JPH0118523B2 - - Google Patents

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JPH0118523B2
JPH0118523B2 JP58071794A JP7179483A JPH0118523B2 JP H0118523 B2 JPH0118523 B2 JP H0118523B2 JP 58071794 A JP58071794 A JP 58071794A JP 7179483 A JP7179483 A JP 7179483A JP H0118523 B2 JPH0118523 B2 JP H0118523B2
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JP
Japan
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dielectric
hours
value
frequency
porcelain
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JP58071794A
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Japanese (ja)
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JPS59196504A (en
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Takehiro Konoike
Hiroshi Tamura
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Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
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  • Inorganic Insulating Materials (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

この発明は高周波用の誘電体磁器組成物に関す
るものである。 マイクロ波やミリ波などの高周波領域におい
て、誘電体磁器は誘電体共振器やMIC用誘電体
基板などに広く利用されている。 従来、この種の誘電体磁器としては、例えば
ZnO2−SnO2−TiO2系材料、Ba2Ti9O20、(Ba、
Sr)(Zr、Ti)O3系材料、Ba(Zn、Ta)O3系材
料などがある。 これらの各種材料は、マイクロ波帯での誘電率
(εrが20〜40、Qが4000〜8000、共振周波数の温
度係数(τf)がOppm/℃付近の特性を有するも
のであると報告されている。 このうち、Ba(Zn、Ta)O3系材料はこの発明
の好適な従来例である。このBa(Zn、Ta)O3
材料については特開昭53−35454号公報にその詳
細な説明がなされている。 その詳細な説明によると、1360〜1460℃の温度
範囲で2時間空気中で焼成して誘電体磁器を得、
その大きさを直径5mm、厚み2mmとして共振周波
数(ほぼ11GHz)と直径から誘電率(εr)、また
帯域反射法により無負荷Q、さらに−30℃〜+70
℃の温度範囲で共振周波数の温度係数(τf)を測
定したところ、εrについては25〜30、Qについて
は3520〜3720、τfについては5〜20ppm/℃の特
性を示すとしている。 また最近ではこのBa(Zn、Ta)O3系材料につ
いて次のような報告がなされている。 つまり、Ba(Zn、Ta)O3について、普通焼成
法により誘電体磁器を焼成したものであるが、そ
の焼成条件を最高温度1650℃、焼成時間を2〜
120時間の範囲としてその結果を検討している。 それによれば、120時間焼成した磁器では、導
波管内で測定したQ値が14000の値を示し、また
2時間焼成した磁器を同様の方法で測定したとこ
ろ(12GHz)10000〜11000のQ値を示すとしてい
る。 そして、この焼成時間によるQ値の変化につい
ては、次のようなことをその理由としている。 まず、Ba(Zn1/3Nb2/3)O3は“Ordering in
Compounds of the A(B0.33′Ta0.67)O3Type”、
F.Galasso and J.Pyle、Inorganic Chemistry、
vol2、No.3、P482〜484に紹介されているよう
に、ABO3からなる立方晶(Cubic)の複合ペロ
ブスカイト構造を有しており、その結晶構造は
ZnとTaが規則配列することにより六方晶
(Hexagonal)の超格子を形成している。 第1図は、このBa(Zn1/3Ta2/3)O3の結晶構造
を示したものであり、B位置のZn1とTa2が
1:2で秩序配列している。なお3はBa、4は
Oを示すものである。 ところが、この秩序構造は焼成条件によつて大
きく変化するものであるとしている。即ち、第2
図に示すように焼成温度を1350℃とし、磁器のX
線回折において(422)、(226)反射図形の焼成時
間の依存性を検討したところ、2時間程度の焼成
時間ではZnとTaの秩序配列の形成が不十分であ
り、一方120時間の焼成時間ではZnとTaが十分
に秩序配列しており、これがQ値の向上に結びつ
くものであると説明している。 しかしながら、Q値の高い磁器を得るために、
焼成時間を120時間も維持することは生産性を向
上させるうえで大きな障害であり、コストアツプ
につながる。 また焼成炉を高温で120時間もの長時間稼動さ
せることは焼成炉の寿命を短くすることになつて
しまい、これもまた製品のコストアツプにつなが
ることになる。 しかして最近では使用する周波数領域がさらに
高くなつてきており、これに対応してさらに高い
Q値を有する材料が要求されている。 本発明者らは、上記の点に鑑みて鋭意研究の結
果、長時間に及ぶ焼成時間を要することなく、高
周波領域において高い誘電率を有するとともにQ
値が高く、共振周波数の温度係数も0ppm/℃を
中心に任意の値を得ることのできる高周波用誘電
体磁器組成物を見出したのである。 即ち、この発明の要旨とするところは、BaO、
ZrO2、ZnO、Ta2O5からなり、これを一般式Ba
(ZrxZnyTaz)O7/2-x/2-3y/2と表わしたとき、x、
y、zが0.02≦x≦0.13、0.28≦y≦0.33、0.59≦
z≦0.65(但し、x+y+z=1)の範囲にあり、
かつZnの70原子%以下がNi、Coの何れか一方ま
たは双方により置換されたものを主成分とし、こ
れにMnO2を0.1〜1.0モル%添加含有してなる高
周波用誘電体磁器組成物である。 ここでBa(ZrxZnyTaz)O7/2-x/2-3y/2において、
x、y、zをそれぞれ上述した範囲に限定したの
は次のような理由からである。 即ち、xを0.02〜0.13の範囲としたのは、xが
0.02未満ではQが低下することになり、また0.13
を越えると、共振周波数の温度係数が正側で大き
くなるからである。 yを0.28〜0.33としたのは、これが0.28未満、
または0.33を越えると、何れも焼結が困難となる
からである。 zを0.59〜0.65としたのは、zが0.59未満にな
り、また0.65を越えると、何れも焼結が困難とな
るからである。 またBa(ZrxZnyTaz)O7/2-x/2-3y/2のZnをNi、
Coの何れか一方または双方で置換する場合、そ
の置換量を70原子%以下としたのは、70原子%を
こえると、共振周波数の温度係数が負側で大きく
なりすぎるためである。 次に上記の主成分に対して添加するMnO2の量
を0.1〜1.0モル%と規定するのは、0.1モル%以下
ではQ値を高める効果がなく、また1.0モル%以
上では誘電率およびQ値が低下するためである。 以下この発明を実施例にて詳細に説明する。 実施例 原料として高純度のBaCO3、ZrO2、ZnO、
Ta2O5、NiO、Co2O3、MnO2を用い、第1表に
示す組成比率の磁器が得られるように秤量し、秤
量原料をゴム内張りしたボールミルにめのう石、
純水とともに入れ、2時間湿式混合した。次いで
この混合物を脱水、乾燥したのち、1200℃で2時
間仮焼し、この仮焼物をボールミルにめのう石、
純水、有機バインダとともに入れて、2時間湿式
粉砕した。 次いでこの粉砕物を乾燥したのち、50メツシユ
の網を通して造粒し、得られた粉末を2000Kg/cm2
の圧力で12mmφ×6mmtの寸法からなる円板に成
形した。さらにこの円板を1450℃、4時間の条件
で焼成して磁器試料を得た。 得られた磁器試料について、周波数7GHzにお
ける誘電率(εr)Qおよび共振周波数の温度係数
(τf)を誘電体共振器法にて測定し、その結果を
第1表に示した。 なお第1表中*印はこの発明の範囲外のもので
あり、それ以外はすべてこの発明範囲内のもので
ある。
This invention relates to a dielectric ceramic composition for high frequency use. In high-frequency regions such as microwaves and millimeter waves, dielectric ceramics are widely used in dielectric resonators and dielectric substrates for MICs. Conventionally, as this type of dielectric porcelain, for example,
ZnO 2 −SnO 2 −TiO 2 material, Ba 2 Ti 9 O 20 , (Ba,
These include Sr) (Zr, Ti) O 3 -based materials and Ba (Zn, Ta) O 3 -based materials. It has been reported that these various materials have dielectric constants (ε r of 20 to 40, Q of 4000 to 8000, and temperature coefficients of resonance frequency (τ f ) of around Oppm/℃ in the microwave band. Among these, Ba (Zn, Ta) O 3 type material is a suitable conventional example of this invention. This Ba (Zn, Ta) O 3 type material is described in Japanese Patent Laid-Open No. 53-35454. A detailed explanation has been given.According to the detailed explanation, dielectric porcelain is obtained by firing in air at a temperature range of 1360-1460℃ for 2 hours.
Assuming that the size is 5 mm in diameter and 2 mm in thickness, we can calculate the resonant frequency (approximately 11 GHz) and the dielectric constant (ε r ) from the diameter, and also determine the unloaded Q using the band reflection method.
When the temperature coefficient (τ f ) of the resonant frequency was measured in the temperature range of °C, it was found that ε r was 25 to 30, Q was 3520 to 3720, and τ f was 5 to 20 ppm/°C. Recently, the following reports have been made regarding this Ba(Zn, Ta)O 3 based material. In other words, dielectric porcelain was fired using the normal firing method for Ba(Zn, Ta)O 3 , but the firing conditions were a maximum temperature of 1650°C and a firing time of 2 to 300°C.
The results are considered over a 120 hour period. According to this, porcelain fired for 120 hours showed a Q value of 14,000 when measured in a waveguide, and when porcelain fired for 2 hours was measured using the same method (12GHz), it showed a Q value of 10,000 to 11,000. It is said that it will be shown. The reason for the change in Q value due to firing time is as follows. First, Ba(Zn 1/3 Nb 2/3 )O 3 is “Ordering in
Compounds of the A(B 0.33′Ta 0.67 )O 3 Type”,
F. Galasso and J. Pyle, Inorganic Chemistry,
As introduced in Vol 2, No. 3, P482-484, it has a cubic complex perovskite structure consisting of ABO 3 , and its crystal structure is
The regular arrangement of Zn and Ta forms a hexagonal superlattice. FIG. 1 shows the crystal structure of Ba(Zn 1/3 Ta 2/3 ) O 3 , in which Zn1 and Ta2 at position B are ordered in a ratio of 1:2. Note that 3 represents Ba and 4 represents O. However, it is said that this ordered structure changes greatly depending on the firing conditions. That is, the second
As shown in the figure, the firing temperature was 1350℃, and the
When we examined the dependence of the (422) and (226) reflection patterns on the firing time in line diffraction, we found that the formation of an ordered arrangement of Zn and Ta was insufficient with a firing time of about 2 hours, whereas with a firing time of 120 hours explains that Zn and Ta are sufficiently ordered and that this leads to an improvement in the Q value. However, in order to obtain porcelain with a high Q value,
Maintaining the firing time for as long as 120 hours is a major obstacle to improving productivity and leads to increased costs. Furthermore, operating the kiln for as long as 120 hours at high temperatures shortens the life of the kiln, which also increases the cost of the product. Recently, however, the frequency range used has become higher, and materials with higher Q values are required. In view of the above points, the inventors of the present invention have conducted extensive research, and as a result, the present inventors have found that the present invention has a high dielectric constant in the high frequency range and a high QQ without requiring a long firing time.
They have discovered a high-frequency dielectric ceramic composition that has a high value and can obtain any temperature coefficient of resonance frequency around 0 ppm/°C. That is, the gist of this invention is that BaO,
It consists of ZrO 2 , ZnO, and Ta 2 O 5 , which is expressed by the general formula Ba
(Zr x Zn y Ta z )O When expressed as 7/2-x/2-3y/2 , x,
y, z are 0.02≦x≦0.13, 0.28≦y≦0.33, 0.59≦
In the range of z≦0.65 (however, x+y+z=1),
A dielectric ceramic composition for high frequency, which has as a main component 70 atomic % or less of Zn substituted with one or both of Ni and Co, and further contains 0.1 to 1.0 mol % of MnO 2 . be. Here, in Ba(Zr x Zn y Ta z ) O 7/2-x/2-3y/2 ,
The reason why x, y, and z are each limited to the above-mentioned ranges is as follows. In other words, the reason why we set x in the range of 0.02 to 0.13 is because x is
If it is less than 0.02, Q will decrease, or 0.13
This is because if the temperature coefficient exceeds , the temperature coefficient of the resonance frequency becomes large on the positive side. The reason why y is set to 0.28 to 0.33 is that it is less than 0.28,
If it exceeds 0.33, sintering becomes difficult. The reason why z is set to 0.59 to 0.65 is that if z is less than 0.59 and exceeds 0.65, sintering becomes difficult. Also, Zn in Ba(Zr x Zn y Ta z )O 7/2-x/2-3y/2 is replaced by Ni,
When replacing one or both of Co, the substitution amount is set to 70 atomic % or less because if it exceeds 70 atomic %, the temperature coefficient of the resonance frequency becomes too large on the negative side. Next, the amount of MnO 2 to be added to the above main components is specified as 0.1 to 1.0 mol%, because if it is less than 0.1 mol%, it will not have the effect of increasing the Q value, and if it is more than 1.0 mol%, the dielectric constant and Q This is because the value decreases. This invention will be explained in detail below with reference to Examples. Examples Highly purified BaCO 3 , ZrO 2 , ZnO,
Ta 2 O 5 , NiO, Co 2 O 3 , and MnO 2 were weighed to obtain porcelain having the composition ratio shown in Table 1, and the weighed raw materials were placed in a rubber-lined ball mill with agate stone,
It was added together with pure water and wet-mixed for 2 hours. Next, this mixture was dehydrated and dried, then calcined at 1200℃ for 2 hours, and the calcined product was placed in a ball mill with agate stone,
It was added together with pure water and an organic binder and wet-pulverized for 2 hours. Next, after drying this pulverized material, it was granulated through a 50-mesh mesh, and the resulting powder was powdered at 2000 kg/cm 2
It was molded into a disk with dimensions of 12 mmφ x 6 mmt under a pressure of . Further, this disk was fired at 1450°C for 4 hours to obtain a porcelain sample. Regarding the obtained ceramic sample, the dielectric constant (ε r )Q and the temperature coefficient of resonance frequency (τ f ) at a frequency of 7 GHz were measured by the dielectric resonator method, and the results are shown in Table 1. Note that the * mark in Table 1 is outside the scope of this invention, and all others are within the scope of this invention.

【表】【table】

【表】 第1表において、試料番号1、49、52、55は
Znの一部をNi、Coの何れか一方または双方で置
換していない組成からなるものであり、この発明
の範囲外のものである。 また試料番号8はNi、Coの置換量が70原子%
をこえた例であり、共振周波数(τf)が負側で大
きくなる傾向にあるため、この発明範囲から除外
したものである。 試料番号1、2、3、10、16、17、23、29、
30、36、42、43、49、52、55はMnO2を添加して
いない例であり、この発明の範囲外である。 次に試料番号9、15、22、28、35、41、48は
MnO2を1.0モル%以上添加した例であり、誘電率
およびQ値が低下するためこの発明の範囲から除
外したものである。 さらに試料番号49〜57はBa(ZrxZnyTaz
O7/2-x/2-3y/2のx、y、zの値がこの発明の範囲
から外れているものであり、焼結が困難か特性が
低下しているものである。 試料番号49、50、52、53については、特性を示
していないがこれは十分に焼結した磁器が得られ
ず、特性の測定が不可能であつたためである。 以上詳述したようにこの発明によれば、高誘電
率を有するとともにMnO2の添加によつて従来得
られなかつた高いQ値を示す高周波用誘電体磁器
組成物が得られるのである。またZnの一部をNi、
Coの何れか一方または双方で置換する量を適宜
選択することによつて共振周波数の温度係数も
0ppm/℃を中心に正側、負側に任意の値のもの
が得られるのである。 従つて、この発明によれば誘電体共振器、誘電
体調整棒、MIC用誘電体基板などの用途に有用
な高周波用誘電体磁器組成物を提供することがで
きるのである。
[Table] In Table 1, sample numbers 1, 49, 52, and 55 are
It consists of a composition in which a part of Zn is not replaced with either or both of Ni and Co, and is outside the scope of this invention. In addition, sample number 8 has a Ni and Co substitution amount of 70 atomic%.
This is an example in which the resonant frequency (τ f ) tends to increase on the negative side, and is therefore excluded from the scope of the present invention. Sample numbers 1, 2, 3, 10, 16, 17, 23, 29,
Examples 30, 36, 42, 43, 49, 52, and 55 do not contain MnO 2 and are outside the scope of this invention. Next, sample numbers 9, 15, 22, 28, 35, 41, 48 are
This is an example in which 1.0 mol % or more of MnO 2 is added, and this is excluded from the scope of the present invention because the dielectric constant and Q value decrease. Furthermore, sample numbers 49 to 57 are Ba (Zr x Zn y Ta z )
The x, y, and z values of O 7/2-x/2-3y/2 are outside the scope of this invention, and sintering is difficult or the properties are degraded. Characteristics are not shown for sample numbers 49, 50, 52, and 53, but this is because sufficiently sintered porcelain could not be obtained and it was impossible to measure the characteristics. As detailed above, according to the present invention, it is possible to obtain a dielectric ceramic composition for high frequencies which has a high dielectric constant and also exhibits a high Q value which could not be obtained conventionally by adding MnO 2 . In addition, part of Zn is Ni,
The temperature coefficient of the resonant frequency can also be adjusted by appropriately selecting the amount of Co to be substituted with either or both of them.
Any value can be obtained on the positive and negative sides around 0 ppm/℃. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a high frequency dielectric ceramic composition useful for applications such as dielectric resonators, dielectric adjustment rods, and dielectric substrates for MIC.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図はBa(Zn1/3Ta2/3)O3の結晶構造を示す
図、第2図はBa(Zn1/3Ta2/3)O3について焼成時
間との関連で示したX線回折図である。
Figure 1 shows the crystal structure of Ba(Zn 1/3 Ta 2/3 ) O 3 , and Figure 2 shows Ba(Zn 1/3 Ta 2/3 ) O 3 in relation to firing time. It is an X-ray diffraction diagram.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 BaO、ZrO2、ZnO、Ta2O5からなり、これ
を一般式Ba(ZrxZnyTaz)O7/2-x/2-3y/2と表わした
とき、x、y、zが0.02≦x≦0.13、0.28≦y≦
0.33、0.59≦z≦0.65(但し、x+y+z=1)の
範囲にあり、かつZnの70原子%以下がNi、Coの
何れか一方または双方により置換されたものを主
成分とし、これにMnO2を0.1〜1.0モル%添加含
有してなる高周波用誘電体磁器組成物。
1 Consists of BaO, ZrO 2 , ZnO, Ta 2 O 5 , and when expressed as the general formula Ba(Zr x Zn y Ta z )O 7/2-x/2-3y/2 , x, y, z is 0.02≦x≦0.13, 0.28≦y≦
0.33, 0.59≦z≦0.65 (however, x+y+z=1), and the main component is one in which 70 atom % or less of Zn is substituted with either or both of Ni and Co, and MnO 2 A high frequency dielectric ceramic composition containing 0.1 to 1.0 mol% of.
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