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
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Abstract
Description
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τf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。
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。
一方、無機フィラーとしてはATiO3(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ATiO3相は高誘電率(CaTiO3がε=280、SrTiO3がε=170)であるため、ATiO3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、ATiO3相とAAl2Si2O8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。
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、Al2O3換算で18〜40重量%、SiO2換算で40〜58重量%、SrO換算で10〜40重量%、B2O3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Al2O3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SiO2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B2O3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Na2Oを0.1〜4.5重量%、K2Oを0.1〜3重量%、CuOを0.1〜4重量%、Mn3O4を0.1〜3重量%、Bi2O3を0.1〜4.5重量%とすることが好ましく、さらにNa2Oを1〜4.0重量%、K2Oを0.2〜2重量%、CuOを0.2〜2重量%、Mn3O4を0.2〜2重量%、Bi2O3を1〜4.0重量%とすることが好ましい。
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。
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。
AAl2Si2O8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、Al2O3換算で11.5〜23重量%、SiO2換算で22〜32重量%、A元素がAO換算で7〜29重量%、B2O3換算で1.0〜2.5重量%、残部TiO2(不可避不純物を含む)であり、更に好ましい組成は、Al2O3換算で12.0〜20重量%、SiO2換算で24〜31重量%、A元素がAO換算で7〜28重量%、B2O3換算で1.3〜2重量%、残部TiO2(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τf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τf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/TiO2換算で1.5以上とすることが好ましい。
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の添加が最も温度係数τf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、Nd2O3換算で0.1〜20重量%、La2O3換算で0〜12重量%、Sm2O3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Nd2O3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τf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。
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(AAl2Si2O8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。
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Bi2O3換算で0.1〜8重量%、Na2O換算で0.1〜4重量%、K2O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MnO2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。
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。
なお、無機フィラー成分で出現した各相(CaTiO3、SrTiO3、Nd2/3TiO3、La2/3TiO3、Sm2/3TiO3、(Mg・Zn)2TiO4は、誘電体磁器組成物中にも残存している。
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。
ピーク角度からの分析よりSr長石に加え、SrSiO3、SiO2が析出していることが確認された。これは、Sr長石(SrAl2Si2O8)を形成するためのAl2O3が不足し、余剰のSrO、SiO2がSrSiO3、SiO2となって析出したものと考えられる。SrSiO3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、SiO2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SrSiO3、SiO2が観察されない。低温焼結化成分中のAl2O3を増やしSr長石の析出を促進することで、SrSiO3、SiO2の抑制を行えている。
図4はAl2O3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Al2O3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、Al2O3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Al2O3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、Al2O3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Al2O3量の関係も同様であり、Al2O3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Al2O3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、τfの関係とAl2O3量の関係を示したものである。
低温焼結成分のAl2O3量増加により混合材の熱膨張係数は低下し、Al2O3量が11.0wt%以上であれば7ppm/℃以下とすることができる。
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。
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。
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/cm2(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/cm2(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AAl2Si2O8相及びAl2O3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。
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。
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。
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τf、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。
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)
- 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。
- 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Al2O3換算で11〜25重量%、Si元素をSiO2換算で20〜33重量%、A元素をAO換算で5〜30重量%、B元素をB2O3換算でAl(Al2O3換算)の0.06倍以上〜5重量%、残部としてTiO2(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。
- 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。
- 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、R2O3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。
- 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Na2O換算で0〜4重量%、K元素をK2O換算で0〜1重量%、Cu元素をCuO換算で0.1〜3重量%、Mn元素をMn3O4換算で0.1〜3重量%、Bi元素をBi2O3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。
- −20℃〜60℃の温度範囲における共振周波数の温度係数τf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。
- 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。
- 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。
- R2/3TiO3(RはNd、La、Smのうち少なくとも一種からなる元素)、及びM2TiO4(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。
- 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’Al2Si2O8相(A’はCa、Sr、Baのうち少なくとも一種からなる元素)及びAl2O3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。
- 前記A’Al2Si2O8相及びAl2O3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、Al2O3換算で10〜60重量%、SiO2換算で25〜60重量%、A’O換算で7.5〜50重量%、TiO2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、Bi2O3換算で0〜10重量%、Na2O換算で0〜5重量%、K2O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Mn3O4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。
- 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。
- 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。
- 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、Al2O3換算で18〜40重量%、SiO2換算で40〜58重量%、SrO換算で10〜40重量%、B2O3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。
- 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、Na2O換算で0〜5重量%、K2O換算で0〜5重量%、CuO換算で0.01〜5重量%、Mn3O4換算で0.01〜5重量%、Bi2O3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。
- 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。
- 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%、TiO2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。
- 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R2O3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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