JP2006256956A - ガラスセラミックス焼結体及びマイクロ波用回路部材 - Google Patents

Abstract

【課題】 １０００℃以下の温度で焼成でき、しかも、０．１ＧＨｚ以上の高周波領域における誘電損失が低く、かつ銀導体と同時焼成を行っても多層基板が変形しないガラスセラミックス焼結体及びマイクロ波用回路部材を提供することである。
【解決手段】 本発明のガラスセラミックス焼結体は、質量百分率で、ＳｉＯ₂ ３５〜６５％、ＣａＯ １０〜３０％、ＭｇＯ １０〜２０％、ＺｎＯ １５〜３５％の組成を含有する結晶性ガラス粉末４０〜１００％と、セラミックス粉末０〜６０％を含むガラスセラミックス誘電体材料を焼成して、主結晶としてディオプサイド（ＣａＭｇＳｉ₂Ｏ₆）、ハーディストナイト（Ｃａ₂ＺｎＳｉ₂Ｏ₇）及びウイレマイト（Ｚｎ₂ＳｉＯ₄）の結晶を析出させたことを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、０．１ＧＨｚ以上の高周波領域において低い誘電損失を有するガラスセラミックス焼結体及びマイクロ波用回路部材に関するものである。

ＩＣ、ＬＳＩ等が高密度実装されるセラミックス多層基板等の誘電体材料として、アルミナセラミックスや、ガラス粉末とセラミックス粉末からなるガラスセラミックスが知られている。特にガラスセラミックスは、１０００℃以下の温度で焼成することができるため、導体抵抗の低いＡｇ、Ｃｕ等の低融点の金属材料との同時焼成が可能であり、これらを内層導体として使用することができるという長所がある。

近年、自動車電話やパーソナル無線に代表される移動体通信機器、衛星放送、衛星通信、ＣＡＴＶ等の通信機器の分野においては、利用される周波数帯域が０．１ＧＨｚ以上の高周波となりつつある。このような高周波帯域を利用する多層基板には、０．１ＧＨｚ以上の高周波領域における誘電損失が低いことが要求され、主結晶としてディオプサイドが析出するガラスセラミックス誘電体材料が開発されている。
特開２０００−１２８６２８号公報 特願２０００−０５４００９号（特開２００１−２４０４７０公報）

しかしながら、主結晶としてディオプサイドが析出するガラスセラミックスは、高周波領域での誘電損失が１０×１０^-4以下と低く、１０００℃以下の温度で焼成することができるが、焼成する際、収縮開始温度が高く、銀導体と同時焼成すると収縮に差が生じるため多層基板が変形しやすいという欠点があった。

本発明の目的は、１０００℃以下の温度で焼成でき、しかも、０．１ＧＨｚ以上の高周波領域における誘電損失が低く、かつ銀導体と同時焼成を行っても多層基板が変形しないガラスセラミックス焼結体及びマイクロ波用回路部材を提供することである。

本発明者等は種々の実験を重ねた結果、ＳｉＯ₂、ＣａＯ、ＭｇＯ及び、ＺｎＯを主成分として所定量含有する結晶性のガラス粉末を使用することによって上記目的が達成できることを見いだし、本発明として提案するものである。

即ち、本発明のガラスセラミックス焼結体は、質量百分率で、ＳｉＯ₂ ３５〜６５％、ＣａＯ １０〜３０％、ＭｇＯ １０〜２０％、ＺｎＯ １５〜３５％の組成を含有する結晶性ガラス粉末４０〜１００％と、セラミックス粉末０〜６０％を含むガラスセラミックス誘電体材料を焼成して、主結晶としてディオプサイド（ＣａＭｇＳｉ₂Ｏ₆）、ハーディストナイト（Ｃａ₂ＺｎＳｉ₂Ｏ₇）及びウイレマイト（Ｚｎ₂ＳｉＯ₄）の結晶を析出させたことを特徴とする。

また、本発明のガラスセラミックス焼結体は、ディオプサイド（ＣａＭｇＳｉ₂Ｏ₆）、ハーディストナイト（Ｃａ₂ＺｎＳｉ₂Ｏ₇）及びウイレマイト（Ｚｎ₂ＳｉＯ₄）の結晶が存在することを特徴とする。

また、本発明のマイクロ波回路部材は、質量百分率で、ＳｉＯ₂ ３５〜６５％、ＣａＯ １０〜３０％、ＭｇＯ １０〜２０％、ＺｎＯ １５〜３５％の組成を含有する結晶性ガラス粉末４０〜１００％と、セラミックス粉末０〜６０％を含むガラスセラミックス誘電体材料を焼成して、主結晶としてディオプサイド（ＣａＭｇＳｉ₂Ｏ₆）、ハーディストナイト（Ｃａ₂ＺｎＳｉ₂Ｏ₇）及びウイレマイト（Ｚｎ₂ＳｉＯ₄）の結晶を析出させたガラスセラミックス焼結体からなることを特徴とする。

また、本発明のマイクロ波回路部材は、主結晶としてディオプサイド（ＣａＭｇＳｉ₂Ｏ₆）、ハーディストナイト（Ｃａ₂ＺｎＳｉ₂Ｏ₇）及びウイレマイト（Ｚｎ₂ＳｉＯ₄）の結晶が存在するガラスセラミックス焼結体からなることを特徴とする。

本発明のガラスセラミックス焼結体は、ディオプサイド、ハーディストナイト及びウイレマイトの結晶が析出しているため、銀導体と同時焼成を行っても、基板の変形がない。また、０．１ＧＨｚ以上の高周波領域において低い誘電損失を有し、しかも、機械的強度も高い。それ故、マイクロ波用回路部材として好適である。

本発明に使用するガラスセラミックス誘電体材料において、結晶性ガラス粉末の組成範囲を上記のように限定した理由を以下に述べる。

ＳｉＯ₂はガラスのネットワークフォーマーであるとともに、ディオプサイド、ハーディストナイト、ウイレマイト結晶の構成成分となり、その含有量は３５〜６５％である。好ましい範囲は３７〜６０％であり、より好ましくは３７〜５８％であり、更に好ましくは４０〜５５％である。ＳｉＯ₂が３５％より少ないとガラス化せず、６５％より多いと１０００℃以下で焼成することができず、導体や電極としてＡｇやＣｕを用いることができない。

ＣａＯはディオプサイド、ハーディストナイト結晶の構成成分となり、その含有量は１０〜３０％である。好ましい範囲は１３〜２８％であり、より好ましくは１５〜２８％であり、更に好ましくは１８〜２５％である。ＣａＯが１０％より少ないとこれらの結晶が析出し難くなって誘電損失が高くなり、３０％より多いとガラス化しなくなる。

ＭｇＯはディオプサイド結晶の構成成分となり、その含有量は１０〜２０％である。好ましい範囲は１１〜１９％であり、より好ましくは１１〜１８％であり、更に好ましくは１２〜１７％である。ＭｇＯが１０％より少ないと結晶が析出し難くなり、２０％より多いとガラス化しなくなる。

ＺｎＯは収縮開始温度を低下させる成分であるとともにハーディストナイト、ウイレマイトの構成成分となる。その含有量は１５〜３５％である。好ましい範囲は１５〜３０％である。ＺｎＯが１５％より少ないと収縮開始温度を低下させる効果がなく、３５％より多くなると焼結体の緻密性が損なわれる。

また、上記成分以外にも、誘電損失等の特性を損なわない範囲でＳｒＯ、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂等の他成分をそれぞれ５％まで添加してもよい。

本発明に使用するガラスセラミックス誘電体材料は、上記組成を有する結晶性ガラス粉末のみで構成されてもよいが、曲げ強度、靭性等の特性を改善する目的でセラミックス粉末と混合してもよい。この場合、セラミックス粉末の混合量は６０質量％以下（好ましくは５０質量％以下）である。セラミックス粉末の割合をこのように限定した理由は、セラミックス粉末が６０％より多いと緻密化しなくなるためである。

セラミックス粉末としては、０．１〜１０ＧＨｚでの誘電損失が１０×１０^-4以下であるセラミックス粉末、例えばアルミナ、ムライト、クリストバライト、フォルステライト、エンスタタイト、ガーナイト等を使用することができる。なお０．１〜１０ＧＨｚでの誘電損失が１０×１０^-4を越えるセラミックス粉末を使用するとガラスセラミックスの誘電損失が高くなり易く好ましくない。

上記組成を有するガラスセラミックス誘電体材料を焼成することで、ガラス中からディオプサイド、ハーディストナイト及びウイレマイトの結晶が析出し、本発明のガラスセラミックス焼結体を得ることができる。

尚、本発明のガラスセラミックス焼結体は、０．１ＧＨｚ以上の高周波領域において誘電率が６〜９、誘電損失が１０×１０^-4以下となる。

次に、本発明のガラスセラミックス焼結体の製造方法を以下に述べる。

まず結晶性ガラス粉末、或いは結晶性ガラス粉末とセラミックス粉末の混合粉末に、所定量の結合剤、可塑剤及び溶剤を添加してスラリーを調製する。結合剤としては例えばポリビニルブチラール樹脂、メタアクリル酸樹脂等、可塑剤としては例えばフタル酸ジブチル等、溶剤としては例えばトルエン、メチルエチルケトン等を使用することができる。

次いで上記のスラリーを、ドクターブレード法によってグリーンシートに成形する。その後、このグリーンシートを乾燥させ、所定寸法に切断してから、機械的加工を施してスルーホールを形成し、例えば、銀導体や電極となる低抵抗金属材料をスルーホール及びグリーンシート表面に印刷する。次いでこのようなグリーンシートの複数枚を積層し、熱圧着によって一体化する。

さらに積層グリーンシートを、焼成することによって焼結体を得る。

なお焼結体の製造方法として、グリーンシートを用いる例を挙げたが、本発明はこれに限定されるものではなく、一般にセラミックスの製造に用いられる各種の方法を適用することが可能である。

また、本発明のマイクロ波用回路部材は、上記の焼結体表面上にＳｉ系やＧａＡｓ系の半導体素子のチップを接続することで得ることができる。

本発明のガラスセラミックス焼結体は、ガラス中にＺｎＯを１５％以上含有しているため、ディオプサイド（ＣａＭｇＳｉ₂Ｏ₆）結晶の他に、ハーディストナイト（Ｃａ₂ＺｎＳｉ₂Ｏ₇）及びウイレマイト（Ｚｎ₂ＳｉＯ₄）が析出する。また、これら全ての結晶が析出することにより、収縮開始温度が低くなり、銀導体と同時焼成しても基板が変形しない。さらに、これらの結晶は低誘電損失であるため、０．１ＧＨｚ以上の高周波領域で低い誘電損失を示すガラスセラミックス焼成体を得ることができる。

以下、本発明のガラスセラミックス焼結体を実施例に基づいて説明する。

表１は本発明の実施例（試料Ｎｏ．１〜３）を、表２は比較例（試料Ｎｏ．４〜６）をそれぞれ示すものである。

各試料は以下のように調製した。

まず表に示す組成となるようにガラス原料を調合した後、白金坩堝に入れて１４００〜１５００℃で３〜６時間溶融してから、水冷ローラーによって薄板状に成形した。次いでこの成形体を粗砕した後、アルコールを加えてボールミルにより湿式粉砕し、平均粒径が１．５〜３μｍの結晶性ガラス粉末とした。さらに試料Ｎｏ．１〜３、５及び６については、表に示したセラミックス粉末（平均粒径２μｍ）を添加し、混合粉末とした。続けて、得られた粉末試料を焼成し、焼結体を作製した。

このようにして得られた焼結体試料について、焼成温度、収縮開始温度、析出結晶、誘電率、誘電損失及び曲げ強度を測定した。また、銀導体と同時焼成した場合の変形の有無を確認した。結果を表に示す。

表から明らかなように、実施例の各試料は、８７０〜９００℃の低温で焼成可能であった。また、焼成して得られた焼結体は、ディオプサイド、ハーディストナイト及びウイレマイトの全ての結晶が析出していることが確認された。また、２．４ＧＨｚの周波数で誘電率が７．０〜８．５、誘電損失が３〜９×１０^-4であり、しかも、曲げ強度が２１００ｋｇｆ／ｃｍ²以上と高かった。一方、比較例である試料Ｎｏ．４及びＮｏ．５は、ディオプサイド結晶の他に、ハーディストナイト若しくはウイレマイトの結晶しか析出していないため、基板の変形が僅かに認められた。また、試料Ｎｏ．６は、ＺｎＯが含まれていないため、収縮開始温度が高くなり、銀導体と同時焼成した際に基板が変形した。

尚、焼成温度は、種々の温度で焼成した焼結体にインクを塗布した後に拭き取り、インクが残らない（＝緻密に焼結した）試料のうち最低の温度で焼成したものの焼成温度を記載した。

収縮開始温度はグリーンシート圧着体をＴＭＡ測定装置にかけ、収縮曲線を測定し、収縮を開始する付近で低温側より接線を引き、曲線が接線より離れる点を収縮開始温度として求めた。

析出結晶は、各試料を表に示す温度で焼成した後、Ｘ線回折によって求めた。

誘電率と誘電損失は、焼成した試料を用い、空洞共振器（測定周波数２．４ＧＨｚ）を使用して２５℃の温度での値を求めた。

曲げ強度は、焼成した試料を１０×４０×１ｍｍの板柱に成形し、３点荷重測定法によって測定した。

基板の変形はグリーンシート圧着体上に銀ペーストを塗布し、表に示す温度で焼成した後、基板の変形の有無を目視で確認し、全く変形が認められなかったものを◎とし、極わずかに変形が認められたものを○とし、明らかに変形が認められたものを×とした。

Claims (4)

1. 質量百分率で、ＳｉＯ₂ ３５〜６５％、ＣａＯ １０〜３０％、ＭｇＯ １０〜２０％、ＺｎＯ １５〜３５％の組成を含有する結晶性ガラス粉末４０〜１００％と、セラミックス粉末０〜６０％を含むガラスセラミックス誘電体材料を焼成して、主結晶としてディオプサイド（ＣａＭｇＳｉ₂Ｏ₆）、ハーディストナイト（Ｃａ₂ＺｎＳｉ₂Ｏ₇）及びウイレマイト（Ｚｎ₂ＳｉＯ₄）の結晶を析出させたことを特徴とするガラスセラミックス焼結体。
2. 主結晶としてディオプサイド（ＣａＭｇＳｉ₂Ｏ₆）、ハーディストナイト（Ｃａ₂ＺｎＳｉ₂Ｏ₇）及びウイレマイト（Ｚｎ₂ＳｉＯ₄）の結晶が存在することを特徴とするガラスセラミックス焼結体。
3. 質量百分率で、ＳｉＯ₂ ３５〜６５％、ＣａＯ １０〜３０％、ＭｇＯ １０〜２０％、ＺｎＯ １５〜３５％の組成を含有する結晶性ガラス粉末４０〜１００％と、セラミックス粉末０〜６０％を含むガラスセラミックス誘電体材料を焼成して、ディオプサイド（ＣａＭｇＳｉ₂Ｏ₆）、ハーディストナイト（Ｃａ₂ＺｎＳｉ₂Ｏ₇）及びウイレマイト（Ｚｎ₂ＳｉＯ₄）の結晶を析出させたガラスセラミックス焼結体からなることを特徴とするマイクロ波用回路部材。
4. 主結晶としてディオプサイド（ＣａＭｇＳｉ₂Ｏ₆）、ハーディストナイト（Ｃａ₂ＺｎＳｉ₂Ｏ₇）及びウイレマイト（Ｚｎ₂ＳｉＯ₄）の結晶が存在するガラスセラミックス焼結体からなることを特徴とするマイクロ波用回路部材。