JP3220361B2 - アルミナ質磁器組成物 - Google Patents

アルミナ質磁器組成物

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、誘電体共振器、マ
イクロ波導波路、マイクロ波コンデンサ、マイクロ波I
C基板、ICパッケージ、誘電体アンテナ等の電気通信
分野またはマイクロ波透過窓等の核融合関係設備分野な
どの高周波用として好適に利用されるアルミナ質磁器組
成物に関する。
【0002】
【従来技術】近年、通信網の急激な発展に伴って、通信
に使用する周波数が拡大すると同時に、マイクロ波領域
やミリ波領域などの高周波領域にまで及びつつある。一
方、誘電体磁器は、コンデンサなどの他に、誘電体共振
器や集積回路基板、誘電体アンテナ、各種高周波回路の
インピーダンス整合等に応用されており、これらについ
てもマイクロ波やミリ波に対しても適応可能なものが望
まれている。例えば、フィルタやガンまたはFETマイ
クロ波発振器の周波数安定化のために必要となり、その
需要が増大している。
【0003】マイクロ波回路素子の大きさは、電磁波の
波長が基準となっており、誘電体を用いたマイクロ波立
体回路内を電磁波が伝搬するときのその波長は、真空中
の波長をλ0 、比誘電率をεとするとλ0 /ε1/2 とな
る。
【0004】一方、セラミックスとして最も一般に使用
されているアルミナは、サファイア単結晶の場合、誘電
率が10前後、誘電損失は10-6(8GHz)と低損失
であるが、非常に高価である。これに対して、アルミナ
粉末に各種の焼結助剤を添加し焼結したアルミナ質焼結
体は、機械的強度が高く、低コストであるため上述した
ような電気通信分野での利用が大いに期待されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、アルミ
ナを主成分とする磁器は、そもそも共振周波数の温度係
数(以下、τfと記す)が約−55ppm/℃と大きい
ため使用用途が極めて制限されるという問題があった。
このτfを制御する方法としては、τfが正の成分と負
の成分を適宜組み合わせることにより調整することが可
能であるが、誘電損失が大きくなるなど、高周波におけ
る低損失を維持しつつ、τfを小さくすることは困難で
あった。また、サファイア(Al2 3 )などの単結晶
の誘電損失が非常に低いが、アルミナ質焼結体に比較し
て非常に高いという問題がある。
【0006】そのため、サファイアと同程度の低誘電損
失を有しつつ、しかもτfの小さい安価な磁器が要求さ
れていた。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、まず、ア
ルミナのτfの絶対値を低下させるためには、アルミナ
と逆の符号の温度係数を持つ化合物を添加する必要があ
ることを前提に種々検討した結果、アルミナへの添加物
として、TiO2 とNb2 5 とを特定の範囲で組み合
わせて添加した結果、低誘電損失と、τfの絶対値を低
減できることを見いだし、本発明に至った。
【0008】即ち、本発明のアルミナ質磁器組成物は、
Al23、TiO2およびNb25を主成分とし、各成
分のモル比による組成比が、図1のAl23−TiO2
−Nb253成分組成図における下記点A、B、C、D による線分A−B−C−D−Aで囲まれた範囲内にある
ことを特徴とするものであり、さらには、結晶相とし
て、少なくともα−Al23とTiO2を含み、測定周
波数8GHzにおける誘電損失が1×10-3以下、共振
周波数の25〜85℃における温度係数の絶対値|τf
|が30ppm以下の優れた誘電特性を有するものであ
る。
【0009】
【作用】本発明によれば、Al2 3 に対して、TiO
2 とNb2 5 の複合添加により生成されるTiO2
より温度係数τfを正側に移行させることができる。そ
の結果、測定周波数8GHzにおいて誘電損失が1×1
-3以下を維持しつつ、τfの絶対値を30ppm/℃
以下に制御することが可能となり、これにより高周波領
域の電気通信分野での広範囲の利用ができるようになっ
た。
【0010】なお、Al2 3 量が、上記の組成範囲よ
りも過剰となるとτfが負に大きくなり、逆に上記の組
成範囲よりも少ないとτfは正に大きくなるか、あるい
は誘電損失が1×10-3を越えてしまう。また、アルミ
ナ含有量が範囲内であっても、Nb2 5 とTiO2
の比率が上記組成範囲を逸脱すると、Al2 TiO
たはAlNbOが過剰に析出し、誘電損失が1×1
-3を越えてしまうか、共振周波数の温度係数の絶対値
が30ppm/℃を越えてしまう。
【0011】
【発明の実施の形態】本発明のアルミナ質磁器組成物
は、Al2 3 、TiO2 およびNb2 5 、あるいは
焼成により前記酸化物を形成しえる炭酸塩、硝酸塩など
の塩を用いて、図1の組成範囲になるように秤量混合し
た後、これを所望の成形手段、例えば、ドクターブレー
ド法などのシート成形法、金型プレス法、冷間静水圧プ
レス法、押出し成形法、圧延法等により任意の形状に成
形する。その後、この成形体を、大気中などの酸化性雰
囲気中で1400〜1700℃の温度で焼成することに
より相対密度98%以上に緻密化することができる。
【0012】なお、本発明の磁器組成物においては、上
記Al2 3 、TiO2 、Nb2 5 の成分以外に、例
えば、Mg、Si、Fe、Ca、Na、Gaなどの元素
が不可避不純物あるいは製造工程中において混入する場
合があるが、これらの成分は、酸化物換算で全量中0.
2重量%以下であれば、とりわけ本発明の効果に影響を
及ぼすことはない。
【0013】
【実施例】純度99.9%のAl2 3 粉末、TiO2
粉末およびNb2 5 粉末を表1、表2の組成となるよ
うに秤量し、この混合粉末を、純度99.9%のアルミ
ナボール、イソプロピルアルコール(IPA)と共に5
00mlポリポットに投入し、24時間回転ミルにて混
合した。混合後のスラリーを80℃大気中にて乾燥し8
0メッシュを通し評価粉末を得た。
【0014】この粉末を金型プレスにて1000kg/
cm2 で直径20mm、厚み10mmに成形し、その後
3000kg/cm2 で冷間静水圧成形(CIP)を行
って成形した。そして、成形体は大気中、1550℃で
2時間保持して焼成した。
【0015】得られた焼結体を直径15mm、厚み7.
5mmに加工研磨した。そして、測定周波数8GHzで
の測定によって、誘電率(εr)、誘電損失(tan
δ)、および25〜85℃における共振周波数の温度係
数(τf)を測定した。また、波長λ=1.5418Å
のCuKα線によるX線回折により試料の結晶相を同定
した。これらの測定結果は、表1、表2に示した。
【0016】
【表1】
【0017】
【表2】
【0018】表1、表2の結果によれば、Al2 3
有量が過多の試料No.15、20では、τfの絶対値が
30ppm/℃を越え、Al2 3 含有量が上記組成範
囲より少ない試料No.11〜13、21もτfの絶対値
が30ppm/℃を越えるものであった。また、TiO
2 とNb2 5 の比率が本発明の範囲を逸脱する試料N
o.10、13、14、15では、τfの絶対値がいずれ
も30ppm/℃を越えるか、誘電損失が1×10-3
越えるものであった。
【0019】これに対して、本発明における組成範囲の
試料は、いずれも結晶相としてα−Al2 3 と、Ti
2 が析出しており、誘電率9〜20、測定周波数8G
Hzにおける誘電損失が1×10-3以下、共振周波数の
25〜85℃における温度係数の絶対値|τf|が30
ppm/℃以下の優れた特性を示した。
【0020】これらの中でも、図1中、線分E−F−G
−H−Eで囲まれた領域内では、誘電率9〜20、測定
周波数8GHzにおける誘電損失が1×10-3以下、共
振周波数の25〜85℃における温度係数の絶対値|τ
f|が10ppm/℃以下の優れた特性を示した。
【0021】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明のアルミナ
質磁器組成物は、Al2 3 に対して、TiO2 および
Nb2 5 を所定の関係を満足するように配合すること
により、低い誘電損失を維持したまま、共振周波数の温
度係数の絶対値を低減することができ、これにより、マ
イクロ波やミリ波に適応した誘電体共振器、マイクロ波
導波路、マイクロ波コンデンサ、マイクロ波IC基板、
ICパッケージ、誘電体アンテナ等への応用が可能とな
った。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のアルミナ質磁器組成物のAl2 3
TiO2 、Nb2 5 の含有量を表す三成分系組成図で
ある。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 35/00 - 35/22 C04B 35/62 - 35/632 CA(STN) REGISTRY(STN)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Al23、TiO2およびNb25を主成
    分とし、各成分のモル比による組成比が、図1のAl2
    3−TiO2−Nb253成分組成図における下記点
    A、B、C、D による線分A−B−C−D−Aで囲まれた範囲内にある
    ことを特徴とするアルミナ質磁器組成物。
  2. 【請求項2】結晶相として、少なくともα−Al23
    TiO2を含み、測定周波数8GHzにおける誘電損失
    が1×10-3以下、共振周波数の25〜85℃における
    温度係数の絶対値|τf|が30ppm以下の請求項1
    記載のアルミナ質磁器組成物。
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