JP2568204B2 - セラミツク及びこれを用いた回路基体と電子回路基体 - Google Patents

セラミツク及びこれを用いた回路基体と電子回路基体

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は誘電体磁器基体等の電子材料として利用する
ことのできるセラミツク及びこのセラミツクを用いた回
路基体と電子回路基体に関する。
〔従来の技術〕
従来、電子回路基体は、導体回路のみ、導体回路と抵
抗、もしくは導体回路と抵抗と限られた範囲のコンデン
サーを具備して構成され、その他の機能部分は、素子と
して分離して基体に装着されていた。
即ち、例えば、従来の磁器基板に於いては、導体と抵
抗体の内蔵基板が中心であり、コンデンサーはチツプ部
品等として半田付けにより装着されていた。この為、電
子回路の小型化には限界があった。第11図にその１例を
示す。111は磁器基板、112は導体回路、113は抵抗体、1
14はチツプコンデンサーである。
近年、同一の磁器基板内で誘電率を変化させる事によ
り、基板内に複数個のコンデンサーを内蔵させようとす
る試みがなされている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、従来、同一基板内に異なった誘電体部
分を形成する方法が非常に難しく、例えば積層セラミツ
クコンデンサーを作製する場合の煩雑さを考えれば自明
である様に、複数個のコンデンサーを内蔵する基板は、
未だ実現乃至実用化されていないのが現状である。又、
高誘電率の部分を限られた構造スペースのなかで動作上
互いに影響を及ぼし合わない程度に素子機能部分として
十分に分離された状態にすることも、重要な技術的課題
となっていた。
更に、この様な電子部品乃至は回路基体にまつわる機
能部分の分離内蔵の問題点は、誘電体磁器に限らず、セ
ラミツク内に２つ以上の同種又は異種の機能部分を形成
しようとする場合に、普く顕現されていた。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明の第１の目的は、複数の機能部分を十分に分離
された状態で画成して内蔵し得るセラミツクを提供する
ことにある。
本発明の第２の目的は、前述した様に複数の機能部分
を十分に分離された状態で画成して内蔵し得るセラミツ
クによつて構成されることにより、互いに素子機能部分
として十分に分離された状態で複数の電子部品構成単位
を内蔵し得る回路基体並びに電子回路基体を提供するこ
とにある。
上記第１の目的は、TiO2 49.50〜54.00モル％およびS
rO 50.50〜46.00モル％から成る主成分100モル部に対
し、MnO2 0.50〜5.30モル部及びY2O3 0.02〜0.40モル部
が含有されている半導体磁器の結晶粒界に絶縁層を有す
る誘電体磁器から成る第１の領域と、該第１の領域の組
成に、前記主成分100モル部に対して0.40〜5.00モル部
のMgOが更に含有された組成を有する誘電体磁器から成
る第２の領域と、を具備することを特徴とするセラミツ
クによって達成される。
上記第２の目的は、TiO2 49.50〜54.00モル％及びSrO
50.50〜46.00モル％から成る主成分100モル部に対し、
MnO2 0.50〜5.30モル部及びY2O3 0.02〜0.40モル部が含
有されている半導体磁器の結晶粒界に絶縁層を有する誘
電体磁器から成る第１の領域と、該第１の領域の組成
に、前記主成分100モル部に対して0.40〜5.00モル部のM
gOが更に含有された組成を有する誘電体磁器から成る第
２の領域と、を具備したセラミツクの内部乃至は周囲に
電極を有していることを特徴とする回路基体、並びに、
TiO2 49.50〜54.00モル％及びSrO 50.50〜46.00モル％
から成る主成分100モル部に対し、MnO2 0.50〜5.30モル
部及びY2O3 0.02〜0.40モル部が含有されている半導体
磁器の結晶粒界に絶縁層を有する誘電体磁器から成る第
１の領域と、該第１の領域の組成に、前記主成分100モ
ル部に対して0.40〜5.00モル部のMgOが更に含有された
組成を有する誘電体磁器から成る第２の領域と、を具備
したセラミツクの内部乃至は周囲に電極を有し、前記セ
ラミツク上に電子回路部品が装着されていることを特徴
とする電子回路基体によって達成される。
〔実施例〕
本発明のセラミツクを、例えば電子材料セラミツクと
して利用する場合、本発明のセラミツク内に形成し得る
前記機能部分として、例えばコンデンサーを構成する誘
電体、或いは導体、半導体、抵抗体、絶縁体、ダイオー
ド、トランジスター等の電子部品構成単位を例示するこ
とができる。本発明に於いてこれらの機能部分は、前記
第１の領域又は第２の領域に於いて形成可能であり、
又、これらの領域の組み合せ、これらの領域とこれらの
領域以外の領域の組合せ、或いはこれらの領域以外の領
域に於いても形成可能である。
又、例えば、前記第２の領域を介在させて２つ以上の
前記第１の領域を分離して配置したり、或いはその逆に
前記第１の領域を介在させて２つ以上の前記第２の領域
を分離して配置したりすれば、前記第１の領域或いは第
２の領域により構成される２つ以上の機能部分を十分に
分離された状態で形成することができる。又、第１の領
域と第２の領域を共に機能部分として使用することもで
きる。
本発明方法のセラミツクの１例として、板状の誘電体
磁器基体について、前記第１の領域及び第２の領域の形
状例を第１図乃至第３図に示す。なお、ここで第１の領
域により機能部分が構成されているものとする。第１図
乃至第３図の例に於いて、１は板状誘電体磁器基体、Ａ
は第１の領域、Ｂは第２の領域である。
第１図に於いては、板状誘電体磁器基体１の両主面に
到達する断面矩形の第２の領域Ｂが設けられ、この領域
Ｂを挟んで、２つの互いに分離された第１の領域A,Aが
設けられている。
第２図の例では、磁器１の両主面の夫々の表層部分に
断面矩形の第２の領域B,Bが設けられ、これらの領域B,B
を挟んで、２つの互いに分離された第１の領域A,Aが設
けられている。
第３図の例では、磁器１の一方の主面の表層部分に断
面矩形の第２の領域Ｂが設けられ、この領域Ｂを挟ん
で、２つの互いに分離された第１の領域A,Aが設けられ
ている。
なお、第１図乃至第３図の例では、第２の領域Ｂを１
つ又は２つ設けているが、これに限定されず、所望する
機能部分（第１の領域）の数に応じて決めることがで
き、３つ以上の領域を設けてもよいことは、言うまでも
ない。
前記第１の領域を、コンデンサーを構成するための誘
電体の領域とする場合、第１の誘電体磁器は、高誘電率
であることが必要であるが、これと併せて誘電損失や容
量の温度変化率等、誘電体自体やコンデンサーを構成し
た場合の特性が実用上好ましいものであることが望まれ
る。
この場合、第１の誘電体磁器の誘電率としては、35,0
00以上であることが好ましい。これによって、セラミツ
クの形状的な条件を入れても、コンデンサー容量として
0.047μＦ程度まで形成し得ることになり、例えばビデ
オ回路等に応用した場合、汎用されているセラミツクチ
ツプコンデンサーのうちの約半数の種類のコンデンサー
をセラミツク内に形成し得ることになる。
又、この様に第１の領域を高誘電体領域として利用す
る場合、第１の誘電体磁器の誘電率が第２の誘電体磁器
の誘電率の10倍以上とされていることが好ましい。これ
は、機能部分相互の影響をなくすために要望される性能
であり、誘電率に10倍以上の差をつければ回路の小型化
の点で非常に有利となるためである。
前記第１の領域を高誘電体領域とする場合、第１の領
域を構成する磁器としては、第一に高い誘電率を有し、
第二にtanδ、温度特性等の性能が良好な組成が好まし
い。これらを満足するものとして結晶粒界を絶縁した半
導体磁器が知られている。
近年、この種の半導体磁器としては、チタン酸、スト
ロンチウムを主成分とするものが多用されている。
ここで、TiO2 49.50〜54.00モル％及びSrO 50.50〜4
6.00モル％からなる主成分100モル部に対し、MnO2 0.5
〜5.3モル部、Y2O3 0.02〜0.40モル部を添加してなる半
導体磁器の結晶粒界をBi2O3等で絶縁したものは、 （１）誘電率＝35000〜140000 （２）tanδ≦２％ （３）誘電率の温度変化が−25℃〜＋85℃の範囲で±15
％以内 と良好な誘電特性を有している。
この半導体磁器に於いて主成分であるTiO2とSrOは、
固溶体等の複合酸化物、TiO2、SrO夫々の単独酸化物、
或いはこれらの混合物として組成物中に存在し得る。組
成物中に於けるTiO2とSrOの量比を、TiO2 49.50〜54.00
モル％に対しSrO 50.50〜46.00モル％としたのは、TiO2
の量が多くなると、即ちSrOの量が少なくなると、所望
する誘電体磁器の誘電率が低下し、誘電損失と誘電率の
温度変化が大きくなり、しかも磁器の絶縁抵抗が減少す
る。TiO2の量が少なくなると、即ちSrOの量が多くなる
と、所望する誘電体磁器の誘電率が低下し、誘電率の温
度変化が大きくなる。本発明組成物中に於けるTiO2とSr
Oの量比は、これらの誘電率、誘電損失、誘電率の温度
変化、磁器の絶縁抵抗、半導体化能といった所望特性を
バランス良く最適に発現させるために決定される。
本発明のセラミツクに於いてMnO2は磁器を形成するた
めの焼結助剤の役割を有するものであり、その使用量を
前記TiO2及びSrOから成る主成分100モル部に対して0.50
モル部以上に限定したのは、MnO2が0.50モル部未満であ
ると所望する誘電体磁器の誘電率が低下すると共に誘電
率の温度変化が大きくなるからである。前記TiO2及びSr
Oから成る主成分100モル部に対して5.3モル部以下に限
定したのは、MnO2が5.3モル部を越えると誘電損失の増
加が顕著となるためである。
次に、本発明のセラミツクに於いてY2O3は磁器の半導
体化に効果を有するものであり、その使用量を前記TiO2
及びSrOから成る主成分100モル部に対して0.02モル部以
上に限定したのは、Y2O3が0.02モル部未満であると磁器
の半導体化が不十分となり、誘電率が低下するためであ
る。前記TiO2及びSrOから成る主成分100モル部に対して
0.4モル部以下に限定したのは、Y2O3が0.4モル部を越え
ると誘電率が低下し、誘電損失が大きくなるためであ
る。
本発明の特徴の１つは、第２の領域を構成する第２の
誘電体磁器をMgOの存在により第１の領域とは誘電率の
異なる磁器とすることにある。
第１及び第２の領域の誘電体磁器を一体の構造物とし
てのセラミツク中に存在させるためには、その界面に於
いて反応性を有することが必要であると共に、逆に接合
部で変形したり、強度分布が大幅に変化したり、応力が
内包されたりしない様反応性を余り大きくしない様にす
ることが望ましい。
本発明は磁器の電気的特性がMgOの存在によって大幅
に変り得るという性質を利用したものであり、これによ
ってセラミツク内に於ける機能部分の分離を可能ならし
めた。たとえば後記参考例に於いても詳しく述べられて
いるように、MgOの添加量を微量変化させた場合に於い
て、誘電率は数百から数万のオーダーの間で極めて著し
く変化することが確認された。従って、磁器の組成を大
幅に変えることなしに誘電率の異なる領域を画成して同
一セラミツク内に内蔵させることができる。
本発明のセラミツクを製造する方法の１例を以下に説
明する。なお、ここでは、前記第１の領域の半導体磁器
を構成する磁器形成組成物をC1及び前記第２の領域を構
成する磁器形成組成物をC2とする。
この製造例は、第６図に示される様な工程によって行
うことができる。
即ち、第４図に示す金型11に取り去る事の可能な仕切
板12を設け、13,14にC1を充填し、15にC2を充填し仕切
板を取り去る。そして加圧成型を行う。ここで成形体は
第５図に示す。21,22はC1、23はC2の各粒子群で充填さ
れている。第５図に於いて、例えば、ａ＝3mm、ｂ＝2m
m、ｃ＝3mm、ｄ＝10mm、ｅ（厚さ）＝0.55mmとした。こ
の成形体を１次焼成して半導体化し、次いで例えば、か
くして得られた半導体磁器の表面に結晶粒界への拡散成
分となる添加剤を塗布して２次焼成して半導体磁器の結
晶粒界に絶縁層を形成して誘電体磁器化する。
本発明のセラミツクの一形状例を第７図（ａ）（平面
図）、第７図（ｂ）（第７図（ａ）のＡ−Ａ断面図）に
示した。
第７図（ａ），（ｂ）に示したセラミツクは、板状の
誘電体磁器１の内部に複数の高誘電率の領域71,71,71,
…が画成されており、これらの領域が低誘電率の領域7
2,72,72,…によって互いに分離された状態になってい
る。
次に、本発明の回路基体は、本発明のセラミツクの内
部乃至は周囲に少なくとも電極を有し、且つ必要に応じ
て導体、抵抗体及び絶縁体等のうち少なくとも１種類の
機能部分を有していることを特徴としている。
本発明の回路基体の構成例として、同一要素を同一符
号で表わすと、第８図に示した回路基体は、第７図
（ａ），（ｂ）に示したセラミツクの夫々の高誘電率の
領域の両主面に例えば銀ペースト等の厚膜導電ペースト
などにより構成された一対の電極群81,81a,81,81a,81,8
1a,を有している。
又、第９図に示した回路基体の例は、第８図に示した
回路基体に、更に例えばガラス等の絶縁体ペーストのス
クリーン印刷などにより必要に応じて設けられるビアホ
ール部分91を残して形成された絶縁層92,92a、ビアホー
ル91内及び絶縁層上に印刷された導体回路部分93、及び
抵抗体部分94を備えている。
更に、本発明の電子回路基体は、本発明のセラミツク
の内部乃至は周囲に電極を有し、且つ必要に応じて導
体、抵抗体及び絶縁体等のうち少なくとも１種類の機能
部分が存在し、且つこのセラミツク上に電子回路部品が
装着されていることを特徴としている。
同一要素を同一符号で表わすと、例えば第10図に示し
た電子回路基体は、導体回路部分93に接続されたフラツ
トパツケージIC101及びチツプ部品102を装着している。
以下に参考例、実施例を示して本発明を更に詳しく説
明する。
第１表に示す組成比率の半導体磁器が得られるよう
に、TiO2,SrO,MnO2,Y2O3の各原料を秤取し、湿式ボール
ミルで12時間粉砕混合を行った。このものを乾燥後少量
のポリビニルアルコールをバインダーとして加え24〜80
メツシユに造粒し油圧プレスによって直径20mm、厚さ0.
7mmの円板に成型した。次いで、この成型円板を大気中9
50℃で１時間仮焼してバインダーを燃焼させた。これを
室温まで冷却後、水素10容量％、窒素90容量％からなる
還元雰囲気中で1400℃で４時間焼成した。
こうして得られた半導体磁器に、重量比がエチルアル
コールBi2O3又はNa2O＝10:1となる懸濁液にドブ浸け
後、1250℃、0.5時間、酸化雰囲気にて焼成して結晶粒
界に絶縁層を形成した。
かくして得られた誘電体磁器の円板（試料No.1〜25）
の両面に銀ペーストを塗布し、850℃、30分焼付して電
極を形成しコンデンサを作製した。
こうして得られたコンデンサーを構成する誘電体磁器
の誘電率（ε）、誘電損失（tan δ）、絶縁抵抗（IR）
および誘電率の温度特性（25℃を基準とする−25℃，±
85℃に於ける温度変化率）を測定し、その結果を第１表
に示した。測定条件は25℃、周波数1kHzである。なお第
１表中の＊は、本発明の範囲外にある試料である。
また、この高誘電率組成（以下C1と呼ぶ）にMgOを添
加した場合、MgOの添加量の増加とともに磁器結晶粒径
は減少し、半導体磁器の体積抵抗率は増大し、その結
果、誘電率は顕著に低下する。
MgOの添加効果を第２表に例示する。
C1に於いて、その主成分（TiO 49.50〜54.00モル％お
よびSrO 50.50〜46.00モル％）100モル部に対するMgOの
添加量が0.40モル部未満では誘電率の低下分が少なく、
およそ1.5モル部の添加で誘電率は500を下回るまでに低
下する。更に添加量を増した場合、誘電率は減少するが
その傾向は鈍く、５モル部を超えた時点からは焼結性が
低下し機械的強度（曲げ強度で代表する）が低下し好ま
しくない。
従ってMgOの添加に際しては、５モル部以下で所望す
る誘電率が得られる量が実験より求められるが、第１の
領域の誘電率ε1と第２の領域の誘電率ε2との比率ε1
／ε2が前述のように10以上であるように設計するには
0.40〜5.00モル部の添加が必要となる。
第２表から明らかな様に、MgOの添加量を変えること
により、誘電率が極めて大きな変化を示すことが分か
る。
実施例１〜５ 第６図に示した工程説明図に従い、第１表及び第２表
に示した参考例１〜35の誘電体磁器形成組成物のうち、
高誘電率の組成物（C1）と低誘電率の組成物（C2）とし
て第３表に示した組合せを用い、第４図に示した金型11
に仕切板12を立て、空隙13,14にC1、空隙15にC2を充填
した後、参考例１〜35と同じ条件にて半導体化し、第１
表に示されたC1に用いた前記粒界絶縁剤と同じものを用
い、同じ焼成条件にて粒界絶縁層を形成し、第５図に示
した様に低誘電率の領域23を介在して互いに離隔した２
つの高誘電率の領域21,22を有するセラミツクを作製し
た。
かくして得られたセラミツクの高誘電率の領域21,22
の両主面に参考例と同様にして電極を形成して、コンデ
ンサー特性を測定した。結果を第３表に示した。
以上から明らかな様に、本発明のセラミツクによれ
ば、複数のコンデンサー機能部分を充分に分離された状
態で有し得る。
〔発明の効果〕 本発明のセラミツクによれば、複数の機能部分を十分
に離れた状態で内蔵し得る。
又、本発明の回路基体並びに電子回路基体によれば、
前述した様に複数の機能部分を充分に分離された状態で
画成して内蔵し得るセラミツクによって構成されること
により、互いに素子機能部分として充分に分離された状
態で複数の電子部品構成単位を内蔵し得る。
【図面の簡単な説明】
第１図乃至第３図は、夫々本発明のセラミツクに於ける
第１の領域及び第２の領域の形状例を示した模式的断面
図である。 第４図は、実施例で使用した、本発明のセラミツクを製
造するための金型の模式的斜視図であり、第５図はこの
金型による成形体を原料として製造されたセラミツクの
模式的斜視図であり、第６図はこのセラミツクの製造の
工程説明図である。 第７図（ａ）は、本発明のセラミツクの構成例を示した
平面図、第７図（ｂ）は第７図（ａ）中Ａ−Ａ断面図で
ある。 第８図及び第９図は、夫々本発明の回路基体の構成例を
示した模式的断面図であり、第10図は本発明の電子回路
基体の構成例を示した模式的断面図である。 第11図は、従来の磁器基板の模式的断面図である。 Ａ……第１の領域、Ｂ……第２の領域、71,71,71……高
誘電率部分、72,72,72……低誘電率部分、81,81a……電
極、91……ビアホール、92……絶縁体、93……導体回
路、94……抵抗体、101……フラツトパツケージIC、102
……チツプ部品。
フロントページの続き (72)発明者 坂口 道明 北海道美唄市光珠内549 日本油脂株式 会社美唄工場内 (56)参考文献 特開 昭63−2310（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−202858（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−53160（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−54025（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−78493（ＪＰ，Ａ)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】TiO2 49.50〜54.00モル％及びSrO 50.50〜
    46.00モル％から成る主成分100モル部に対し、MnO2 0.5
    0〜5.30モル部及びY2O3 0.02〜0.40モル部が含有されて
    いる半導体磁器の結晶粒界に絶縁層を有する誘電体磁器
    から成る第１の領域と、該第１の領域の組成に、前記主
    成分100モル部に対して0.40〜5.00モル部のMgOが更に含
    有された組成を有する誘電体磁器から成る第２の領域
    と、を具備することを特徴とするセラミツク。
  2. 【請求項２】前記第１の領域の誘電体磁器の誘電率が前
    記第２の領域の誘電体磁器の誘電率の10倍以上である、
    特許請求の範囲第（１）項に記載のセラミツク。
  3. 【請求項３】TiO2 49.50〜54.00モル％及びSrO 50.50〜
    46.00モル％から成る主成分100モル部に対し、MnO2 0.5
    0〜5.30モル部及びY2O3 0.02〜0.40モル部が含有されて
    いる半導体磁器の結晶粒界に絶縁層を有する誘電体磁器
    から成る第１の領域と、該第１の領域の組成に、前記主
    成分100モル部に対して0.40〜5.00モル部のMgOが更に含
    有された組成を有する誘電体磁器から成る第２の領域
    と、を具備したセラミツクの内部乃至は周囲に電極を有
    していることを特徴とする回路基体。
  4. 【請求項４】前記第１の領域の誘電体磁器の誘電率が前
    記第２の領域の誘電体磁器の誘電率の10倍以上である、
    特許請求の範囲第（３）項に記載の回路基体。
  5. 【請求項５】TiO2 49.50〜54.00モル％及びSrO 50.50〜
    46.00モル％から成る主成分100モル部に対し、MnO2 0.5
    0〜5.30モル部及びY2O3 0.02〜0.40モル部が含有されて
    いる半導体磁器の結晶粒界に絶縁層を有する誘電体磁器
    から成る第１の領域と、該第１の領域の組成に、前記主
    成分100モル部に対して0.40〜5.00モル部のMgOが更に含
    有された組成を有する誘電体磁器から成る第２の領域
    と、を具備したセラミツクの内部乃至は周囲に電極を有
    し、前記セラミツク上に電子回路部品が装着されている
    ことを特徴とする電子回路基体。
  6. 【請求項６】前記第１の領域の誘電体磁器の誘電率が前
    記第２の領域の誘電体磁器の誘電率の10倍以上である、
    特許請求の範囲第（５）項に記載の電子回路基体。
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