール５内の導体には、それぞれ、導電性が良いこと等を優先させる点からＡｇ、Ｃｕ、またはそれらを主体とする導体が好ましい。また、外部導体６には、耐マイグレーション性、半田喰われ性、半田濡れ性等の点からＡｇまたはＣｕを主体とする導体を用いることが好ましい。
【００３４】
このような共振器は、例えば以下のようにして製造する。まず、内部導体用ペーストおよび外部導体用ペーストをそれぞれ作製する。これらのペーストは、導電粒子と、導電粒子に対し、１〜５重量％程度のガラスフリットと、ビヒクルとを含有する。次いで、誘電体層材料となるグリーンシートを作製する。
【００３５】
次いで、グリーンシート上にパンチングマシーンや金型プレスを用いてスルーホール５を形成し、その後、内部導体用ペーストを各グリーンシート上に、例えばスクリーン印刷法により印刷し、所定のパターンの内部導体７、ストリップ線路３、およびグランドプレーン４ａ、４ｂを形成するとともにスルーホール５内に充填する。
【００３６】
次いで、各グリーンシートを重ね合せ、熱プレス（約４０〜１２０℃、５０〜１０００ｋｇｆ／ｃｍ^２）を加えてグリーンシートの積層体とし、必要に応じて脱溶剤処理、切断用溝の形成等を行なう。
【００３７】
次いで、グリーンシートの積層体を通常空気中で、３００℃程度以下の温度で６０分間程度硬化、一体化し、誘電体層２３、２５間にストリップ線路３が形成された共振器を得る。そして、外部導体用ペーストをスクリーン印刷法等により印刷し、焼付けて外部導体６を形成する。この場合、好ましくは、これら外部導体６を誘電体層２１、２３、２５、２７と同時硬化して一体に形成する。
【００３８】
図２に共振器を用いた電圧制御発振器の斜視図を示す。
本発明の積層体２の上に外部導体を介して表面実装部品８を配して、発振器を構成する。
【００３９】
上述した共振器は、本発明の１例であり、少なくとも誘電体層間にＴＥＭ線路等のストリップ線路を有し、周波数０．５ＧＨｚ以上で使用されるものであれば特に制限がなく種々のものであってよい。この場合共振周波数は通常０．５〜５ＧＨｚ程度とする。具体的には、本発明の共振器は、ハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタ、バンドエリミネーションフィルタ等の各種フィルタ、これらのフィルタを組み合わせた分波フィルタ、ディプレクサ、電圧制御発振器等の電子部品に応用が可能である。
【００４０】
【実施例】
以下、本発明の具体的実施例を挙げ、本発明をさらに詳細に説明する。
【００４１】
実施例１
ＢａＯ（１５．６６ｍｏｌ％）、Ｓｍ_２Ｏ_３（１２．４７〜８．７３ｍｏｌ％）、Ｂｉ_２Ｏ_３（０ｍｏｌ％〜３．７４ｍｏｌ％）およびＴｉＯ_２（６９．６７ｍｏｌ％）となるように、ＢａＯ、ＳｍＣＯ_３、Ｂｉ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２を秤量し、ボールミルで混合した。これを乾燥し、（１３００℃で２時間）仮焼きした後、平均粒径２μｍになるまで粉砕して、ＢａＯ−Ｓｍ_２Ｏ_３−Ｂｉ_２Ｏ_３−ＴｉＯ_２系組成粉を得た。
【００４２】
次に、バインダー２ｗｔ％を混合し、さらに、円板状に３０００ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力で成形し、仮焼き温度１３５０℃、４時間で焼成した。
【００４３】
こうしていられた誘電体円版の比誘電率εおよびεの温度依存性を共振器法で測定した。温度依存性を示す温度係数τεは式３に従って算出した。
【００４４】
τε＝（ε_８５−ε_２ _０）／ε_２ _０（８５−２０） …（３）
但し
ε_８５は８５℃における比誘電率
ε_２０は２０℃における比誘電率
である。
【００４５】
上述した誘電体円板のＳｍ_２Ｏ_３に対するＢｉ_２Ｏ_３置換量および比誘電率とその温度係数を表１に示す。
【００４６】
【表１】

【００４７】
混合する有機高分子樹脂ビニルベンジルのτεは−４０．４であるので、これと符号の反対のＢｉ置換量が１５％の組成を有する誘電体セラミックス粉体を用いて、下記に示すように複合誘電体基板を作成した。
【００４８】
有機高分子樹脂としてビニルベンジルと、セラミックス粉末として、仮焼き後本焼成した上記１５％Ｂｉ置換ＢａＯ−Ｓｍ_２Ｏ_３−ＴｉＯ_２誘電体セラミックス粉末４０ｖｏｌ％を、ポットミルにて混練し、両粉末の混合物を作成した。この混合物を１５０℃で熱間成形し、金型から取りだした後１８０℃で樹脂を硬化させ高周波複合誘電体基板１を作成した。
【００４９】
比較例１
また、比較用にＢａＯ（１４．２２ｍｏｌ％）Ｎｄ_２Ｏ_３（１７．５６ｍｏｌ％）ＴｉＯ_２（６８．２２ｍｏｌ％）Ｂｉ_２Ｏ_３（２．３９ｍｏｌ％）を１００ｗｔ％としてＭｎ（０．１５ｗｔ％）を混合した誘電体セラミックス粉を用意し、上記と同様にビニルベンジルと混合した高周波複合誘電体基板２を作成した。
【００５０】
得られた基板より、２×２×６０ｍｍの棒状試料を切り出し摂動共振器法により、比誘電率εおよび２０〜８５℃の温度係数τεを求めたところ表２に示されるとおりであった。また、両者の平均熱膨張計数は３８×１０^−６であった。
【００５１】
また、τｆ＝−τε／２−αであるから、表２のようにτｆを求めることができる。このように、異符号の温度特性を持つ樹脂とセラミックスを用いて、τｆが小さい誘電体誘電体材料を得ることができた。
【００５２】
【表２】

【００５３】
実施例２、比較例２
高周波複合誘電体基板の電極パターンが微細になると、微細なセラミックス粉を用いることが必要になる。実施例１および比較例１のセラミックス粉を粉砕し、空気中に放置したところ水分を含有した。これをそれぞれ実施例１と同様に樹脂と混合して実施例２、比較例２とする。水を含有する複合誘電体材料の温度係数も対数混合則を用いて計算することができる。水の誘電率は２０℃で８０．１、８５℃で５９．７である。
２０℃および８５℃の比誘電率εを有機高分子樹脂、セラミックスおよび水の比誘電率を用いて、対数混合則により計算した値を表３に示す。このときの、実施例２のセラミックスの水分は０．１０ｖｏｌ％、比較例２のセラミックスの水分は０．０５ｖｏｌ％であった。
【００５４】
【表３】

【００５５】
表４にそれぞれの計算値と実測値を比較する。
【００５６】
【表４】

【００５７】
有機高分子樹脂とセラミックスを複合した高周波誘電体材料の、有機高分子樹脂とセラミックスの比率等により熱膨張係数は変化するが、適正なＢｉ置換量のセラミックス粉を用いることにより、高周波誘電体材料のτεの値をτｆ＝０になるように近づけることができる。
【００５８】
【発明の効果】本発明の高周波誘電体材料は、有機高分子樹脂とセラミックスの比率を変化させることによりτεを０に近づけることができ、これを用いた電子部品は、温度変化による共振周波数の変動が小さい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の共振器を用いた電圧制御電子部品が示される部分断面図である。
【図２】本発明の共振器を用いた電圧制御電子部品が示される斜視図である。
【符号の説明】
１電圧制御電子部品
２積層体
２１，２３，２５，２７誘電体層
３ストリップ線路
４ａ、４ｂグランドプレーン
５スルーホール
６外部導体
７内部導体
８表面実装部品

Claims

誘電率の温度係数τεが負の有機高分子樹脂と、誘電率の温度係数τεが正のセラミックスとを混合してなる高周波誘電体材料。
前記τεが正のセラミックスがｘＢａＯ−ｙＳｍ_２Ｏ_３−ｚＴｉＯ_２（１０＜ｘ＜２５，１０＜ｙ＜２５，６０＜ｚ＜７５）のＳｍをＢｉで置換したセラミックスである請求項１に記載の高周波誘電体材料。
前記τεが負の有機高分子樹脂がビニルベンジルである請求項１および２のいずれかに記載の高周波誘電体材料。
前記τεが正のセラミックスのＳｍをＢｉで置換する量が１０〜３０ｍｏｌ％である請求項１〜３のいずれかに記載の高周波誘電体材料。
前記請求項１〜４のいずれかに記載の高周波誘電体材料を用いた電子部品。