JP3329014B2 - 誘電体磁器組成物 - Google Patents

誘電体磁器組成物

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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領域で使用さ
れる誘電体磁器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、自動車電話や可搬型電話などに代
表されるように、マイクロ波領域の電磁波を利用する移
動体通信の進展が目覚ましく、それにともない機器の小
型化の要求が非常に強い。小型化を実現するためには、
機器を構成する個々の部品が小型化される必要がある。
誘電体磁器は、これらの機器のフィルタ素子や発振素子
などの共振器系部品に、誘電体共振器として組み込まれ
ている。誘電体共振器の大きさは同じ共振モードを利用
する場合、使用する誘電体磁器の持つ誘電率の平方根に
逆比例するため、さらなる小型の誘電体共振器を得るに
は、高い誘電率を有する誘電体磁器が必要である。誘電
体共振器用の磁器は現在までに数多くのものが開発され
ており、特に誘電率の大きい磁器として、BaO−TiO
2−Sm23系が特開昭57-15309号公報に開示されてい
る。また、誘電体磁器に求められる他の特性としては、
マイクロ波領域で低損失であること、すなわち無負荷Q
値が高いこと、さらに共振周波数の温度変化が小さいこ
と、すなわち誘電率の温度変化が小さいことが挙げられ
る。
【0003】一方、共振器系部品の小型、高機能化を実
現する技術として、導体と誘電体磁器を積層構造にし
て、それらを同時焼成する方法が注目されている。積層
デバイス用の導体は、高周波で使用することから、導電
率が高い必要があるためCu、Ag、Au、あるいはそ
れらの合金、例えばAg−Pdなどでなければならな
い。したがって、積層デバイス用の誘電体磁器は、上記
の導体金属が溶解せず、かつ酸化しない条件下で焼成可
能にしなければならない。例えば、Cuを導体として用
いる場合、1075℃以下の温度で、かつ低い酸素分圧
の雰囲気で焼結可能でなければならない。また、Agを
導体として用いる場合は、950℃以下で焼結させる必
要がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
高誘電率マイクロ波用磁器は焼成温度が1300℃程度
と高いため、高導電率の導体金属と同時に焼成できず、
積層デバイスを構成することができない。また、高導電
率導体の融点以下で焼結可能なマイクロ波用磁器は誘電
率が低く、素子の小型化には不利である。
【0005】本発明の目的は、Cu、Au、Ag、ある
いはそれらの合金と同時に焼成可能で、かつマイクロ波
領域で誘電率が高く、損失が小さく、優れた温度特性を
持つ誘電体磁器組成物を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、酸化ビスマ
ス、酸化カルシウム、酸化亜鉛、および酸化ニオブを含
む組成物を、xBiO3/2-y(Ca1-aZna)O-zN
bO5/2(x+y+z=1.0)と表したときの三成分系組
成図において、x、y、およびzが下記のA、B、C、
D、Eを頂点とする五角形の領域内にあり、かつaが、 0≦a≦0.6 の範囲になるように配合、焼結させた誘電体磁器組成物
を提供する。また、上記の誘電体磁器を誘電体層に用
い、Cu、Au、Ag、あるいはそれらの合金を導体に
用いた積層デバイスを提供する。
【0007】 A:(x,y,z)=(0.435,0.215,0.35) B:(x,y,z)=(0.435,0.195,0.37) C:(x,y,z)=(0.425,0.24,0.335) D:(x,y,z)=(0.345,0.28,0.375) E:(x,y,z)=(0.345,0.245,0.41)
【0008】
【作用】本発明の誘電体磁器は、Bi−Ca−Nb−O
系のCaの一部をZn、またはZnおよびCuで置換
ることにより、Bi−Ca−Nb−O系の誘電率を高
め、かつ焼成温度を低くしたものである。この誘電体磁
器は、1100℃以下の空気中、およびN2中等の低い
酸素分圧下での焼成においても緻密に焼結し、2〜6G
Hzのマイクロ波領域で、誘電率が50以上、Q値が2
00以上、共振周波数の温度係数の絶対値が50ppm
/℃以下と優れた特性を示す。
【0009】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面および表
に基づいて説明する。
【0010】(実施例1) 本実施例は請求項1記載の発明に対応するものである。
【0011】出発原料には化学的に高純度であるBi2
3、CaCO3、ZnO、およびNb25を用いた。原
料の純度補正を行なったのち、組成をxBiO3/2−y
(Ca1-aZna)O−zNbO5/2(ただし、 x+y+
z=1.0、)と表したとき、組成比x、y、z、および
Caに対するZnの置換比aが(表1)、(表2)の組
成の欄に示した種々の値になるように秤量した。すなわ
ち、図1の三成分系組成図に示したように、x、y、お
よびzが下記のA、B、C、D、Eを頂点とする五角形
の領域内にあり(境界線を含む斜線部分)、 A:(x,y,z)=(0.435,0.215,0.35) B:(x,y,z)=(0.435,0.195,0.37) C:(x,y,z)=(0.425,0.24,0.335) D:(x,y,z)=(0.345,0.28,0.375) E:(x,y,z)=(0.345,0.245,0.41) かつaが、0≦a≦0.6の範囲にある誘電体磁器組成
物、および試料番号に#印を付した前述の範囲外の比較
例の誘電体磁器組成物である。
【0012】これらの粉体を、ポリエチレン製のボール
ミルに入れ、安定化ジルコニアの玉石と純水を加え、1
7時間混合した。混合後、スラリーを乾燥し、アルミナ
製の坩堝にいれ、750〜950℃で2〜5時間仮焼し
た。仮焼体を、ライカイ機で解砕した後、前述したボー
ルミルで17時間粉砕し、乾燥させ、原料粉体とした。
この粉体にバインダとしてポリビニルアルコールの5%
水溶液を6重量%加えて混合後、32メッシュのふるい
を通して造粒し、100MPaで直径13mm、厚み約
5mmの円柱状にプレス成形した。成形体を600℃で
2時間加熱してバインダを焼却後、マグネシアの容器に
入れ蓋をし、空気中850〜1200℃で2〜4時間保
持して焼成した。密度が最高になる温度で焼成した焼結
体についてマイクロ波での誘電特性を測定した。共振周
波数と無負荷Q値(Qu)は誘電体共振器法により求め
た。焼結体の寸法と共振周波数より誘電率を算出した。
共振周波数は、2〜5GHzであった。また、−25
℃、20℃及び85℃における共振周波数を測定し、最
小二乗法により、その温度係数(τf)を算出した。結
果を(表1)、(表2)に示す。
【0013】
【表1】
【0014】
【表2】
【0015】(表1)、(表2)に示したように、請求
の範囲に含まれる組成では、1100℃以下の低温で緻
密に焼結し、誘電率が50以上、無負荷Q値が200以
上、かつ共振周波数の温度係数の絶対値が50ppm/
℃以下の値を示した。特に、No.30の組成物は、1
025℃で緻密に焼結し、誘電率は105、無負荷Q値
は670、共振周波数の温度係数は+13ppm/℃と優れ
たマイクロ波誘電特性を示した。また、N2中焼成にお
いても、焼成温度および特性にほとんど変化は見られな
かった。請求の範囲外の組成では上記の特性のうち、無
負荷Q値が200以下、あるいは共振周波数の温度係数
の絶対値が50ppm/℃以上となり、実用的ではないと判
断した。
【0016】(実施例2) 本実施例は請求項2記載の発明に対応するものである。
【0017】組成比x、y、z、およびCaに対するZ
nの置換比a、Cuの置換比bが、(表3)の組成の欄
に示した種々の値になるように秤量した。焼結体の作
製、および特性の評価は実施例1と同様の方法により行
なった。結果を(表3)に示す。
【0018】
【表3】
【0019】(表3)に示したように、請求の範囲内の
Zn,Cu置換は、焼結温度を低下させ、かつ無負荷Q
値を向上させた。請求の範囲を越えてのZn、Cu置換
は、無置換のときより誘電率、無負荷Q値を低下させ、
温度特性τfをマイナス側に大きくシフトさせた。
【0020】(参考例1) 主成分の組成として、(表1)、(表2)に示した8、
20、および30番の三種類を選び、Cu成分としてC
uOを種々の量添加した。焼結体の作製、および特性の
評価は実施例1と同様の方法により行なった。結果を
(表4)に示す。ただし、組成の欄のcは、c=Cu/
(Bi+Ca+Zn+Nb)である。
【0021】
【表4】
【0022】(参考例2) 組成比x,y,zを、(表1)、(表2)の4、20、
および27番の三種類を選び、Caに対するZnの置換
比a、Pbの置換比dが(表5)の組成の欄に示した値
となるように秤量した。焼結体の作製、および特性の評
価は実施例1と同様の方法により行なった。結果を(表
5)に示す。
【0023】
【表5】
【0024】(参考例3) 主成分の組成として、(表5)に示した4b、20e、
および27bの三種類を選び、Cu成分としてCuOを
種々の量添加した。焼結体の作製、および特性の評価は
実施例1と同様の方法により行なった。結果を(表6)
に示す。ただし、組成の欄のcは、c=Cu/(Bi+
Ca+Zn+Pb+Nb)である。
【0025】
【表6】
【0026】(参考例4) 組成比x,y,zを、(表1)、(表2)の4、20、
および27番の三種類を選び、Caに対するZnの置換
比a、Cuの置換比b、およびPbの置換比dが(表
7)の組成の欄に示した値となるように秤量した。焼結
体の作製、および特性の評価は実施例1と同様の方法に
より行なった。結果を(表7)に示す。
【0027】
【表7】
【0028】(実施例2) 本実施例は請求項3記載の発明に対応するものである。
【0029】積層型のマイクロ波デバイスとして、スト
リップライン導体を誘電体層で挟み、シールド導体と結
合用のキャパシタを内蔵した構造をもつ誘電体共振器を
作製した。その縦断面図を図2、横断面図を図3、斜視
図を図4に示す。以下、その作製法について述べる。ま
ず、(表1)の16番の組成物に、CuOを0.3重量
%添加した誘電体の仮焼粉を作製した。仮焼粉に有機バ
インダ、溶剤、および可塑剤を加え混合して得たスラリ
ーをドクターブレード法によりシート化した。導体金属
として、(表8)に示した種々の金属を選び、ビヒクル
と混練しペースト化した。導体がCuの場合はCuOペ
ーストを用いた。図5に素子の導体印刷パターンを示
す。なお、図5の3のストリップラインの長さは、13
mmである。次に、積層・印刷工程では、まず、シート
を複数枚積層した後、図5の2の導体パターンを印刷
し、その上面にシートを複数枚積層、3の導体パターン
印刷、さらに、シートを複数枚積層、4の導体パターン
印刷、そしてシートを複数枚積層後、熱プレスにより圧
着した。個々の素子に切断後、空気中、700℃で熱処
理してバインダを飛散させた。CuOペーストを用いた
場合、 H2中で熱処理し導体をCuに還元した後、N2
中で焼成した。その他の導体の場合、空気中で焼成し
た。焼成温度は925℃とした。そして、外部電極とし
て、市販のCuペーストをN2で焼付け、積層型の誘電
体共振器を得た。焼成後のストリップラインの長さは1
1.4mmから11.5mmであった。各々の導体に対し
素子を10個ずつ作製し、特性はその平均を用いた。
(表8)に得られた共振器の共振周波数とQ値を示す。
【0030】
【表8】
【0031】(表8)に示したように、共振周波数はい
ずれも800MHz前後であり、Q値は、Cu、Au、
Ag、およびそれらの合金の導体を用いても100以上
と高く、優れたものであった。
【0032】したがって、本発明の誘電体磁器は、C
u、Au、Ag、あるいはそれらの合金などの金属を内
部導体に使用できるため積層デバイス用材料として利用
できる。しかも高い誘電率を有するので、より小型の共
振器系部品を形成することができるという利点がある。
【0033】なお、ストリップラインを曲線型や、ステ
ップ型にすることで、より小型の共振デバイスを得るこ
とも可能である。また、これらを複数個とキャパシタ等
を組み合わせることにより、バンドパスフィルタ等を得
ることも可能である。
【0034】
【発明の効果】以上述べたところから明らかなように
発明は、低温焼成可能で、かつマイクロ波領域で誘電率
が高く、誘電損失が小さく、優れた温度特性を持つとい
う長所を有するので、マイクロ波共振器用磁器として利
用することにより、共振系素子の小型化、高機能化を進
めることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】請求項1記載の誘電体磁器の組成範囲を示した
三成分系組成図
【図2】本発明の一実施例における容量内蔵積層型誘電
体共振器の縦断面図
【図3】同共振器の横断面図
【図4】同共振器の斜視図
【図5】同共振器の内層導体の印刷パターン図
【符号の説明】
1 誘電体層 2、3、4 内層導体 5 外部電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き 審査官 小川 進 (56)参考文献 特開 平4−65021(JP,A) 特開 平4−141908(JP,A) 特開 平5−20925(JP,A) 粉体および粉末冶金,第40巻第7号 (1993年7月)第669〜672頁,「Bi系 低温焼結マイクロ波誘 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01B 3/12 318 H01B 3/12 313 C04B 35/495 H01P 7/10

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】酸化ビスマス、酸化カルシウム、酸化亜
    鉛、および酸化ニオブを含む組成物を、xBiO3/2
    y(Ca1-aZna)O−zNbO5/2(ただし、x+y
    +z=1.0)と表したときの三成分系組成図において、
    x、y、およびzが下記のA、B、C、D、Eを頂点と
    する五角形の領域内にあり、かつaが、 0≦a≦0.6 の範囲にあることを特徴とする誘電体磁器組成物。 A:(x,y,z)=(0.435,0.215,0.35) B:(x,y,z)=(0.435,0.195,0.37) C:(x,y,z)=(0.425,0.24,0.335) D:(x,y,z)=(0.345,0.28,0.375) E:(x,y,z)=(0.345,0.245,0.41)
  2. 【請求項2】酸化ビスマス、酸化カルシウム、酸化亜
    鉛、酸化銅、および酸化ニオブを含む組成物を、xBi
    3/2-y{(Ca1-a-bZnaCub)}O-zNbO5/2
    (ただし、x+y+z=1.0)と表わしたときの三成
    分系組成図において、x、y、およびzが下記のA、
    B、C、D、Eを頂点とする五角形の領域内にあり、か
    つaおよびbが、 0≦a≦0.6 0<b≦0.3 の範囲にあることを特徴とする誘電体磁器組成物。 A:(x,y,z)=(0.435,0.215,0.35) B:(x,y,z)=(0.435,0.195,0.37) C:(x,y,z)=(0.425,0.24,0.335) D:(x,y,z)=(0.345,0.28,0.375) E:(x,y,z)=(0.345,0.245,0.41)
  3. 【請求項3】導体と誘電体層からなり、導体の少なくと
    も一部が、Cu、Ag、およびAuのうちより選ばれる
    一種以上の金属あるいはその合金より構成され、誘電体
    層の少なくとも一部が、請求項1または2に記載した誘
    電体磁器組成物より構成されたことを特徴とする積層型
    マイクロ波デバイス。
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粉体および粉末冶金,第40巻第7号(1993年7月)第669〜672頁,「Bi系低温焼結マイクロ波誘

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