JP4228344B2

JP4228344B2 - ガラス粉末、ガラスセラミック誘電体材料、焼結体及び高周波用回路部材

Info

Publication number: JP4228344B2
Application number: JP2003057908A
Authority: JP
Inventors: 芳夫馬屋原; 欣克西川
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2003-03-05
Filing date: 2003-03-05
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2023-03-05
Also published as: JP2004269269A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、１ＧＨｚ以上の高周波領域において、低い比誘電率及び誘電損失を有するガラス粉末、ガラスセラミック誘電体材料、焼結体及び高周波用回路部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
配線基板や回路部品として従来広く使用されてきたアルミナセラミックは比誘電率が１０と高く、信号処理の速度が遅いという欠点がある。また、導体材料に高融点金属のタングステンを使用するため、導体損失が高くなるという欠点もある。
【０００３】
そこで、その欠点を補うために、ガラス粉末とセラミックフィラー粉末からなるガラスセラミック誘電体材料が開発され、使用されている。例えば、アルカリ硼珪酸ガラスをガラス粉末に用いたガラスセラミック誘電体材料は、比誘電率が６〜８とアルミナセラミック材料よりも低い。また、１０００℃以下の温度で焼成することができるため、導体損失の低いＡｇ、Ｃｕ等の低融点の金属材料との同時焼成が可能であり、これらを内層導体として使用することができるという長所がある。（特許文献１及び２参照）
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−１１６２７２号
【特許文献２】
特開平９−２４１０６８号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、近年、自動車電話やパーソナル無線に代表される移動体通信機器、衛星放送、衛星通信、ＣＡＴＶ等の通信機器の分野においては、利用される周波数帯域が１ＧＨｚ以上と高くなってきており、高周波領域において、誘電体材料のさらなる低誘電率化が強く求められるようになってきている。
【０００６】
しかしながら、上記特許文献で開示されているガラスセラミック誘電体材料は、高周波領域における誘電特性が十分でないため、信号処理の速度が遅くなるという問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、１０００℃以下の温度で焼成でき、しかも、１ＧＨｚ以上の高周波領域において、低い比誘電率及び誘電損失を有するガラス粉末、ガラスセラミック誘電体材料、焼結体及び高周波用回路部材を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は種々の実験を重ねた結果、アルカリ金属酸化物の含有比率及び含有量を厳密に制限したアルカリ硼珪酸ガラスを使用することで、比誘電率と誘電損失を低くすることができることを見いだし、本発明として提案するものである。
【０００９】
即ち、本発明のガラス粉末は、アルカリ硼珪酸ガラスからなるガラス粉末において、Ｒ₂Ｏ（Ｌｉ₂Ｏ＋Ｎａ₂Ｏ＋Ｋ₂Ｏ）を１〜６モル％含有し、Ｌｉ₂Ｏ、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂ＯとＲ₂Ｏの割合が、モル比で、Ｌｉ₂Ｏ／Ｒ₂Ｏ０．３５〜０．６５、Ｎａ₂Ｏ／Ｒ₂Ｏ０．２５〜０．５５、Ｋ₂Ｏ／Ｒ₂Ｏ０．０２５〜０．２０であり、且つ、１〜２０ＧＨｚでの比誘電率が３〜４、誘電損失が０．００３以下であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のガラスセラミック誘電体材料は、上記ガラス粉末５０〜８０質量％と、α−石英、α−クリストバライト、β−トリジマイト、α−アルミナ、ムライト、ジルコニア、コージエライトの群から選ばれる１種以上のセラミックフィラー粉末２０〜５０質量％からなることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の焼結体は、上記ガラスセラミック誘電体材料を焼結させてなることを特徴とする
また、本発明の高周波回路部材は、焼結体からなる誘電体層を有することを特徴とする。
【００１２】
【作用】
本発明のガラス粉末は、Ｒ₂Ｏ（Ｌｉ₂Ｏ＋Ｎａ₂Ｏ＋Ｋ₂Ｏ）を１モル％以上添加したアルカリ硼珪酸ガラスを基本組成とすることで、１０００℃以下の温度で容易に焼成することを可能としている。尚、この系のガラスにおいて、Ｒ₂Ｏは、ガラスの比誘電率や誘電損失を上昇させる原因となるが、含有量を６モル％以下にしているため、高周波領域での比誘電率や誘電損失の上昇を実用上問題のないレベルに抑えることができる。Ｒ₂Ｏの好ましい範囲は１〜４％である。
【００１３】
また、Ｌｉ₂Ｏ、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏを共存させ、しかも、各アルカリ金属酸化物／Ｒ₂Ｏの値をモル比で、Ｌｉ₂Ｏ／Ｒ₂Ｏ０．３５〜０．６５、Ｎａ₂Ｏ／Ｒ₂Ｏ０．２５〜０．５５、Ｋ₂Ｏ／Ｒ₂Ｏ０．０２５〜０．２０にすることで、アルカリ混合効果が顕著になり、誘電損失を低くすることができる。これらの値が、上記の範囲から外れると、アルカリ混合効果が得難くなり、ガラスの誘電損失が著しく上昇する。これらの値の好ましい範囲は、Ｌｉ₂Ｏ／Ｒ₂Ｏ０．４〜０．６、Ｎａ₂Ｏ／Ｒ₂Ｏ０．３〜０．５、Ｋ₂Ｏ／Ｒ₂Ｏ０．０２５〜０．１５である。
【００１４】
尚、上記した各アルカリ金属酸化物／Ｒ₂Ｏの範囲を添付の三角図（図１）で示すと、（Ｌｉ₂Ｏ／Ｒ₂Ｏ、Ｎａ₂Ｏ／Ｒ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ／Ｒ₂Ｏ）が、点Ａ（０．６５、０．３２５、０．０２５）、点Ｂ（０．６５、０．２５、０．１）、点Ｃ（０．５５、０．２５、０．２）、点Ｄ（０．３５、０．４５、０．２）、点Ｅ（０．３５、０．５５、０．１）、点Ｆ（０．４２５、０．５５、０．０２５）で囲まれた領域内となり、好ましい範囲は、点Ａ′（０．６０、０．３７５、０．０２５）、点Ｂ′（０．６０、０．３０、０．１０）、点Ｃ′（０．５５、０．３０、０．１５）、点Ｄ′（０．４０、０．４５、０．１５）、点Ｅ′（０．４０、０．５０、０．１）、点Ｆ′（０．４７５、０．５０、０．０２５）で囲まれた領域内となる。
【００１５】
本発明において使用するガラス粉末は、上記条件を満たすアルカリ硼珪酸ガラスであれば制限はないが、焼成しても結晶が析出しない非晶質のガラスであることが望ましい。これは、非晶質のガラスの方が、結晶性のガラスに比べて、焼成時における軟化流動性が良く、緻密な焼結体が得られやすいためである。
【００１６】
また、モル％で、Ｒ₂Ｏ１〜６％、ＳｉＯ₂ ６０〜８０％、Ｂ₂Ｏ₃ １５〜４０％含有するアルカリ硼珪酸ガラスを用いることが望ましい。
【００１７】
ガラス粉末の組成範囲を上記のように限定した理由を以下に述べる。
【００１８】
Ｒ₂Ｏは、ガラスの溶融性を向上させる成分であると共に誘電体材料の低温焼成を可能にする成分である。Ｒ₂Ｏの含有量が多くなると、誘電損失が大きくなり、信号の伝達損失が大きくなる。また、含有量が少なくなると、溶融が難しくなると共に誘電体材料の低温焼成も困難となる。含有量が１〜６％であれば、ガラスの誘電特性を低下させることなく、溶融性を高め、また、１０００℃以下での焼成を可能にすることができる。Ｒ₂Ｏの好ましい範囲は１〜４％である。尚、各成分の含有量は、Ｌｉ₂Ｏ０．３５〜３．９％、Ｎａ₂Ｏ０．２５〜３．３％、Ｋ₂Ｏ０．０２５〜１．２％であることが望ましい。
【００１９】
ＳｉＯ₂は、ガラスのネットワークフォーマーとなる成分である。ＳｉＯ₂の含有量が多くなると、焼成温度が高くなる傾向にあり、導体や電極としてＡｇやＣｕを用いることができなくなる虞がある。また、含有量が少なくなると、ガラスの比誘電率が上昇する傾向にあり、信号処理の速度が遅くなる可能性がある。含有量が６０〜８０％であれば、低温焼成と低比誘電率を両立することができる。ＳｉＯ₂の好ましい範囲は７０〜８０％である。
【００２０】
Ｂ₂Ｏ₃は、ガラスの粘度を低下させる成分である。Ｂ₂Ｏ₃の含有量が多くなると、分相したり、耐水性が低下する傾向にある。また、含有量が少なくなると、焼結温度が高くなる傾向にあり、導体や電極としてＡｇやＣｕを用いることができなくなる虞がある。含有量が１５〜４０％であれば、他の特性に影響を与えることなく、低温焼成を可能にすることができる。Ｂ₂Ｏ₃の好ましい範囲は１５〜３０％である。
【００２１】
また、上記成分以外にも、誘電特性を損なわない範囲でＡｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＣａＯ等の成分をそれぞれ３％まで添加してもよい。
【００２２】
本発明のガラスセラミック誘電体材料は、上記組成を基本とするアルカリ硼珪酸ガラスからなるガラス粉末に加えてセラミックフィラー粉末を含有する。この場合、その混合割合はガラス粉末５０〜８０質量（好ましくは５５〜８０質量％）、セラミックフィラー粉末２０〜５０質量％（好ましくは２０〜４５質量％）であることが好ましい。セラミックフィラー粉末の割合をこのように限定した理由は、セラミックフィラー粉末が５０％より多いと緻密化しなくなり、２０％より少ないと曲げ強度が低くなりすぎるためである。
【００２３】
セラミックフィラー粉末としては、１ＧＨｚ以上の高周波領域での比誘電率１６以下、誘電損失が０．００１０以下であるセラミックフィラー粉末を用いることが好ましく、例えばα−石英、α−クリストバライト、β−トリジマイト、α−アルミナ、ムライト、ジルコニア、コージエライトを使用することができる。尚、高周波領域での比誘電率や誘電損失の高いセラミックフィラー粉末を使用すると、焼成した際に得られる焼結体の誘電損失が高くなり易く好ましくない。
【００２４】
上記組成を有する本発明のガラスセラミック誘電体材料は、焼成すると、１〜２０ＧＨｚ以上の高周波領域において比誘電率が３〜６、誘電損失が０．００３以下の焼結体となる。
【００２５】
次に上記した本発明の焼結体の製造方法を以下に述べる。
【００２６】
まず、上記のガラス粉末とセラミックフィラー粉末の混合粉末に、所定量の結合剤、可塑剤及び溶剤を添加してスラリーを調製する。結合剤としては例えばポリビニルブチラール樹脂、メタアクリル酸樹脂等、可塑剤としては例えばフタル酸ジブチル等、溶剤としては例えばトルエン、メチルエチルケトン等を使用することができる。
【００２７】
次いで上記のスラリーを、ドクターブレード法によってグリーンシートに成形する。その後、このグリーンシートを乾燥させ、所定寸法に切断してから、機械的加工を施してバイアホールを形成し、例えば、銀導体や電極となる低抵抗金属材料をバイアホール及びグリーンシート表面に印刷する。次いでこのようなグリーンシートの複数枚を積層し、熱圧着によって一体化する。
【００２８】
さらに、積層グリーンシートを、焼成することによって焼結体を得る。このようにして作製された焼結体は、内部や表面に導体や電極を備えている。尚、焼成温度は１０００℃以下、特に、８００〜９５０℃の温度であることが望ましい。
【００２９】
尚、焼結体の製造方法として、グリーンシートを用いる例を挙げたが、本発明はこれに限定されるものではなく、一般にセラミックの製造に用いられる各種の方法を適用することが可能である。
【００３０】
また、本発明の高周波用回路部材は、上記のようにして作製した焼結体表面上にＳｉ系やＧａＡｓ系の半導体素子のチップを接続することで得ることができる。
【００３１】
【実施例】
以下、実施例に基づいて本発明を説明する。
【００３２】
表１、２は、本発明の実施例（試料Ｎｏ．１〜４）及び比較例（試料Ｎｏ．５及び６）を示すものである。
【００３３】
【表１】

【００３４】
【表２】

【００３５】
各試料は、次のようにして作製した。
【００３６】
まず、表の組成となるように、各種酸化物のガラス原料を調合し、均一に混合した後、白金坩堝に入れて１５５０〜１６５０℃で３〜８時間溶融し、水冷ローラーによって溶融ガラスを薄板状に成形した。次いで、これを粗砕した後、アルコールを加えてボールミルにより湿式粉砕し、平均粒径が１．５〜３μｍとなるように分級してガラス粉末を得た。
【００３７】
次に、上記のガラス粉末に、表に示すセラミックフィラー粉末（平均粒径が２〜３μｍ）を均一に混合してガラスセラミック誘電体材料を得た。
【００３８】
続いて、上記のガラスセラミック誘電体材料に、結合剤としてポリビニルブチラールを１５質量％、可塑剤としてブチルベンジルフタレートを４質量％、及び溶剤としてトルエンを３０質量％添加してスラリーを調整した。次いで、上記のスラリーをドクターブレード法によってグリーンシートに成形し、乾燥させ、所定寸法に切断した後、複数枚を積層し、熱圧着によって一体化した。更に、積層グリーンシートを、焼成することによって焼結体を得た。
【００３９】
このようにして得られた試料について、ガラス粉末の誘電特性、ガラスセラミック誘電体材料の焼成温度、誘電特性及び熱膨張係数を測定した。結果を表に示す。
【００４０】
また、各試料のガラス粉末のアルカリ金属酸化物／Ｒ₂Ｏの値を図１に示す。尚、図２は、図１を拡大したものであり、図中の番号は、表中の試料番号を示している。
【００４１】
表から明らかなように、実施例である試料Ｎｏ．１〜４は、ガラス粉末の比誘電率が３．３〜３．６であり、誘電損失が０．０００８〜０．００１３と小さかった。そのため、このガラス粉末を用いたガラスセラミック誘電体材料の比誘電率は３．６〜４．７であり、誘電損失は０．００１２〜０．００２０と小さかった。また、焼成温度も９４０℃以下と低く、熱膨張係数は、４．８〜５．０ｐｐｍ／℃であった。
【００４２】
これに対し、比較例である試料Ｎｏ．５は、ガラス粉末のアルカリ金属酸化物／Ｒ₂Ｏの値が三角図に示す領域の範囲外（図２）であり、誘電損失が０．００３５と大きく、試料Ｎｏ．６は、Ｒ₂Ｏが７モル％であり、誘電損失が０．００４２と大きかった。そのため、これらのガラス粉末を用いたガラスセラミック誘電体材料の誘電損失も０．００４０以上と大きかった。
【００４３】
尚、ガラス粉末の比誘電率と誘電損失については、溶融ガラスを薄板状に成形する際に、溶融ガラスの一部を、金型に流し出して棒状に成形し、徐冷した後、直径１０ｍｍ、高さ５ｍｍの大きさに加工し、両端短絡形誘電体共振器法（ＪＩＳＲ１６２７）に基づいて、測定周波数１５ＧＨｚ、温度２５℃での値を求め、この値をガラス粉末の比誘電率と誘電損失とした。
【００４４】
また、ガラスセラミック誘電体材料の焼成温度は、種々の温度で焼成した焼結体にインクを塗布した後に拭き取り、インクが残らない（＝緻密に焼結した）試料のうち最低の温度で焼成したものの焼成温度を記載した。
【００４５】
ガラスセラミック誘電体材料の比誘電率と誘電損失については、ガラスセラミック誘電体材料粉末を直径１０ｍｍ、高さ５ｍｍの円柱にプレス成形した後、８８０〜９５０℃で焼成したものを用い、両端短絡形誘電体共振器法（ＪＩＳＲ１６２７）に基づいて、測定周波数１５ＧＨｚ、温度２５℃での値を求めた。
【００４６】
ガラスセラミック誘電体材料の熱膨張係数は、熱機械分析装置にて測定した。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように本発明のガラスセラミック誘電体材料は、１０００℃以下の低温で焼成することが可能であり、Ａｇ、Ｃｕ等の低融点の金属材料を内層導体として使用することができる。しかも、１ＧＨｚ以上の高周波領域において低い比誘電率と誘電損失を有しているため、高周波用回路部材として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガラス中の各アルカリ金属酸化物成分／Ｒ₂Ｏ（モル比）を三角図で示したものである。
【図２】図１の点Ａ〜点Ｆの領域付近を拡大したものである。

Claims

アルカリ硼珪酸ガラスからなるガラス粉末において、Ｒ₂Ｏ（Ｌｉ₂Ｏ＋Ｎａ₂Ｏ＋Ｋ₂Ｏ）を１〜６モル％含有し、Ｌｉ₂Ｏ、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂ＯとＲ₂Ｏの割合が、モル比で、Ｌｉ₂Ｏ／Ｒ₂Ｏ０．３５〜０．６５、Ｎａ₂Ｏ／Ｒ₂Ｏ０．２５〜０．５５、Ｋ₂Ｏ／Ｒ₂Ｏ０．０２５〜０．２０であり、且つ、１〜２０ＧＨｚでの比誘電率が３〜４、誘電損失が０．００３以下であることを特徴とするガラス粉末。
請求項１のガラス粉末５０〜８０質量％と、α−石英、α−クリストバライト、β−トリジマイト、α−アルミナ、ムライト、ジルコニア、コージエライトの群から選ばれる１種以上のセラミックフィラー粉末２０〜５０質量％からなることを特徴とするガラスセラミック誘電体材料。
請求項２のガラスセラミック誘電体材料を焼結させてなることを特徴とする焼結体。
１〜２０ＧＨｚでの比誘電率が３〜６、誘電損失が０．００３以下であることを特徴とする請求項３記載の焼結体。
請求項３又は４の焼結体からなる誘電体層を有することを特徴とする高周波用回路部材。