DE69708814T2

DE69708814T2 - Dielektrisches Material mit niedrigem Temperaturkoeffizient und mit hoher unbelasteten Qualität, Verfahren zur Herstellung und einzel/mehrschichtige gedruckte Leiterplatte mit diesem Material

Info

Publication number: DE69708814T2
Application number: DE69708814T
Authority: DE
Inventors: Hidetoshi Mizutani; Kazushige Ohbayashi; Motohiko Sato; Hitoshi Yokoi
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1996-09-26
Filing date: 1997-09-25
Publication date: 2002-04-11
Anticipated expiration: 2017-09-26
Also published as: DE69708814D1; EP0832859B1; JP3761289B2; JPH10152370A; FI973786A7; EP0832859A1; US6121174A; FI973786A0

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Der vorliegenden Erfindung liegen die Patentanmeldungen Nr. HEI.8-277618, eingereicht in Japan am 26. September 1996, und die Patentanmeldung Nr. HEI.9-184567, eingereicht in Japan am 24. Juni 1997, zugrunde.

ERFINDUNGSGEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft dielektrische Werkstoffe mit ausgezeichneten dielektrischen Eigenschaften im Mikrowellenbereich sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses dielektrischen Werkstoffs. Darüber hinaus betrifft die Erfindung Leiterplatten mit einer oder mehreren Schichten, die durch Ausbildung eines Verdrahtungsmusters auf einem leitfähigen Material entstehen, und zwar auf der Oberfläche eines Substrats, welches aus dem dielektrischen Material besteht, oder zwischen übereinander geschichteten Substraten aus dem dielektrischen Werkstoff. Zudem bezieht sich die Erfindung auch auf andere Vorrichtungen, die bei diesen Anwendungen zum Einsatz kommen, z. B. dielektrische Resonatoren und Filter, speziell jene, die im Mikrowellenbereich eingesetzt werden.

ERÖRTERUNG DES STANDES DER TECHNIK

Mehrschicht-Leiterplatten werden gegenwärtig durch Sintern von Isolierschichten bei niedrigen Temperaturen von etwa 900ºC hergestellt. Normalerweise bestehen die Schichten aus einem anorganischen Füllstoff, z. B. Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) oder Titandioxid (TiO&sub2;) sowie einer Glaskomponente. Diese Art mehrschichtiger Leiterplatten erhält man durch Ausbilden eines Musters aus einem hochleitfähigen Material, z. B. Gold, Silber oder Kupfer, oder aus einem ungesinterten Substrat durch Aufdrucken, Übereinanderschichten derartiger gedruckter Substrate und anschließendes Sintern der aufgeschichteten Substrate gleichzeitig mit dem Leiter bei einer niedrigen Temperatur. Diese Leiterplatten werden als aus Schichten bestehende dielektrische Resonatoren, Filter oder andere Mikrowelleneinrichtungen verwendet, wobei die Leiter als Innenelektroden dienen. Dielektrische Werkstoffe, die als Bestandteile derartiger Mehrschicht-Leiterplatten oder anderer oben beschriebener Vorrichtungen zum Einsatz kommen, müssen die folgenden Anforderungen erfüllen:
(i) Der absolute Wert des Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz (nachstehend als Tf von f&sub0; bezeichnet) muss niedrig sein, und
(ii) der Koeffizient unbelasteter Güte (nachfolgend als Qu bezeichnet) muss im Mikrowellenbereich hoch sein.
Als Glaskomponenten zur Herstellung von Isolierschichten werden häufig Borsilikatglas, Aluminosilikatglas und andere verwendet. Allerdings weisen die Substratmaterialien aus diesen Glaskomponenten und jene, die man aus Gemischen dieser Glaskomponenten mit Al&sub2;O&sub3; als anorganischem Füllmaterial erhält, einen großen negativen Wert Tf auf und verfügen daher über eine große Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz. Daher werden diese Substratmaterialien nach dem Stand der Technik nicht gern in Resonatoren oder Filtern eingesetzt.
Zur Korrektur des Tf eines solchen Grundmaterials ist ein Verfahren vorgeschlagen worden. Dies schließt die Zugabe eines anorganischen Füllstoffes mit einem großen positiven Tf-Wertes ein, z. B. TiO&sub2;, CaTiO&sub3; oder SrTiO&sub3;.
Allerdings reagieren diese anorganischen Füllstoffe meist mit Glasbestandteilen oder den dielektrischen Werkstoffen, welche Glaskomponenten und Al&sub2;O&sub3; enthalten, die während des Sinterprozesses zugegeben werden. Weiterhin können sie auch mit den Verdrahtungsmaterialien reagieren, sowie mit dicken Widerstandsschichten oder anderen Komponenten, die auf der Oberfläche des dielektrischen Werkstoffs ausgebildet sind. Durch diese Eigenschaft können sich die Eigenschaften von auf der Oberfläche des dielektrischen Substrats vorliegenden Komponenten, z. B. eines dicken Widerstandsfilms, ändern. Bei Verwendung jener anorganischen Füllstoffe ergibt sich noch ein anderes Problem, welches in der Reaktion derselben mit einer Glasfritte besteht, durch die sich eine feste Lösung bildet und eine ungeordnete Kristallstruktur entsteht, so dass es unmöglich wird, den erwarteten Korrektureffekt bei Tf zu erreichen. Wenn jene anorganischen Füllstoffe in großen Mengen oder mit einem großen Teilchendurchmesser beigegeben werden, treten zwei Probleme auf: (i) Es wird schwierig, ein homogenes dielektrisches Material zu erhalten, und (ii) es wird schwierig, beim Sintern auf niedriger Temperatur einen ausreichend dichten Sinterstoff zu erhalten.
Bislang ist noch keine wirksame Vorrichtung zur Verbesserung des Qu des dielektrischen Materials vorgeschlagen worden, welches beim Sintern auf niedriger Temperatur entsteht. Dementsprechend liegt das Produkt aus dem unbelastetem Gütekoeffizienten und der Resonanzfrequenz eines beliebigen dielektrischen Werkstoffs, der gegenwärtig Anwendung findet, bei höchstens 1.000 GHz.
Bei der nachfolgenden Beschreibung und den Patentansprüchen bezieht sich der Begriff "Strontiumanorthit" (SrAl&sub2;Si&sub2;O&sub8;, nachstehend auch als "Sr-Anorthit bezeichnet) auf das Anorthit (CaAl&sub2;Si&sub2;O&sub8;), bei dem das Calcium durch Strontium ersetzt wird. Der Begriff "wichtigste kristalline Phase" dient der Bezeichnung einer kristallinen Phase in einem Sinter, und wird als jene kristalline Phase definiert, welche die höchste integrierte Intensität ergibt, wenn das durch Sintern erhaltene Sinterstück pulverisiert und durch Röntgen-Pulverdiffraktometrie zur Kristallphasenidentifizierung analysiert wird. Der Begriff "Glaskeramik" bezieht sich auf einen Verbundstoff, der durch Sintern eines Gemisches aus einem Glas und Kristallkörnern, welche einen anorganischen Füllstoff umfassen, entsteht. Der Begriff "kristallisiertes Glas" bezeichnet ein Glas, welches eine amorphe Phase sowie eine oder mehrere kristalline Phasen einschließt, wobei Sr-Anorthit die wichtigste kristalline Phase darstellt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Demzufolge betrifft die vorliegende Erfindung ein dielektrisches Material mit niedrigem Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz und hoher unbelasteter Güte, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen dielektrischen Materials sowie eine Einzel- oder Mehrschicht-Leiterplatte mit einem solchen dielektrischen Material, welches im Wesentlichen eines oder mehrere der oben beschriebenen Probleme infolge der Grenzen und Nachteile nach dem bisherigen Stand der Technik überwindet.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines dielektrischen Materials, das einen absoluten Tf-Wert von 20 oder darunter aufweist, welches ein Produkt von Qu und f&sub0;, d. h. Qu · f&sub0; von 1.800 GHz oder darüber hat, vorzugsweise 2.500 GHz oder mehr, und bei dem es sich um einen homogenen, dichten Sinter handelt, selbst wenn er mittels Sintern auf niedriger Temperatur hergestellt wird. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung des oben beschrieben dielektrischen Materials.
Weiterhin ist es ein Ziel der Erfindung, eine Einzel- oder Mehrschicht-Leiterplatte zu schaffen, welche das dielektrische Material enthält.
Nach einem Aspekt der Erfindung entsteht ein dielektrisches Glaskeramikmaterial, welches Strontiumanorthit (SrAl&sub2;Si&sub2;O&sub8;) als wichtigste kristalline Phase und weiterhin 0,5 bis 4,5 Gew.-% TiO&sub2; als weitere kristalline Phase einschließt.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein dielektrisches Material geschaffen, das zwischen 95,5 und 99,5 Gew.-% kristallisiertes Glas umfasst, wobei das kristallisierte Glas Strontiumanorthit (SrAl&sub2;Si&sub2;O&sub8;) als wichtigste kristalline Phase und des Weiteren zwischen 0,5 und 4,5 Gew.-% Titanoxid (TiO&sub2;) umfasst.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen Werkstoffs geschaffen, welches die folgenden Schritte umfasst:
a) Mischen von zwischen 95,5 und 99,5 Gew.-% eines Gemischs, das eine Glasfritte und eine Strontiumverbindung umfasst, mit zwischen 0,5 und 4,5 Gew.-% TiO&sub2;,
b) Verdichten des entstandenen Gemischs, um einen Presskörper herzustellen,
c) Sintern des Presskörpers bei einer Temperatur zwischen 850 und 1.000ºC, um den Presskörper zu verdichten, bis der Presskörper eine Wasseraufnahme von weniger als 0,1% erreicht,
d) gleichzeitiges Auslösen einer Reaktion der Glasfritte mit der Strontiumverbindung, um Strontiumanorthit als wichtigste kristalline Phase auszubilden.
Es dürfte klar sein, dass sowohl die vorangehende allgemeine Beschreibung als auch die nachfolgende detaillierte Beschreibung als Beispiel und zur Veranschaulichung gedacht sind und die erfindungsgemäßen Patentansprüche näher erläutern sollen.
Zusätzliche Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung angeführt, aus der sie deutlich werden, oder lassen sich durch Anwendung der Erfindung begreifen. Die Ziele und andere Vorteile der Erfindung werden durch die Struktur und das Verfahren erreicht, auf die in der Patentschrift sowie in den beigefügten Ansprüchen speziell verwiesen wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die beiliegenden Zeichnungen, die einem besseren Verständnis der Erfindung dienen und einen festen Bestandteil der vorliegenden Patentschrift bilden, zeigen Ausführungsformen der Erfindung und verdeutlichen zusammen mit der Beschreibung die erfindungsgemäßen Prinzipien.
Zu den Zeichnungen:
Fig. 1 ist eine grafische Darstellung eines Vergleichs der Röntgen-Beugungsmuster zwischen dem dielektrischen Material, welches durch Sintern eines Versuchsmusters erhalten wurde, und dem ungesinterten Presskörper, aus dem das dielektrische Material gewonnen wurde.
Fig. 2 ist ein vertikaler Schnitt der Mehrschicht-Leiterplatte, die mit einem anderen Versuchsmuster hergestellt wurde;
Fig. 3 ist eine tabellarische Aufstellung der Versuchsergebnisse für die hergestellten Proben 1 bis 14; und
Fig. 4 ist eine tabellarische Auflistung der Versuchsergebnisse für die hergestellten Muster 15 bis 18.
Fig. 5 zeigt eine Streifen-Resonanzvorrichtung (Einzelschicht-Leiterplatte) mit dem dielektrischen Material zur erfindungsgemäßen Verwendung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFOR- MEN

VERSUCHSERGEBNISSE

Ehe näher auf Einzelheiten der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsformen eingegangen wird, soll das Verständnis der vorliegenden Erfindung durch Bezugnahme auf die Versuchsbeispiele, die nachstehend beschrieben und in den Fig. 3 und Fig. 4 dargestellt sind, erleichtert werden. Natürlich ist die Erfindung nicht so zu verstehen, dass sie durch diese Versuchsbeispiele eingegrenzt wird.

VERSUCHSBEISPIELE 1 BIS 14

Es wurden glasbildende Bestandteile, von denen jeder in Pulverform vorlag, in den in Fig. 3 angegebenen Anteilen miteinander vermischt. Das Gemisch wurde bei 1.500º C geschmolzen, die Schmelze wurde 2 Stunden lang auf dieser Temperatur gehalten und anschließend in Wasser gegossen, um Glas zu erhalten. Dieses Glas wurde durch ein Nassverfahren pulverisiert und anschließend getrocknet, so dass ein Glaspulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von etwa 1 um entstanden ist. Diesem Glaspulver wurde entsprechend der Formel aus Fig. 3 eine Sr- Verbindung mit einem Teilchendurchmesser wie in Fig. 3 angegeben sowie TiO&sub2; mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,9 um beigegeben. Daraufhin wurden diese Pulverbestandteile in Ethanol miteinander vermischt und getrocknet. Als Verdichtungsmittel wurde ein Harzbestandteil (Ethylmethacrylat) beigegeben, woraufhin das entstandene Pulvergemisch granuliert wurde. Dieses Granulat wurde bei einem Druck von 8 GPa in Zylinderform mit einem Durchmesser von 23 mm und einer Dicke von 12 mm geschmolzen. Bei dem Versuchsbeispiel 14 wurde Al&sub2;O&sub3; mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 um anstelle von TiO&sub2; verwendet.
Der so entstandene zylindrische Verdichtungskörper wurde dann einem isostatischen Pressvorgang (CIP) bei einem Druck von 15 GPa unterzogen und anschließend 0,5 Stunden bei einer Temperatur von 930ºC in Luft gesintert. Nach dem Schleifen des so entstandenen dielektrischen Materials wurde es auf die relative Dielektrizitätskonstante (&epsi;r), Qu und Tf (Temperaturbereich: 25 bis 80ºC) unter Verwendung des Verfahrens nach Hakki und Coleman bei einer Frequenz von 5 bis 8 GHz untersucht. Zur Bestimmung der wichtigsten kristallinen Phase wurde das Teststück für die Untersuchung der dielektrischen Eigenschaft pulverisiert und durch Röntgen- Pulverdiffraktometrie analysiert. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Fig. 3 angegeben.
Bei dem Verfahren nach Hakki und Coleman (Denish C. Dube, Rudolf Zurmuhien, Andrew Bell und Nava Setter, "Dielectric Measurements on High-Q Ceramics in Microwave Resion", J. Am. Ceram. Soc., 80[5] 1095-1100 (1997)) wird ein dielektrisches Muster mit Hilfe von 2 leitenden Platten auf beiden Seiten kurzgeschlossen (berührt). Nahe an dem Muster sind 2 kleine Antennen angeordnet, um Strom an den Resonator anzulegen und auch wieder abzuschalten.
In Fig. 3 sind die Ergebnisse hinsichtlich der dielektrischen Verluste als Qu · f&sub0; angegeben. Da f&sub0;, wobei es sich um die Resonanzfrequenz zur Bestimmung von Qu handelt, bei der Messung zur Bestimmung von Qu leicht schwankt, wird zur genaueren Darstellung des dielektrischen Verlustes das Produkt aus Qu und f&sub0; verwendet. Die Wasseraufnahme der dielektrischen Materialien, die in den Versuchsbeispielen 1 bis 14 entstanden sind, wurde entsprechend JIS C2141 gemessen. Es zeigte sich als Ergebnis, dass die Wasseraufnahme jeweils unter 0,1% lag.
Aus den in Fig. 3 angegebenen Resultaten ergibt sich Folgendes: Die dielektrischen Materialien, die in den Versuchsbeispielen 1 bis 7 entstanden sind, bei denen 65,6 bis 79,0 Gew.-% glasbildender Bestandteile und 31,5 bis 18,0 Gew.-% Sr- Verbindungen in Kombination mit 0,6 bis 4,5 Gew.-% TiO&sub2; verwendet wurden, wiesen Tf-Werte zwischen -18,4 und +11,3 ppm/ºC auf. Die dielektrischen Materialien unter Verwendung von SrTiO&sub3; als Sr-Verbindung hatten Qu · f&sub0;-Werte zwischen 2.840 und 3.200 GHz, während sie bei der Verwendung von SrSnOs als Sr- Verbindung einen Qu · f&sub0;-Wert von 2.320 GHz aufwiesen. Demzufolge hatten die in den Versuchsbeispielen 1 bis 7 hergestellten dielektrischen Werkstoffe sehr hohe dielektrische Eigenschaften. Das in diesen Versuchsbeispielen verwendete Strontiumtitanat und Strontiumstannat blieben nicht unverändert. Es wird davon ausgegangen, dass das entstandene Sr-Anorthit einer starken Verbesserung von Qu · f&sub0; diente und mit TiO&sub2; der Wert von Tf korrigiert wurde, so dass er zur positiven Seite verschoben und als ein Wert in dem o.a. bevorzugten Bereich reguliert wurde. Demgegenüber hatte das im Vergleichsbeispiel 8 entstandene dielektrische Material unter Verwendung einer Glasfritte ohne ZrO&sub2;, von dem man annimmt, dass es zur Ausbildung von Kristallkernen beiträgt, einen etwas kleineren Qu · f&sub0;-Wert als die dielektrischen Werkstoffe, die in den Versuchsbeispielen 1, 2 und 4 bis 7 mit Titanat als Sr- Verbindung hergestellt wurden. Demgegenüber hatte das dielektrische Material aus dem Versuchsbeispiel 8 ausgezeichnete dielektrische Eigenschaften, die jenen anderer dielektrischer Materialien fast gleich sind.
Die Tf-Werte schwankten zwischen -18,2 ppm/ºC bei dem dielektrischen Material aus dem Vergleichsbeispiel 1, bei dem der Anteil von TiO&sub2; bei lediglich 0,2 Gew.-% lag, und +11,3 ppm/ºC bei dem dielektrischen Material aus dem Versuchsbeispiel 5, bei dem 4,5 Gew.-% TiO&sub2; vorlagen, was den oberen Grenzwert darstellt. Konkret hatten die dielektrischen Materialien, bei denen die Anteile von TiO&sub2; 3,0 Gew.-% bzw. 4,0 Gew.-% betrugen, jeweils einen absoluten Tf-Wert, der 10,0 ppm/ºC nicht überstieg. Darüber hinaus hatten die dielektrischen Materialien, die unter Verwendung von SrTiO&sub3; als Sr-Verbindung hergestellt wurden und bei denen die Anteile von TiO&sub2; bei 1,5 Gew.-% bzw. 2,7 Gew.-% lagen, jeweils außerordentlich hohe Leistungsparameter, wobei der absolute Tf-Wert nicht über 5,0 ppm/ºC lag. Zwar hatten die dielektrischen Werkstoffe aus den Versuchsbeispielen 1 bis 8 verschiedene dielektrische Eigenschaften, doch das dielektrische Material aus Versuchsbeispiel 2 wies besonders gute Gesamteigenschaften auf, d. h. ein gutes Verhältnis zwischen &epsi;r, Qu x f&sub0; und Tf. Obwohl das dielektrische Material aus Versuchsbeispiel 3 unter Verwendung von SrSnO&sub3; als Sr-Verbindung einen Tf-Wert hatte, der sich zur negativen Seite verschob, verfügte es wie die anderen dielektrische Werkstoffe dennoch über ausgezeichnete Parameter.
Fig. 1 zeigt einen Vergleich der Röntgen-Beugungsmuster zwischen dem dielektrischen Werkstoff, der durch Sintern beim Versuchsbeispiel 2 erhalten wurde, und dem entsprechenden ungesinterten Presskörper. Daraus geht hervor, dass das Beugungsmuster des ungesinterten Presskörpers nur jener Spitzen hatte, die auf SrTiO&sub3; und TiO&sub2; zurückzuführen sind. Im Unterschied dazu hatte das Beugungsmuster des dielektrischen Materials, welches durch Sintern entstanden ist, keine Spitzen, die SrTiO&sub3; zuzuschreiben sind, sondern die Hauptspitzen gingen auf SrAl&sub2;SiO&sub8; zurück. Aus dem Beugungsmuster geht ebenfalls hervor, dass MgTi&sub2;O&sub5; entstanden war. Darüber hinaus blieben die TiO&sub2; zuzuordnenden Spitzen im Beugungsmuster unverändert. Das bedeutet, dass TiO&sub2; nach dem Sintern unverändert geblieben war.
Demgegenüber war bei dem dielektrischen Material aus dem Versuchsbeispiel 9 ohne Verwendung von TiO&sub2; als anorganischer Füllstoff die Korrektur von Tf zur positiven Seite hin unzureichend, und das dielektrische Material hatte einen großen negativen Tf-Wert. Bei dem dielektrischen Material, welches in Versuchsbeispiel 10 -wie bereits in Versuchsbeispiel 9 - ohne TiO&sub2; hergestellt wurde, bestand die wichtigste kristalline Phase aus SrTiO&sub3;, da wegen des großen Teilchendurchmessers von SrTiO&sub3; von 9,8 um kein Wandel von SrTiO&sub3; zu Sr-Anorthit stattfand. Dementsprechend wies das dielektrische Material aus Versuchsbeispiel 10 einen ungenügend verbesserten Qu · f&sub0;-Wert und einen zu großen positiven Tf-Wert auf Bei dem im Versuchsbeispiel 11 entstandenen dielektrischen Material, welches dem aus Versuchsbeispiel 10 entspricht, außer dass hier die zusätzliche Menge von SrTiO&sub3; auf 5,0 Gew.-% verringert war, wurde wie auch bei den dielektrischem Material aus Versuchsbeispiel 10 die wichtigste kristalline Phase von dem Rest-SrTiO&sub3; gebildet. Wenngleich das dielektrische Material aus Versuchsbeispiel 11 aufgrund der geringen Beigabemenge von SrTiOs einen mäßig korrigierten ausgezeichneten Tf-Wert hatte, war dessen Qu · f&sub0;- Wert noch kleiner und lag unter dem gewünschten Wert von 1.800 GHz.
Bei dem im Versuchsbeispiel 12 entstandenen dielektrischen Material, bei dem 5,4 Gew.-% TiO&sub2; verwendet wurde, war die Verbesserung des Qu · f&sub0; -Wertes durch Sr- Anorthit unzureichend und der Tf-Wert lag etwas über +20 ppm/ºC. Das dielektrische Material aus Versuchsbeispiel 13, bei dem TiO&sub2; in einer weit über der Obergrenze liegenden Menge beigegeben wurde, hatte einen noch kleineren Qu · f&sub0;-Wert und einen großen positiven Tf-Wert. Das dielektrische Material aus Versuchsbeispiel 14, bei dem Al&sub2;O&sub3; als anorganischer Füllstoff und nicht Sr-Verbindungen verwendet wurden, hatte einen kleinen &epsi;r-Wert und einen großen negativen Tf-Wert.

VERSUCHSBEISPIELE 15 BIS 18

Unter Verwendung der gleichen Ausgangsbestandteile in den gleichen Anteilen wie bei Versuchsbeispiel 2 wurden dielektrische Werkstoffe unter denselben Bedingungen wie bei Versuchsbeispiel 2 hergestellt, außer dass bei Temperaturen wie in Fig. 4 ein Sintervorgang durchgeführt wurde. Diese dielektrischen Werkstoffe wurden genau wie im Versuchsbeispiel 2 im Hinblick auf ihre dielektrischen Eigenschaften bewertet und nach der Komponente, welche die wichtigste kristalline Phase darstellte, untersucht. In Fig. 4 sind die Ergebnisse dargestellt. Wie daraus hervorgeht, hatte das im Versuchsbeispiel 2 entstandene Material einen sehr hohen dielektrischen Verlust und zeigte keinerlei Resonanzwellenform; deshalb konnten die dielektrischen Eigenschaften dieses Versuchsbeispiels nicht ermittelt werden, wie in Fig. 4 angegeben.
Die Ergebnisse aus Fig. 4 zeigen Folgendes: Die dielektrischen Werkstoffe aus Versuchsbeispiel 15 und 16, die bei einer Sintertemperatur von 900ºC bzw. 950ºC gesintert wurden, wiesen eine Wasseraufnahme unterhalb von 0,1% auf und hatten einen Tf-Wert von + 15,2 ppm/ºC bzw. + 1,9 ppm/ºC und einen Qu · f&sub0;-Wert von 2.510 GHz bzw. 3.010 GHz; somit verfügten diese dielektrischen Werkstoffe über ausgezeichnete Parameter.
Durch einen Vergleich zwischen diesen Werten und den Ergebnissen des dielektrischen Materials aus Versuchsbeispiel 2 unter Verwendung einer Sintertemperatur von 930ºC wird deutlich, dass der absolute Tf-Wert des dielektrischen Materials, das durch Sintern bei 950ºC entstanden ist, jenem des dielektrischen Materials aus Versuchsbeispiel 2 nahe kommt, wohingegen das durch Sintern bei 900ºC erhaltene dielektrische Material einen erheblich größeren absoluten Tf-Wert hatte, der wahrscheinlich auf eine große Restmenge SrTiO&sub3; zurückzuführen ist. Andererseits lag auch der Qu · f&sub0;-Wert des dielektrischen Materials, das durch Sintern bei 950ºC hergestellt wurde, nahe an dem des dielektrischen Materials aus Versuchsbeispiel 2, wohingegen das dielektrische Material im Ergebnis des Sinterns bei 900ºC einen geringen Qu · f&sub0;-Wert hatte, wahrscheinlich infolge der unzureichenden Erzeugung von Sr-Anorthit. Diese Ergebnisse bestätigen den besonders bevorzugten Sinter- Temperaturbereich zwischen 930 und 950ºC.
Demgegenüber setzte sich bei den Versuchsbeispielen 17 und 18, bei denen das Sintern auf Temperaturen unter 850ºC erfolgte, die Umwandlung von SrTiO&sub3; in Sr- Anorthit nicht weiter fort, weshalb die wichtigste kristalline Phase SrTiO&sub3; war. Da zudem das Sintern auf niedrigen Temperaturen stattfand, war es nur unzureichend und der Verdichtungsgrad gering. Somit hatten die in den Versuchsbeispielen 17 und 18 entstandenen dielektrischen Materialien eine Wasseraufnahme von 0,5% bzw. 2,0 %, was über der gewünschten Obergrenze von 0,1% liegt. Das im Versuchsbeispiel 18 hergestellte dielektrische Material wies einen außerordentlich hohen dielektrischen Verlust auf und zeigte keine Resonanzwellenform.

VERSUCHSBEISPIEL 19

Eine Glaskomponente, die mit Hilfe der gleichen Ausgangsmaterialien und in den gleichen Anteilen wie bei Versuchsbeispiel 2 aus Fig. 3 hergestellt wurde, wurde mit der gleichen pulverförmigen Sr-Verbindung und dem Zusatzstoff wie in Versuchsbeispiel 2 vermischt. Diese Bestandteile wurden anschließend in Ethanol miteinander vermischt und genau wie im Versuchsbeispiel 2 getrocknet. Diesem Pulvergemisch wurde ein Acryl-Bindemittel (Ethylmethacrylat), ein Plastifizierer (Dioctylphthalat) sowie ein Dispersionsmittel (ein teilweise mit Maleinsäure verestertes Polymer) beigegeben. Zur Herstellung eines Schlickers wurden diese Bestandteile anschließend genügend in einem Lösungsmittelgemisch aus Toluen-/Methylethylketon vermischt. Daraufhin wurden aus dem Schlicker mittels Abstreichverfahren (Doctor-blade- Verfahren) ungesinterte Streifen vorgegebener Dicke zwischen 0,1 und 1,2 mm ausgebildet.
Mit einer Silberpaste zur Verwendung bei der Herstellung von dicken Schaltungsfilmen wurden Leiter-Verdrahtungsmuster (Dicke: 20-25 um) durch Aufdrucken auf die ungesinterten Streifen mit verschiedener Dicke in dem oben angegebenen Bereich ausgebildet, wodurch verschiedene Elektroden, wie jene aus Fig. 2, entstanden. Anschließend wurden die ungesinterten Streifen mit den darauf aufgedruckten Leitermustern in vorgegebener Reihenfolge übereinander geschichtet. Die übereinander geschichteten Streifen wurden bei einer Temperatur von 50ºC und einem Druck von einem GPa gepresst, so dass eine einzige Mehrschichtstruktur gebildet wurde. Diese mehrschichtige Struktur wurde anschließend auf 250ºC erhitzt, um dadurch das Bindemittel und die anderen flüchtigen Bestandteile zu zersetzen und entfernen, und anschließend 0,5 Stunden lang auf 930ºC gesintert. Mit Hilfe einer Silber-/Platinpaste oder einer Silber-/Paladiumpaste wurden weiterhin auf der Ober- und Unterseite sowie seitlich an der gesinterten Struktur externe Elektroden etc. ausgebildet. Auf diese Weise war eine Mehrschicht-Leiterplatte entstanden, deren Struktur im vertikalen Schnitt in Fig. 2 dargestellt ist. In den nachfolgenden Ausführungsformen wird diese noch näher beschrieben.
Die wichtigste kristalline Phase in dieser Mehrschicht-Leiterplatte wurde separat mit Hilfe einer gesinterten Mehrschichtstruktur ermittelt, die unter den gleichen Bedingungen hergestellt wurde, außer dass hier das Drucken zur Ausbildung von Leiter- Verdrahtungsmustern etc. weggelassen wurde. Im Anschluss wurde die gesinterte Struktur pulverisiert und mit demselben Röntgen-Pulverdiffraktometrieverfahren analysiert. Dabei wurde festgestellt, dass genau wie bei Versuchsbeispiel 2 die wichtigste kristalline Phase von dem Sr-Anorthit gebildet wird. Weiterhin sei angemerkt, dass eine Glasfritte auch mit einem vorher synthetisierten Sr-Anorthit vermischt werden kann. Das Sr-Anorthit, welches die wichtigste kristalline Phase bildet, dient nicht nur dem Korrigieren von Tf, so dass er zur positiven Seite verschoben wird, sondern gleichzeitig verbessert es wirksam den Qu-Wert. Wenn demgegenüber Strontiumtitanat als Sr-Verbindung verwendet wurde, hatte das entstandene Magnesiumtitanat (MgTi&sub2;O&sub5;) zusammen mit dem Sr-Anorthit einen negativen Tf-Wert. Wenn die zusätzliche Menge von Strontiumtitanat nicht unter etwa 25 Gew.-% des dielektrischen Materials liegt, hat demzufolge das entstehende dielektrische Material einen Tf-Wert, der zur negativen und nicht zur positiven Seite verschoben ist. Erfindungsgemäß wird ein anorganischer Füllstoff mit einem positiven Tf-Wert, konkret TiO&sub2;, in mehreren nachstehend beschriebenen Ausführungsformen in angemessenen Anteilen zusammen mit dem Ausgangsmaterial verwendet, um so die Verschiebung des Tf-Wertes zur negativen Seite zu unterbinden und einen absoluten Tf-Wert zu erhalten, der nahe Null liegt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Nachdem anhand der Figuren der Hintergrund der vorliegenden Erfindung sowie die Versuchsbeispiele beschrieben wurden, wird jetzt näher auf die erfindungsgemäßen Ausführungsformen eingegangen.
Bei der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein dielektrisches Glaskeramikmaterial geschaffen, wobei in der Glaskeramik Strontiumanorthit als wichtigste kristalline Phase vorliegt.
Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung wird ein dielektrisches Material, wie oben bei der ersten Ausführungsform beschrieben, geschaffen, wobei das dielektrische Material als weitere kristalline Phase TiO&sub2; aufweist.
Zu der ersten und zweiten Ausführungsform sei angemerkt, dass die dielektrischen Materialien einen kleinen absoluten Tf-Wert, einen großen Qu · f&sub0;-Wert und eine hohe Dichte haben. Da diese dielektrischen Materialien durch Sintern bei niedriger Temperatur hergestellt werden können, lassen sich Verdrahtungsmuster mit einem Leiter, z. B. Gold oder Silber, der auf ungesinterte Streifen aufgedruckt wird, aus denen die dielektrischen Materialien entstehen, gleichzeitig mit den ungesinterten Streifen sintern.
Bei der dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein dielektrisches Material geschaffen, welches zwischen 95,5 und 99,5 Gew.-% kristallisiertes Glas aufweist, das wiederum Strontiumanorthit als wichtigste kristalline Phase einschließt, wobei das dielektrische Material weiterhin zwischen 0,5 und 4,5 Gew.-% TiO&sub2; enthält. Wenn bei der dritten oder anderen Ausführungsformen auf TiO&sub2; Bezug genommen wird, so sei darauf verwiesen, dass das TiO&sub2; in seiner Kristallstruktur nicht eingeschränkt ist und jede beliebige Kristallstruktur aufweisen kann wie z. B. Rutil, wobei es sich um eine der weitverbreiteten Kristallstrukturen handelt. Nach dem Sintern behält TiO&sub2; seine ursprüngliche Kristallstruktur. Durch dieses TiO&sub2; wird nicht nur der Tf -Wert korrigiert, indem er zur positiven Seite verschoben wird, sondern auch die relative Dielektrizitätskonstante (&epsi;r) verbessert. Liegt der TiO&sub2;-Gehalt unter 0,5 Gew.- %, kann es vorkommen, dass Tf nicht über -20 ppm/ºC zur positiven Seite hin verschoben worden ist und &epsi;r nicht ausreichend verbessert wird. Übersteigt der TiO&sub2;- Gehalt 4,5 Gew.-%, so steigt Tf meist über +20 ppm/ºC. Konkret liegt der TiO&sub2;-Gehalt vorzugsweise zwischen 1,0 und 4,0 Gew.-%, weil es dadurch möglich wird, Tf auf etwa -10 bis 10 ppm/ºC zu regulieren. Noch günstiger ist es, wenn der TiO&sub2;-Gehalt zwischen 1, 2 und 3,5 Gew.-% liegt, da es hierbei möglich wird, Tf zwischen -5 und +5 ppm/ºC einzustellen.
Durch die beigegebene Menge von TiO&sub2; wird Qu nicht beeinflusst. Wenn der TiO&sub2;- Gehalt in dem oben angegebenen Bereich liegt, kann der Qu · f&sub0;-Wert auf 1.800 GHz oder mehr eingestellt werden, speziell auf einen Wert über 2.500 GHz, ohne dass dabei Probleme entstehen. Bei dem dielektrischen Material der zweiten Ausführungsform liegt der TiO&sub2;-Gehalt ebenfalls vorzugsweise in dem oben angegebenen Bereich. Obwohl Qu durch die verwendete Menge einer Sr-Verbindung, die Sintertemperatur und andere Faktoren beeinflusst wird, kann erfindungsgemäß der Qu-Wert so reguliert werden, dass er zu einem Wert Qu · f&sub0; von normalerweise 2.000 GHz oder größer führt. Besonders günstig ist ein Qu · f&sub0;-Wert oberhalb von 2.500 GHz. Außerdem ist es möglich, Qu · f&sub0;-Werte über 2.900 GHz, speziell über 3.000 GHz, wie in den obigen Versuchsbeispielen angeführt, zu erreichen.
Bei der vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform entsteht ein dielektrisches Material wie oben bei der dritten Ausführungsform, bei dem das kristallisierte Glas kein Strontiumtitanat als kristalline Phase und dafür Magnesiumtitanat als weitere kristalline Phase ausweist.
In der dritten und vierten Ausführungsform haben die dielektrischen Materialien einen geringen absoluten Tf-Wert, einen großen Qu · f&sub0;-Wert und eine hohe Dichte. Da sich diese dielektrischen Werkstoffe durch Sintern auf niedriger Temperatur herstellen lassen, können Verdrahtungsmuster mit einem Leiter, z. B. Gold oder Silber, die auf ungesinterte Streifen aufgedruckt werden, aus denen die dielektrischen Materialien entstehen, gleichzeitig mit den ungesinterten Streifen gesintert werden.
Wenn bei der vierten Ausführungsform beispielsweise SrTiO&sub3; als Sr-Verbindung verwendet wird, entstehen neben dem Sr-Anorthit kristalline Phasen, die aus MgTi&sub2;O&sub5; etc. bestehen. Diese kristallisierten Phasen liegen im kristallisierten Glas vor. Allerdings besteht die wichtigste kristalline Phase in dem kristallisierten Glas aus Sr- Anorthit, und die anderen kristallinen Phasen üben nur einen geringen negativen Einfluss auf die dielektrischen Eigenschaften aus. Folglich kann ein erfindungsgemäßes dielektrisches Material hergestellt werden, welches in der Praxis keinerlei Probleme mit sich bringt, solange es einen Tf-Wert zwischen -20 und +20 ppm/ºC und einen Qu · f&sub0;-Wert von 1.800 GHz oder mehr aufweist.
Bei der fünften erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein dielektrisches Material geschaffen, wie es oben bei der dritten und vierten Ausführungsform beschrieben wurde, bei dem die Menge an Strontiumanorthit nicht unter 40 Gew.-%, bezogen auf die Menge des kristallisierten Glases, liegt.
Wenn der Gehalt an Sr-Anorthit bei der fünften Ausführungsform mindestens 40 Gew.-%, bezogen auf die Menge des kristallisierten Glases, als wichtigste Phase aufweist, hat das dielektrische Material einen ausreichend verbesserten Qu-Wert. Bei der sechsten Ausführungsform der Erfindung wird ein dielektrisches Material wie oben bei Ausführungsform 2 beschrieben, bei dem Strontiumanorthit ein Reaktionsprodukt zwischen einer Glasfritte und einer Strontiumverbindung ist.
Bei der siebten Ausführungsform der Erfindung wird ein dielektrisches Material wie oben in der sechsten Ausführungsform geschaffen, wobei die Glasfritte zwischen 40 und 52 Gew.-% SiO&sub2;, zwischen 27 und 37 Gew.-% Al&sub2;O&sub3;, zwischen 11 und 13 Gew.- % MgO, zwischen 2 und 8 Gew.-% B&sub2;O&sub3; und zwischen 2 und 8 Gew.-% CaO, bezogen auf die Menge der Glasfritte, umfasst.
Bei der obigen siebten, der unten beschriebenen achten, fünfzehnten und siebzehnten Ausführungsform schwanken der Tf-Wert und das Qu-Verhalten des entstandenen dielektrischen Materials in Abhängigkeit von dem Teilchendurchmesser der verwendeten Sr-Verbindung. Wird eine Sr-Verbindung mit kleinem Teilchendurchmesser verwendet, reagiert ein großer Teil dieser Verbindung mit einer Glasfritte, wodurch Sr-Anorthit entsteht und Qu verbessert wird. Wenn allerdings die verwendete Sr- Verbindung Strontiumtitanat ist, wird der Tf-Wert des entstehenden dielektrischen Materials nicht ausreichend korrigiert und liegt unter -20 ppm/ºC, also unterhalb der gewünschten Untergrenze in dem dielektrischen Material. Zurückzuführen ist dies auf MgTi&sub2;O&sub5;, das zusammen mit Sr-Anorthit entsteht. Daher wird eine geeignete Menge TiO&sub2; zur weiteren Verschiebung des Tf zur positiven Seite verwendet.
Wenn andererseits ein Strontiumtitanat mit einem großem Teilchendurchmesser verwendet wird, ist die stattfindende Reaktion zur Bildung von Sr-Anorthit nicht ausreichend, wodurch die entstehende Menge von MgTi&sub2;O&sub5; gering ist. Da das in großer Menge verbleibende Strontiumtitanat zur Korrektur von Tf beiträgt, so dass dieser Wert zur positiven Seite verschoben wird, hat das Entstehen des dielektrischen Materials unerwünschterweise einen Tf-Wert, der über + 20 ppm/ºC hinaus zur positiven Seite verschoben ist, wobei dieser Wert die gewünschte Obergrenze für das dielektrische Material darstellt. Darüber hinaus ist die entstehende wichtigste kristalline Phase nicht das Sr-Anorthit, und die Verbesserung von Qu ist demzufolge unzureichend. Wird Strontiumstannat als Sr-Verbindung verwendet, entsteht kein MgTi&sub2;O&sub5;, was zu einem anderen Tf-Verhalten führt. Dennoch hat das dielektrische Material, das unter Verwendung von Strontiumstannat entstanden ist, ausgezeichnete Tf- und Qu · f&sub0;-Werte, genau wie das dielektrische Material, das mit Strontiumtitanat hergestellt wurde, wenngleich seine relative Dielektrizitätskonstante &epsi;r etwas kleiner ist.
Bei der achten Ausführungsform der Erfindung wird ein dielektrisches Material geschaffen, wie oben bei der siebten Ausführungsform beschrieben, wobei die Glasfritte weiterhin zwischen 0,1 und 3 Gew.-% ZrO&sub2;, bezogen auf die Gesamtmenge der Glasfritte, einschließt.
In Bezug auf die achte Ausführungsform sei angemerkt, dass zur Herstellung der dielektrischen Materialien der Ausführungsformen 1 bis 3 verschiedene Sr-Verbindungen verwendet werden können, wobei die entstehende kristalline Phase, die Strontiumelemente enthält, im Wesentlichen nur aus Sr-Anorthit besteht (dies geht so weit, dass mittels Röntgen-Diffraktionsanalyse eine einzelne Spitze, die einem kristallisierten Glas aus einer Strontiumverbindung, bei der es sich nicht um Sr-Anorthit handelt, nicht festgestellt werden kann). Das heißt, dass die verwendete Sr- Verbindung nicht als ursprüngliche kristalline Phase verbleibt, sondern sie weitgehend als Sr-Anorthit vorliegt, das durch die Reaktion mit einer Glasfritte gebildet wurde.
Bei der neunten Ausführungsform der Erfindung wird ein dielektrisches Material geschaffen, wie oben bei der Ausführungsform 1 und 2 beschrieben, wobei das dielektrische Material keine kristalline Phase enthält, die eine andere Strontiumverbindung als Strontiumanorthit aufweist.
Wenn der Gehalt an Sr-Anorthit in einem erfindungsgemäßen dielektrischen Material, wie bei der neunten Ausführungsform zwischen 50 und 85 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge aller kristallinen Phasen, ausmacht (z. B. Strontiumanorthit, Magnesiumtitanat, TiO&sub2;, Anorthit), dann kann das dielektrische Material einen Qu-Wert aufweisen, der für die praktische Anwendung ausreichend ist. Darüber hinaus liegt der Gehalt an Sr-Anorthit in dem dielektrischen Material dieser Ausführungsform vorzugsweise bei 40 Gew.-% oder mehr, bezogen auf die Menge des kristallisierten Glases als wichtigste Phase, da dieses dielektrische Material einen noch besseren Qu-Wert hat.
In der zehnten Ausführungsform der Erfindung wird ein dielektrisches Material geschaffen, wie in Ausführungsform 4 beschrieben, wobei das Strontiumanorthit zwischen 50 und 85 Gew.-%, bezogen auf eine Gesamtmenge aller kristallinen Phasen, aufweist.
Bei der elften Ausführungsform der Erfindung wird ein dielektrisches Material wie in Ausführungsform 6 geschaffen, wobei die Strontiumverbindung mindestens ein Element ist, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus SrTiO&sub3;, Sr&sub3;Ti&sub2;O&sub7;, Sr&sub2;TiO&sub4;, und SrSnO&sub3; besteht.
Bei der zwölften Ausführungsform der Erfindung wird ein dielektrisches Material wie in Ausführungsform 6 geschaffen, wobei die Strontiumverbindung einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von höchstens 2 um hat.
Bei der zwölften Ausführungsform hat die Strontiumverbindung, konkret Strontiumtitanat, im noch günstigeren Fall einen Teilchendurchmesser von 1 um oder weniger.
Bei der dreizehnten Ausführungsform der Erfindung wird ein dielektrisches Material geschaffen, wie oben in Ausführungsform 6 beschrieben, wobei die kleinere der Anzahl Mole von Silicium des SiO&sub2;, das in der Glasfritte enthalten ist, und der Anzahl Mole des Aluminiums des Al&sub2;O&sub3;, das in der Glasfritte enthalten ist, mehr als das Doppelte der Anzahl Mole von Strontium der Strontiumverbindung beträgt.
Bei der vierzehnten Ausführungsform der Erfindung wird ein dielektrisches Material geschaffen, wie oben in Ausführungsform 1 oder 2 beschrieben, wobei das dielektrische Material einen Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz zwischen -20 und +20 ppm/ºC hat und das dielektrische Material des Weiteren ein Produkt aus unbelastetem Gütefaktor und der Resonanzfrequenz von 1.800 GHz oder mehr hat.
Bei der fünfzehnten Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines dielektrischen Materials geschaffen, welches die folgenden Schritte aufweist:
(a) Mischen von zwischen 95,5 und 99,5 Gew.-% eines Gemischs, das eine Glasfritte und eine Strontiumverbindung umfasst, mit zwischen 0,5 und 4,5 Gew.-% TiO&sub2;;
(b) Komprimieren des entstandenen Gemischs, um einen Presskörper herzustellen;
(c) Sintern des Presskörpers bei einer Temperatur zwischen 850 und 1.000ºC, um den Presskörper zu verdichten, bis der Presskörper eine Wasseraufnahme von weniger als 0,1% erreicht;
(d) gleichzeitiges Auslösen einer Reaktion der Glasfritte mit der Strontiumverbindung; um Strontiumanorthit als wichtigste kristalline Phase auszuwählen.
Zur Ausführungsform 15 sei angemerkt, dass es möglich ist, Sr-Anorthit vorher zu synthetisieren und es als anorganischen Füllstoff mit einer Glasfritte zusammen mit TiO&sub2; zu vermischen. Allerdings ist das Verfahren nach dieser Ausführungsform, bei dem eine Glasfritte im Sinterschritt mit einer Sr-Verbindung reagiert, um Sr-Anorthit zu bilden, industriell von Vorteil, da bei ihm weniger Schritte erforderlich sind. Des Weiteren kann bei der Herstellung des erfindungsgemäßen dielektrischen Materials das Sintern auf relativ niedriger Temperatur erfolgen. Dabei kann ein Substrat, welches das dielektrische Material umfasst, mittels Sintern gleichzeitig mit anderen Komponenten hergestellt werden, zu denen ein Verdrahtungsmuster aus einem leitfähigen Material, z. B. Gold, Silber oder Kupfer, gehören. Wenn das Sintern auf einer Temperatur unter 850ºC erfolgt, reicht die Reaktion der Glasfritte mit der Sr- Verbindung nicht aus, und die Sr-Verbindung kann sich weniger gut in Sr-Anorthit umwandeln. Somit hat das entstehende dielektrische Material einen zu großen positiven Tf-Wert und einen unzureichend verbesserten Qu. Des Weiteren ist dieses dielektrische Material nicht genügend verdichtet worden und kann keine Wasseraufnahme unterhalb von 0,1% aufweisen.
Übersteigt die Sintertemperatur 1.000ºC, kommt es vor, dass das gleichzeitige Sintern mit einem leitfähigen Material zu einer Reaktion zwischen dem dielektrischen Material und dem leitfähigen Material, zur Ausbildung einer festen Lösung des leitfähigen Materials im dielektrischen Material oder zur Fusion, Diffusion und Verflüchtigung des leitfähigen Materials führt.
Folglich entsteht durch die Verwendung einer zu hohen Sintertemperatur möglicherweise nicht nur ein Problem bei der Ausbildung eines Verdrahtungsmusters, sondern zudem kommt es zum Niederschlag anderer Kristalle, die verhindern, dass Sr- Anorthit die wichtigste kristalline Phase darstellt.
Vorzugsweise liegt die Sintertemperatur bei 880ºC oder darüber, noch günstiger bei 900ºC oder darüber und am besten bei 930ºC oder darüber. Wenn die Sintertemperatur unter 900ºC liegt, speziell, wenn sie unterhalb von 880ºC liegt, wird möglicherweise bei der Sr-Verbindung keine Reaktion in Gang gesetzt und das entstehende dielektrische Material hat unter Umständen einen zu großen positiven Tf-Wert und einen nur ungenügend verbesserten Qu-Wert. Wird das Sintern bei Temperaturen ausgeführt, die nicht unter 930ºC liegen, unterscheiden sich die entstehenden dielektrischen Materialien nicht so stark im Hinblick auf Tf und Qu, wahrscheinlich deshalb, weil die zur Ausbildung von Sr-Anorthit aus der Sr-Verbindung führende Reaktion bei etwa 930ºC aufhört. Demzufolge liegt der wirksamste Sintertemperaturbereich zwischen 930 und 950ºC.
Bei der sechzehnten Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren wie bei der fünfzehnten Ausführungsform geschaffen, wobei die Glasfritte zwischen 40 und 52 Gew.-% SiO&sub2;, zwischen 27 und 37 Gew.-% Al&sub2;O&sub3;, zwischen 11 und 13 Gew.-% MgO, zwischen 2 und 8 Gew.-% B&sub2;O&sub3; und zwischen 2 und 8 Gew.-% CaO, bezogen auf die Menge der Glasfritte, umfasst.
Es sei angemerkt, dass bei der sechzehnten Ausführungsform, genau wie bei der oben beschriebenen siebten und achten Ausführungsform, die Zusammensetzung der verwendeten Glasfritte keinen speziellen Beschränkungen unterliegt. Allerdings ist die Verwendung einer Glasfritte mit der Zusammensetzung, wie sie für diese vorliegende Ausführungsform beschrieben wurde, insofern von Vorteil, als sie eine relativ niedrige Sintertemperatur von zwischen 850 und 1.000ºC zum Sintern und Kristallisieren ermöglicht und ein Sinter entstehen kann, der so weit verdichtet worden ist, dass er eine Wasseraufnahme unter 0,1% ausweist. Dieses dielektrische Material ist auch ein zufriedenstellendes Produkt mit einer Biegebruchspannung von 150 MPa oder mehr, was für die praktische Verwendung ausreicht. Anstelle von ZrO&sub2;, dem die Funktion der Ausbildung von Kristallkernen zugeschrieben wird, können auch ein oder mehrere andere bekannte Nukleartoren in der Glasfritte enthalten sein.
Bei der siebzehnten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren wie oben bei der sechzehnten Ausführungsform geschaffen, wobei die Glasfritte des Weiteren zwischen 0,1 und 3 Gew.-% ZrO&sub2; enthält.
Bei der achtzehnten Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren wie bei der fünfzehnten Ausführungsform geschaffen, wobei das Strontiumanorthit zwischen 50 und 85 Gew.-% der gesamten Menge aller kristallinen Phasen ausmacht.
Bei der neunzehnten Ausführungsform wird ein Verfahren wie bei der fünfzehnten Ausführungsform geschaffen, wobei die Strontiumverbindung mindestens ein Element darstellt, welches aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus SrTiO&sub3;, SrTi&sub2;O&sub7;, Sr&sub2;TiO&sub4; und SrSnO&sub3; besteht.
Wenngleich bei der neunzehnten Ausführungsform verschiedene Sr-Verbindungen zur Herstellung der dielektrischen Materialien nach dem ersten und zweiten Aspekt der Erfindung verwendet werden können, besteht die entstehende kristalline Phase, welche Strontiumelemente enthält, im Wesentlichen nur aus Sr-Anorthit (bis zu dem Ausmaß, dass keine einzige Spitze, die einem kristallisiertem Glas einer Strontiumverbindung, bei der es sich nicht um Sr-Anorthit handelt, mit der Röntgen- Diffraktionsanalyse nachgewiesen werden kann). Das heißt, dass die verwendete Sr- Verbindung nicht als die ursprüngliche kristalline Phase verbleibt, sondern meist als Sr-Anorthit vorliegt, das durch die Reaktion mit einer Glasfritte entstanden ist. Dies trifft auch auf das dielektrische Material zu, das durch das Verfahren nach der vorliegenden Ausführungsform gebildet wird, bei dem ein Strontiumtitanat oder ein Strontiumstannat (SrSnO&sub3;) als Sr-Verbindung verwendet wird. Bei diesem dielektrischen Material bleibt das Strontiumtitanat oder Strontiumstannat nicht in seiner ursprünglichen kristallinen Phase, und außer Sr-Anorthit kann keine andere kristalline Phase festgestellt werden, die ein Strontiumelement enthält.
Darüber hinaus unterliegt die Sr-Verbindung keinen besonderen Beschränkungen, es kann also jede Sr-Verbindung verwendet werden, solange sie mit einer Glasfritte reagiert, um Sr-Anorthit auszubilden. Wenngleich ein Teil der Sr-Verbindung eine feste Lösung mit der Glasphase bilden kann, wird im Wesentlichen aus der gesamten Sr- Verbindung mit Ausnahme dieses Teils vorzugsweise Sr-Anorthit.
Zu bevorzugten Beispielen von Sr-Verbindungen gehören SrTiO&sub3;, Sr&sub3;Ti&sub2;O&sub7;, Sr&sub2;TiO&sub4; und SrSnO&sub3;, die gewöhnlich in Pulverform vorliegen. Am besten wird eine Sr- Verbindung mit einem kleinen durchschnittlichen Teilchendurchmesser und einer großen spezifischen Oberfläche verwendet, da diese Sr-Verbindung gut mit einer Glasfritte reagiert.
Bei der zwanzigsten Ausführungsform nach der Erfindung entsteht ein Verfahren, wie oben bei der fünfzehnten Ausführungsform beschrieben, wobei die Strontiumverbindung einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von höchstens 2 um aufweist. Zwar sind bei der zwanzigsten Ausführungsform die Sr-Verbindungen im Hinblick auf deren durchschnittlichen Teilchendurchmesser keinen besonderen Beschränkungen ausgesetzt, bevorzugt wird allerdings eine Sr-Verbindung mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 5 um oder weniger, besser noch von 3 um oder weniger, besser noch von 3 um oder weniger und am besten von 2 um oder weniger. Wird demgegenüber eine Sr-Verbindung mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von mehr als 5 um verwendet, erfolgt die Umwandlung der Sr- Verbindung in Sr-Anorthit nicht ausreichend, was zu einem dielektrischen Material führt, bei dem die aus der Sr-Verbindung bestehende kristalline Phase die wichtigste kristalline Phase darstellt. Ein solches dielektrisches Material weist einen zu großen positiven Tf-Wert auf, der nicht erwünscht ist.
Bei der einundzwanzigsten erfindungsgemäßen Ausführungsform entsteht ein Verfahren, wie oben bei Ausführungsform 16 beschrieben, wobei die kleinere der Anzahl Mole von Silicium des SiO&sub2;, das in der Glasfritte enthalten ist, und der Anzahl Mole des Aluminiums des Al&sub2;O&sub3;, das in der Glasfritte enthalten ist, mehr als das Doppelte der Anzahl Mole von Strontium der Strontiumverbindung beträgt. Natürlich unterliegt bei der einundzwanzigsten Ausführungsform das Mischverhältnis zwischen einer Glasfritte und einer Sr-Verbindung keinen besonderen Beschränkungen. Allerdings wird es bevorzugt, die beiden Bestandteile in einem solchen Verhältnis miteinander zu vermischen, dass die kleinere der Anzahl Mole von Silicium des SiO&sub2;, das in der Glasfritte enthalten ist und der Anzahl Mole des Aluminiums des Al&sub2;O&sub3;, das in der Glasfritte enthalten ist, mehr als das Doppelte der Anzahl Mole von Strontium der Strontiumverbindung beträgt, weil sich dann theoretisch die gesamte Sr-Verbindung in Sr-Anorthit umwandelt. "Theoretisch" deshalb, weil es auch vorkommt, dass sich nicht die gesamte zugefügte Sr-Verbindung in Sr-Anorthit umwandelt, wenn sich die Sinterbedingungen oder andere Faktoren ändern. Selbst in diesem Fall übt die verbleibende Sr-Verbindung keinen besonders nachteiligen Einfluss aus, und es ist möglich, ein erfindungsgemäßes dielektrisches Material herzustellen, welches bei der praktischen Verwendung keine besonderen Probleme mit sich bringt, solange es einen Tf-Wert zwischen -20 und +20 ppm/ºC und einen Qu · f&sub0;-Wert von 1.800 GHz oder mehr aufweist.
Bei der zweiundzwanzigsten erfindungsgemäßen Ausführungsform entsteht ein dielektrisches Material, wie oben bei Ausführungsform 1 oder 2 beschrieben, wobei das dielektrische Material zu einem Substrat geformt wird, welches mindestens ein Verdrahtungsmuster aus einem leitfähigen Material auf seiner Oberfläche umfasst.
In Fig. 5 ist eine Einzelschicht-Leiterplatte abgebildet, die als Streifenleitungs- bzw. Übertragungsleitung-Resonatorvorrichtung konfiguriert ist. Bei dieser Vorrichtung ist auf einem dielektrischen Substrat 20 unter Verwendung des erfindungsgemäßen dielektrischen Materials ein Leiter 22 ausgebildet, wobei ein länglicher Resonator 24 und eine breite Schutzabdeckung 25 (Apron) einen integralen Leiter darstellen. Durch die Länge des Resonators 24 in der Struktur aus Fig. 5 wird der Frequenzbereich der Streifenleitungsvorrichtung gesteuert. Da der Resonator 24 und die Schutzabdeckung als ein einziger Leiter ausgebildet sind, lässt sich allerdings die Länge des Resonators 24 und dessen Verbindungspunkt zur leitenden Schutzabdeckung 25 ganz genau festlegen.
Der leitende Schutzabdeckungsbereich 25 des Leiters 22 ist über eine leitfähige Brücke 27, die sich wie in Fig. 5 über ein Ende des Substrats 20 erstreckt, elektrisch an den Ground-Plane-Leiter 26 auf dem Substrat 20 angeschlossen. Da der Schutzabdeckungsbereich 25 relativ breit ist, ist die Impedanz der Übertragungsleitung zwischen diesem Bereich und dem Ground Plane 26 sehr niedrig, so dass sich der gesamte Schutzabdeckungsbereich effektiv auf Erdungspotential befindet. Dadurch lassen sich sowohl die Länge des Resonators 24 als auch dessen Verbindungspunkt zum Ground Plane genau festlegen.
Bei der dreiundzwanzigsten erfindungsgemäßen Ausführungsform entsteht ein dielektrisches Material, wie es oben bei Ausführungsform 1 oder 2 beschrieben wurde, wobei das dielektrische Material zu einer Vielzahl von Substraten geformt wird und die Vielzahl von Substraten koplanar übereinander geschichtet werden, so dass sie eine mehrschichtige Leiterplatte bilden, wobei sich mindestens ein Verdrahtungsmuster aus einem leitfähigen Material auf den Oberflächen der Substrate befindet.
Fig. 2 zeigt eine Abbildung einer Mehrschicht-Leiterplatte (in diesem Fall eine Leiterplatte mit 7 Schichten), die als Mikrowellenresonator konfiguriert ist. Als Material für jedes Substrat wird das dielektrische Substrat 1 verwendet. Zum besseren Verständnis der Erläuterung wird die oberste Schicht als das Substrat 1a bezeichnet, das zweite Substrat von oben als Substrat 1b, usw. Zwischen Substrat 1b und Substrat 1c befindet sich die Erdungsschicht 3. Für die Feineinstellung wird eine Elektrode 2, die zwischen Substrat 1a und Substrat 1b angeordnet ist, verwendet. Eine Elektrode 4 zwischen Substrat 1c und Substrat 1d dient als Resonanzelektrode. Bei den Elektroden 4 und 5 über bzw. unter dem Substrat 1d handelt es sich um eine Eingangs-/- Ausgangselektrode. Die zwischen Substrat 1f und Substrat 1g befindliche Elektrode 6 ist eine Polerzeugungselektrode. Elektrode 7, die zwischen Substrat 1e und Substrat 1f angeordnet ist, bildet eine Spulenelektrode, und die externe Elektrode 8 ist um die Ecken der Struktur herum angeordnet.
Bei der vierundzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung entsteht ein Verfahren, wie es oben in Ausführungsform 15 beschrieben wurde, das zusätzlich die folgenden Schritte umfasst:
(a) Formen des dielektrischen Materials zu einem Substrat,
(b) Ausbilden wenigstens eines Verdrahtungsmusters, das aus leitendem Material besteht, auf wenigstens einer Oberfläche der Substrate.
In Fig. 5 ist ein Beispiel einer derartigen Struktur abgebildet, die oben im Zusammenhang mit der zweiundzwanzigsten Ausführungsform näher beschrieben wurde. Bei der fünfundzwanzigsten Ausführungsform der Erfindung entsteht ein Verfahren, wie es oben anhand von Ausführungsform 15 beschrieben wurde, welches außerdem die folgenden Schritte umfasst:
(a) Formen des dielektrischen Materials zu einer Vielzahl von Substraten,
(b) Ausbilden einer Vielzahl von Verdrahtungsmustern, die aus leitendem Material bestehen, auf mindestens einer Oberfläche der Substrate,
(c) koplanares Übereinanderschichten der Vielzahl von Substraten, so dass eine Struktur wie in Fig. 2 entsteht, die bei der obigen dreiundzwanzigsten Ausführungsform näher beschrieben wurde.
Natürlich können die oben beschriebenen Ausführungsformen, konkret die dielektrischen Materialien der Ausführungsformen 5 bis 14, einen größeren Qu · f&sub0;-Wert aufweisen. Darüber hinaus entsteht durch das Verfahren aus der fünfzehnten Ausführungsform ein dielektrisches Material, welches ausgezeichnete dielektrische Eigenschaften in sich vereinigt, wobei durch Herstellung eines Rohstoffes, der so eingestellt wird, dass er zu der in der dritten bzw. vierten Ausführungsform beschriebenen Zusammensetzung führt, und durch Sintern des Rohstoffes bei relativ niedriger Temperatur gleichzeitig mit einem leitfähigen Material eine hohe Dichte erreicht werden kann. Speziell bei Verwendung der Ausgangsstoffe und der in den Ausführungsformen 17 bis 21 beschriebenen Zusammensetzung wird ein dielektrisches Material geschaffen, welches noch bessere Leistungsparameter aufweist.
Des Weiteren kann mit dem Verfahren gemäß der zweiundzwanzigsten bzw. dreiundzwanzigsten Ausführungsform eine Einzelschicht-Leiterplatte bzw. eine Mehrschicht-Leiterplatte hergestellt werden, die ausgezeichnete dielektrische Eigenschaften aufweisen und jeweils in verschiedensten elektronischen Vorrichtungen, speziell als Resonatoren, Filter oder andere Einrichtungen für den Mikrowellenbereich, zum Einsatz kommen können.
Zwar ist die Erfindung im Einzelnen anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben worden, doch für Fachleute auf dem Gebiet liegt es auf der Hand, dass Veränderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Dielektrisches Material, das einen glaskeramischen Stoff umfasst, wobei der glaskeramische Stoff Strontiumanorthit als wichtigste kristalline Phase umfasst und des Weiteren zwischen 0,5 und 4,5 Gew.-% TiO&sub2; als weitere kristalline Phase umfasst.

2. Dielektrisches Material, das zwischen 95,5 und 99,5 Gew.-% kristallisiertes Glas umfasst, wobei das kristallisierte Glas Strontiumanorthit als wichtigste kristalline Phase umfasst; und

das dielektrische Material des Weiteren zwischen 0,5 und 4,5 Gew.-% TiO&sub2; umfasst.

3. Dielektrisches Material nach Anspruch 2, wobei das kristallisierte Glas frei von Strontiumtitanat als einer kristallinen Phase ist; und

das kristallisierte Glas des Weiteren Magnesiumtitanat als weitere kristalline Phase umfasst.

4. Dielektrisches Material nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine Menge des Strontiumanorthits, bezogen auf die Menge des kristallisierten Glases, nicht weniger als 40 Gew.-% beträgt.

5. Dielektrisches Material nach Anspruch 1, wobei das Strontiumanorthit ein Reaktionsprodukt einer Glasfritte mit einer Strontiumverbindung ist.

6. Dielektrisches Material nach Anspruch 5, wobei die Glasfritte zwischen 40 und 52 Gew.-% SiO&sub2;, zwischen 27 und 37 Gew.-% Al&sub2;O&sub3;, zwischen 11 und 13 Gew.-% MgO, zwischen 2 und 8 Gew.-% B&sub2;O&sub3; sowie zwischen 2 und 8 Gew.-% CaO umfasst, wobei sich die prozentualen Anteile auf die Menge der Glasfritte beziehen.

7. Dielektrisches Material nach Anspruch 6, wobei die Glasfritte, bezogen auf die Menge der Glasfritte, des Weiteren zwischen 0,1 und 3 Gew.-% ZrO&sub2; umfasst.

8. Dielektrisches Material nach Anspruch 1, wobei das dielektrische Material keine kristalline Phase enthält, die eine Strontiumverbindung außer Strontiumanorthit umfasst.

9. Dielektrisches Material nach Anspruch 3, wobei das Strontiumanorthit, bezogen auf eine Gesamtmenge aller kristallinen Phasen, zwischen 50 und 85 Gew.-% umfasst.

10. Dielektrisches Material nach Anspruch 5, wobei die Strontiumverbindung wenigstens ein Element ist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus SrTiO&sub3;, Sr&sub3;TiO&sub2;, Sr&sub2;TiO&sub4; und SrSnO&sub3; ausgewählt wird.

11. Dielektrisches Material nach Anspruch 5, wobei die Strontiumverbindung einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 2 um oder weniger hat.

12. Dielektrisches Material nach Anspruch 5, wobei die kleinere der Anzahl Mole von Silizium des SiO&sub2;, das in der Glasfritte enthalten ist, und der Anzahl Mole des Aluminiums des Al&sub2;O&sub3;, das in der Glasfritte enthalten ist, mehr als das Doppelte der Anzahl Mole von Strontium der Strontiumverbindung beträgt.

13. Dielektrisches Material nach Anspruch 1, wobei das dielektrische Material einen Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz zwischen -20 und +20 ppm/ºC hat und das dielektrische Material des Weiteren ein Produkt aus unbelastetem Gütefaktor und der Resonanzfrequenz von 1800 GHz oder mehr hat.

14. Verfahren zum Herstellen eines dielektrischen Materials, das umfasst:

a) Mischen von zwischen 95,5 und 99,5 Gew.-% eines Gemischs, das eine Glasfritte und eine Strontiumverbindung umfasst, mit zwischen 0,5 und 4,5 Gew.-% TiO&sub2;, wobei beim Vermischen ein Gemisch entsteht;

b) Komprimieren des entstandenen Gemischs, um einen Presskörper herzustellen;

c) Sintern des Presskörpers bei einer Temperatur zwischen 850 und 1000ºC, um den Presskörper zu verdichten, bis der Presskörper eine Wasseraufnahme von weniger als 0,1% erreicht;

d) gleichzeitiges Auslösen einer Reaktion der Glasfritte mit der Strontiumverbindung, um Strontiumanorthit als wichtigste kristalline Phase auszubilden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Glasfritte zwischen 40 und 52 Gew.-% SiO&sub2;, zwischen 27 und 37 Gew.-% Al&sub2;O&sub3;, zwischen 11 und 13 Gew.-% MgO, zwischen 2 und 8 Gew.-% B&sub2;O&sub3; sowie zwischen 2 und 8 Gew.-% CaO umfasst, wobei sich die prozentualen Anteile auf die Menge der Glasfritte beziehen.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Glassfritte, bezogen auf die Menge der Glasfritte, des Weiteren zwischen 0,1 und 3 Gew.-% ZrO&sub2; umfasst.

17. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Strontiumanorthit, bezogen auf eine Gesamtmenge aller kristallinen Phasen, zwischen 50 und 85 Gew.-% umfasst.

18. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Strontiumverbindung wenigstens ein Element ist, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus SrTiO&sub3;, Sr&sub3;Ti&sub2;O&sub7;, Sr&sub2;TiO&sub4; und SrSnO&sub3; besteht.

19. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Strontiumverbindung einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 2 um oder weniger hat.

20. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die kleinere der Anzahl Mole von Silizium von SiO&sub2;, das in der Glasfritte enthalten ist, und der Anzahl Mole des Aluminiums des Al&sub2;O&sub3;, das in der Glasfritte enthalten ist, mehr als das Doppelte der Anzahl Mole von Strontium der Strontiumverbindung beträgt.

21. Dielektrisches Material nach Anspruch 1, wobei das dielektrische Material zu einem Substrat geformt wird, das wenigstens eine Oberfläche umfasst;

das Substrat des Weiteren wenigstens ein Verdrahtungsmuster aus einem leitenden Material aufweist und das wenigstens eine Verdrahtungsmuster aus einem leitenden Material sich auf der wenigstens einen Oberfläche befindet.

22. Dielektrisches Material nach Anspruch 1, wobei das dielektrische Material zu einer Vielzahl von Substraten geformt wird und die Vielzahl von Substraten koplanar übereinandergeschichtet werden, so dass sie eine mehrschichtige Leiterplatte bilden;

wobei die Substrate des Weiteren Oberflächen umfassen;

und die mehrschichtige Leiterplatte des Weiteren wenigstens ein Verdrahtungsmuster umfasst, das aus einem leitenden Material besteht, wobei sich die Verdrahtungsmuster auf den Oberflächen der Substrate befinden.

23. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Verfahren des Weiteren umfasst:

a) Formen des dielektrischen Materials zu einem Substrat, das wenigstens eine Oberfläche umfasst;

b) Ausbilden wenigstens eines Verdrahtungsmusters, das aus leitendem Material besteht, auf der wenigstens einen Oberfläche.

24. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Verfahren des Weiteren umfasst:

a) Formen des dielektrischen Materials zu einer Vielzahl von Substraten, wobei jedes der Vielzahl von Substraten wenigstens eine Oberfläche aufweist;

b) Ausbilden einer Vielzahl von Verdrahtungsmustern, die aus leitendem Material bestehen, auf wenigstens einer der wenigstens einen Oberfläche;

c) koplanares Übereinanderschichten der Vielzahl von Substraten, so dass sie eine mehrschichtige Leiterplatte bilden.