JP3481779B2 - 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Info
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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、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などの高周波用部品、さら
には核融合、加速器等に用いられるジャイロトロン、ク
ライストロン等の出力窓等、高周波用構造部品として使
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】一方、核融合、加速器等に利用されている
クライストロン、ジャイロトロン等のマイクロ波、ミリ
波を発振させる大電力発振管については、近年ますます
高周波数化、大電力化が進んでおり、これら発振管の出
力窓部については高周波透過性の良い、すなわち低誘電
損失性で、機械的特性に優れる信頼性の高い材料が要求
されている。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】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−ＴｉＯ2 系、
ＭｇＯ−ＣａＯ−ＴｉＯ2 、ＣａＯ−ＺｒＯ2 系等の誘
電体セラミック材料あるいはアルミナ、サファイア、ベ
リリア等の機械的、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１００〜３００ＭＰａ
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おらず、そのために、過酷な条件
での使用において信頼性が低いものであった。 【０００６】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。 【０００７】 【課題を解決するための手段】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、特定の周
期律表第３ａ族元素の化合物を焼結助剤として含み、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
量に制御し、更に粒界相の結晶性を高めることにより、
高周波領域における誘電損失を低減し、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。 【０００８】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、Ｙ，Ｄｙ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｔ
ｍ，ＬｕおよびＳｃの群から選ばれる少なくとも１種の
希土類元素化合物と、不純物的酸素を含有する窒化珪素
質焼結体からなり、該焼結体中の窒化珪素結晶の粒界が
Ｓｉ、前記希土類元素および酸素を含む結晶相によって
完全に結晶化され、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、１０ＧＨｚにおける
誘電損失が１×１０-4以下であることを特徴とするもの
である。 【０００９】 【発明の実施の形態】本発明における誘電体材料は、窒
化珪素を主成分とする焼結体であって、窒化珪素以外の
成分としてＹ，Ｄｙ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｔｍ，ＬｕおよびＳ
ｃの群から選ばれる少なくとも１種の周期律表第３ａ族
元素の化合物と、不純物的酸素を含むものである。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（ＳｉＯ2 ）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。 【００１０】また、前記周期律表第３ａ族元素化合物
は、一般に焼結助剤として添加された成分に基づくもの
であるが、それらの中でも本発明では強度、誘電損失を
低減させるためにイオン半径の小さいＹ，Ｄｙ，Ｅｒ、
Ｙｂ、Ｔｍ，Ｌｕ、Ｓｃを選択することによりこれら周
期律表第３ａ族元素が存在する粒界相の誘電損失を小さ
くすることができ、これらの中でも特にＬｕが望まし
い。この周期律表第３ａ族元素は、酸化物換算で０．５
〜１０モル％が適当で、望ましくは０．５〜３モル％が
よい。また、上記不純物的酸素、即ち二酸化珪素（Ｓｉ
Ｏ2 ）含有量は、周期律表第３ａ族元素化合物の酸化物
換算（ＲＥ2 Ｏ3 ）量とのモル比（ＳｉＯ2／ＲＥ2 Ｏ
3 ）で１．５〜１０が適当で、特に１．８〜３．５が望
ましい。 【００１１】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。従
って、Ａｌ量が酸化物（Ａｌ２Ｏ３）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。 【００１２】このＡｌ量は、上記の理由から０．５重量
％を超えると低損失の焼結体が得られない。 【００１３】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。 【００１４】さらに、本発明の誘電体材料は、焼結体中
の粒界相がＳｉ、前記希土類元素および酸素を含む結晶
相により完全に結晶化されていることが重要である。粒
界相が誘電特性に影響する原因として、粒界相が非晶質
（ガラス）の場合、粒界相自体の誘電損失が大きくなる
と推測され、これを結晶化することで粒界相の誘電損失
が低減される。ここで粒界相とは、窒化珪素結晶相以外
の部分で、焼結助剤成分と窒化珪素表面のＳｉＯ2 を含
むもので、主に珪素（Ｓｉ）、前記周期律表第３ａ族元
素（ＲＥ）、酸素および窒素を含む。本発明によれば、
この粒界相中に、結晶相として少なくともＳｉ、前記希
土類元素および酸素を含む結晶相からなり、具体的に
は、ＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 （ダイシリケート）、ＲＥ2 Ｓｉ
Ｏ5 （モノシリケート）、ＲＥ4 Ｓｉ2 Ｎ2 Ｏ7 （ＹＡ
Ｍ）、ＲＥ20Ｎ4 Ｓｉ12Ｏ18（アパタイト) 等が挙げら
れる。特に強度、誘電損失を低下させるためにはＲＥ2
Ｓｉ2 Ｏ7 ，ＲＥ2 ＳｉＯ5 の複合酸化物結晶相を析出
させるのが好ましい。また、この粒界は実質的に完全に
結晶化していることが重要である。この意味は、例えば
結晶化熱処理等を実施した後において、Ｘ線回折によっ
て調べたときにその結晶化度が飽和している状態のこと
を意味する。 【００１５】加えて、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９５
％、特には９７％以上であることが望ましい。 【００１６】焼結体中に含まれる陽イオン不純物として
は、アルミニウム（Ａｌ）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Ａｌ以外の成分も少な
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。 【００１７】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。 【００１８】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。その際、粒界相を結晶
化させるためには、焼成後の冷却速度を３００℃／ｈｒ
以下と遅くするか、焼結体に１０００〜１５００℃で１
０〜１００時間程度の結晶化のための熱処理を施すこと
で容易に結晶化する。 【００１９】このようにして作製される本発明の誘電体
材料は、測定周波数１０ＧＨｚでも誘電損失（ｔａｎ
δ）１×１０-4以下の低誘電損失であり、しかもこれま
で知られる誘電体材料に比較してＪＩＳＲ１６０１によ
る４点曲げ強度においても４００ＭＰａ以上の格段に優
れた高強度を有する。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
ＭＨｚ〜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 Ｏ3 、ＳｉＯ2 、周期律表第３ａ族元素酸化物
（ＲＥ2 Ｏ3 ）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）の
２種検討した。更に粒界相の結晶化のために１１００〜
１４００℃、窒素中で２４時間熱処理を施した。なお、
この結晶化処理によって、粒界の結晶化度が飽和状態と
なっていることを確認した。 【００２３】試料はいずれも９７％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
×３５ｍｍ）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Ａｌ量を定量しアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）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および表２の結果によれば、結晶化処
理を施さなかった試料Ｎo.２０、２１、２２、２３で
は、いずれも誘電損失が１×１０-4を越えるものである
のに対して、熱処理を施し粒界の結晶化度を飽和させる
ことにより、誘電損失が１×１０- 4 以下まで低減でき
ることがわかる。特に、Ａｌ量が０．０５重量％以下の
場合には、周期律表第３ａ族元素として、Ｄｙ、Ｅｒ、
Ｙを選択した場合には、０．９×１０-4以下、Ｓｃ、Ｙ
ｂ、Ｔｍを選択した場合は、０．８×１０-4以下、Ｌｕ
を選択した場合には、０．７×１０-4以下が達成され
た。 【００２７】しかし、焼結体中のＡｌ量が２重量％を越
える試料Ｎo.１５、１６、１８、１９では、結晶化度を
高めても誘電損失は３×１０-4以上と高いものであっ
た。 【００２８】 【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。
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などの高周波用部品、さら
には核融合、加速器等に用いられるジャイロトロン、ク
ライストロン等の出力窓等、高周波用構造部品として使
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】一方、核融合、加速器等に利用されている
クライストロン、ジャイロトロン等のマイクロ波、ミリ
波を発振させる大電力発振管については、近年ますます
高周波数化、大電力化が進んでおり、これら発振管の出
力窓部については高周波透過性の良い、すなわち低誘電
損失性で、機械的特性に優れる信頼性の高い材料が要求
されている。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】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−ＴｉＯ2 系、
ＭｇＯ−ＣａＯ−ＴｉＯ2 、ＣａＯ−ＺｒＯ2 系等の誘
電体セラミック材料あるいはアルミナ、サファイア、ベ
リリア等の機械的、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１００〜３００ＭＰａ
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おらず、そのために、過酷な条件
での使用において信頼性が低いものであった。 【０００６】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。 【０００７】 【課題を解決するための手段】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、特定の周
期律表第３ａ族元素の化合物を焼結助剤として含み、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
量に制御し、更に粒界相の結晶性を高めることにより、
高周波領域における誘電損失を低減し、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。 【０００８】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、Ｙ，Ｄｙ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｔ
ｍ，ＬｕおよびＳｃの群から選ばれる少なくとも１種の
希土類元素化合物と、不純物的酸素を含有する窒化珪素
質焼結体からなり、該焼結体中の窒化珪素結晶の粒界が
Ｓｉ、前記希土類元素および酸素を含む結晶相によって
完全に結晶化され、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、１０ＧＨｚにおける
誘電損失が１×１０-4以下であることを特徴とするもの
である。 【０００９】 【発明の実施の形態】本発明における誘電体材料は、窒
化珪素を主成分とする焼結体であって、窒化珪素以外の
成分としてＹ，Ｄｙ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｔｍ，ＬｕおよびＳ
ｃの群から選ばれる少なくとも１種の周期律表第３ａ族
元素の化合物と、不純物的酸素を含むものである。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（ＳｉＯ2 ）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。 【００１０】また、前記周期律表第３ａ族元素化合物
は、一般に焼結助剤として添加された成分に基づくもの
であるが、それらの中でも本発明では強度、誘電損失を
低減させるためにイオン半径の小さいＹ，Ｄｙ，Ｅｒ、
Ｙｂ、Ｔｍ，Ｌｕ、Ｓｃを選択することによりこれら周
期律表第３ａ族元素が存在する粒界相の誘電損失を小さ
くすることができ、これらの中でも特にＬｕが望まし
い。この周期律表第３ａ族元素は、酸化物換算で０．５
〜１０モル％が適当で、望ましくは０．５〜３モル％が
よい。また、上記不純物的酸素、即ち二酸化珪素（Ｓｉ
Ｏ2 ）含有量は、周期律表第３ａ族元素化合物の酸化物
換算（ＲＥ2 Ｏ3 ）量とのモル比（ＳｉＯ2／ＲＥ2 Ｏ
3 ）で１．５〜１０が適当で、特に１．８〜３．５が望
ましい。 【００１１】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。従
って、Ａｌ量が酸化物（Ａｌ２Ｏ３）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。 【００１２】このＡｌ量は、上記の理由から０．５重量
％を超えると低損失の焼結体が得られない。 【００１３】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。 【００１４】さらに、本発明の誘電体材料は、焼結体中
の粒界相がＳｉ、前記希土類元素および酸素を含む結晶
相により完全に結晶化されていることが重要である。粒
界相が誘電特性に影響する原因として、粒界相が非晶質
（ガラス）の場合、粒界相自体の誘電損失が大きくなる
と推測され、これを結晶化することで粒界相の誘電損失
が低減される。ここで粒界相とは、窒化珪素結晶相以外
の部分で、焼結助剤成分と窒化珪素表面のＳｉＯ2 を含
むもので、主に珪素（Ｓｉ）、前記周期律表第３ａ族元
素（ＲＥ）、酸素および窒素を含む。本発明によれば、
この粒界相中に、結晶相として少なくともＳｉ、前記希
土類元素および酸素を含む結晶相からなり、具体的に
は、ＲＥ2 Ｓｉ2 Ｏ7 （ダイシリケート）、ＲＥ2 Ｓｉ
Ｏ5 （モノシリケート）、ＲＥ4 Ｓｉ2 Ｎ2 Ｏ7 （ＹＡ
Ｍ）、ＲＥ20Ｎ4 Ｓｉ12Ｏ18（アパタイト) 等が挙げら
れる。特に強度、誘電損失を低下させるためにはＲＥ2
Ｓｉ2 Ｏ7 ，ＲＥ2 ＳｉＯ5 の複合酸化物結晶相を析出
させるのが好ましい。また、この粒界は実質的に完全に
結晶化していることが重要である。この意味は、例えば
結晶化熱処理等を実施した後において、Ｘ線回折によっ
て調べたときにその結晶化度が飽和している状態のこと
を意味する。 【００１５】加えて、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９５
％、特には９７％以上であることが望ましい。 【００１６】焼結体中に含まれる陽イオン不純物として
は、アルミニウム（Ａｌ）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Ａｌ以外の成分も少な
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。 【００１７】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。 【００１８】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。その際、粒界相を結晶
化させるためには、焼成後の冷却速度を３００℃／ｈｒ
以下と遅くするか、焼結体に１０００〜１５００℃で１
０〜１００時間程度の結晶化のための熱処理を施すこと
で容易に結晶化する。 【００１９】このようにして作製される本発明の誘電体
材料は、測定周波数１０ＧＨｚでも誘電損失（ｔａｎ
δ）１×１０-4以下の低誘電損失であり、しかもこれま
で知られる誘電体材料に比較してＪＩＳＲ１６０１によ
る４点曲げ強度においても４００ＭＰａ以上の格段に優
れた高強度を有する。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
ＭＨｚ〜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 Ｏ3 、ＳｉＯ2 、周期律表第３ａ族元素酸化物
（ＲＥ2 Ｏ3 ）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）の
２種検討した。更に粒界相の結晶化のために１１００〜
１４００℃、窒素中で２４時間熱処理を施した。なお、
この結晶化処理によって、粒界の結晶化度が飽和状態と
なっていることを確認した。 【００２３】試料はいずれも９７％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
×３５ｍｍ）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Ａｌ量を定量しアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）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および表２の結果によれば、結晶化処
理を施さなかった試料Ｎo.２０、２１、２２、２３で
は、いずれも誘電損失が１×１０-4を越えるものである
のに対して、熱処理を施し粒界の結晶化度を飽和させる
ことにより、誘電損失が１×１０- 4 以下まで低減でき
ることがわかる。特に、Ａｌ量が０．０５重量％以下の
場合には、周期律表第３ａ族元素として、Ｄｙ、Ｅｒ、
Ｙを選択した場合には、０．９×１０-4以下、Ｓｃ、Ｙ
ｂ、Ｔｍを選択した場合は、０．８×１０-4以下、Ｌｕ
を選択した場合には、０．７×１０-4以下が達成され
た。 【００２７】しかし、焼結体中のＡｌ量が２重量％を越
える試料Ｎo.１５、１６、１８、１９では、結晶化度を
高めても誘電損失は３×１０-4以上と高いものであっ
た。 【００２８】 【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。
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】窒化珪素を主体とし、Ｙ，Ｄｙ，Ｅｒ，Ｙ
ｂ，Ｔｍ，ＬｕおよびＳｃの群から選ばれる少なくとも
１種の周期律表第３ａ族元素化合物と、不純物的酸素を
含有する窒化珪素質焼結体からなり、該焼結体中の窒化
珪素結晶の粒界がＳｉ、前記希土類元素および酸素を含
む結晶相により完全に結晶化され、且つ該焼結体中にお
けるアルミニウムの酸化物換算量が０．５重量％以下、
１０ＧＨｚにおける誘電損失が１×１０−４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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16953796A JP3481779B2 (ja) | 1996-06-28 | 1996-06-28 | 高周波用低損失誘電体材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16953796A JP3481779B2 (ja) | 1996-06-28 | 1996-06-28 | 高周波用低損失誘電体材料 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1017368A JPH1017368A (ja) | 1998-01-20 |
| JP3481779B2 true JP3481779B2 (ja) | 2003-12-22 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16953796A Expired - Fee Related JP3481779B2 (ja) | 1996-06-28 | 1996-06-28 | 高周波用低損失誘電体材料 |
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| Country | Link |
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| JP (1) | JP3481779B2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| JP4831581B2 (ja) * | 2007-07-02 | 2011-12-07 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 高周波用低損失誘電体材料、その製造方法及び部材 |
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-
1996
- 1996-06-28 JP JP16953796A patent/JP3481779B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH1017368A (ja) | 1998-01-20 |
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