JP2777076B2 - 高周波用低損失誘電体材料 - Google Patents

高周波用低損失誘電体材料

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JP2777076B2 JP7011577A JP1157795A JP2777076B2 JP 2777076 B2 JP2777076 B2 JP 2777076B2 JP 7011577 A JP7011577 A JP 7011577A JP 1157795 A JP1157795 A JP 1157795A JP 2777076 B2 JP2777076 B2 JP 2777076B2
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広一 田中
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、マイクロ波、ミリ波等
の高周波領域における発振器、アンテナ、フィルター、
あるいは電子回路基板等に適用される高周波用低損失誘
電体材料に関する。
【0002】
【従来技術】近年、自動車電話、コードレスフォン等の
移動体通信や簡易型携帯電話システム(PHS)、衛星
放送受信機等あるいは半導体、液晶製造用CVD装置等
の高周波機器、装置の発展、普及に伴い、高周波領域で
使用する電子部品や電子回路基板として高周波用誘電体
セラミックスが積極的に利用されている。
【0003】これら高周波用に用いられる誘電体材料は
高性能化のために高周波における誘電損失を小さくする
ことが要求されているが、近年の高周波技術の汎用化に
従い、高温、腐食等の特殊環境下で利用することも検討
されており、機械的特性に優れ、化学的に安定な高信頼
性の高周波用低損失誘電体材料が望まれている。
【0004】
【発明が解決しようとする問題点】これら課題を解決す
るために、誘電特性に優れる従来のBaO−TiO
2 系、MgO−CaO−TiO2 、CaO−ZrO2
等の誘電体セラミック材料の機械的、化学的特性の改良
が各種図られているが、その強度は室温でせいぜい10
0MPa程度であり、機械的、化学的特性は材料固有の
ヤング率、原子間結合様式、結合力に強く依存するため
大幅な改良は未だ達成されていないのが現状である。
【0005】一方、機械的、化学的特性に優れるセラミ
ックスの代表として、窒化珪素質焼結体が知られている
が、一般に機械部品に適用されている窒化珪素質焼結体
の高周波における誘電損失は、例えば精密工学会誌第5
3巻第5号(1987年)p743−p748によれば
6GHzで7×10-4と大きく、高周波用の誘電体材料
としては不適であった。誘電体材料としてこれまで窒化
珪素はほとんど検討されていなかった。
【0006】本発明者等は、高い強度を有するとともに
高周波帯域において低損失な材料について検討を重ね、
窒化珪素質焼結体の機械的強度が高いことから、この窒
化珪素質焼結体をベースにその誘電損失を低減すること
に対して検討を進めた結果、窒化珪素質焼結体中に含ま
れるアルミニウム含有量を特定量に制御することにより
10GHzにおける誘電損失が4×10-4以下まで低減
し、高周波用に適した材料となることを見いだし本発明
に至った。
【0007】即ち、本発明の高周波用低損失誘電体材料
は、窒化珪素を主体とし、不純物的酸素、あるいは不純
物的酸素と周期律表第3a族化合物を含有する窒化珪素
質焼結体からなり、該焼結体中におけるアルミニウムの
酸化物換算量が0.5重量%以下であり、且つ10GH
zにおける誘電損失が4×10-4以下であることを特徴
とするものである。
【0008】以下、本発明を詳述する。本発明における
誘電体材料は、窒化珪素を主成分とするものであり、窒
化珪素以外の成分として、少なくとも不純物的酸素、あ
るいは不純物的酸素と周期律表第3a族元素化合物を含
むものである。ここで、不純物的酸素とは、窒化珪素質
焼結体中に含まれる酸素のうちの二酸化珪素(Si
2 )成分を示している。この不純物的酸素は、窒化珪
素原料中に不可避的に含まれる不純物酸素、あるいは意
図的に添加された酸化珪素(SiO2 )によるものであ
る。
【0009】また、周期律表第3a族元素化合物は、焼
結助剤として添加される成分であり、例えば、Y、L
a、Ce、Sm、Dy、Ho、Er、Yb、Luおよび
Scなどが挙げられるが、これらの中でも強度の点から
イオン半径の小さいEr、Yb、Lu等が望ましく、こ
れらの中でも特にLuが望ましい。この周期律表第3a
族元素化合物は、酸化物換算で10mol%以下が適当
で、望ましくは3mol%以下である。また、上記不純
物的酸素、即ち二酸化珪素含有量は、周期律表第3a族
元素化合物の酸化物換算(RE2 3 )量とのモル比
(SiO2 /RE23 )で1.5〜10が適当で、特
に1.8〜3.5が望ましい。
【0010】本発明によれば、焼結体中のアルミニウム
(Al)含有量は、焼結体の誘電損失を決定する大きな
要因でありAl量が低減するに従い誘電損失も低減され
る。
【0011】従って、Al量が酸化物(Al2 3 )換
算で0.5重量%以下であることが重要であり、特に
0.1重量%未満であることが望ましい。このAl量
は、0.5重量%を越えると低損失の焼結体が得られな
い。
【0012】また、本発明の誘電体材料は、上記Al量
を満足することを除き、他の成分としてアルカリ土類金
属やモリブデン、タングステン化合物等の複合粒子を微
量含有していても構わない。
【0013】さらに、本発明の誘電体材料は、焼結体と
して緻密化しているものであれば、特にその密度を格別
制限するものでないが、高強度化の面から相対密度90
%、特には95%以上であることが望ましい。組織的に
は、窒化珪素結晶粒とその粒界相により構成され、前述
の周期律表第3a族元素化合物および不純物的酸素は、
焼結体の粒界を構成する成分としてガラス相あるいは結
晶相を形成する。結晶相についても窒化珪素結晶粒はα
型、β型のいずれの結晶相でも問題は無いが、高温強度
を高めるには粒界結晶相は結晶化しているほうがよい。
【0014】陽イオン不純物としては、アルミニウムが
前述の範囲を満足すれば特に制限しないが、強度の点か
らは少ない方が好ましく、Fe、Ni、Zn等の遷移金
属は酸化物換算の合量で1重量%以下、好ましくは0.
5重量%以下が良い。また、窒化珪素原料に吸着してい
るフッ素(F)、塩素(Cl)は市販されている窒化珪
素粉末レベル、即ち、0.1重量%以下であれば問題な
いが少ないほうが好ましい。またNaやKなどのアルカ
リ金属は、その量が多すぎると、誘電損失に影響を与え
る場合があるため、アルカリ金属量は、0.1重量%以
下であることをが望ましい。
【0015】なお、本発明の誘電体材料は、例えば、窒
化珪素原料としてAl量の少ない原料を用いて、これに
酸化珪素あるいは周期律表第3a族元素の酸化物等の化
合物を添加し、これを混合した後、所望の成形手段、例
えば、金型プレス,冷間静水圧プレス,押出し成形、ド
クターブレード法等によりブロック形状あるいはシート
形状などの任意の形状に成形後、焼成する。
【0016】焼成は、窒素中で窒化珪素の分解を抑制し
える条件下で焼成することが必要で、常圧焼成、窒素ガ
ス加圧焼成、熱間静水圧焼成法など周知の焼成方法を採
用することができる。焼成温度としてはその組成にもよ
るが、1600〜2000℃の温度範囲で密度90%以
上が達成されるように焼成する。
【0017】
【作用】本発明によれば、高周波用に使用される誘電体
材料として、窒化珪素を主成分として、他の成分として
不純物的酸素、あるいは不純物的酸素と周期律表第3a
族元素化合物を含むもので、その中のAl量を酸化物換
算で0.5重量%以下に制御し、10GHzにおける誘
電損失が4×10-4以下の優れた低損失の高周波用誘電
体材料となるものである。
【0018】特にAl量は誘電体としての誘電損失を大
きく影響を与える。アルミニウムの存在が誘電損失を大
きくする明確な理由は定かでは無いが、通常アルミニウ
ムは、窒化珪素に固溶しサイアロン(Si−Al−O−
N)を形成し熱伝導を低下させると同時に粒界に低融点
組成を形成し高温強度も劣化させることが知られてい
る。このようなことからサイアロンまたは低融点組成物
が誘電損失特性に大きく影響するのではないかと推測さ
れる。
【0019】本発明の誘電体材料は、10GHzの高周
波でも誘電損失(tanδ)4×10-4以下の低損失で
ありしかもこれまで知られる誘電体材料に比較して格段
に高強度を有する。よって、本発明の誘電体材料は、過
酷な条件下で使用されるマイクロ波、ミリ波等の数百M
Hz〜300GHz、特に1GHz〜100GHzの高
周波帯域に適用される発振器、アンテナ、フィルター、
あるいは電子回路基板等に適した誘電体材料であり、か
かる誘電体材料を用いることにより信頼性の高い高周波
用電子部品が提供できる。
【0020】
【実施例】イミド分解法にて製造されたα率95%の高
純度窒化珪素原料(遷移金属不純物総量100ppm以
下、Al量20ppm以下;A原料)と、直接窒化法に
て製造されたα率90%の窒化珪素原料(遷移金属不純
物総量1000ppm以下、Al量200ppm以下;
B原料)、及び直接窒化法にて製造されたα率70%の
低純度窒化珪素原料(遷移金属不純物量10000pp
m以下、Al量1000ppm以下;C原料)の3種
(いずれもBET比表面積8m2 /g以上、平均粒径2
〜5μm)を用意した。
【0021】焼結助剤として純度99.9%以上、微粉
のAl2 3 、SiO2 、周期律表第3a族元素酸化物
(RE2 3 )を使用し、表1、表2に示す組成に秤量
した。このうち、SiO2 は窒化珪素原料中の不純物酸
素をSiO2 換算したものも含めた。この秤量粉末を所
定量ポリエチレン製500mlポットにいれウレタンボ
ールを用い、IPA(イソプロパノール)を有機溶媒と
して72時間回転ミルにて混合、粉砕し、得たスラリー
にバインダーを添加しスプレードライして造粒粉末を得
た。成形は金型プレスにて1ton/cm2 の成形圧で
直径20mm、厚さ10mmの形状及び強度測定用とし
て5×6×45mm形状に成形し、成形体は500℃に
て脱脂後、焼成用試料とした。
【0022】焼成は、1750℃、5時間、1.2気圧
窒素中焼成(PLS法)、前記PLS法で焼成後、さら
に1850℃、5時間、9気圧窒素中焼成(GPS)、
1950℃、3時間、2000気圧アルゴン中、ガラス
浴中に成形体を埋めてHIP焼成(HIP)の3種検討
した。
【0023】試料は95%以上に緻密化していることを
確認し、円筒、平面研削を施し誘電損失特性測定用とし
て直径15mm、厚さ7mmの試料に加工し、また強度そ
の他分析用としてJIS試験片形状(3×4×35m
m)に加工し評価用試料とした。誘電損失の測定は円柱
共振器測定法により10GHzの共振周波数にて測定し
た。試料は測定後中心部を切り出し、ICP分析からA
l量を定量しアルミナ(Al2 3 )換算し、また粉末
X線回折より窒化珪素結晶相以外の結晶相を同定した。
また強度特性はJISR1601に準じて4点曲げ試験
にて測定し結果を表1、表2に示した。
【0024】
【表1】
【0025】
【表2】
【0026】表1、表2から明らかなように、Al量が
酸化物換算で0.5重量%を越える試料No.10〜1
4、16、17、19、33は強度は十分であるが、誘
電損失4×10-4を越えるのに対して、Al量が酸化物
換算で0.5重量%以下の本発明の誘電体材料は、10
GHzの高周波にて測定した時の誘電損失が4×10-4
以下、室温強度が400MPa以上、特に600MPa
以上が達成された。特にAl量が酸化物換算で0.1重
量%未満では、誘電損失3×10-4以下の優れた特性が
得られた。
【0027】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明の誘電体材
料は、高周波においても低損失を有するものでしかも高
い強度を有することから、過酷な条件下で強度が要求さ
れるような高周波用電子部品に適用した場合に高い信頼
性を付与することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き 審査官 後谷 陽一 (56)参考文献 米国特許4654315(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 35/584 H01B 3/12 336 H01P 7/10

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】窒化珪素を主体とし、不純物的酸素、ある
    いは不純物的酸素と周期律表第3a族化合物を含有する
    窒化珪素質焼結体からなり、該焼結体中におけるアルミ
    ニウムの酸化物換算量が0.5重量%以下であり、且つ
    10GHzにおける誘電損失が4×10-4以下であるこ
    とを特徴とする高周波用低損失誘電体材料。
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US4654315A (en) 1985-04-08 1987-03-31 Gte Products Corporation Low dielectric loss silicon nitride based material

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