JP3777075B2 - 誘電体磁器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘電体共振器、マイクロ波導波路、マイクロ波IC基板、ICパッケージ、誘電体アンテナ、誘電体フィルタ、マイクロ波コンデンサ、高周波レゾネータの温度補償用負荷容量等の電気通信分野、またはマイクロ波透過窓等の核融合関係設備分野、半導体製造装置関係分野などに好適に利用される誘電体磁器に関する。
【0002】
【従来技術】
近年、携帯通信機器の一般家庭への普及に伴い、使用周波数帯が拡大すると同時に周波数帯が高周波化し、マイクロ波領域、ミリ波領域にまで及びつつある。
【0003】
一方、誘電体磁器は、コンデンサなどの他に、誘電体共振器や集積回路基板、誘電体アンテナ、各種高周波回路のインピーダンス整合等に応用されており、これらについてもマイクロ波やミリ波に対しても適応可能なものが望まれている。例えば、フィルターやガンまたはFETマイクロ波発振器の周波数安定化のために、温度特性の良好な誘電体磁器が必要となり、その需要は拡大している。
【0004】
マイクロ波回路素子の大きさは、電磁波の波長が基準となっており、誘電体を用いたマイクロ波立体回路内を電磁波が伝搬するときのその波長は、真空中の波長をλ0 、比誘電率をεとするとλ0 =ε1/2 となる。
【0005】
そして、セラミックスとして最も一般的に使用されているアルミナ(Al2 O3 )質焼結体は、比誘電率εが小さいため、より高周波用として用いることができ、また、機械的強度が高く、低コストであるため上述したような通信分野での利用が大いに期待されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アルミナ質焼結体は、共振周波数の−40℃〜85℃における温度係数(以下、τfと称する)が約―55ppm/℃と大きいため、使用用途が極めて制限されるという問題があった。
【0007】
このような共振周波数の温度係数τfを制御する方法としては、特開平9−110518号公報においてAl2 O3 −BaO−Ta2 O5 の誘電体磁器組成物が開示されており、この誘電体磁器組成物では、誘電損失が1×10-4以下、共振周波数の25℃〜85℃における温度係数τfの絶対値が30ppm/℃以下の優れた特性を有していた。
【0008】
しかしながら、この誘電体磁器組成物の温度係数τfは焼成温度に非常に敏感であり、−40℃〜85℃における温度係数τfの焼成温度による変化率の絶対値が30ppm/℃もあるため、焼成温度が少し変化するだけで温度係数τfが大きく変化することになり、厳密な周波数調整の必要がある誘電体共振器等への応用が困難であった。
【0009】
本発明は、誘電損失が小さく、−40℃〜85℃における共振周波数の温度係数τfの絶対値が小さく、さらに、−40℃〜85℃における共振周波数の温度係数τfの焼成温度による変化率の絶対値を小さくできる誘電体磁器を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の誘電体磁器は、金属元素として少なくともAl、BaおよびTaを含有する誘電体磁器であって、α−Al2 O3 およびBa6 AlTa9 O15が主結晶相として存在するものである。
【0011】
このような構成を採用することにより、高周波領域において誘電損失を小さくできるとともに、負の共振周波数を有するα―Al2 O3 結晶相にBa6 AlTa9 O15結晶相を複合化させることにより、共振周波数の温度係数τfを正側へ移行させることができ、さらに、共振周波数の−40℃〜85℃における温度係数τfの焼成温度に対する変化率の絶対値を小さくすることができる。
【0012】
また、本発明においては、Cu−Kα線を用いたX線回折測定において、α−Al2 O3 (012面)およびBa6 AlTa9 O15(211面)のピークが存在するとともに、α−Al2 O3 (012面)のピーク強度をI012 、Ba6 AlTa9 O15(211面)のピーク強度をI211 とした時、Ba6 AlTa9 O15のピーク強度比I211 /(I012 +I211 )×100が9〜35%であることが望ましい。
【0013】
このような構成を採用することにより、測定周波数8GHzにおいて誘電損失が1×10-4以下の特性を維持しつつ、共振周波数の−40℃〜85℃における温度係数τfの絶対値を30ppm/℃以下に制御することができ、さらに、析出相の存在量を制御することにより、共振周波数の−40℃〜85℃における温度係数τfの焼成温度に対する変化率の絶対値を10ppm/℃以下とすることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明の誘電体磁器は、金属元素として少なくともAl、BaおよびTaを含有する誘電体磁器であって、α−Al2 O3 およびBa6 AlTa9 O15が主結晶相として存在するものである。
【0015】
そして、Cu−Kα線を用いたX線回折測定において、α−Al2 O3 (012面)およびBa6 AlTa9 O15(211面)のピークが存在するとともに、α−Al2 O3 (012面)のピーク強度をI012 、Ba6 AlTa9 O15(211面)のピーク強度をI211 とした時、Ba6 AlTa9 O15のピーク強度比I211 /(I012 +I211 )×100が9〜35%であることが望ましい。
【0016】
ここでBa6 AlTa9 O15のピーク強度比を9〜35%に限定したのは、この範囲内ならば、使用周波数8GHzにおける誘電損失tanδが1×10-4以下、共振周波数の−40℃〜85℃における温度係数τfの絶対値が30ppm/℃以下、共振周波数の−40℃〜85℃における温度係数τfの焼成温度に対する変化率の絶対値が10ppm/℃以下の特性を有するからである。
【0017】
一方、Ba6 AlTa9 O15のピーク強度比I211 /(I012 +I211 )×100が9%よりも小さくなると、共振周波数の温度係数τfは負の方向に大きくなり、τfが−30ppm/℃よりも小さくなるからである。また、逆にBa6 AlTa9 O15のピーク強度比がI211 /(I012 +I211 )×100が35%よりも大きくなると、共振周波数の温度係数τfは正の方向に大きくなり、τfが30ppm/℃を超えてしまうからである。
【0018】
Ba6 AlTa9 O15のピーク強度比I211 /(I012 +I211 )×100は、−40〜85℃における共振周波数の温度係数τfの絶対値を10ppm/℃以下とし、測定周波数8GHzの誘電損失も1×10-4以下とするためには、19〜27%が望ましい。
尚、α−Al2 O3 (012面)のピークは2θ=26度近傍に、Ba6 AlTa9 O15(211面)のピークは2θ=27.5度近傍に発生する。
【0019】
本発明の誘電体磁器は、Al2 O3 、BaOおよびTa2 O5 、あるいは焼成により前記酸化物を形成し得る炭酸塩、硝酸塩などの塩を用いて、Ba6 AlTa9 O15の組成比となるように秤量混合した後、800〜1100℃、大気中で熱処理して、Ba6 AlTa9 O15を合成する。
【0020】
このBa6 AlTa9 O15合成粉末をα−Al2 O3 粉末に所望の割合で混合し、これを所望の成形手段、例えば、ドクターブレード法などのシート成形法、金型プレス法、冷間静水圧プレス法、押出成形法、圧延法等により任意の形状に成形する。その後、この成形体を大気中等の酸化性雰囲気中で1400〜1600℃の温度で焼成することにより相対密度98%以上に緻密化した、本発明の誘電体磁器を得ることができる。
【0021】
特に、Ba6 AlTa9 O15合成粉末とα−Al2 O3 粉末を混合し、この混合粉末を1400〜1600℃の温度で焼成することにより、本発明の誘電体磁器を得ることができる。
【0022】
なお、本発明の誘電体磁器では、上記Al2 O3 、BaO、Ta2 O5 の成分以外に、例えば、Mg、Si、Fe、Ca、Na、Gaなどの元素が不可避不純物あるいは製造工程中において混入する場合もあるが、これらの成分は、酸化物換算で全量中0.2重量%以下であれば、とりわけ本発明の効果に影響を及ぼすことはない。特に、Ca、Naについては混入を阻止することが望ましい。
【0023】
また、本発明の誘電体磁器では、α−Al2 O3 およびBa6 AlTa9 O15が主結晶相として存在するものであるが、良好な特性を得るためには、その他の結晶相が存在しないこと、即ち、α−Al2 O3 結晶相およびBa6 AlTa9 O15結晶相からなることが望ましい。
【0024】
【実施例】
純度99.9%のAl2 O3 粉末、BaCO3 粉末およびTa2 O5 粉末を組成式でBa6 AlTa9 O15となるように秤量し、この混合粉末を純度99.9%のアルミナボール、イソプロピルアルコール(IPA)と共に500mlポリポットに投入し、24時間回転ミルにて混合した。
【0025】
混合後のスラリーを120℃大気中にて乾燥し、80メッシュを通した。この粉末を大気中950℃で3時間熱処理してBa6 AlTa9 O15の合成粉末を作製した。
【0026】
このBa6 AlTa9 O15合製粉末とα―Al2 O3 粉末を所望の比率に秤量して500mlポリポットに投入し、純度99.9%のアルミナボール、IPAと共に24時間回転混合した後、スラリーを120℃大気中にて乾燥し、80メッシュを通して評価粉末を得た。
【0027】
この粉末にバインダーとしてパラフィンワックスを6wt%添加し、金型プレスにて1000kg/cm2 で直径20mm、厚み10mmに成形した。そして、成形体を大気中400℃、2時間で脱脂した後、大気中において1550℃、2時間保持して焼成した。
【0028】
得られた焼結体を直径15mm、厚み7.5mmに研磨加工した。そして、測定周波数8GHzでの測定によって、誘電率(εr)、誘電損失(tanδ)を測定した。また、波長λ=1.5418ÅのCu−Kα線によるX線回折により試料の結晶相の同定を行った。各結晶相のXRDピーク強度比は下記の式にて算出した。さらに、共振周波数の−40℃〜85℃における温度係数τfの共振周波数、および焼成温度に対する温度変化率を以下のようにして求めた。
【0029】
即ち、Al2 O3 (012面) のピーク強度比は、I012 /(I012 +I211 )×100で、Ba6 AlTa9 O15のピーク強度比は、I211 /(I012 +I211 )×100で求めた。
【0030】
また、共振周波数の温度係数(τf)は、
τf=(f85−f-40 )/〔f-40 ×(85−(−40))〕により求めた。尚、ここで、f85は85℃における共振周波数、f-40 は−40℃における共振周波数のである。
【0031】
さらに、共振周波数の−40℃〜85℃における温度係数τfの焼成温度に対する変化率を、基準となる焼成温度±50℃の温度で焼成し、その温度係数τfの変化幅Δτf=τf50−τf-50 で求めた。ここで、τf50は基準となる焼成温度+50℃での共振周波数の温度係数τf、τf-50 は基準となる焼成温度−50℃での共振周波数の温度係数τfである。これらの結果を表1に示した。
【0032】
【表1】
【0033】
この表1の結果によれば、本発明の試料では、α―Al2 O3 、Ba6 AlTa9 O15を複合化することにより、誘電損失が0.7×10-4以下であり、共振周波数の温度係数はBa6 AlTa9 O15量が増えるにつれて正側に移行することが判る。また、共振周波数の−40℃〜85℃における温度係数τfの焼成温度に対する変化率が6ppm/℃以下と良好な特性を有することが判る。
【0034】
特に、Ba6 AlTa9 O15のピーク強度比I211 /(I012 +I211 )×100が9〜35%の場合には、使用周波数8GHzにおける誘電損失tanδが0.7×10-4以下、共振周波数の−40℃〜85℃における温度係数τfの絶対値が30ppm/℃以下、共振周波数の−40℃〜85℃における温度係数τfの焼成温度に対する変化率の絶対値が6ppm/℃以下の特性を満足することが判る。とりわけ、Ba6 AlTa9 O15のピーク強度比が19〜27の範囲の試料については、測定周波数8GHzの誘電損失が0.5×10-4以下、−40〜85℃における共振周波数の温度係数τfの絶対値が10ppm/℃以下の優れた特性を示した。
【0035】
一方、Ba6 AlTa9 O15が存在しない試料No.1では、共振周波数の温度係数τfが−55ppm/℃と負側に大きかった。
【0036】
本発明者は、特開平9−110518号公報のAl2 O3 −BaO−Ta2 O5 の誘電体磁器を作製した。この誘電体磁器では、結晶相としてBaTa2 O6 とα―Al2 O3 相からなり、α―Al2 O3 相のピーク強度比が94%、BaTa2 O6 のピーク強度比が6%であった。
【0037】
このような誘電体磁器では、誘電損失が0.5×10-4であり、−40〜85℃における共振周波数の温度係数τfが0と優れた特性を有するものの、共振周波数の−40℃〜85℃における温度係数τfの焼成温度に対する変化率が30ppm/℃と非常に大きかった。これにより、BaTa2 O6 とα―Al2 O3 相からなる従来の誘電体磁器では、焼成温度によって共振周波数が大きく変動することが判る。
【0038】
図1に、試料No.13のX線回折測定結果を示す。この試料ではα−Al2 O3 (012面)のピークが2θ=26度に生じ、Ba6 AlTa9 O15(211面)のピークが2θ=27.5度に生じ、I211 /(I012 +I211 )×100で表されるBa6 AlTa9 O15のピーク強度比が27%であることが判る。
【0039】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明の誘電体磁器では、高周波領域において誘電損失を小さくできるとともに、負の共振周波数を有するα―Al2 O3 結晶相にBa6 AlTa9 O15結晶相を複合化させることにより、共振周波数の温度係数τfを正側へ移行させることができ、さらに、共振周波数の−40〜85℃における温度係数τfの焼成温度に対する変化率の絶対値を小さくすることができる。
【0040】
特に、Cu−Kα線を用いたX線回折測定において、α−Al2 O3 (012面)およびBa6 AlTa9 O15(211面)のピークが存在するとともに、α−Al2 O3 (012面)のピーク強度をI012 、Ba6 AlTa9 O15(211面)のピーク強度をI211 とした時、Ba6 AlTa9 O15のピーク強度比I211 /(I012 +I211 )×100が9〜35%である場合には、測定周波数8GHzにおいて誘電損失が1×10-4以下の特性を維持しつつ、共振周波数の−40℃〜85℃における温度係数τfの絶対値を30ppm/℃以下に制御することができ、さらに、共振周波数の−40℃〜85℃における温度係数τfの焼成温度に対する変化率の絶対値を10ppm/℃以下とすることができ、これにより、高周波領域の電気通信分野での広範囲の利用ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】試料No.13のX線回折測定結果を示す図である。
Claims (3)
- 金属元素として少なくともAl、BaおよびTaを含有する誘電体磁器であって、α−Al2 O3 およびBa6 AlTa9 O15が主結晶相として存在することを特徴とする誘電体磁器。
- Cu−Kα線を用いたX線回折測定において、α−Al2 O3 (012面)およびBa6 AlTa9 O15(211面)のピークが存在するとともに、α−Al2 O3 (012面)のピーク強度をI012 、Ba6 AlTa9 O15(211面)のピーク強度をI211 とした時、Ba6 AlTa9 O15のピーク強度比I211 /(I012 +I211 )×100が9〜35%であることを特徴とする請求項1記載の誘電体磁器。
- 使用周波数8GHzにおける誘電損失tanδが1×10-4以下、共振周波数の−40℃〜85℃における温度係数τfの絶対値が30ppm/℃以下、共振周波数の−40〜85℃における温度係数τfの焼成温度に対する変化率の絶対値が10ppm/℃以下であることを特徴とする請求項1または2記載の誘電体磁器。
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