JP3784120B2

JP3784120B2 - 高周波用低損失誘電体材料及びその製造方法

Info

Publication number: JP3784120B2
Application number: JP33120596A
Authority: JP
Inventors: 祥二高坂; 晧一新原
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1996-12-11
Filing date: 1996-12-11
Publication date: 2006-06-07
Anticipated expiration: 2016-12-11
Also published as: JPH10167809A

Description

【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】
【従来の技術】
近年、自動車電話、コードレス電話等の移動体通信や簡易型形態電話システム（ＰＨＳ）、衛生放送受診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、普及にともない、マイクロ波やミリ波などの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機能化のために使用周波数における誘電損失が小さい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、低誘電損失に加え、機械的特性にも優れ、化学的に安定な高信頼性の高周波用低損失性誘電体材料が望まれている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来から低誘電損失の誘電体材料としては、従来より誘電体特性に優れるＢａＯ−ＴｉＯ₂系、ＭｇＯ−ＣａＯ−ＴｉＯ₂、ＣａＯ−ＺｒＯ₂系等の誘電体セラミックス材料をベースとして種々の添加物によりその電気特性の改善が行われている。
【０００５】
しかしながら、これらの誘電体材料は、ベースとなる材料自体の強度は室温でせいぜい１００ＭＰａ程度であり、しかも機械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に、大幅な強度の向上が望めないものであった。そのため、これらの材料を用いた電子部品に対しては、その取り扱いに注意すると共に過酷な条件下での使用において信頼性が低いという問題があった。
【０００６】
また、最近では、アルミナをベースとする低誘電損失材料も特開昭６０−１７１２６６号、特開昭６１−４４７５９号、特公平６−３６８４号等にて提案されている。しかしながら、上記のようなアルミナベースの誘電体材料においても、測定周波数が１ＧＨｚを越える高周波領域では、誘電損失が１×１０^-3以上であったり、また強度もせいぜい３００〜４００ＭＰａ程度であり、さらなる低誘電損失化と高強度化が要求されている。
【０００７】
従って、本発明は、高周波領域において、低い誘電損失を有するとともに、高い強度を有する低損失誘電体材料とその製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、高い機械的強度を有するとともに高周波帯域において低い誘電損失について検討した結果、アルミナを主成分とするマトリックス中に、酸窒化ケイ素からなる微細な結晶を特定比率で分散させた焼結体が、上記目的を満足しえることを見いだし、本発明に至った。
【０００９】
即ち、本発明の高周波用低損失誘電体材料は、アルミナを主成分とし、Ｓｉ−Ｎ−Ｏ結合を有する無機質結晶粒子を０．０１〜１０体積％の割合で分散含有し、且つ６ＧＨｚ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。
【００１０】
また、かかる誘電体材料の製造方法としては、アルミナ粉末に、酸窒化ケイ素粉末、あるいは熱分解によってＳｉ−Ｎ−Ｏ結合を有する無機質化合物に変化し得るポリシラザンなどの有機ケイ素化合物を酸窒化ケイ素換算で０．０１〜１０体積％の割合で混合し、該混合物を所定形状に成形した後、非酸化性雰囲気中、１３００℃以上の温度で焼成して相対密度９８％以上に緻密化することを特徴とするものである。
【００１１】
本発明によれば、アルミナマトリックス中にＳｉ−Ｎ−Ｏ結合を有するセラミック粒子を含有させることにより、高周波帯域において低い誘電損失を得ると同時に高強度が達成される。かかる構成により、低損失性が得られる理由は定かではないが、酸窒化ケイ素結晶粒子中にアルミナの誘電損失を大きくする不純物が固溶してアルミナ結晶粒子の高純度化が進むためと推測される。
【００１２】
また、酸窒化ケイ素粒子は、アルミナよりも熱膨張率が小さいために、焼成後、冷却段階で熱膨張差によって、アルミナ結晶と酸窒化ケイ素結晶粒子との粒界に圧縮応力が作用し粒界が強化されるとともに、酸窒化ケイ素粒子とアルミナとの親和性が高いことにより、アルミナ結晶が強化され、焼結体としての強度を高めることができる。
【００１３】
これにより高強度を有する低誘電損失材料として、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用に使用した場合、高い信頼性の部品を提供できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の誘電体材料は、アルミナからなるマトリックスと、該マトリックス中に分散する分散粒子によって構成される。アルミナマトリックスは、強度向上の点からその平均粒径が１０μｍ以下の微細な結晶粒子によって構成されることが望ましい。
【００１５】
一方、アルミナマトリックス中に分散する粒子は、Ｓｉ−Ｎ−Ｏの結合を有する酸窒化ケイ素化合物からなる。酸窒化ケイ素化合物としては、Ｓｉ₂Ｎ₂Ｏが代表的である。
【００１６】
これらの分散粒子は、アルミナマトリックス中に、０．０１〜１０体積％、特に０．１〜５体積％の割合で分散させることが必要であり、分散粒子の量が０．０１体積％よりも少ないと、不純物のトラップ効果が小さく、低誘電損失化が得られず、１０体積％を越えると、アルミナ結晶が微細化するに伴い、二粒子界面が増加し、いずれの場合も材料の誘電損失を増大させることになる。
【００１７】
また、分散粒子は、平均粒径で１μｍ以下、特に０．８μｍ以下の粒子として分散されることが望ましい。これは、粒径が１μｍよりも大きいと、強度を低下させる恐れがあるためである。なお、この分散粒子は、アルミナ結晶粒子内およびその粒界に分散含有される。
【００１８】
さらに、本発明の誘電体材料は、誘電特性として、測定周波数６ＧＨｚで誘電損失が１×１０^-4以下、特に０．９×１０^-4以下であり、また、室温強度５００ＭＰａ以上、特に５５０ＭＰａ以上の高強度を有するものである。また、かかる特性を得る上で、相対密度９８％以上の緻密体であることが必要である。
【００１９】
かかる誘電体材料を製造する方法としては、出発原料として、アルミナ粉末と、分散粒子源として、酸窒化ケイ素粉末、または、熱分解によってＳｉ−ＮーＯ結合を有する酸窒化ケイ素化合物に変化し得る無機化合物を添加する。
【００２０】
なお、緻密化が十分でないとボイド等の存在によって誘電損失が大きくなるため、原料粉末としては、焼結性に優れたものであることが望ましい。かかる観点から、アルミナ粉末としては、平均粒径が２μｍ以下、特に１μｍ以下であることが望ましい。
【００２１】
一方、分散粒子源としての酸窒化ケイ素（Ｓｉ₂Ｎ₂Ｏ）粉末は、平均粒径が１μｍ以下であることが緻密性、強度および低誘電損失化を達成する上で望ましく、平均粒径が１μｍを越えると、十分な強度が得られない場合がある。
【００２２】
また、熱分解によってＳｉ−Ｎ−Ｏ結合を有する酸窒化ケイ素化合物に変化し得る無機化合物としては、ポリシラザン、ポリカルボシラザン等の有機ケイ素化合物が好適である。
【００２３】
これら分散粒子源は、酸窒化ケイ素換算で０．０１〜１０体積％、好ましくは０．１〜５体積％、さらに望ましくは、０．１〜１体積％の割合になるように混合する。この量が１０体積％を越えると、誘電損失が大きくなってしまう。
【００２４】
次に、酸窒化ケイ素粉末を添加した場合は、その混合粉末を所望の成形手段、例えば、金型プレス、冷間静水圧プレス、射出成形、押出し成形等により任意の形状に成形する。なお、前記有機ケイ素化合物を添加した場合は、混合粉末を一旦熱分解させて酸窒化ケイ素を生成させた後、上記手法により成形するか、または、有機ケイ素化合物を含む混合物を所定形状に成形した後、熱分解させて酸窒化ケイ素を生成させる。
【００２５】
有機ケイ素化合物を熱分解させる温度としては、アルミナの緻密化が始まる温度以下であることが望ましく、１０００℃以下が望ましい。１０００℃を越えると、アルミナの緻密化が始まり、熱分解ガスが焼結体内部にトラップされてしまい、緻密化を疎外し、密度低下、強度低下を引き起こす場合があるためである。
【００２６】
このようにして得られた成形体を、窒素ガス雰囲気中において、１３００℃以上、好ましくは１３５０℃〜１６５０℃の温度で焼成する。焼成方法としては、ホットプレス、常圧焼成、または熱間静水圧焼成して作製する。この時の焼成温度が１３００℃に達しないと緻密化が不足し、密度低下および強度低下を引き起こす。また、ホットプレスを行う場合には、成形と焼成を同時に行うことができる。
【００２７】
以上のようにして作製される誘電体材料は、６ＧＨｚでの高周波での誘電損失が１×１０^-4以下、室温強度５００ＭＰａ以上の高強度を有するものであり、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、信頼性の高い高周波電子部品が提供できる。
【００２８】
【実施例】
実施例１
アルミナ粉末として純度９９．９９％、結晶粒径が０．２μｍの大明化学工業株式会社製のタイミクロンＴＭ−ＤＡＲを用いた。酸窒化ケイ素粉末として平均粒径が０．６μｍの粉末を用いた。
【００２９】
上記アルミナ粉末と酸窒化ケイ素粉末を表１に示す組み合わせおよび配合量で秤量し、アルミナのボールを用いて有機溶媒中で混合し、エバポレーターを用いて乾燥粉末を得た。
【００３０】
焼成は、ホットプレス焼成（Ｈ．Ｐ）と雰囲気焼成（ＰＬＳ）を用いた。ホットプレス焼成の場合は、この粉末をカーボン型に入れ、窒素ガス中、３０ＭＰａ圧力下で表１に示す焼成温度で焼成した。雰囲気焼成の場合は、この粉末を３ｔ／ｃｍ²の圧力で静水圧処理をして成形体を作製し、常圧の窒素ガス中、表１に示す焼成温度で焼成して、焼結体Ｎo.１〜５、７、９〜１２を得た。
【００３１】
得られた焼結体から試験片を切り出し、研磨加工した。そして比重をＪＩＳＲ２２０５に基づいて求め相対密度を算出した。強度値はＪＩＳＲ１６０１に基づく４点曲げ試験より室温強度を求めた。また、焼結体を２ｍｍ厚みに加工し、誘電体円筒共振器法により６ＧＨｚ付近での誘電率、誘電損失を測定した。得られた結果を表１に示す。
【００３２】
実施例２
アルミナ粉末として純度９９．９９％、平均粒子径が０．２μｍの大明化学工業株式会社製のタイミクロンＴＭ−ＤＡＲを用いた。有機ケイ素化合物としては、東燃株式会社製のポリシラザンＮ−Ｎ５１０を用いた。
【００３３】
予め、アルミナ粉末をアルミナメディアを用いて有機溶媒中で解砕、分散させた後、窒素置換したグローボックス中で各々を表１に示す量を添加し、密閉後、再度、混合した。乾燥粉末を窒素雰囲気中、８００℃で熱分解させ、再度軽く解砕し、整粒した。
【００３４】
この粉末を実施例１と同様に、カーボン型に入れ、窒素ガス中、３０ＭＰａの表１に示す条件でホットプレス焼成して焼結体試料Ｎo.６、８を作製した。
【００３５】
得られた焼結体に対して、実施例１と同様にして、相対密度、強度、誘電率、誘電損失を測定しその結果を表１に示した。
【００３６】
【表１】

【００３７】
表１の結果によると、酸窒化ケイ素を全く含まない試料Ｎo.１、焼成温度が１３００℃よりも低く、相対密度が９８％よりも低い試料Ｎo.５、酸窒化ケイ素の含有量が１０体積％を越える試料Ｎo.１２は、いずれも誘電損失が１×１０^-4を越えたり、強度が５００ＭＰａよりも低いものであった。
【００３８】
これに対して、酸窒化ケイ素を適量含有する本発明の誘電体材料は、６ＧＨｚの高周波領域においても誘電損失が１×１０^-4以下の優れた低誘電損失性を有するものであり、しかも室温強度も５００ＭＰａ以上と優れたものであった。
【００３９】
【発明の効果】
上述の如く、本発明の高周波用低損失誘電体材料は、高周波領域においても低い誘電損失を有するとともに、高い強度を有することから、マイクロ波、ミリ波等の高周波領域に対応する発振器、アンテナ、フィルター、あるいは電子回路基盤等に適用される高周波用材料として、各種電子部品の信頼性を高めることができる。

Claims

アルミナを主体とし、Ｓｉ−Ｎ−Ｏ結合を有する無機質結晶粒子を０．０１〜１０体積％の割合で分散含有し、相対密度が９８％以上、６ＧＨｚ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。
前記Ｓｉ−Ｎ−Ｏ結合を有する無機質結晶粒子が、Ｓｉ₂Ｎ₂Ｏからなる請求項１記載の高周波用低損失誘電体材料。
アルミナ粉末に、酸窒化ケイ素粉末、あるいは熱分解によってＳｉ−Ｎ−Ｏ結合を有する無機質化合物に変化し得る有機ケイ素化合物を酸窒化ケイ素換算で０．０１〜１０体積％の割合で混合し、該混合物を所定形状に成形した後、非酸化性雰囲気中、１３００℃以上の温度で焼成して相対密度９８％以上に緻密化することを特徴とする高周波用低損失誘電体材料の製造方法。
前記有機ケイ素化合物がポリシラザンであることを特徴とする請求項２記載の高周波用低損失誘電体材料の製造方法。