JPWO2010110201A1 - 誘電体磁器組成物、多層誘電体基板、電子部品、及び誘電体磁器組成物の製造方法 - Google Patents

誘電体磁器組成物、多層誘電体基板、電子部品、及び誘電体磁器組成物の製造方法 Download PDF

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Abstract

高誘電率を備えつつ、熱膨張係数も低く抑えた誘電体磁器組成物、さらにはこれを用いた多層誘電体基板および電子部品を提供する。ATiO3(AはCa、Srのうち少なくとも一種からなる元素)相とAAl2Si2O8相を含む誘電体磁器組成物であって、3GHzでの誘電率が10以上、かつ40〜600℃の温度範囲における平均熱膨張係数が7ppm/℃未満であることを特徴とする誘電体磁器組成物。

Description

本発明は、誘電体磁器組成物、多層誘電体基板、電子部品、並びに誘電体磁器組成物の製造方法に関するものであって、特に、導体やその他の誘電体層との同時焼成が可能な低温焼成によって製造される多層誘電体基板に関するものである。
近年、自動車電話、携帯電話、衛星放送など、マイクロ波領域の電磁波を利用する通信技術の進展に伴い、電子部品の小型化が要求されている。この実現のためには、電子部品を構成する個々の部品を小型化する必要がある。
誘電体磁器組成物は、これらの電子部品において、誘電体共振器、フィルタ、積層インダクタ、積層コンデンサ、及びこれらを複合化した高周波部品用の材料として用いられている。例えば、誘電体共振器の大きさは、同じ共振モードを利用する場合、誘電体材料の持つ誘電率の平方根に逆比例する。このため、小型の誘電体共振器を作製するには、高い誘電率を有する誘電体材料が必要となる。また、マイクロ波用の誘電体材料の特性としては、マイクロ波領域での誘電損失tanδ(=1/Q)が小さいこと、すなわちQ値が大きいこと、共振周波数の温度係数τができるだけ零に近いことなどが要求される。
さらに、マイクロ波領域で使用される誘電体共振器、フィルタ、積層インダクタ、積層コンデンサ等の内部電極等は、銀、銅、金などのマイクロ波帯における抵抗損失の低い導体で構成される必要がある。また、これらマイクロ波用の電子部品の小型化のために、誘電体磁器組成物と内部電極との積層構造体を同時焼成して得られる積層型電子部品を用いる。この場合、銀(融点961℃)、銅(融点1083℃)、金(融点1063℃)のような融点の低い導体を用いて誘電体材料と同時焼成するため、1000℃以下の温度、好ましくは900℃以下の温度で焼結する誘電体材料が必要である。
特許文献1にはマイクロ波用の電子部品の小型化を図るために、誘電体磁器組成物と銀、銅、金などの内部電極材料と同時焼成可能な材料について述べられている。
さらに最近では積層型電子部品の内部に異なる特性を有する磁器層を多層にして介装させたコンデンサ内蔵基板が提案されている。異なる特性を有する磁器としては、高誘電率材料や磁性材料などがある。例えば容量素子の小型化を図るためには、高誘電率の材料を組み合わせた内蔵コンデンサが有効である。特許文献1には、内蔵した高誘電率の磁器絶縁層を用いて静電容量を引き出した多層配線基板が開示されている。
特開2002−167274号公報
A’AlSi相(A’はCa、Sr、Baのうち少なくとも一種)及びAl相を有する従来の誘電体磁器組成物は、誘電特性や抗折強度に優れる誘電体材料であるが、熱膨張係数が5ppm/℃程度と小さい。
しかしながら、焼成における収縮の挙動や熱膨張係数が大きく異なる磁器層を内部に介装させると各磁器層界面での剥離、クラックの発生原因となる。この点、特許文献1記載の磁器組成物は熱膨張係数が7.0ppm/℃以上と大きく、熱膨張係数5ppmの材料と同時焼成すると前記剥離、クラックなどが生じやすい。したがって、かかる誘電体磁器組成物の内部に介装させる材料として、特許文献1に開示された磁器組成物は適さなかった。また、一般的に高εのATiOは熱膨張係数が9〜11ppm/εと大きいものである。
そこで本発明は、高誘電率を備えつつ、熱膨張係数も低く抑えた誘電体磁器組成物、これを用いた多層誘電体基板および電子部品、更には該誘電体磁器組成物の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の誘電体磁器組成物は、ATiO(AはCa、Srのうち少なくとも一種からなる元素)相とAAlSi相を含む誘電体磁器組成物であって、3GHzでの誘電率が10以上、かつ40〜600℃の温度範囲における平均熱膨張係数が7ppm/℃未満であることを特徴とする。この構成によれば、高誘電率を有する誘電体磁器組成物を、組織中にA’AlSi相(A’はCa、Sr、Baのうち少なくとも一種からなる元素)及びAl相を有する誘電体磁器組成物の内部に介装させることができる。
本発明の誘電体磁器組成物は、主成分であるAl、Si、A、Tiに加えて、添加元素としてBを含むことができ、誘電体磁器組成物全体を100重量部として、Al元素をAl換算で11〜25重量%、Si元素をSiO換算で20〜33重量%、A元素をAO換算で5〜30重量%、B元素をB換算でAl(Al換算)の0.06倍以上〜5重量%、残部としてTiO(不可避不純物を含む)を含むものを用いることができる。
前記A元素がSrのみの場合は、誘電体磁器組成物全体中のSr元素がSrO換算で5〜30重量%であって、前記A元素がCaを含む場合は、誘電体磁器組成物全体中のSr元素がSrO換算で5〜15重量%、且つ誘電体磁器組成物全体中のSrとCa元素の総和がAO換算で5〜30重量%であることが好ましい。
また、本発明の誘電体磁器組成物は、R(RはNd、La、Smのうち少なくとも一種からなる元素)、Mg、Znのうちの少なくとも1種を含むことができ、該誘電体磁気組成物全体を100重量部として、R元素をR換算で0.01〜20重量%、Mg元素をMgO換算で0〜10重量%、Zn元素をZnO換算で0〜5重量%含有するものが好ましい。
また、本発明の誘電体磁器組成物は、Na、K、Cu、Mn、Biのうちの少なくとも1種を含むことができ、該誘電体磁気組成物全体を100重量部として、Na元素をNaO換算で0〜4重量%、K元素をKO換算で0〜1重量%、Cu元素をCuO換算で0.1〜3重量%、Mn元素をMn換算で0.1〜3重量%、Bi元素をBi換算で1〜5重量%含有するものが好ましい。
添加元素が上記の組成範囲を満たす事により−20℃〜60℃の温度範囲における共振周波数の温度係数τの絶対値が120ppm/℃以下である誘電体磁器組成物を得ることができる。
本発明の誘電体磁器組成物は、Agを含むことができ、該誘電体磁気組成物全体を100重量部として、Agを0.1〜3重量%含むものが好ましい。
本発明の誘電体磁器組成物は、上記組成範囲とすることで、R−M−Ti−Si−O系(RはNd、Sm、Laのうち少なくとも1種からなる元素、MはMg、Znのうち少なくとも1種からなる元素)の相、或いはA−Ti−Si−O系(AはCa、Srのうち少なくとも一種からなる元素)の相が実質的に存在しないものが得られる。
本発明の誘電体磁器組成物は、ATiO相だけでなく、R2/3TiO(RはNd、La、Smのうち少なくとも一種からなる元素)及びMTiO(MはMg、Znのうち少なくとも一種からなる元素)のうちの少なくとも一種の化合物相を含むものが得られる。
導体を形成した複数の誘電体層が積層一体化された多層誘電体基板であって、前記複数の誘電体層のうち少なくとも一つの誘電体層が上記のいずれかに記載の誘電体磁器組成物を用いて構成され、その他の誘電体層がA’AlSi相(A’はCa、Sr、Baのうち少なくとも一種からなる元素)及びAl相を有する誘電体磁器組成物を用いて構成されているものが得られる。この誘電体磁器組成物は単斜晶と六方晶が存在し、焼成後は単斜晶になっている。
前記単斜晶A’AlSi相及びAl相を有する誘電体層は、主成分として、Al、Si、A’(A’はCa、Sr、Baのうち少なくとも一種からなる元素)、Tiと、副成分として、Bi、Na、K、Coの群のうちの少なくとも1種と、更に、Cu、Mn、Agの群のうちの少なくとも1種とを含むものであって、主成分であるAl、Si、A’、Tiをそれぞれ、誘電体磁器組成物全体を100重量部として、Al換算で10〜60重量%、SiO換算で25〜60重量%、A’O換算で7.5〜50重量%、TiO換算で20重量%以下(0を含む)含み、副成分であるBi、Na、K、Coの群のうちの少なくとも1種をそれぞれ、その主成分100重量部に対して、Bi換算で0〜10重量%、NaO換算で0〜5重量%、KO換算で0〜5重量%、CoO換算で0〜5重量%含み、更に、Cu、Mn、Agの群のうちの少なくとも1種を、その主成分100重量部に対して、CuをCuO換算で0〜5重量%、MnをMnO換算で0〜5重量%、Agを0〜5重量%で含有するものを用いることができる。
この多層誘電体基板を用いて電子部品とすることができる。
誘電体磁器組成物の製造方法として、特にこれに限定されるものではないが、Al、Si、Sr、Ti、Bをそれぞれ必須とし、必要によりNa、K、Cu、Mn、Bi、Agの少なくとも1種を含む原料を用意して600℃以上850℃以下で仮焼成することで低温焼結化成分を得る工程と、別途A元素、Tiをそれぞれ必須とし、必要に応じ、Nd、La、Sm、Mg、Mnのうち少なくとも一種からなる元素を含む原料を用意して700℃超1300℃以下で仮焼成することで無機フィラー成分を得る工程と、前記低温焼結化成分と無機フィラー成分を混合した後に低温焼結化成分の仮焼成温度より高く無機フィラー成分の仮焼成温度より低い温度で焼成する工程を有する製造方法を採用できる。
前記低温焼結化成分は、少なくともAl、Si、Sr、Bをそれぞれ含み、焼結した場合に、前記低温焼結化成分全体を100重量部として、Al換算で18〜40重量%、SiO換算で40〜58重量%、SrO換算で10〜40重量%、B換算で1.5〜5重量含む組成となるものが好ましい。
前記低温焼結化成分は、焼結した場合に、前記低温焼結化成分全体を100重量部として、Na、K、Cu、Mn、Biの群のうちの少なくとも1種からなる元素を含み、NaO換算で0〜5重量%、KO換算で0〜5重量%、CuO換算で0.01〜5重量%、MnO換算で0.01〜5重量%、Bi換算で0.1〜5重量%含有する組成となるものが好ましい。
前記低温焼結化成分は、Agを、前記低温焼結化成分全体を100重量部として0.5〜6重量%含むものが好ましい。
前記無機フィラー成分は、少なくともA(AはCa、Srのうち少なくとも一種からなる元素)とTiをそれぞれ含み、焼結した場合に、前記無機フィラー全体を100重量部として、AO換算で10〜60重量%、TiO換算で30〜60重量%を含む組成となるものが好ましい。
前記無機フィラー成分は、R(RはNd、La、Smのうち少なくとも一種からなる元素)、Mg、Znのうちの少なくとも1種を含み、焼結した場合に、前記無機フィラー成分全体を100重量部として、R換算で0.01〜50重量%、MgO換算で0〜15重量%、ZnO換算で0〜10重量%含有する組成となるものが好ましい。
本発明によれば、高誘電率を備えつつ、熱膨張係数も低く抑えた誘電体磁器組成物を提供できる。また、−20〜60℃における共振周波数の温度係数τも低く抑えた誘電体磁器組成物を提供できる。
さらにはこれを用いた多層誘電体基板および電子部品を提供することができる。
さらには上記誘電体磁器組成物を得るための好ましい製造方法を提供することができる。
誘電体磁器組成物を構成する低温焼結化成分の組成を示す図である。 多層誘電体基板の構造を示す断面図である。 低温焼結化成分の焼結体のXRD分析結果である。 誘電体磁器組成物のXRD分析結果である。 Alの添加量とRMTiSiO系の相の強度比との関係を示す図である。 Alの添加量と誘電体磁器組成物の焼結収縮率、熱膨張係数の関係を示す図である。 Alの添加量と誘電率、共振周波数の温度係数τとの関係を示す図である。 の添加量と誘電体磁器組成物の焼結収縮率、熱膨張係数の関係を示す図である。 多層誘電体基板の高誘電体層(誘電体磁器組成物の焼結体)とその他の誘電体層の焼結後の界面観察写真である。 高誘電体層の観察写真である。 高誘電体層とその他の誘電体層の界面でのライン分析結果である。 高誘電体層とその他の誘電体層の界面でのライン分析結果である。
以下、本発明を実施例とともに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
本発明の誘電体磁器組成物は、主に低温焼結化成分と無機フィラー成分で構成される。低温焼結化成分としては焼成後の結晶相としてAAlSi相を晶出することが可能なガラス成分である。焼成後の結晶相としてAAlSi相を晶出することにより、高強度で、かつ1〜5GHzにおいて高い品質係数(Q値)を有し、かつ40〜600℃において低い熱膨張係数を有する誘電体磁器組成物が提供可能である。本発明で用いた低温焼結化成分はA、Al、Siを主成分としてさらにBを含み、必要によりNa、K、Cu、Mn、Bi、Agの少なくとも1種からなる元素を含むものである。
一方、無機フィラーとしてはATiO(AはCa、Srのうち少なくとも一種からなる元素)相を含むものとする。かかるATiO相は高誘電率(CaTiOがε=280、SrTiOがε=170)であるため、ATiO相を含む本発明の誘電体磁器組成物の誘電率を10以上とし、誘電率が低いものに対して容量素子を小型にすることが可能となる。本発明で用いた無機フィラー成分は、主組成としてSrやCaの少なくとも一種からなるA元素と、Tiを含み、必要により、Nd、La、Smの少なくとも一種からなる希土類やMg、Znの元素を含むものである。
本発明の誘電体磁器組成物は、低温焼結化成分と無機フィラー成分を混合して用いることで、ATiO相とAAlSi相を含有する誘電体磁器組成物であって、1000℃以下の温度で焼成可能であるとともに、3GHz、さらには1GHz〜5GHzの周波数範囲における誘電率が10以上、かつ40〜600℃の温度範囲における熱膨張係数が7ppm/℃未満となるように誘電体磁器組成物を構成することができる。
本発明の誘電体磁器組成物は、低温焼結化成分として、焼成後にAAlSi相を晶出可能なガラス成分を50〜80重量%用いることにより、A’AlSi相及びAl相を有する誘電体磁器組成物と一体化した積層体を作製した際の成分拡散が抑えられ、本発明の誘電体磁器組成物の誘電特性の低下を抑えることができる。また、本発明の誘電体磁器組成物は、熱膨張係数も7ppm/℃未満となるため、本発明に係る誘電体磁器組成物とA’AlSi相及びAl相を有する誘電体磁器組成物と一体化した積層体を作製した際、クラックの発生を抑制することができる。組織中にA’AlSi相及びAl相を有する誘電体磁器組成物は、1GHz〜5GHzの周波数範囲における誘電率が8程度であるため、本発明に係る誘電体磁器組成物の3GHzでの誘電率を10以上にして、組織中にA’AlSi相及びAl相を有する誘電体磁器組成物の内部に介装させることで容量素子を小型にすることが可能となる。低温焼結化成分単体としては、誘電率が5以上、1〜5GHzにおける品質係数(fQ値)が500以上、−20〜60℃における共振周波数の温度係数τが200ppm/℃以下、40〜600℃における熱膨張係数が7.0ppm/℃以下であることが望ましい。低温焼結化成分単体で仮焼成した場合には、AAlSi相はほぼSrAlSi相となる。
低温焼結化成分はSrO、Al、SiOの三成分の比率により特性が変化する。低温焼結化化成分は、図1におけるSiO:58重量%、SrO:10重量%、Al:32重量%の点、SiO:58重量%、SrO:24重量%、Al:18重量%の点、SiO:40重量%、SrO:40重量%、Al:20重量%の点およびSiO:40重量%、SrO:20重量%、Al:40重量%の点を結んで得られた線で囲まれた組成領域にある事が望ましい。かかる範囲の組成を有する組成物は、(B)の範囲の周囲にある組成物に比べて900℃で2時間保持した際に高密度化しやすい。一方、(D)の範囲の周囲にある組成物はSrAlSi相が生成しにくい。また、(C)、(D)の範囲の周囲にある組成では、無機フィラーと反応しやすくなる。
また、Bは焼結性に効果を発揮する元素であり、1.5〜5重量%含むことが好ましい。
よって本発明に用いる低温焼結化成分の組成は、少なくともAl、Si、Sr、Bをそれぞれ、Al換算で18〜40重量%、SiO換算で40〜58重量%、SrO換算で10〜40重量%、B換算で1.5〜5重量を含む組成であることが好ましい。特にBは単体で低温焼成が可能とする有力な元素であって本発明では必須の元素である。
Al量はAl換算で20〜35重量%が好ましく、22〜33重量%がさらに好ましい。
Si量はSiO換算で42〜55重量%が好ましく、43〜50重量%がさらに好ましい。
Sr量はSrO換算で12〜35重量%が好ましく、13〜30重量%がさらに好ましい。
B量はB換算で1.2〜4.5重量%が好ましく、1.3〜4.0重量%がさらに好ましい。
さらに焼結性を改善する点から、NaOを0〜5重量%、KOを0〜5重量%、CuOを0.01〜5重量%、Mnを0.01〜5重量%、Biを0.1〜5.0重量%添加することが望ましい。Cu、Mn、Biの添加量がそれぞれの範囲を下回ると実質的に焼結性改善の効果が発揮されない。また各元素の添加量がそれぞれの範囲を超えると誘電特性が低下するためである。Naは単体で低温焼結化が可能な元素であり、単独添加する場合は重宝する元素である。また、CuOとBiを複合添加することは低温焼結化に著しく効果を発揮する。
さらにNaOを0.1〜4.5重量%、KOを0.1〜3重量%、CuOを0.1〜4重量%、Mnを0.1〜3重量%、Biを0.1〜4.5重量%とすることが好ましく、さらにNaOを1〜4.0重量%、KOを0.2〜2重量%、CuOを0.2〜2重量%、Mnを0.2〜2重量%、Biを1〜4.0重量%とすることが好ましい。
さらに、低温焼結化成分全体を100重量部として、Agを0.5〜6重量%含むことが好ましい。Agが含まれることで、後述するその他の誘電体層との同時焼成を行なった場合にクラックの発生率が下がり、焼成時の歩留まりを改善することができる。また、低温焼結効果が得られる。
この低温焼結化成分は600℃以上850℃以下で仮焼成することが好ましい。600℃未満ではガラス化の度合いが不足し、850℃超では焼結密度が上がりすぎて細かく粉砕することが困難になり、その後の無機フィラー成分の仮焼成粉と混ぜて本焼成しても、所望の熱膨張係数を得ることが難しくなる。また、低温焼成が困難になる。
上記の組成から成る低温焼結化成分は、SiO相、SrSiO相が実質的に存在していない。焼結体の状態でXRD分析(Cu−Kα管使用、電圧40mV、電流100mA)を行なってもこれらの相は検出されず、Sr長石(SrAlSi相)の28度付近での最大ピーク値に対して、22度付近で見られるSiO相のピーク値、31度付近で見られるSrSiO相のピーク値が1/10以下の高さである。
無機フィラー成分は、ATiO(AはCa、Srのうち少なくとも一種からなる元素)相を含む。この相を得るために、無機フィラー成分全体を100重量%として、A元素とTiをそれぞれ、AOとTiOに換算したときに、10〜60重量%のAOと30〜60重量%のTiOを含む組成であることが望ましい。A元素がCaである場合には、CaはCaO換算で10〜45重量%であることが好ましい。Ca添加量を60重量%以下とすることで、熱膨張係数の増加を抑えることができる。A元素がSrである場合、15〜60重量%であることが望ましい。Sr量が60重量%以下の添加量では共振周波数の温度係数τの増加を抑えることができる。
また、共振周波数の温度係数τを小さくするためには、希土類元素R(RはNd、La、Smの1種以上からなる元素)を0.01〜50重量%添加することが好ましい。添加する希土類元素がNdの場合、Ndは1〜36重量%が好ましい。添加する希土類元素がLaやSmであれば、LaやSmは1〜40重量%が好ましい。MgOは0〜15重量%、ZnOは0〜10重量%の範囲で添加することが望ましい。これらの組成がこの範囲を超えない添加量であれば誘電率の低下は極力抑えられる。
誘電率10以上を確保し、低温焼結化成分の仮焼成温度より高く無機フィラーの仮焼成温度より低い温度で本焼成を行い、高密度化(密度飽和)を達成するためには、上述のように、低温焼結化成分と無機フィラー成分を重量%で、40〜80:20〜60の割合で配合する事が望ましい。低温焼結化成分が40重量%よりも少なく無機フィラー成分が60重量%よりも多いと、銀やA’AlSi相(A’はCa、Sr、Baのうち少なくとも一種からなる元素)及びAl相を有する誘電体磁器組成物と一度の焼成工程にて一体化しようとする温度領域において良好な緻密体が得にくい。また、低温焼結化成分が80重量部よりも多く無機フィラー成分が20重量%よりも少ない場合、焼結体としての誘電率を高めることが難しくなる。混合後の本焼成の温度は好ましくは750超1100℃未満である。前記の焼結温度での保持時間は0.1〜100時間、さらには0.5〜10時間、さらには1〜5時間とすることが好ましい。焼結の保持時間が短いと低温焼結化成分と無機フィラー成分が十分に焼結しない。逆に保持時間が長いと無機フィラー側の添加元素が低温焼結化成分側に拡散してしまい、所望の誘電体特性を確保することができなくなる。
無機フィラー成分は原料を600℃以上で仮焼成しておくことで、低温焼結化成分と混合した後の本焼成の温度を下げることができる。仮焼成の温度が600℃未満であると、本焼成しても空孔を含むポアの焼成体に成りやすく、焼結性に難がある。650℃、さらには700℃以上であることが好ましい。
さらに、無機フィラー成分は850℃超1300℃以下で仮焼成することが好ましい。仮焼成の温度が850℃超であれば、本焼成の温度を1000度以下、さらには950度以下にすることができる。仮焼成の温度が1300℃超では仮焼成する際の容器との反応が大きくなり不純物元素の混入の原因ともなるし、細かく粉砕することが困難になるのでその後の低温焼結化成分の仮焼成粉と混ぜて本焼成しても、空孔を含むポアの焼成体に成りやすく、焼結性に難がある。仮焼成の温度は1200℃以下がさらに好ましい。
上記のように低温焼結化成分と無機フィラー成分を混合して本発明の誘電体磁器組成物を得た後、基板状に成形される。詳細は後述する。
本焼成はその他の誘電体をもちいたセラミックグリーンシートと同時に焼成することができる。
この同時焼成(本焼成)の温度は低温焼結化成分の仮焼成温度より高く、無機フィラー成分の仮焼成温度より低い温度で行なう。低温焼結化成分の仮焼成温度より低ければ、同様の焼結温度を持つその他の誘電体層と結合せず積層一体化できない。他方、本焼成の温度が無機フィラー成分の仮焼成温度より高ければ、Ag導体ペーストの融点以上の温度であるのでAgペーストが溶け流れ、積層体内に所望の素子、電極を形成することができない。
本焼成の好ましい温度は、その他の誘電体層の組成にも影響されるが、850℃超1000℃未満である。
AAlSi相を晶出させ、かつ3GHzの誘電率が10以上、かつ40〜600℃の温度範囲における熱膨張係数が7ppm/℃未満とするには、低温焼結化成分と無機フィラー成分を併せた本発明の誘電体磁器組成物の組成は、主成分であるAl、Si、A、Tiに加えて、添加元素であるBを含み、Al元素をAl換算で11〜25重量%、Si元素をSiO換算で20〜33重量%、A元素をAO換算で5〜30重量%、B元素をB換算でAl(Al換算)の0.06倍以上〜5重量%、残部としてTiO(不可避不純物を含む)を含むことが好ましい。
AAlSi相を晶出させるための誘電体磁器組成物にBを添加すると、誘電率の低下を極力抑制しながら焼結性を向上させることができる。
更に好ましい組成は、Al換算で11.5〜23重量%、SiO換算で22〜32重量%、A元素がAO換算で7〜29重量%、B換算で1.0〜2.5重量%、残部TiO(不可避不純物を含む)であり、更に好ましい組成は、Al換算で12.0〜20重量%、SiO換算で24〜31重量%、A元素がAO換算で7〜28重量%、B換算で1.3〜2重量%、残部TiO(不可避不純物を含む)である。
Alが少ないと誘電体磁器組成物中にR−M−Ti−Si−O系の相が発生して熱膨張係数が大きくなりやすい。またAlが多いと焼結性に影響が出て、クラックやデラミネーションが発生しやすい。
A元素(Ca、Srのうち少なくとも一種からなる元素)、特にSrが少ないと焼結過程でSr長石が出ずに他の相が出現し、熱膨張係数が大きくなりやすい。また、A元素が多いと共振周波数の温度係数τの絶対値を小さくすることができない。A元素が多くてもTiが少なければ長石が析出するためτの上昇は必ずしもおきないが、Sr元素が15重量%を超える場合はSrとTiの比をSrO/TiO換算で1.5以上とすることが好ましい。
また、前記A元素はSrのみの場合は、Sr元素がSrO換算で5〜30重量%が好ましい。共振周波数の温度係数τを改善するためには、誘電体磁器組成物全体として、SrとCaの両方を含むものが好ましい。この場合、SrO換算で5〜15重量%、SrOとCaOの総和が5〜30重量%とすることがさらに好ましい。CaはCaO換算で3〜18重量%の範囲で含まれることが好ましい。
Sr量とCa量を上記の範囲とすることで、さらに高誘電率、低熱膨張係数、および高い焼結性を持つ誘電体磁器組成物が得やすくなる。
Nd、La、Smを上記組成に添加することでRTiO(RはNd、La、Smのうち少なくとも一種からなる元素)という相になる。また、Mg、Znを上記組成に添加することでMTiO(MはMg、Znのうち少なくとも一種からなる元素)という相になる。これらを少なくとも一種を含むことにより、共振周波数の温度係数τの絶対値を小さくすることができる。例えば、本発明の誘電体磁器組成物の、−20〜60℃における共振周波数の温度係数τの絶対値を100ppm/℃以下にすることが可能となり、温度安定性が求められる電子部品に供することが可能となる。
Ndの添加が最も温度係数τの低下を行ないやすい。誘電体磁器組成物全体を100重量部として、Nd、La、Sm、Mg、Znのうちの少なくとも1種を、Nd換算で0.1〜20重量%、La換算で0〜12重量%、Sm換算で0〜12重量%、MgO換算で0〜10重量%、ZnO換算で0〜5重量%含有することが好ましい。さらに好ましいNd量はNd換算で1〜18重量%である。但し、希土類元素は恒常的に高価であるため、比較的価格変動があるMg、Znを用いて温度係数τの低下を図ってもよいし、希土類とMg、Znを複合して用いてもよい。
さらに、本発明の誘電体磁器組成物は、誘電体磁器組成物全体を100重量部として、Na、K、Cu、Mn、Biのうちの少なくとも1種を、NaO換算で0〜4重量%、KO換算で0〜1重量%、CuO換算で0.1〜3重量%、Mn換算で0.1〜3重量%、Bi換算で1〜5重量%含有するものが好ましい。これら副成分はこの誘電体磁器組成物をより低融点化させる効果を持つ。また、CuO、MnはSr長石結晶化を促進させる効果を持つ。
また、誘電体磁器組成物全体を100重量部として、Agを0.1〜3重量%含むことが好ましい。その他の誘電体層にAgが入っている場合には、その層との同時焼成でのクラック発生を抑制できる。また、誘電体磁器組成物を用いた誘電体層にAg、又はAg合金ペーストからなる導体を用いた場合にマイグレーションが抑えられる。
上記の組成から成る誘電体磁器組成物は、R−M−Ti−Si−O系(RはNd、Sm,Laのうち少なくとも1種からなる元素、MはMg、Znのうち少なくとも1種からなる元素)の相、或いはA−Ti−Si−O系(AはCa、Srのうち少なくとも一種からなる元素)の相が実質的に存在しないことが特徴である。R−M−Ti−Si−O系の相は例えばM24Ti3Si422相に該当する。A−Ti−Si−O系の相は例えばCaTiSiO5相やSr2TiSi2O8相に該当する。R−M−Ti−Si−O系の相が残ると熱膨張係数が増大しやすく、A−Ti−Si−O相が残ると品質係数fQが悪化しやすい。
焼結体の状態でXRD分析(Cu−Kα管使用、電圧40mV、電流100mA)を行なってもこの相は検出されず、Sr長石をはじめとする(AAlSi相)の33度付近での最大ピーク値に対して、30度付近で見られるR−M−Ti−Si−O系の相のピーク値が1/10以下の高さ(強度比10%以下)である。
本発明に係る多層誘電体基板は、導体を形成した複数の誘電体層が積層一体化された多層誘電体基板である。複数の誘電体層のうち少なくとも一つの誘電体層が上記本発明に係る誘電体磁器組成物を用いて構成され(かかる誘電体層を高誘電率層ともいう)、その他の誘電体層が単斜晶AAlSi相及びAl相を有する誘電体磁器組成物を用いて構成される(かかる誘電体層を低誘電率層ともいう)。高誘電率層を挟んで電極を対向させることで多層誘電体基板に内蔵された容量素子を小型化できる。高誘電率層は一層でもよいし、複数層でもよい。すなわち、高誘電率層が一層の場合は、積層方向の略中央に配置し、高誘電率層が複数の場合は、積層方向中央の両側(上側、下側)に分けて配置することが好ましい。高誘電率層が複数の場合は、上面、下面から同順の位置に高誘電率層を配置することがより好ましい。
上記のAAlSi相及びAl相を有するその他の誘電体磁器組成物は、例えば、主成分であるAl、Si、Sr、TiをそれぞれAl、SiO、SrO、TiOに換算したときに、10〜60重量%のAl、25〜60重量%のSiO、7.5〜50重量%のSrO、20重量%以下(0を含む)のTiOを含むものであり、副成分として、Bi、Na、K、Coの群のうちの少なくとも1種を、その主成分100重量部に対して、Bi換算で0〜10重量%、NaO換算で0〜5重量%、KO換算で0〜5重量%、CoO換算で0〜5重量%含有し、更に、Cu、Mn、Agの群のうちの少なくとも1種を、その主成分100重量部に対して、CuをCuO換算で0〜5重量%、MnをMn換算で0〜5重量%、Agを0〜5重量%で含有し、その他不可避不純物を含有している混合物を一旦700℃〜850℃で仮焼成して、これを粉砕して平均粒径0.6〜2μmの微粉砕粒子からなる誘電体磁器組成物を挙げることができる。その他の誘電体磁器組成物がAgを0.01〜5重量%含有する場合は、本発明の誘電体磁器組成物もAgが添加されることが好ましい。
好ましい各元素それぞれの添加範囲は、Bi、Na、K、Coの群のうちの少なくとも1種をBi換算で0.1〜8重量%、NaO換算で0.1〜4重量%、KO換算で0.1〜3重量%、CoO換算で0.1〜3重量%含有し、更に、Cu、Mn、Agの群のうちの少なくとも1種を、Cuに関してはCuO換算で0.01〜3重量%、Mnに関してはMnO換算で0.01〜3重量%、Agに関してはAgを0.01〜3重量%含む。特にBiは低温焼成に効果を持つ。
(多層誘電体基板の製造)
多層誘電体基板を形成する工程では、まず、本発明の誘電体磁器組成物からなる高誘電率グリーンシートを複数生成する。例えば有機キャリアフィルム(例えばPETフィルム)上に、この誘電体磁器組成物の粉末、及び有機バインダ、可塑剤、溶剤の混合物からなるスラリーをドクターブレード法により所定厚の膜状に形成し、乾燥させる。誘電体磁器組成物スラリーの乾燥後の厚みは、その多層誘電体基板をコンデンサ内蔵基板とするのに好ましい厚みに適宜設計される。
また、その他の誘電体層からなる低誘電率グリーンシートも複数生成する。有機キャリアフィルム上に、その他の誘電体磁器組成物の粉末とガラス成分の粉末及び有機バインダ、可塑剤、溶剤の混合物からなるスラリーをドクターブレード法により所定厚の膜状に形成し、乾燥させる。その他の誘電体層スラリーの乾燥後の厚みは、その多層誘電体基板の厚さ、回路構成等によってそれぞれ異なるが、20〜200μmとするのが一般的である。
なお、高誘電率グリーンシート、低誘電率グリーンシートの生成は、ここで述べたドクターブレード法に限定されず、例えば圧延(押し出し)法、印刷法、インクジェット式塗布法、転写法等によって生成してもよい。このとき高誘電率グリーンシート、低誘電率グリーンシートは、PETフィルム等の薄いキャリアフィルム上に一体的に生成されたキャリアフィルム付きセラミックグリーンシートを成形する。そして、キャリアフィルムから剥離せず、そのまま裁断して複数のグリーンシートを得る。グリーンシートで取り扱うことは容易であるが、裁断しないでロール状に巻き取り/巻き出しを繰り返しながら後の印刷などの工程に供することも合理的な製造方法である。
そして各キャリアフィルム付きの高誘電率グリーンシート、低誘電率グリーンシートに、目的の回路に従ってレーザを用いてビア孔を形成する。その後、印刷スクリーンを介して各ビア孔に銀(Ag)を主成分とする導体ペーストを配し、スキージでビア孔に導体ペーストを圧入し、かつ過剰な導体ペーストを剥ぎ取ることでビア電極5を作製する。このとき、全てのグリーンシートにおいて、当該グリーンシートが印刷スクリーン側、キャリアフィルムが支持台側となるよう印刷装置の支持台上に搭載してビア電極の印刷充填工程を行う。また、上表面の低誘電率グリーンシート2aを含む各グリーンシートの表面には、銀(Ag)等の導体ペーストを用いて、目的の回路に対応する電極パターン4を、5〜35μm厚さに印刷して形成する。これらの電極パターン4によりインダクタ、伝送線路、コンデンサ、グランド電極等の内部配線を形成し、上記ビア電極によるビア配線により互いに接続して目的の回路配線を構成するものである。
次に、ビア電極及び/又は導体パターンを形成した高誘電率グリーンシート、低誘電率グリーンシートを適宜積層していく。高誘電率グリーンシート3a,3b,3c,及び3dはコンデンサを形成する層となることが多く、通常は多層誘電体基板の中腹部の層となることが多い。低誘電率グリーンシート2a,2b,2c及び2dは比較的厚く形成され、最外層に配置されることが好ましい。プレスによってこの高誘電率グリーンシート、低誘電率グリーンシートを適宜重ねた多層グリーンシートを圧着し、キャリアフィルムを剥離する工程をセラミック基板層の数だけ繰り返して積層し、未焼結多層セラミック積層体(以下、簡略に、「未焼結多層誘電体基板」と呼ぶ)を生成する。
上記工程の一例を述べる。未焼結多層誘電体基板の最表面側に位置することとなる第1層のキャリアフィルム付き低誘電率グリーンシート2aを、キャリアフィルム側を上になるように反転して固定用フィルム上にセットし、金型で所定の圧力、温度、時間でプレスして圧着する。例えば、圧力1〜5MPa(10〜51kgf/cm)、温度30〜60℃、時間3〜15秒などとする。熱圧着上下の金型はヒーターを内蔵した単純な平板形状でよい。上記プレスによる圧着が終わると、低誘電率グリーンシート2aからキャリアフィルムを剥離する。この時、低誘電率グリーンシート2aは固定用フィルムに固定されており、キャリアフィルムの剥離に際して一緒に剥離されることはない。またビア孔を形成するレーザ波長を適切に選定してキャリアフィルムには連続的な貫通ビア孔が形成されないように小ビア孔にしておけば、キャリアフィルム剥離の際に低誘電率グリーンシート2aのビア孔内に充填された導体ペーストが一緒に引き抜かれ難くなり、その結果ビア配線の未接続による導通不良の発生を防ぐことが可能となる。
次に、第2層目の高誘電率グリーンシート3aを積層する。高誘電率グリーンシート3aは、内部回路配線を構成する導体パターンが印刷されている。セラミックグリーンシート3aの主面が第1層の低誘電率グリーンシート2aに当接するようにセットし、第1層の低誘電率グリーンシートの場合と同様に、プレスし圧着する。その後、プレス温度を印刷ペースト内の粘着剤が軟化固着する温度とすれば、加圧力により印刷部が相手側のグリーンシート2aと接合する。従って、グリーンシート同士は、印刷導体ペーストを介して結合される。また、電極が無くグリーンシート同士が直接接触するところも、電極を介する場合と同様に軟化して固着し結合する。このときの圧着温度は粘着剤の種類にもよるが、通常40〜90℃程度の低温でよく、接合強度は加圧力を変えることにより調整できる。圧着後、高誘電率グリーンシート3aのキャリアフィルムを剥離する。第3層の高誘電率グリーンシート3b以降、裏(底)面側の最表層に相当する低誘電率グリーンシートまで第2層目の高誘電率グリーンシートと同様の工程で積層する。なお、積層体を強力に一体化させるために、全体を積層した後、さらに圧着工程を行ってもよい。
さらに、圧着、剥離、積層の一連の工程の一部もしくはすべてを減圧した雰囲気下で行ってもよい。このようにすると、グリーンシート間の気泡を取り除きやすく、積層時の寸法精度を保ち、デラミネーションを減少させることができる。
本実施の形態では、このようにして得られた未焼結多層誘電体基板の底面(最表面のセラミック基板層表面と対向する反対面)に、Agを主体とする導体ペーストを用いて、目的の回路に従って底面側の表層電極を印刷形成する。
さらに基板表面と底面の導体パターン周囲にはオーバーコート材を適宜形成してもよい。このオーバーコート材の材質としては、焼結収縮特性や熱膨張特性が未焼結多層誘電体基板の素材と近似していることが望ましい。例えば、セラミックグリーンシートと同材質のスラリーにコート部分の視認性を向上するような機能を付与するための添加成分を加えたものが挙げられる。表面導体パターンの周縁にオーバーコートを被覆して電極被覆領域を形成することにより、表面の導体パターンの機械的保護と、後の工程で導体パターンの上に設けた半田が流れ出して導電部と接するなどの短絡防止ができる。なお、基体表面の導体パターンとオーバーコート材は必ずしも未焼結多層誘電体基板の状態で設ける必要はなく、焼結後の多層セラミック基板に対して形成しても構わない。
本実施の形態では、こうして得た未焼結多層誘電体基板を、CIP装置にて、10〜40MPa(100〜400kgf/cm)、85℃で熱圧着し、各層が一体化した未焼結多層誘電体基板となす。
次に、未焼結多層誘電体基板の表面にナイフカッター等の治具により切り込み溝を形成し、分割溝を形成する。この分割溝は、集合基板の大きさや製品基板のサイズによって異なる形状に形成される。分割溝は、回路を構成する導体パターンを傷つけるような悪影響がでないよう、十分な寸法の余裕をもって形成され、平面的にみて導体端部から概ね100〜250μm程度の距離を置いて形成される。この分割溝は例えばV字型の溝で、深さは例えば分割溝を上下両面に入れる場合、両面の溝深さの総和が未焼結多層誘電体基板の厚さの30%以下となるようにする。この深さは、未焼結多層誘電体基板の厚さによって異なるが、一般に0.01〜0.2mm程度としておく。この深さが深すぎるとカッターの型離れが悪く変形を起こしやすくなり、焼結過程でクラックの起点となるためである。なお、分割溝は両面に形成する必要は必ずしもなく、上面か底面の何れか一方でも構わない。分割の方法は必ずしもV字型の溝に沿って割る方法だけではなく、溝を形成しないで後の焼成工程後にダイシングやスクライビングの方法を用いることでも構わない。
次に、未焼結多層誘電体基板を焼成炉内で、焼結温度である800〜1000℃で一体焼成を行う。その後、表層のビア電極へのエッチング処理、無電解めっきなどの金属めっき成膜処理などが必要により行なわれる。
[電子部品]
このような多層誘電体基板を用いるときには、金属めっき層3表面に、半田ボールを用いて表面実装部品を搭載して電子部品を構成する。この電子部品は、例えば携帯電話機などの電子機器に用いることができる。また、実装する電子部品はコンデンサ、インダクタ、抵抗等の受動素子のほか、半導体製品、さらには、複数の受動部品を集積したアレイなどを含んだモジュール部品等の能動素子が挙げられる。かかる電子部品は、例えば、誘電体共振器、フィルタ、積層コンデンサ、アンテナスイッチモジュール、フロントエンドモジュールなどである。
以下、本発明の誘電体磁器組成物の作製方法について記載する。低温焼結化成分は、目標の組成となるよう素原料を秤量、混合したものを乾燥し、得られた粉末を仮焼成する。仮焼成工程においては、仮焼成温度を適切に設定することによって、素原料の反応を進行させ、一部をガラス化させてもよい。このように仮焼成して得られた粉末を、ボールミル等の方法によって粉砕し、低温焼結化成分粉末を得る。無機フィラー成分は目標の組成となるように原料を秤量、混合したものを乾燥し、得られた粉末を仮焼成し、ATiO(AはCa、Srのうち少なくとも一種からなる元素)相を含む仮焼成粉末を得る。この粉末を粉砕し、無機フィラー粉末を得る。このようにして得られた低温焼結化粉末と無機フィラー粉末を適切な比率で混合して得られた粉末を造粒し、成形し、焼成することによって、所望の焼結体が得られる。無機フィラー成分は必ずしも仮焼成を行う必要はない。すなわち、無機フィラー成分を仮焼成を行わないで低温焼結化成分粉末と混合し、造粒、成形を経て焼成することによって、焼結体を得てもよい。所望の結晶(ATiO(AはCa、Srのうち少なくとも一種からなる元素)相)が析出し、所望の特性が得られるのであれば、前述のように仮焼成を施した無機フィラー等を混合する方法でなく、低温焼結化成分の素原料と無機フィラー成分の素原料を混合したものを仮焼成し、粉砕する方法によってもよい。かかる方法が適用できる場合は、工程が簡略化されるため、より望ましい。
本発明において、焼結体密度は試料をマイクロメータで寸法測定し、電子天秤にて重量測定し、これらの値より計算で求めた。焼結収縮率は焼結前、焼結後の試料をそれぞれマイクロメータで測定して算出した。誘電特性はネットワークアナライザ(HEWLETT PACKARD製、8720D)を用いて、円柱共振器を用いた方法(JIS R1627に準拠)で求めた。誘電率は25℃の試料を用いて測定を行なった。熱膨張係数はJIS R1618に準ずる方法で行った。XRD (X−Ray Diffraction X線回折)分析は各焼結体については粉末化せず焼結体の状態でCu−Kα管を用い、電圧40mV、電流100mAの条件で測定した。
低温焼結化成分として、表1の組成となるように素原料を秤量、混合し、混合して得られた粉末を750℃で仮焼成し、これを粒径が1μm以下になるように粉砕して低温焼結化成分の粉末を作製した。なお、SrO、NaO、KOの素原料としては、それぞれ、SrCO、NaCO、KCOを用いた。無機フィラー成分として、表2の組成となるように秤量、混合した後、1100℃で仮焼成し、これを粒径が1μm以下になるように粉砕して無機フィラー成分の粉末を得た。表2中、CTOはCaTiO相、相STOはSrTiO相、NTOはNd2/3TiO相、LTOはLa2/3TiO相、SmTOはSm2/3TiO相、MZTOは(Mg・Zn)TiO相を指す。この後、前記低温焼結化成分と前記無機フィラー成分を表3の比率となるように秤量、混合した。具体的な成分は、表4に示す通りである。このようにして得られた粉末をアクリル性バインダ溶液を用いて造粒した後に、直径が14mmで高さが7.8mmの円柱形に成形し、900℃で焼成を行い、その後高さ5.8mmに加工した。誘電特性の評価は得られた前記試料を用いて、誘電体共振器法(JIS R1627)で、誘電特性を評価した。熱膨張係数は直径3mmで高さ8mmの円柱状の試料を作製し、熱膨張係数(40〜600℃)をリガク製TMA8140により測定した。焼結性の評価として同様の作製方法で得られた円柱形の成形試料を850℃から950℃で2時間保持、焼成した誘電体磁器組成物のうち、900℃以下で密度飽和した誘電体磁器組成物を○、不飽和であった誘電体磁器組成物を×とした。これらの結果を表3に記載した。
Figure 2010110201
Figure 2010110201
(低温焼結化成分+無機フィラー成分の特性)
Figure 2010110201
(低温焼結化成分+無機フィラー成分の全組成)
Figure 2010110201
表3、4中アスタリスクが付された試料は、本発明に係る誘電体磁器組成物の範囲外であることを示す。ATiO相を含むF1〜F22の無機フィラー成分と、焼成後の結晶相としてSrAlSi相を晶出可能なガラス成分を含有する低温化焼結成分G2、G6〜G8を用いて、1000℃以下の温度で焼成可能であるとともに、1GHz〜5GHzの周波数範囲における誘電率が10以上、かつ40〜600℃の温度範囲における熱膨張係数が7ppm/℃未満の誘電体磁器組成物が実現されている(No2、No6〜8、No13〜33)。具体的には、これらの試料では少なくとも900℃の温度で焼結体密度が飽和しており、かかる温度での高密度化が可能となっている。一方、G1、G11を用いたNo1、No11の試料ではフィラーと反応してしまい熱膨張係数が7ppm/℃以上と大きくなった。また、A(Sr)AlSi相が生成しないG4を用いたNo4の試料では、誘電特性を測定する事が出来なかった。無機フィラー成分と低温焼結化成分を適切に組み合わせることによって熱膨張係数を6ppm/℃以下に制御することも可能になっている(No15、No21、No22)。また、Nd、La、Smを含有させることでRTiO(RはNd、La、Smのうち少なくとも一種)を含んだ試料並びにMgおよび/またはZnを含有させることでMTiO(MはMg、Znのうち少なくとも一種)を含んだ試料は、これらを含まない試料(No12、No19)に比べて、共振周波数の温度係数τの絶対値が小さくなることがわかる。これらの添加物等を制御することにより共振周波数の温度係数τの絶対値が120ppm/℃以下の誘電体磁器組成物が実現されている。
なお、無機フィラー成分で出現した各相(CaTiO、SrTiO、Nd2/3TiO、La2/3TiO、Sm2/3TiO、(Mg・Zn)TiOは、誘電体磁器組成物中にも残存している。
次に、低温焼結化成分と無機フィラー成分の配合量について検討を行なった。
低温焼結化成分として表1に示すG6を用いた。無機フィラーは表2に示すF2を用いた。
表5は無機フィラー成分の含有量と誘電率、緻密化温度との関係を示すものである。誘電率は無機フィラー成分の混合量の増加により上昇し、40wt%以上で高い誘電率を持つものが製造できる。また、混合量80wt%以下とすることで、緻密化温度が下がり、LTCCでの銀電極焼成温度とほぼ同じ温度とすることができる。混合比は低温焼結化成分:無機フィラーが45〜75:25〜55であることが好ましく、50〜70:30〜50であることがさらに好ましい。
Figure 2010110201
図3は表1の試料No.G1の低温焼結化成分の焼結体をXRD (X−Ray Diffraction X線回折)により測定した結果である。焼結温度は750である。XRDの測定条件はCu−Kα管を用い、電流密度を100μA、電圧40mVとした。
ピーク角度からの分析よりSr長石に加え、SrSiO、SiOが析出していることが確認された。これは、Sr長石(SrAlSi)を形成するためのAlが不足し、余剰のSrO、SiOがSrSiO、SiOとなって析出したものと考えられる。SrSiOの熱膨張係数は10.3ppm/℃であり、同成分の析出は熱膨張係数の増大要因となる。また、SiOは100℃〜200℃付近において相変化による1%程度の異常体積変化を示すことが知られており、熱膨張係数増加への寄与が考えられる。
一方、表1の試料No.G6における低温焼結化成分では、これらのSrSiO、SiOが観察されない。低温焼結化成分中のAlを増やしSr長石の析出を促進することで、SrSiO、SiOの抑制を行えている。
高誘電率フィラーとの混合材を用い、低温焼結材へのAl量の増加の影響を確認した。
図4はAl量の低温焼結成分に、高誘電率フィラーを40wt.%混合した誘電体組成物のXRDパターンを示ものである。Sr長石メインピークが最も大きく、32.8°の位置に出ている。なお、図中の□はR(Nd)−M(Mg)−Ti−Si−Oメインピーク2θ=30.2°であり、高誘電率フィラー及び低温焼結成分を個別に焼成した場合には検出されないことから、両者の反応により生じた新規反応生成物であると考えられる。
図5はSr長石メインピークに対するR(Nd)−M(Mg)−Ti−Si−Oメインピークの強度比とAl量の関係を示すものである。なお、R−M−Ti−Si−OメインピークにSr長石ピークと一部重複するため、変動がなくなったところを基準とした。この結果から、Al量増加につれR−M−Ti−Si−Oピーク強度は低下する事が確認された。従って、低温焼結成分でのAl量増量は高誘電率フィラーと低温焼結成分の間の反応を低減する上でも有効であると推測できる。
Mg以外のZn元素でも同様に、Al量が少なければR−M−Ti−Si−O系の相が出る。Nd、La、Sm、Zn量が本発明で規定する範囲を超えて含まれると、この相が出現しやすくなる。出現するメインピークの位置は、上記と同じ2θ=32.8°の位置である。
また、A元素とAl量の関係も同様であり、Al量が少なくA元素量が本発明で規定する範囲を超えて含まれるとA−Ti−Si−O(AはCa、Srのうち少なくとも一種からなる元素)系の相が出現しやすくなる。出現するメインピークの位置は、2θ=29.6°の位置である。
図6は900℃で焼成した混合材の焼結収縮率及び熱膨張係数とAl量の関係を示したものである。
図7は900℃で焼成した混合材の誘電率、τの関係とAl量の関係を示したものである。
低温焼結成分のAl量増加により混合材の熱膨張係数は低下し、Al量が11.0wt%以上であれば7ppm/℃以下とすることができる。
焼結助剤となるB量の増加による高誘電率化を検討した。図8は低温焼結成分中のB量を変化させた混合材の熱特性を示すものである。B量の増加に伴って焼結収縮率の増加と誘電率が上昇している。また、τ、熱膨張係数はB量を添加しても変化していない。なお、Bの量が3wt%超ではバインダと架橋構造を作り成形性が悪化したため、3wt%以下とすることが好ましい。
誘電体磁器組成物からなるセラミック層とその他の誘電体層を作成し、積層させた状態で同時焼成を行い、両者の間でクラック・デラミネーションの有無を確認した。
まず表6に示す組成の誘電体磁器組成物とその他の誘電体層を用いて評価を行なった。
Figure 2010110201
表3、4に示す試料No.14の組成の誘電体磁器組成物をポリエチレン製ボールミルに投入し、17時間湿式粉砕した後に乾燥し、平均粒径1μmの微粉を得た。
また、その他の誘電体層の仮焼成粉は次のようにして得た。表6の組成の材料をポリエチレン製ボールミルに投入し、更に酸化ジルコニウム製のメディアボールと純水を投入して、20時間湿式混合した。得られたスラリーを加熱乾燥した後、ライカイ機で解砕し、アルミナ製坩堝に入れて、800℃で2時間仮焼成した。得られた仮焼成体を上記ボールミルに投入し、17時間湿式粉砕した後に乾燥し、平均粒径1μmの微粉を得た。
以降の工程は同様にして両者のセラミックグリーンシートが製造される。
仮焼成体微粉100重量部に、有機バインダとして15重量部のポリビニルブチラール樹脂、可塑剤として7.5重量部のフタル酸ビス(2−エチルヘキシル)(DOP)、及び溶媒としてエタノールを添加し、ボールミルで混合してスラリーを作製した。なお分散剤は添加しなかった。
スラリーを減圧下で脱泡するとともにエタノールを一部蒸発させ、約7Pa・sの粘度に調整した。スラリーをドクターブレード法によりPET製キャリアフィルム上にシート状に成形し、乾燥して、厚さ0.04mmの基板用グリーンシートを得た。基板用グリーンシートをキャリアフィルムごと180mm角に切断した。
基板用グリーンシートを十分に乾燥した後、Agを主体とする導体ペーストで内部電極パターン及び外部電極パターン4を形成するとともに、該電極パターンを接続するビア電極5を適宜設けた。
このようにして準備した本発明の誘電体組成物を用いたグリーンシート3a、3b、3c及び3dと、その他の誘電体層のグリーンシート2a,2b,2c及び2dを図2に示す形態で配置した。一枚重ねるたびに60℃の温度及び30kg/cm(2.9MPa)の圧力で仮圧着し、全て積層した後に85℃の温度及び110kg/cm(10.8MPa)の圧力で熱圧着した。該グリーンシートは、同様の作製方法を用いて得られた、焼結後にAAlSi相及びAl相を有する誘電体磁器組成物のグリーンシート2a、2b、2c及び2dとともに、図2に示すように、積層、圧着して未焼結多層誘電体基板を得た。
未焼結多層誘電体基板にナイフの刃を押し当てて、0.15mmの幅及び0.1mmの深さの二等辺三角形の断面形状を有する分割溝5を10mm×15mmの間隔に形成した。得られた未焼成多層セラミック基板は、バッチ炉を用い、大気中、500℃に4時間保持して脱バインダを行った後、3℃/分の速度で900℃まで昇温し、その温度に2時間保持することにより焼結し、炉内で自然冷却した。これにより本発明の多層誘電体基板が得られた。
このようにして得られた多層誘電体基板を研磨、観察を行いクラック・デラミネーションの有無を判断した。これらの結果を表3に記載した。なお表4に表3の全ての組成を示す。
なお、その他の誘電体層については、表7に示す組成でも実験を行なった。いずれも本発明の誘電体磁器組成物を用いた高誘電体層との間のクラック・デラミネーションの発生は見られなかった。
Figure 2010110201
図9は本発明の多層誘電体基板の断面写真であって、写真上部の領域Aは本発明の誘電体磁器組成物からなる層であり、領域Bはその他の誘電体層である。
本発明の誘電体磁器組成物は、表6に示す組成となるように各原料を混合したものである。また、その他の誘電体層に用いた原料の組成も併記する。
図10は図9の領域Aの四角で囲った部分の拡大図である。(1)部分は無機フィラー成分とほぼ同等の組成であり、(2)部分は低温焼結化成分とほぼ同等の組成である。
図11は、領域Aと領域Bの間の界面を界面垂直方向に向かって測定したSr、Al、Si各元素量のライン分析結果である。誘電体磁器組成物からなる領域Aの層からその他の誘電体層の領域Bに向かうにつれ、境界付近でAl量が急激に増えている。また、図12は同様にして測定したNd、Ti、Caの量を示すものである。Nd、Caはその他の誘電体層側には添加されていない元素である。誘電体磁器組成物の領域ではこれら元素の誘電体磁器組成物全体での平均量にほぼ等しい濃度で検出される。一方、そのほかの誘電体層側ではほぼ検出されなくなる。
この両者での元素が変動している部分が拡散層であり、この拡散層は境界部分において20μm以下の厚みである。拡散層が20μm以下、好ましくは10μm以下であることで無機フィラー成分と低温焼結化成分の特性を併せ持つ優れた多層誘電体基板を得ることができる。
低温焼結化成分と無機フィラー成分を各々別の温度の仮焼成で製造せず、原料から直接本焼成して誘電体磁器組成物を製造した。
表3、4に示す試料No.2、7、14、15、27の組成になるように原料を調整し、ポリエチレン製ボールミルに投入し、更に酸化ジルコニウム製のメディアボールと純水を投入して、20時間湿式混合した。得られたスラリーを加熱乾燥した後、ライカイ機で解砕し、アルミナ製坩堝に入れて、800℃で2時間仮焼成した。得られた仮焼成体を上記ボールミルに投入し、17時間湿式粉砕した後に乾燥し、平均粒径1μmの微粉を得た。
以降は、低温焼結化成分と無機フィラー成分を互いに仮焼成してから混合粉を得た誘電体磁器組成物と同様にして、焼結体の製造を行なった。
焼結体の誘電率、1GHz〜5GHzの周波数範囲における誘電率、1〜5GHzにおける品質係数fQ、−20℃〜60℃の温度範囲における共振周波数の温度係数τ、40〜600℃の温度範囲における熱膨張係数、焼結製、クラック・デラミネーションの有無(高誘電体層の組成は表3、4の試料No.14)を調べた。表8に結果を示す。
品質係数fQ以外は、低温焼結化成分と無機フィラー成分を各々別の温度で仮焼成したものと比較して、ほぼ同等の値が得られる。品質係数fQは若干劣る傾向があるため、高い特性の誘電体磁器組成物、多層誘電体基板を得たければ、低温焼結化成分と無機フィラー成分を各々別の温度で仮焼成する製造方法を適用することが好ましい。
Figure 2010110201
1 (未焼結)多層誘電体基板
2a〜2d グリーンシート
3a〜3d グリーンシート
4 電極パターン
5 ビア電極

Claims (18)

  1. ATiO(AはCa、Srのうち少なくとも一種からなる元素)相とAAlSi相を含む誘電体磁器組成物であって、3GHzでの誘電率が10以上、かつ40〜600℃の温度範囲における平均熱膨張係数が7ppm/℃未満であることを特徴とする誘電体磁器組成物。
  2. 主成分であるAl、Si、A、Tiに加えて、添加元素としてBを含み、誘電体磁器組成物全体を100重量部として、Al元素をAl換算で11〜25重量%、Si元素をSiO換算で20〜33重量%、A元素をAO換算で5〜30重量%、B元素をB換算でAl(Al換算)の0.06倍以上〜5重量%、残部としてTiO(不可避不純物を含む)を含むことを特徴とする、請求項1に記載の誘電体磁器組成物。
  3. 前記A元素がSrのみの場合は、誘電体磁器組成物全体中のSr元素がSrO換算で5〜30重量%であって、前記A元素がCaを含む場合は、誘電体磁器組成物全体中のSr元素がSrO換算で5〜15重量%、且つ誘電体磁器組成物全体中のSrとCa元素の総和がAO換算で5〜30重量%であることを特徴とする、請求項2に記載の誘電体磁器組成物。
  4. 誘電体磁器組成物全体を100重量部として、R(RはNd、La、Smのうち少なくとも一種からなる元素)、Mg、Znのうちの少なくとも1種を含むことができ、R換算で0.01〜20重量%、MgO換算で0〜10重量%、ZnO換算で0〜5重量%含有することを特徴とする、請求項2又は3に記載の誘電体磁器組成物。
  5. Na、K、Cu、Mn、Biのうちの少なくとも1種からなる元素を含み、誘電体磁器組成物全体を100重量部として、Na元素をNaO換算で0〜4重量%、K元素をKO換算で0〜1重量%、Cu元素をCuO換算で0.1〜3重量%、Mn元素をMn換算で0.1〜3重量%、Bi元素をBi換算で1〜5重量%含有することを特徴とする、請求項2乃至4のいずれか一項に記載の誘電体磁器組成物。
  6. −20℃〜60℃の温度範囲における共振周波数の温度係数τの絶対値が120ppm/℃以下であることを特徴とする請求項5に記載の誘電体磁器組成物。
  7. 誘電体磁器組成物全体を100重量部として、Agを0.1〜3重量%含むことを特徴とする、請求項2乃至6のいずれか一項に記載の誘電体磁器組成物。
  8. R−M−Ti−Si−O系(RはNd、Sm、Laのうち少なくとも1種からなる元素、MはMg、Znのうち少なくとも1種からなる元素)の相,或いはA−Ti−Si−O系(AはCa、Srのうち少なくとも一種からなる元素)の相が実質的に存在しないことを特徴とする、請求項2乃至7のいずれか一項に記載の誘電体磁器組成物。
  9. 2/3TiO(RはNd、La、Smのうち少なくとも一種からなる元素)、及びMTiO(MはMg、Znのうち少なくとも一種からなる元素)のうちの少なくとも一種の化合物相を含むことを特徴とする、請求項2乃至8のいずれか一項に記載の誘電体磁器組成物。
  10. 導体を形成した複数の誘電体層が積層一体化された多層誘電体基板であって、前記複数の誘電体層のうち少なくとも一つの誘電体層が請求項1〜9のいずれかに記載の誘電体磁器組成物から構成され、その他の誘電体層がA’AlSi相(A’はCa、Sr、Baのうち少なくとも一種からなる元素)及びAl相を有する誘電体磁器組成物から構成されることを特徴とする、多層誘電体基板。
  11. 前記A’AlSi相及びAl相を有する誘電体層は、主成分であるAl、Si、A’(A’はCa、Sr、Baのうち少なくとも一種からなる元素)、Tiと、副成分として、Bi、Na、K、Coの群のうちの少なくとも1種と、更に、Cu、Mn、Agの群のうちの少なくとも1種とを含むものであって、主成分であるAl、Si、A’、Tiをそれぞれ、誘電体磁器組成物全体を100重量部として、Al換算で10〜60重量%、SiO換算で25〜60重量%、A’O換算で7.5〜50重量%、TiO換算で20重量%以下(0を含む)を含み、副成分であるBi、Na、K、Coの群のうちの少なくとも1種をそれぞれ、その主成分100重量部に対して、Bi換算で0〜10重量%、NaO換算で0〜5重量%、KO換算で0〜5重量%、CoO換算で0〜5重量%を含み、更に、Cu、Mn、Agの群のうちの少なくとも1種を、その主成分100重量部に対して、CuをCuO換算で0〜5重量%、MnをMn換算で0〜5重量%、Agを0〜5重量%で含有することを特徴とする、請求項10に記載の多層誘電体基板。
  12. 請求項10または請求項11に記載の多層誘電体基板を用いたことを特徴とする電子部品。
  13. Al、Si、Sr、Ti、Bをそれぞれ必須とし、必要によりNa、K、Cu、Mn、Bi、Agのうち少なくとも一種を含む原料を用意して600℃以上850℃以下で仮焼成することで低温焼結化成分を得る工程と、別途A元素、Tiをそれぞれ必須とし、必要によりNd、La、Sm、Mg、Mnのうち少なくとも一種を含む原料を用意して700℃超1300℃以下で仮焼成することで無機フィラー成分を得る工程と、前記低温焼結化成分と無機フィラー成分を混合した後に低温焼結化成分の仮焼成温度より高く無機フィラー成分の仮焼成温度より低い温度で焼成する工程を有することを特徴とする、請求項1〜9のいずれか一項に記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
  14. 前記低温焼結化成分は、少なくともAl、Si、Sr、Bをそれぞれ含み、焼結した場合の組成が、前記低温焼結化成分全体を100重量部として、Al換算で18〜40重量%、SiO換算で40〜58重量%、SrO換算で10〜40重量%、B換算で1.5〜5重量を含む組成となることを特徴とする、請求項13に記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
  15. 前記低温焼結化成分は、Na、K、Cu、Mn、Biの群のうちの少なくとも1種からなる元素を含み、焼結した場合の組成が、前記低温焼結化成分全体を100重量部として、NaO換算で0〜5重量%、KO換算で0〜5重量%、CuO換算で0.01〜5重量%、Mn換算で0.01〜5重量%、Bi換算で0.1〜5重量%含有する組成となることを特徴とする、請求項14に記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
  16. Agを含み、焼結した場合の組成が、前記低温焼結化成分全体を100重量部として、0.5〜6重量%含む組成となることを特徴とする、請求項14又は15に記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
  17. 前記無機フィラー成分は、少なくともA(AはCa、Srのうち少なくとも一種からなる元素)とTiをそれぞれ含み、焼結した場合の組成が、前記無機フィラー成分全体を100重量部として、AO換算で10〜60重量%、TiO換算で30〜60重量%を含む組成となることを特徴とする、請求項13乃至16のいずれか一項に記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
  18. 前記無機フィラー成分は、R(RはNd、La、Smのうち少なくとも一種からなる元素)、Mg、Znのうちの少なくとも1種を含み、焼結した場合の組成が、前記無機フィラー成分全体を100重量部として、R元素がR換算で0.01〜50重量%、Mg元素がMgO換算で0〜15重量%、Zn元素がZnO換算で0〜10重量%含有する組成となることを特徴とする、請求項17に記載の誘電体磁器組成物の製造方法。
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