JP5062220B2

JP5062220B2 - 高周波部品用低誘電率磁器基板の製造方法

Info

Publication number: JP5062220B2
Application number: JP2009121171A
Authority: JP
Inventors: 隆裕高田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-05-19
Filing date: 2009-05-19
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2022-09-19
Also published as: JP2009179560A

Description

本発明は、数ＧＨｚから数十ＧＨｚの高周波領域で使用する電子部品やモジュールに好適な誘電体の磁器基板の製造方法に関する。

近年、情報の高速大量伝達通信および移動体通信の発達にともない、基板上の集積回路においては、小型化、高密度化ばかりでなく、取り扱われる信号に数ＧＨｚさらにはそれ以上の帯域の周波数の利用が検討されており、基板として使用する誘電体の磁器基板に対しても、このような高周波帯域に適合した材料が要望されている。この磁器基板に要求される性能は、十分な強度を有し、高周波帯域において比誘電率εｒが低いこと、誘電損失ｔａｎδが小さいこと、さらには比誘電率の温度変化もしくは共振周波数の温度変化が小さいことなどである。

一般に、基板の比誘電率が低いほど回路中の信号伝搬速度は速くなるので、高周波帯域の用途には比誘電率εｒはできるだけ低いことが望ましい。そして信号伝達の上で損失は少なければ少ないほどよいので、誘電損失は小さくすなわちＱ値はできるだけ高くする必要がある。また、誘電体としての機能はたとえばフィルタや共振器などに利用されるが、その際に温度変化に対して安定な作動をさせるためには、共振周波数の温度係数τｆの絶対値はできるだけ小さいこと、すなわち温度依存性の少ないことも重要である。

従来、集積回路用の磁器組成物多層基板としては、耐熱性や絶縁特性にすぐれ、耐電圧が高く誘電率が小さいアルミナが多く用いられ、回路の高密度化に伴い、グリーンシートに導体ペーストを印刷し、これを積層し一括して焼成する方法が発達してきた。アルミナの焼結温度は１５００〜１６００℃と高いので、多層基板内部の回路形成用導電材料としては、この温度にて焼結できるＷやＭｏ等の高融点金属が使用されている。

しかしながら、回路に使用される周波数が高くなってくると、基板材料はアルミナよりも比誘電率の低いことが要望され、回路が微細化してくるにしたがい、用いられる導体も導電損失を小さくするため、より電気抵抗の低いものが必要となってくる。電気抵抗の低い金属導体はＡｇ、Ａｕ、Ｃｕであるが、これらはいずれもＷやＭｏに比して融点が低く、同時焼成により多層基板を製造しようとすれば、多層基板の原料となる磁器組成物はこれらの金属の融点より低い１０００℃以下で焼成できるものでなければならない。

このような目的に対し、融点の低いガラスにアルミナなどの酸化物系耐火物をフィラーとして混入させた、低温焼結型磁器組成物が種々開発されている。通常ガラスはアルミナなど酸化物系耐火物に比べて誘電率が低い。したがってガラスを積層して多層基板とすることも考えられるが、ガラスは一般に誘電損失が大きく、焼成時軟化による形状変化が大で回路の所要寸法精度を得ることが困難であり、強度的にも不十分である。

これに対し、ガラスにフィラーを混在させると、形状変化が小さく低い温度で緻密な組織と十分な強度のすぐれた磁器基板が得られ、フィラーに誘電損失の小さいものを選べば、特性の良好な低温焼結型磁器基板とすることができる。

たとえば特公平３−５３２６９号公報には、ＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｂ_２Ｏ_３系のガラスにフィラーとしてＡｌ_２Ｏ_３を５０〜３５質量％混入した８００〜１０００℃で焼成する低温焼成磁器組成物基板の発明が開示されている。ただし、この発明では１ＭＨｚにおける損失しか示されておらず、数ＧＨｚを超える高周波域における特性はあきらかでない。

また、米国特許第６１４７０１９号明細書には、５０〜７５質量％のＡｌ_２Ｏ_３耐火物と、モル％でＢ_２Ｏ_３：５０〜６７％、ＣａＯ：２０〜５０％、Ｌｎ_２Ｏ_３（Ｌｎは希土類元素）：２〜１５％、Ｍ_２Ｏ（Ｍはアルカリ金属元素）：０〜６％、Ａｌ_２Ｏ_３：０〜１０％のガラスとを混合した、内部導体にＡｇを同時焼成して使用することのできる磁器組成物の発明が開示されている。

特公平３−５３２６９号公報米国特許第６１４７０１９号明細書

しかしながら、基板あるいはモジュールや電子部品用の磁器基板としては、採用される周波数帯域においてよりすぐれた性能のものが常に要求されており、とくに高周波帯域にて高性能の材料が要望されている。また、回路の精細化に伴い、基板としては平坦度がよく、高い寸法精度が要求され、これに対しては圧力を加えるか拘束しつつ焼成する方法が開発されているが、このような焼成方法にも適した磁器組成物であることが望ましい。

本発明の目的は、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕなどの電気伝導度が高い導体を同時焼成できる低温焼結が可能な、比誘電率が低く高周波帯域での損失が小さく、かつ温度依存性の小さい低誘電率磁器基板の製造方法の提供にある。

本発明者らは、焼成温度が１０００℃以下の、内部導体にＡｇ、ＡｕまたはＣｕを用いて同時焼成により多層基板が製造可能な、数ＧＨｚまたはそれ以上の高周波帯域で使用される低温焼結磁器基板の性能を改善すべく種々検討をおこなった。

低温焼結可能な基板用磁器基板としては、アルミナ、チタニア、ジルコニアなどの耐火物をフィラーとし、これに軟化点の低いガラス組成物を混合したガラスセラミックスがある。この場合、ガラスの原料を高温加熱して溶融し、急冷してガラス粉末を作り、これとフィラーとなるアルミナなど耐火物粉末とを混合し仮焼粉砕後、所定形状に成形後焼成するので、原料からは複数回の高温加熱を必要とする。これに対し、通常のセラミックス合成方法、すなわち所要原料を混合し、仮焼後粉砕して成形し焼成して所要の磁器基板とすることができれば、工程が簡略化され、所要エネルギーを少なくでき、製造コストの低減が可能と思われた。

また、積層基板は回路の高密度化により、導体配線やスルーホールの微細化および高精度化要求が厳しくなっており平坦性も追求される。これに対し、グリーンシートの積層体に圧力をかけて拘束しながら焼成し、焼成による収縮を厚さ方向のみとして、回路形状の高精度化と、平坦性向上を図る方法があるが、このような焼成方法にも適したものでなければならない。

高周波域での適用に要求される特性としては、誘電率が低いこと、誘電損失が小さいこと、および誘電率の温度依存性が小さいことなどである。これらの誘電特性は、円柱状試験片による両端短絡形誘電体共振法（ハッキー・コールマン法）により測定した。

まず、基板としての強度を保持し、緻密な磁器基板を得るために、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とし、これにガラス形成成分のＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、ＣａＯ、等を混合して、通常のセラミックス合成方法にて焼成温度が１０００℃以下の低温焼結が可能かどうかの検討をおこなった。その結果、高周波における誘電特性が良好となり、しかも焼結温度が低くなる組成範囲を大略あきらかにすることができたが、目的とする低温域での焼成では、必ずしも十分緻密な磁器基板が得られなかった。

そこでさらに、酸化物系添加物について種々調査の結果、ＺｎＯ、ＭｎＯ、あるいはＲ_２Ｏ（Ｒ：Ｌｉ、ＮａおよびＫのアルカリ金属元素）の少量添加が、特性を損なうことなく焼結温度を低下できることがわかった。また、希土類元素の酸化物Ｌｎ_２Ｏ_３（Ｌｎ：Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ等の希土類元素）を、焼結温度が上がらない範囲で添加するとにより、ｆＱ値を向上させる効果のあることも見出された。

このように、通常のセラミックス合成方法にて１０００℃以下の低温焼結は可能であることはわかったが、電気伝導率にすぐれたＡｇを導体に用いるとき、焼成温度はＡｇの融点９６１℃を下回っている必要がある。これに対しては、Ａｌ_２Ｏ_３を除く他の原料について混合溶融急冷してしてガラスを作り、これを粉末化してからＡｌ_２Ｏ_３粉末と混合し混錬して成形後焼成することにより、より低い焼成温度で、同じ組成を有しかつ同様な高周波域の誘電性能を有する磁器基板が得られることが確認できた。

焼成して得られた、上記の高周波特性にすぐれた磁器基板の組織を調べてみると、ＬｎＢＯ_３、Ｚｎ_２ＳｉＯ_４、ＣａＡｌ_２Ｂ_２Ｏ_７等の結晶とガラスの混合した相によりＡｌ_２Ｏ_３の結晶粒子が結合された状態になっており、このような結晶とガラスとが混合した状態がすぐれた高周波域での誘電特性をもたらしていると考えられる。

以上のような検討結果に基づき、焼成温度、Ｑ値、誘電率、温度特性等にそれぞれ目標限界を設定し、それらのいずれも満足する組成や条件範囲をあきらかにして本発明を完成させた。本発明の要旨は次のとおりである。

（１）酸化物として表示される成分がモル％にて、Ａｌ_２Ｏ_３：４０〜６５％、Ｂ_２Ｏ_３：１５〜３５％、ＣａＯ：１０〜２０％、ＺｎＯ：０．１〜１４％、ＭｎＯ：０〜２％、およびＲ_２Ｏ（ＲはＬｉ、ＮａおよびＫの一種以上）：０〜２％、およびＬｎ_２Ｏ_３（ＬｎはＹ、Ｌａ、およびＮｄの希土類元素の一種以上）：０．１〜２％を含む原料を焼成して得られ、少なくともＬｎＢＯ３結晶を有する、ことを特徴とする高周波部品用低誘電率磁器基板。

（２）Ａｕ、ＡｇまたはＣｕからなる導電体を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の高周波部品用低誘電率磁器基板。

（３）請求項１に記載の高周波部品用低誘電率磁器基板を製造するに際し、あらかじめＬｎ_２Ｏ_３およびＢ_２Ｏ_３の混合物を合成し、前記混合物を他の原料に添加する、ことを特徴とする高周波部品用低誘電率磁器基板の製造方法。

本発明の磁器基板は、比誘電率が低く高周波帯域における損失が小さく、温度依存性が小さい。また低い焼成温度でその特性を得ることができ、内部導体や電極としてＡｇ、Ａｕ、Ｃｕなど比抵抗は低いが融点の低い金属を使用することができる。このように、すぐれた高周波性能と相俟って、電子回路の高周波化、小型化、高密度化のための基板用等の用途に好適である。

本発明の磁器基板の原料となる磁器組成物は、各成分を酸化物の形で示すとき、次のような組成になっている。

Ａｌ_２Ｏ_３：４０〜６５モル％
Ａｌ_２Ｏ_３は磁器組成物の強度を保持するために必要である。４０モル％未満では磁器組成物の抗折力が低下し、焼成時の形状維持も困難となる。しかし、６５モル％を超える含有は、目的とする低温度での焼結ができなくなる。したがって４０〜６５モル％とするが、より好ましくは５５〜６０モル％である。

Ｂ_２Ｏ_３：１５〜３５モル％
Ｂ_２Ｏ_３はガラスを形成し、磁器組成物の焼結温度低下に大きく寄与する。また高周波域でのＱ値のすぐれた結晶相の形成にも必要である。Ｂ_２Ｏ_３が１５モル％を下回るとき、１０００℃以下の低温焼結が困難となり、３５モル％を超えるときはＱ値が低下してくる。より好ましいのは２５〜３０モル％である。

ＣａＯ：１０〜２０モル％
ＣａＯは１０００℃以下での焼成温度にてＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３およびＡｌ_２Ｏ_３とともにガラスと結晶相を形成する。また、誘電率の温度依存性を小さくする効果がある。１０モル％未満では１０００℃以下での焼結が困難になり、２０モル％を超える含有は誘電率の温度変化率が大きくなってしまう。より好ましいのは１２．５〜１７モル％の範囲である。

ＺｎＯ：０．１〜１４モル％
ＺｎＯは焼結温度を低下させる作用があり、Ｑ値を高める効果もある。このような効果を得るためには、０．１モル％以上の含有が必要である。しかし、多すぎる含有はかえってＱを低下させてしまうので、１４モル％までとする。より好ましいのは０．１〜５モル％である。

ＭｎＯ：０〜２モル％
ＭｎＯは、含有させなくてもよいが、含有させるとＺｎＯと同様焼結温度を低下させ、Ｑ値を高める効果がある。その効果を得るためには、０．１モル％以上の含有が望ましいが、多すぎるとＱ値を低下させるので、２モル％以下とするのがよい。

Ｒ_２Ｏ（ＲはＬｉ、ＮａおよびＫの中の一種以上）：０〜２モル％
アルカリ金属元素Ｌｉ、ＮａおよびＫの酸化物Ｒ_２Ｏは、ガラスを形成させる作用があり、焼結温度の低下に大きな効果がある。これらは含有させなくてもよいが、その効果を得るため含有させる場合は０．１モル％以上が好ましい。しかし、多すぎると大幅にＱ値を低下させるので２モル％までとするが、望ましいのは０．５モル％以下である。

Ｌｎ_２Ｏ_３（ＬｎはＹ、ＬａおよびＮｄなどの希土類元素の一種以上）：０．１〜２モル％
Ｌｎ_２Ｏ_３は高周波域でのＱ値を向上させる効果があり、とくにＱ値を向上させたいときに含有させるとよい。この効果を得るためには、０．１モル％以上の含有が好ましい。ただし、多く含有させすぎると低温での焼結困難、誘電率の温度変化率増大を来すので、２モル％以下とする。この希土類元素酸化物は、単独で添加すると低温焼成の場合その含有効果が十分発揮されないことがあるので、あらかじめＬｎ_２Ｏ_３：４５〜５０モル％およびＢ_２Ｏ_３：５０〜５５モル％の混合物を焼結などにより合成しておき、これの粉末の形で添加するとよい。なお、このときに添加されるＢ_２Ｏ_３の量は、ＳｉＯ_２およびＢ_２Ｏ_３の合計量が１５〜３５モル％となる範囲内になければならない。

磁器基板の製造方法は、通常のセラミックス合成方法を適用する。すなわち原料となる酸化物などの粉末それぞれを、所要量混合し、たとえば、まず７００〜８００℃程度の温度で１〜５時間仮焼し、この仮焼物を湿式粉砕し乾燥後、バインダーを加えて混錬し所要基板形状などに成形、すなわちグリ−ンシートとし導体の回路印刷などおこなってから積層し、１０００℃以下の温度で焼成する。なお、焼成温度の下限値は十分な焼結がおこなわれるならとくに限定するものではないが、本発明の組成範囲では８００℃を下回る温度では焼結が困難である。

導電体にＡｇを用いる場合など焼成温度をとくに低くしたいとき、所要組成の中のＡｌ_２Ｏ_３を除いた組成物を、１２００〜１５００℃にて溶融して急冷しガラス粉末としてから、このガラス粉末とＡｌ_２Ｏ_３の粉末とをバインダーを加えて混錬してグリーンシートとすればよい。このようにすれば、焼成温度は９２０℃以下で焼結が可能となる。

また、各素材原料には不純物が含まれるが、その含有量は５質量％以下であれば単一の化合物として取り扱っても効果は変わらない。原料素材としては、たとえばＣａＯ、Ｒ_２Ｏなど単独の酸化物の形では大気中にて不安定な場合は、炭酸塩や炭酸水素塩などを用い、Ｂ_２Ｏ_３に対しＢＮを用いるなど、混合開始時には別の形の素材としてもよい。

磁器組成物の焼成は、導電体にＣｕを用いる基板の場合、不活性雰囲気中での焼成が必要であるが、ＡｇやＡｕが導電体の場合は大気中でよい。さらに、基板または積層基板にて厳しい平坦度や高精度の回路パターンを要求されることがあり、この場合、拘束焼成法や加圧焼成法といわれる焼成方法が採用されるが、本発明の組成物はこのような焼成方法にも適している。

この拘束焼成法は、たとえば積層体の上下面にその目的物の焼成温度では焼結しないグリーンシートを圧着しておくことにより、焼成時の面方向の収縮を抑止する方法である。さらに応力を印加しながら焼成をおこなう方法を加圧焼成法と呼び、加圧力を調整することにより、面方向の収縮をより０に近くした焼結ができる。本発明の磁器組成物の場合、積層体の上下面にたとえばアルミナのグリ−ンシートを設置し、加圧しながら焼成すれば、焼成温度ではアルミナは焼結しないので、焼成後これらは完全に除去され、平坦度のすぐれた高精度の積層基板を得ることができる。

〔参考例１〕
酸化物の形として表１および表２に示す組成となる、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＺｎＯ、ＭｎＯ、Ｒ_２Ｏ（ＲはＬｉ、ＮａまたはＫを示す）、Ｌｎ_２Ｏ_３（ＬｎはＹ、ＬａまたはＮｄを示す）の原料を、水を加えてジルコニアボールを用いたボールミルにて２０時間湿式混合した後乾燥し、７５０℃にて３時間仮焼した。なお、原料としてのＣａＯ、およびＲ_２Ｏは、いずれも炭酸塩の形で用いた。

仮焼物はＸ線回折法にて焼成反応が起きていることを確認し、粉砕後バインダーとして１０質量％のＰＶＡ水溶液を添加して混錬造粒し、金型を用い９８ＭＰａの圧力にて焼成後の寸法が直径１５ｍｍ、高さ７．５ｍｍの円柱状となる試片を成形した。

これら成形品は大気中で焼成をおこなって特性測定用試片とした。各試料のこれら成形品の一部の試片を用い、あらかじめ８００〜１２００℃の温度範囲で試験的に焼成して、十分な緻密化に必要な温度を見出し、その温度を焼成温度として該当試料の全試片の焼成をおこなった。焼成時間はいずれも２時間である。

焼成後の円柱状焼結体は、底面を研磨し平滑にしてから両端短絡形誘電体共振器法により比誘電率εｒおよびＱ（または誘電損失ｔａｎδ：Ｑ＝１／ｔａｎδ）を測定した。共振周波数の温度係数τｆは、２５℃における共振周波数ｆ０を基準として、温度を変えたときの変化率から求めた。これらの測定結果を併せて表１および表２に示す。

表１および表２の結果からわかるように、参考例１の磁器組成物は、１０００℃以下の焼成温度で焼結が可能であり、焼成後の磁器基板は比誘電率が低く、しかもＱ値が高くｆＱ値にして２００００以上とすぐれたものであり、その上、温度係数τｆ値も±５０％以内と安定している。焼成温度を低くするだけであれば、ＣａＯ、ＺｎＯ、ＭｎＯあるいはＲ_２Ｏの比率を増せばよいが、比誘電率や高周波域におけるＱ値など誘電特性をすぐれてものにするには、さらにこれら組成の組み合わせや、Ｌｎ_２Ｏ_３の適量含有など、十分配慮しなければならないことがわかる。

〔参考例２〕
表３に示す組成範囲の磁器組成物を、Ａｌ_２Ｏ_３を除く他の成分は１４００℃にて溶融し水冷してガラス化した後、このガラス粉末とＡｌ_２Ｏ_３を粉末とを１０質量％のＰＶＡ水溶液バインダーを添加して混錬造粒した。この混錬物を参考例１と同様にして、円柱状試験片を作製し、焼成に必要な温度を調査し、焼結後誘電特性を測定した。

結果を表３に合わせて示すが、焼成に必要な温度は９００℃以下で、参考例１のほとんどのものを下回っており、Ａｇを導電体に用いて十分同時焼成が可能なものとなっている。また誘電特性も参考例１の場合と同等のものが得られている。

今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Claims

少なくともＬｎＢＯ _３結晶を有する高周波部品用低誘電率磁器基板の製造方法であって、
Ｌｎ _２Ｏ _３（ＬｎはＹ、Ｌａ、およびＮｄの希土類元素の一種以上）およびＢ _２Ｏ _３の混合物を合成する工程と、
前記混合物、Ａｌ _２Ｏ _３、ＣａＯ、およびＺｎＯを混合した原料を１０００℃以下の温度で焼成する工程と、を含み、
前記原料は、酸化物として表示される成分がモル％にて、Ａｌ_２Ｏ_３：４０〜６５％、Ｂ_２Ｏ_３：１５〜３５％、ＣａＯ：１０〜２０％、ＺｎＯ：０．１〜１４％、ＭｎＯ：０〜２％（但し、０％を含む）、およびＲ_２Ｏ（ＲはＬｉ、ＮａおよびＫの一種以上）：０〜２％（但し、０％を含む）、およびＬｎ_２Ｏ_３：０．１〜２％を含むことを特徴とする高周波部品用低誘電率磁器基板の製造方法。
前記混合物は、４５〜５０モル％のＬｎ _２Ｏ _３と、５０〜５５モル％のＢ _２Ｏ _３が混合されてなることを特徴とする請求項１に記載の高周波部品用低誘電率磁器基板の製造方法。