JP5527052B2 - 誘電体磁器、誘電体磁器の製造方法及び電子部品 - Google Patents
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本実施形態に係る誘電体磁器は、Mg2SiO4を含む主成分と、ZnO及びガラス成分を含む副成分とを含み、X線回折において、主相であるMg2SiO4の2θが36.0°から37.0°の間におけるX線回折ピーク強度IAに対する、未反応なまま存在する亜鉛酸化物の2θが31.0°から32.0°及び33.0°から34.0°におけるX線回折ピーク強度IBのピーク強度比IB/IAが10%以下であると共に、相対密度が96%以上である。
本実施形態に係る誘電体磁器には、Mg2SiO4(フォルステライト)が主成分として含まれる。Mg2SiO4は、単体でのQf値が200000GHz以上であり、誘電損失が小さいため、誘電体磁器の誘電損失を低下させる機能を有する。また、Mg2SiO4は、その比誘電率εrが6から7程度と低いため、誘電体磁器の比誘電率εrを低下させる機能も有する。ここで、誘電損失は、高周波のエネルギの一部が熱となって放散する現象である。誘電損失の大きさは、上記の通り、現実の電流と電圧の位相差と理想の電流と電圧の位相差90度との差である損失角度δの正接tanδの逆数Q(Q=1/tanδ)で表わされる。誘電体磁器の誘電損失の評価は、このQと共振周波数fの積であるQf値を用いている。誘電損失が小さくなればQf値は大きくなり、誘電損失が大きくなればQf値は小さくなる。誘電損失は高周波デバイスの電力損失を意味するため、誘電体磁器のQf値は大きいことが好ましい。本実施形態では、誘電損失の評価は、Q値を用いる。
本実施形態の誘電体磁器は、主成分であるMg2SiO4に対する副成分として、亜鉛酸化物及びガラス成分を含む組成で構成されている。副成分は、誘電体磁器組成物を焼成する際に液相を形成する焼結助剤として用いられる。特に、副成分として含まれるガラス成分は液相としての役割を果たし、未反応で残る焼結助剤と主成分であるMg2SiO4との反応性を促進する。これにより、誘電体磁器組成物の焼成後に誘電体磁器に未反応で残る焼結助剤を低減することができると共に、焼結助剤を完全に反応させることができるため、誘電体磁器の焼結性が確保される。この結果、得られる誘電体磁器のQ値を上昇させることができ、誘電損失を小さくすることができる。
本実施形態に係る誘電体磁器の製造方法の一例について説明する。図1は、本実施形態に係る誘電体磁器の製造方法を示すフローチャートである。図1に示すように、本実施形態に係る誘電体磁器の製造方法は、Mg2SiO4を含む主成分と、ZnO及びガラス成分を含む副成分とを含む誘電体磁器を製造するにあたり、以下の工程を含む。
(a) 酸化マグネシウムの原料粉末と二酸化珪素の原料粉末とを混合して熱処理し、Mg2SiO4結晶粉末を作製するMg2SiO4結晶粉末の作製工程(ステップS11)
(b) Mg2SiO4結晶粉末に、副成分原料粉末として前記亜鉛酸化物及びガラス成分を添加し、誘電体磁器組成物を得る誘電体磁器組成物の作製工程(ステップS12)
(c) 誘電体磁器組成物を酸素雰囲気下において800℃以上1000℃以下の温度で焼成して、焼結体を得る焼成工程(ステップS13)
Mg2SiO4結晶粉末の作製工程(ステップS11)は、酸化マグネシウム(MgO)の原料粉末と酸化珪素(SiO2)の原料粉末とを混合して仮焼きし、フォルステライト(Mg2SiO4)結晶粉末を作製する工程である。Mg2SiO4結晶粉末の原料となるMgOの原料粉末とSiO2の原料粉末とをそれぞれ所定量秤量した後、混合する。これにより原料混合粉末を得る。なお、副成分の各原料の秤量は、完成後の誘電体磁器組成物において、各副成分の含有率が、誘電体磁器組成物全体に対して所望の上記比率(質量部)となるように行う。また、MgOの原料粉末及びSiO2の原料粉末との混合は、乾式混合又は湿式混合等の混合方式で行うことができ、例えば、ボールミルなどの混合分散機で純水、エタノール等の溶媒を用いて混合する。ボールミルの場合の混合時間は4時間から24時間程度とする。
誘電体磁器組成物の作製工程(ステップS12)は、Mg2SiO4結晶粉末に、副成分原料粉末として前記亜鉛酸化物及びガラス成分を添加し、誘電体磁器組成物を得る誘電体磁器組成物の作製工程である。
焼成工程(ステップS13)では、得られた誘電体磁器組成物を焼成して、焼結体を得る。これにより、本実施形態に係る誘電体磁器が得られる。焼成は、例えば、空気中のような酸素雰囲気にて行うことが好ましい。また、焼成温度は、導体材として用いるAg系金属の融点以下であることが好ましく、例えば、800℃以上1000℃以下であることが好ましく、800℃以上950℃以下であることがより好ましく、860℃以上950℃以下であることが更に好ましく、880℃以上940℃以下であることが最も好ましい。
本実施形態の誘電体磁器は、例えば、フィルター、コンデンサ、共振器、回路基板等の電子部品の一部を構成する誘電体層として好適に用いることができる。図2は、本実施形態の電子部品をLCフィルターとした場合の一実施形態を模式的に示す概念断面図である。図2に示すように、LCフィルター10は、複数の誘電体層11と、コイル12と、キャパシタパターン部13−1から13−3と、ビア(ビア導体)14とを含む。誘電体層11は、本実施形態の誘電体磁器が用いられている。コイル12及びキャパシタパターン部13−1から13−3はAg導体で形成されている。ビア14は、コイル12とキャパシタパターン部13−1とを導通させるAg導体が充填されたビアホール部分であり、LC共振回路が形成されている。キャパシタパターン部13−1はビア14によってコイル12と接続されている。LCフィルター10のコンデンサー部は3層構造としているが、LCフィルター10は3層構造に限定されず、任意の多層構造とすることができる。LCフィルター10では、誘電体層11に本実施形態に係る誘電体磁器を用いていることから誘電体層21は抗折強度を確保すると共に、誘電損失の低下を抑制するため、LCフィルター10は、誘電体層11の強度を維持することができると共に、高いQ値を有し、誘電損失が小さくなるので、高周波帯域での使用に適した特性が得られる。よって、本実施形態の電子部品は、LCフィルターとして好適に用いることができる。
本実施形態に係る電子部品の製造方法の一例について説明する。図3は、本実施形態に係る電子部品の製造方法の一例を示すフローチャートである。図3に示すように、本実施形態に係る電子部品の製造方法は、図1に示す誘電体磁器の製造方法により製造される誘電体磁器組成物を成型して複数積層し、焼成することにより製造されるものである。本実施形態に係る電子部品を製造するにあたり、以下の工程を含む。
(a) 酸化マグネシウムと二酸化珪素とを混合して熱処理し、Mg2SiO4結晶粉末を作製するMg2SiO4結晶粉末の作製工程(ステップS21)
(b) Mg2SiO4結晶粉末に、副成分原料粉末として前記亜鉛酸化物及びガラス成分を添加し、誘電体磁器組成物を得る誘電体磁器組成物の作製工程(ステップS22)
(c) 誘電体磁器組成物の粉末を含むペーストを基板上に塗布し、成型体を作製する成型体作製工程(ステップS23)
(d) 成型体を形成して得られるグリーンシートを複数積層し、積層体を得る積層体作製工程(ステップS24)
(e) 積層体を酸素雰囲気下において800℃以上1000℃以下の温度で焼成して、焼結体を得る焼成工程(ステップS25)
Mg2SiO4結晶粉末の作製工程(ステップS21)及び誘電体磁器組成物の作製工程(ステップS22)は、上述の誘電体磁器を製造する際の図1に示すMg2SiO4結晶粉末の作製工程(ステップS11)及び誘電体磁器組成物の作製工程(ステップS12)と同様であるため、説明は省略する。誘電体磁器組成物を得た後、成型体を作製する成型体作製工程(ステップS23)に移行する。
成型体作製工程(ステップS23)は、誘電体磁器組成物の粉末を含むペーストを基板上に塗布し、成型体を作製する工程である。得られた誘電体磁器組成物の粉末を、ポリビニルアルコール系、アクリル系、又はエチルセルロース系等の有機バインダー等に添加した後、得られた混合物をシート状に成型してグリーンシートを得る。グリーンシートの成型方法としては、シート法や印刷法等の湿式成型法がある。成型体を作製した後、積層体を作製する積層体作製工程(ステップS24)に移行する。
積層体作製工程(ステップS24)は、成型体を形成して得られるグリーンシートを複数積層し、積層体を得る工程である。積層体作製工程(ステップS24)では、成型して得たグリーンシート上に、所定形状の内部電極が形成されるようにAgを含有する導電性ペーストを塗布する。導電性ペーストが塗布されたグリーンシートを必要に応じて複数作製し、積層してプレスし、積層体を得る。得られた積層体を所望のサイズに切断し、面取りを行った後、チップを焼成する焼成工程(ステップS25)に移行する。
焼成工程(ステップS25)は、上述の誘電体磁器を製造する際の図1に示す焼成工程(ステップS13)と同様であるため、説明は省略する。焼結体の冷却後、必要に応じて、得られた誘電体磁器に外部電極等を形成することで、誘電体磁器に外部電極等が形成された電子部品が完成する。
[実施例1]
主成分としてMg2SiO4を含み、副成分として、亜鉛酸化物及びガラス成分を含み、主成分100質量部に対して、ZnOの含有率が16質量部であり、B2O3の含有率が6.0質量部であり、CaCO3の含有率が2.0質量部であり、副成分からガラス成分を除いた誘電体組成100質量部に対して、SiO2−BaO−CaO−Li2O系ガラスの含有率が2.0質量部である誘電体磁器を、以下に示す手順で作製した。CaCO 3 の含有率が2.0質量部である場合、CaOに換算すると1.12質量部である。
誘電体磁器組成物全体に対するLi2Oの含有率(質量%)を表1に示す値としたこと以外は、実施例1と同様の方法で、誘電体磁器組成物をそれぞれ作製した。そして、得られた誘電体磁器組成物をシート成型して得られるシート成型体を、複数積層後プレスして基板状に成型したシート積層成型体を作製した。このシート積層成型体を実施例1と同様の方法で、各誘電体磁器を得た。作製した誘電体磁器の主成分として含まれるMg2SiO4と、副成分として含まれるZnOとB2O3とCaCO3とSiO2−BaO−CaO−Li2O系ガラスとLiO2との各々の配合量を表1に示す。
得られた誘電体磁器の焼結密度ρs、相対密度(焼結密度が3.35g/cm3の時を100%とした)、Q値、抗折強度、素地の変形及び焼結性、主相に対するZnOの量を各々求めた。
焼成後の試験片がLWT方向で4.5×3.2×0.8mm前後になるように切断加工し、各方向の寸法をマイクロメーターで測定し、電子天秤で質量を測定し、そこからの嵩密度を焼結密度ρs(単位:g/cm3)とした。測定結果を表1に示す。尚、本実施例では、実施例4の誘電体磁器を作製する際に用いた誘電体磁器組成物の主成分であるMg2SiO4と、副成分であるZnOとB2O3とCaCO3とSiO2−BaO−CaO−Li2O系ガラスと同一の組成の誘電体磁器組成物の焼成温度と時間とを変化させて焼結密度ρsを測定した際、その焼結密度ρsの値が3.35g/cm3であった。そのため、実施例4での焼結密度の値3.35g/cm3を相対密度100%と規定し、相対密度が96%を下回る場合には焼結が不十分と評価した。
(X線回折による未反応で残存するZnOの量の特定)
焼成後の試料を瑪瑙乳鉢を用いて粉末状にすり潰してX線回折(X-Ray Diffraction spectroscopy;XRD)法によりXRD測定を行ない、X線回折ピーク強度を測定した。XRD測定は、Cu管球を使用しているX線回折装置(商品名:RINT2000/PC、リガク社製)を用いて行なった。測定試料には、実施例4、比較例7を用いた。測定条件は、以下に示す通りで行った。実施例4及び比較例7のX線回折チャートを図4に示す。
(測定条件)
・電圧:50kV
・電流:300mA
・スキャン速度:4°/min
・範囲:2θ=10〜70(deg)
空洞共振器摂動法によりQ値を測定した。空洞共振器内に大きさが0.8mm四方の試験片を挿入し、空洞共振器内のQ値の変化を測定した。測定周波数は1.9GHzで行い、Q値は、3回行なって得られたQ値の平均値とした。測定結果を表1に示す。
各誘電体磁器の試験片の厚みが0.4mm前後、幅が2.6mm前後になるように切断加工し、3点曲げ強度を測定した。測定器(商品名:5543、Instron社製)を用いて3点曲げ強度を測定した。3点曲げ強度試験により測定して得られた結果から抗折強度を求めた。測定時に試験片を支える2点間の治具距離は15mmとし、測定速度は0.5mm/minとし、10箇所で測定を行い、試験数10個で測定して得られた値の平均値(単位:MPa)を測定値とした。測定結果を表1に示す。
素地の変形は、焼結密度ρsの測定に用いた各試料を目視で判断した。焼結性は、焼結密度ρsの測定に用いた各試料を破断し、その面を走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope、商品名:JSM‐6700、日本電子データム社製)でSEM観察して相対密度100%の試料に対してポア量の程度で焼結性が充分か否かを判断した。結果を表1に示す。
焼成後の主相に対する未反応で残存するZnOの量は、主相に含まれるMg2SiO4の2θが36.0°から37.0°の間におけるX線回折ピーク強度IAと、未反応なまま存在するZnOの2θが31.0°から32.0°及び33.0°から34.0°におけるX線回折ピーク強度IBとを求め、X線回折ピーク強度IAに対するX線回折ピーク強度IBのピーク強度比IB/IAから求めた。測定結果を表1に示す。このピーク強度比IB/IAが10%以下が好適な範囲とした。
11 誘電体層
12 コイル
13−1〜23−3 キャパシタパターン部
14 ビア(ビア導体)
Claims (3)
- Mg2SiO4を含む主成分と、亜鉛酸化物、ガラス成分、ホウ素酸化物及びアルカリ土類金属酸化物を含む副成分と、
を含み、
前記ガラス成分が、SiO 2 −BaO−CaO−Li 2 O系ガラスであり、
前記亜鉛酸化物の含有量が、前記亜鉛酸化物の質量をZnOに換算した場合、前記主成分100質量部に対して8.0質量部以上20質量部以下であり、
前記ガラス成分の含有量が、前記ガラス成分の質量をSiO2−BaO−CaO−Li2O系ガラスに換算した場合、前記副成分から前記ガラス成分を除いた誘電体組成100質量部に対して2.0質量部以上10.0質量部以下であり、
前記ホウ素酸化物の含有量は、前記ホウ素酸化物の質量をB2O3に換算した場合、前記主成分100質量部に対して3.0質量部以上10.0質量部以下であり、
前記アルカリ土類金属酸化物の含有量は、前記アルカリ土類金属酸化物の質量をRO(Rはアルカリ土類金属元素を示す)に換算した場合、前記主成分100質量部に対して1.0質量部以上4.0質量部以下であり、
X線回折において、主相であるMg2SiO4の2θが36.0°から37.0°の間におけるX線回折ピーク強度IAに対する、未反応なまま存在する亜鉛酸化物の2θが31.0°から32.0°及び33.0°から34.0°におけるX線回折ピーク強度IBのピーク強度比IB/IAが10%以下であると共に、
相対密度が96%以上であることを特徴とする誘電体磁器。 - Mg2SiO4を含む主成分と、亜鉛酸化物、ガラス成分、ホウ素酸化物及びアルカリ土類金属酸化物を含む副成分とを含む誘電体磁器を製造するにあたり、
酸化マグネシウムの原料粉末と二酸化珪素の原料粉末とを混合して熱処理し、Mg2SiO4結晶粉末を作製し、前記Mg2SiO4結晶粉末に、副成分原料粉末として前記亜鉛酸化物及びガラス成分を添加し、誘電体磁器組成物を得る誘電体磁器組成物の作製工程と、
前記誘電体磁器組成物を酸素雰囲気下において800℃以上1000℃以下の温度で焼成して、焼結体を得る焼成工程と、
を含み、
前記ガラス成分が、SiO 2 −BaO−CaO−Li 2 O系ガラスであり、
前記亜鉛酸化物の含有量を、前記亜鉛酸化物の質量をZnOに換算した場合、前記主成分100質量部に対して8.0質量部以上20質量部以下とし、
前記ガラス成分の含有量を、前記ガラス成分の質量をSiO2−BaO−CaO−Li2O系ガラスに換算した場合、前記副成分から前記ガラス成分を除いた誘電体組成100質量部に対して2.0質量部以上10.0質量部以下とし、
前記ホウ素酸化物の含有量を、前記ホウ素酸化物の質量をB2O3に換算した場合、前記主成分100質量部に対して3.0質量部以上10.0質量部以下とし、
前記アルカリ土類金属酸化物の含有量を、前記アルカリ土類金属酸化物の質量をRO(Rはアルカリ土類金属元素を示す)に換算した場合、前記主成分100質量部に対して1.0質量部以上4.0質量部以下とし、
X線回折において、前記焼結体の主相であるMg2SiO4の2θが36.0°から37.0°の間におけるX線回折ピーク強度IAに対する、未反応なまま存在する亜鉛酸化物の2θが31.0°から32.0°及び33.0°から34.0°におけるX線回折ピーク強度IBのピーク強度比IB/IAが10%以下であると共に、
相対密度が96%以上であることを特徴とする誘電体磁器の製造方法。 - 請求項1に記載の誘電体磁器からなる誘電体層を有することを特徴とする電子部品。
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