JP2018008863A - Dielectric ceramic material and dielectric ceramic composition - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、誘電体セラミック材料及び誘電体セラミック組成物に関するものであり、前記誘電体セラミック材料の低温焼結化と良好な誘電特性、高い熱伝導率を可能とする誘電体セラミック材料及び誘電体セラミック組成物を提供することを目的とするものである。 The present invention relates to a dielectric ceramic material and a dielectric ceramic composition, and a dielectric ceramic material and a dielectric that enable low-temperature sintering of the dielectric ceramic material, good dielectric properties, and high thermal conductivity. The object is to provide a ceramic composition.
従来、半導体IC等を実装する多層セラミック基板には大きく分けて高温焼成タイプのHTCC(High Temperature Co−fired Ceramics)系と低温焼成タイプのLTCC(Low Temperature Co−fired Ceramics)系多層セラミック基板に分類できる。 Conventionally, multilayer ceramic substrates for mounting semiconductor ICs, etc. are roughly classified into high temperature firing type HTCC (High Temperature Co-fired Ceramics) and low temperature firing type LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics) based multilayer ceramic substrates. it can.
また、前記HTCC及びLTCC系多層セラミック基板に使用される誘電体セラミックスに要求される基本的特性として、用途に応じた比誘電率を有すること、誘電損失tanδが小さいこと(品質係数Qと共振周波数fの積であるQf値が大きいこと)、そして共振周波数の温度係数τfがゼロに近いこと(比誘電率の温度係数τεの−0.5倍と線膨張係数αの−1倍を加えたものがゼロに近いこと)が求められる。In addition, as basic characteristics required for dielectric ceramics used for the HTCC and LTCC multilayer ceramic substrates, the dielectric ceramic has a dielectric constant according to the application, and a dielectric loss tan δ is small (quality factor Q and resonance frequency). Qf value, which is the product of f, is large), and the temperature coefficient τ f of the resonance frequency is close to zero (−0.5 times the temperature coefficient τ ε of relative permittivity and −1 times the linear expansion coefficient α) The added thing is close to zero).
さて、HTCC系多層セラミック基板の基材はAl2O3やAlN,BeO,SiC−BeOなどの耐熱性を有する無機粉体を用いたものである。これらのセラミック材料は前記無機粉体を主成分として混合して成形した後、1300℃以上の高温で焼成することによって製造される。このためHTCC系多層セラミック基板の内部に形成される配線用の導体材料としては融点の高いMoやWが用いられている。しかしながら、このMoやWは導体としては導電率が低いという欠点がある。一方、導電率の高く、安価なAgやCuは融点がそれぞれ約961℃、約1084℃と低く、前記HTCC系多層セラミック基板の焼成温度における焼成では溶融してしまい内層用の配線導体として用いることができない。また、焼結温度が高いということは、高温焼成炉や超高温焼成炉が必要となるため設備費が高騰し、しかもエネルギーコストが必然的に高くなるため、製品価格が高騰する結果を招く。Now, the base material of the HTCC-based multilayer ceramic substrate is made of inorganic powder having heat resistance such as Al 2 O 3 , AlN, BeO, SiC-BeO. These ceramic materials are produced by mixing and molding the inorganic powder as a main component and then firing at a high temperature of 1300 ° C. or higher. For this reason, Mo or W having a high melting point is used as a conductor material for wiring formed inside the HTCC multilayer ceramic substrate. However, Mo and W have a drawback of low conductivity as a conductor. On the other hand, Ag and Cu, which have high conductivity and are inexpensive, have low melting points of about 961 ° C. and about 1084 ° C., respectively, and are melted by firing at the firing temperature of the HTCC-based multilayer ceramic substrate and used as wiring conductors for inner layers. I can't. Further, the high sintering temperature requires a high-temperature firing furnace or an ultra-high temperature firing furnace, so that the equipment cost increases and the energy cost inevitably increases, resulting in a product price increase.
一方、多層セラミック基板の導体の低抵抗化の要望は高周波域におけるモジュール部品の需要とともに大きくなり、これらの要望を満足するためにアルミナ、フォルステライト等のセラミック原料をAgやCuの溶融しない温度で焼結可能としたものがLTCC系多層セラミック基板である。このLTCC系多層セラミック基板は低温焼成多層セラミック基板とも呼び、前記セラミック原料(母材)に低融点のガラス原料等の焼結助剤を混合することによって低温での焼成を可能としたものであり、例えばアルミナ+ホウケイ酸鉛ガラス系、コージエライト+ホウケイ酸ガラス系およびその他各種の組成系などがある。 On the other hand, the demand for lower resistance of the conductor of the multilayer ceramic substrate increases with the demand for module parts in the high frequency range. In order to satisfy these demands, ceramic raw materials such as alumina and forsterite are used at a temperature at which Ag and Cu do not melt. What can be sintered is an LTCC multilayer ceramic substrate. This LTCC-based multilayer ceramic substrate is also called a low-temperature fired multilayer ceramic substrate, and can be fired at a low temperature by mixing a sintering aid such as a glass material having a low melting point into the ceramic raw material (base material). For example, there are alumina + lead borosilicate glass system, cordierite + borosilicate glass system, and various other composition systems.
これらの組成を有する絶縁体材料はAgやCuの導電率の高い金属との同時焼成を可能とするために1000℃以下の温度で焼成できるように調整している。その結果、高導電率のAgやCuを内部導体として用いることができ、高周波域で用いる高密度実装を実現できる多層セラミック基板としてはこのLTCC系多層セラミック基板(低温焼成多層セラミック基板)が現在主流になってきている。 The insulator material having these compositions is adjusted so that it can be fired at a temperature of 1000 ° C. or less in order to allow simultaneous firing with a metal having high conductivity such as Ag or Cu. As a result, high conductivity Ag and Cu can be used as an internal conductor, and this LTCC multilayer ceramic substrate (low temperature fired multilayer ceramic substrate) is currently the mainstream as a multilayer ceramic substrate capable of realizing high-density mounting used in a high frequency range. It is becoming.
しかしながら、これらのガラスを用いたLTCC材料では熱伝導率の低いガラス等の焼結助剤を多量(一般には全量の50重量%以上)含むためにアルミナ等のセラミックス本来の高熱伝導性や高強度、良好な誘電特性という特徴は阻害される。特にこのセラミック多層基板の熱伝導率が低下するとパワーアンプのような大きな発熱を伴う半導体素子を高密度に実装してパワーアンプモジュールなどを作製する場合、温度上昇が著しくなり、実用上使用できなくなる。特にこの傾向は小型化が強く要求される携帯型の電子機器等において顕著となる。 However, LTCC materials using these glasses contain a large amount of sintering aids such as glass with low thermal conductivity (generally 50% by weight or more of the total amount), so that the high thermal conductivity and high strength inherent in ceramics such as alumina are high. The feature of good dielectric properties is hampered. In particular, when the thermal conductivity of the ceramic multilayer substrate decreases, when a power amplifier module or the like is produced by mounting a semiconductor element with large heat generation such as a power amplifier at high density, the temperature rises remarkably and cannot be used practically. . This tendency is particularly remarkable in portable electronic devices and the like that are strongly required to be downsized.
これに対して、低融点の焼結助剤の添加量を極力抑え、セラミックス本来の高熱伝導率という特徴を生かしながら低温焼成を可能としたLTCC材料が開発されている。 On the other hand, LTCC materials have been developed that enable low-temperature firing while suppressing the amount of low melting point sintering aid added as much as possible and taking advantage of the inherent high thermal conductivity of ceramics.
特許文献1には、アルミナ(Al2O3)系母材に対して、CuO、Nb2O5を同時に添加した酸化物セラミックス材料が開示されている。Patent Document 1 discloses an oxide ceramic material in which CuO and Nb 2 O 5 are simultaneously added to an alumina (Al 2 O 3 ) -based base material.
また、特許文献2には、無機酸化物層と、銀を主成分とする電極層を交互に積層し、940℃以下の温度で一体焼成することにより作製したセラミック多層基板において、前記無機酸化物層がセラミック組成物からなり、前記セラミック組成物の副成分にCuO、TiO2、Nb2O5、Ag2Oを含み、前記副成分の組成を規定したものが開示されている。Patent Document 2 discloses a ceramic multilayer substrate produced by alternately laminating an inorganic oxide layer and an electrode layer mainly composed of silver, and integrally firing at a temperature of 940 ° C. or lower. A layer is made of a ceramic composition, and CuO, TiO 2 , Nb 2 O 5 , and Ag 2 O are included as subcomponents of the ceramic composition, and the composition of the subcomponents is defined.
また、非特許文献1には、アルミナ(Al2O3)にBi2O3、ZnO、B2O3、SiO2よりなるガラスを添加、850℃で焼結したものが開示されており、LTCCとしては高い熱伝導率7.2W/mKが得られている。Further, Non-Patent Document 1 discloses that alumina (Al 2 O 3 ) is added with glass made of Bi 2 O 3 , ZnO, B 2 O 3 , SiO 2 and sintered at 850 ° C., As LTCC, a high thermal conductivity of 7.2 W / mK is obtained.
しかしながら、前記特許文献1、2および非特許文献1により作成された誘電体セラミック材料では、1000℃以下の低温焼結化は達成できるものの、前記誘電特性が良好ではないという課題を有していた。特に共振周波数の温度係数τfが負の値をとり(誘電率の温度係数τεが正の値をとり)、またそれらの絶対値が大きくゼロから離れているという課題を有していた。However, the dielectric ceramic materials created by Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1 have a problem that the dielectric properties are not good, although low temperature sintering of 1000 ° C. or lower can be achieved. . In particular, the temperature coefficient τ f of the resonance frequency takes a negative value (the temperature coefficient τ ε of the dielectric constant takes a positive value), and the absolute values thereof are greatly different from zero.
本発明の誘電体セラミック材料は前記課題を解決するものであり、誘電体セラミック材料において、前記誘電体セラミック材料の原料である誘電体セラミック組成物が酸化アルミニウムと焼結助剤により構成され、前記焼結助剤がチタン及び銅、ニオブ、銀成分を含み、前記誘電体セラミック材料のかさ密度が3.8g/cm3以上であり、前記誘電体セラミック材料へのX線回折でコランダム相が最も高いピーク強度を示し、ルチル相が次に高いピーク強度を示すことを特徴とする誘電体セラミック材料である。The dielectric ceramic material of the present invention solves the above-mentioned problem. In the dielectric ceramic material, the dielectric ceramic composition as a raw material of the dielectric ceramic material is composed of aluminum oxide and a sintering aid, The sintering aid contains titanium, copper, niobium, and silver components, the bulk density of the dielectric ceramic material is 3.8 g / cm 3 or more, and the corundum phase is the most in X-ray diffraction on the dielectric ceramic material. The dielectric ceramic material is characterized in that it exhibits a high peak intensity and the rutile phase exhibits the next highest peak intensity.
本発明によれば、従来の誘電体セラミック材料と同等の低温焼結性及び高熱伝導率を保持しつつ、従来よりも良好な誘電特性を達成することができ、高熱伝導・高強度・かつ誘電特性の優れたLTCC材料を実現できるものである。 According to the present invention, while maintaining low-temperature sinterability and high thermal conductivity equivalent to those of conventional dielectric ceramic materials, it is possible to achieve better dielectric properties than the conventional one, and high thermal conductivity, high strength, and dielectric properties. An LTCC material having excellent characteristics can be realized.
以下、本発明の誘電体セラミック材料および誘電体セラミック組成物について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a dielectric ceramic material and a dielectric ceramic composition of the present invention will be described with reference to the drawings.
図2(a)〜図2(c)は本発明の一実施の形態における誘電体セラミック材料および誘電体セラミック組成物を用いて作成したセラミック電子部品の製造方法を説明するための模式断面図であり、図3は前記製造方法にて作製されたセラミック電子部品の模式断面図である。 2 (a) to 2 (c) are schematic cross-sectional views for explaining a method for manufacturing a ceramic electronic component produced using a dielectric ceramic material and a dielectric ceramic composition according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a ceramic electronic component manufactured by the manufacturing method.
なお、本実施の形態では誘電体セラミック組成物層としてコンデンサやコイル、伝送線路をセラミック多層基板の内層に内蔵したセラミック多層基板を例にとって説明する。 In the present embodiment, a ceramic multilayer substrate in which capacitors, coils, and transmission lines are incorporated in the inner layer of the ceramic multilayer substrate will be described as an example of the dielectric ceramic composition layer.
まず始めに、誘電体セラミック組成物層を作製するために主成分として0.01〜10μmの平均粒子径を有するアルミナ(酸化アルミニウム)を全量に対して79.4〜93.2%重量%、0.01〜10μmの平均粒子径を有する焼結助剤組成物6.8〜20.6重量%を配合する。 First, 79.4 to 93.2% by weight of alumina (aluminum oxide) having an average particle diameter of 0.01 to 10 μm as a main component for producing a dielectric ceramic composition layer, 6.8 to 20.6% by weight of a sintering aid composition having an average particle size of 0.01 to 10 μm is blended.
前記焼結助剤組成物はチタン及び銅、ニオブ、銀成分を含み、前記チタン成分の合計が前記焼結助剤に占める含有率が酸化物換算で51〜81重量%であり、前記銅成分の合計が前記焼結助剤に占める含有率が酸化物換算で4〜10重量%であり、前記ニオブ成分の合計が前記焼結助剤に占める含有率が酸化物換算で6〜16重量%であり、前記銀成分の合計が前記焼結助剤に占める含有率が酸化物換算で9〜23重量%である。なお、前記焼結助剤組成物はCuO、TiO2、Nb2O5、Ag2Oにより構成されるが、前記酸化物に限らず、価数の異なる酸化物、硝酸塩、酢酸塩、錯体等の種々の化合物として金属成分を配合することができる。The sintering aid composition contains titanium, copper, niobium, and silver components, and the total content of the titanium components in the sintering aid is 51 to 81% by weight in terms of oxide, and the copper component Is 4 to 10% by weight in terms of oxide, and the content of the niobium component in the sintering aid is 6 to 16% by weight in terms of oxide. The content of the total silver component in the sintering aid is 9 to 23% by weight in terms of oxide. The sintering aid composition is composed of CuO, TiO 2 , Nb 2 O 5 , and Ag 2 O, but is not limited to the oxides, oxides having different valences, nitrates, acetates, complexes, etc. A metal component can be mix | blended as various compounds of these.
さらに、このセラミックス誘電体組成物100重量部に対して、水を50〜300重量部配合し、1〜5mmφの高純度アルミナを分散メディアとして使用してボールミル混合を12〜72時間行った後、セラミック組成物からなるスラリーをボールミルより取り出し乾燥する。 Furthermore, after blending 50 to 300 parts by weight of water with respect to 100 parts by weight of the ceramic dielectric composition and performing ball mill mixing for 12 to 72 hours using high-purity alumina of 1 to 5 mmφ as a dispersion medium, The slurry made of the ceramic composition is taken out from the ball mill and dried.
次に、乾燥後のセラミック組成物100重量部に対して、PVBなどの樹脂バインダー5〜15重量部、酢酸ブチル、アルコールなどの分散媒40〜120重量部、DBP,BBPなどの可塑剤2〜12重量部、さらに必要に応じて消泡剤、分散剤を少量配合し、10mmφの高純度アルミナを使用したボールミル分散を12〜72時間行ってセラミックスラリーを作製する。 Next, 5 to 15 parts by weight of a resin binder such as PVB, 40 to 120 parts by weight of a dispersion medium such as butyl acetate or alcohol, and 2 or more plasticizers such as DBP or BBP with respect to 100 parts by weight of the ceramic composition after drying. 12 parts by weight, and if necessary, a small amount of an antifoaming agent and a dispersing agent are blended, and ball mill dispersion using high-purity alumina of 10 mmφ is performed for 12 to 72 hours to produce a ceramic slurry.
次に、得られたセラミックスラリーをダイコーティング装置などのシート成型機によって離型処理されたPETフィルムなどのキャリアフィルム上に所定の厚みに塗布し、その後、乾燥炉で乾燥して図2(a)に示すセラミックス誘電体組成物層であるセラミックグリーンシート201を作製する。 Next, the obtained ceramic slurry is applied to a predetermined thickness on a carrier film such as a PET film which has been subjected to a mold release treatment by a sheet molding machine such as a die coating apparatus, and then dried in a drying furnace, and then dried as shown in FIG. The ceramic green sheet 201 which is a ceramic dielectric composition layer shown in FIG.
次に、前記セラミックグリーンシート201に必要に応じてパンチング加工あるいはレーザ加工により所定の位置に穴開け加工を行った後、スクリーン印刷などによってAgあるいはCuを主成分とする導電性ペーストを用いて穴開け加工されたビアホール内に充填塗布し、ビア電極202を形成する。 Next, the ceramic green sheet 201 is punched at a predetermined position by punching or laser processing as necessary, and then a hole is formed using a conductive paste mainly composed of Ag or Cu by screen printing or the like. A via electrode 202 is formed by filling and applying into the opened via hole.
その後、セラミックグリーンシート201にAgあるいはAg−Pd、Cuを主成分とする導電性ペーストを用いてスクリーン印刷法などにより、設計された回路パターンの配線電極203を形成する。 Thereafter, the wiring electrode 203 having the designed circuit pattern is formed on the ceramic green sheet 201 by a screen printing method or the like using a conductive paste mainly composed of Ag, Ag—Pd, or Cu.
次に、それぞれに印刷形成された配線電極203を有するセラミックグリーンシート201を図2(a)に示すように所定の設計になるように位置合わせを行いながら積層、加圧し、図2(b)に示すような無機材料組成物層と電極層が交互に積層された積層体204を形成する。この積層体204の大きさは通常50〜200mm□であり、積層体204はマトリックス状に所定のセラミック多層基板301を多数個作製することができる。 Next, the ceramic green sheets 201 each having wiring electrodes 203 printed and formed are stacked and pressed while being aligned so as to have a predetermined design as shown in FIG. A laminate 204 in which inorganic material composition layers and electrode layers are alternately laminated as shown in FIG. The size of the laminated body 204 is usually 50 to 200 mm □, and the laminated body 204 can produce a number of predetermined ceramic multilayer substrates 301 in a matrix.
また、この積層体204の内層部に所定の面積を有する配線電極203を、セラミックグリーンシート201を介して対向するように配置することによりコンデンサ205を内蔵することができる。さらに、この配線電極203を積層することにより、より大容量のコンデンサ205を内蔵することも可能である。 Further, the capacitor 205 can be incorporated by disposing the wiring electrode 203 having a predetermined area on the inner layer portion of the laminate 204 so as to face each other with the ceramic green sheet 201 therebetween. Furthermore, it is possible to incorporate a capacitor 205 having a larger capacity by stacking the wiring electrodes 203.
また、配線電極203をセラミックグリーンシート201に形成したビア電極202を介してスパイラル構造のコイル207を内蔵させることも可能である。これらのコンデンサ205およびコイル207を内蔵させることによって高密度実装可能なセラミック多層基板301を実現することができる。 It is also possible to incorporate a spiral coil 207 through a via electrode 202 in which the wiring electrode 203 is formed on the ceramic green sheet 201. By incorporating these capacitor 205 and coil 207, a ceramic multilayer substrate 301 capable of high-density mounting can be realized.
次に、前記積層体204に銀を主成分とする導電性ペーストを用いて表層電極206を形成する。その後積層体204を積層体204の垂直方向に所定の圧力で加圧し、積層体204を積層圧着する。 Next, a surface layer electrode 206 is formed on the laminate 204 using a conductive paste mainly composed of silver. After that, the laminate 204 is pressed with a predetermined pressure in the vertical direction of the laminate 204, and the laminate 204 is laminated and pressure-bonded.
なお、この積層および加圧の際の温度は常温〜100℃であり、圧力は20〜1000kgf/cm2で行うことが好ましい。In addition, it is preferable to perform the temperature at the time of this lamination | stacking and pressurization at normal temperature-100 degreeC, and pressure is 20-1000 kgf / cm < 2 >.
その後、積層圧着された積層体204を切断して個片化し、この個片化された積層体204を350〜650℃の温度で脱バインダー処理を行う。 Then, the laminated body 204 laminated and pressure-bonded is cut into pieces, and the separated laminated body 204 is subjected to binder removal treatment at a temperature of 350 to 650 ° C.
次に、焼成工程として最高保持温度850〜1050℃(導体がAgの場合は850〜950℃、導体がCuの場合は850〜1050℃)、最高温度での保持時間0〜100時間の焼成を行う。焼成雰囲気については、Agと同時焼成する場合には大気を、Cuと同時焼成する場合には窒素を基本とするが、必要に応じて窒素、酸素、あるいは窒素および酸素の混合気体、アルゴン等、様々な酸素分圧の雰囲気で焼成することが可能である。 Next, as a firing step, firing is performed at a maximum holding temperature of 850 to 1050 ° C. (850 to 950 ° C. when the conductor is Ag, 850 to 1050 ° C. when the conductor is Cu), and a holding time of 0 to 100 hours at the maximum temperature. Do. As for the firing atmosphere, air is used in the case of co-firing with Ag, and nitrogen is used in the case of co-firing with Cu. However, if necessary, nitrogen, oxygen, or a mixed gas of nitrogen and oxygen, argon, etc. Firing can be performed in various oxygen partial pressure atmospheres.
前記焼成によって作成される誘電体セラミック材料のかさ密度はアルミナの理論密度である4.0g/cm3の95%である3.8g/cm3以上であること、つまり、相対密度が95%以上であることが重要である。一般に、相対密度が95%以上のセラミック材料は開気孔のほぼない、信頼性の高いことが知られている。The bulk density of the dielectric ceramic material produced by the firing is 3.8 g / cm 3 or more, which is 95% of the theoretical density of 4.0 g / cm 3 of alumina, that is, the relative density is 95% or more. It is important that In general, it is known that a ceramic material having a relative density of 95% or more has almost no open pores and is highly reliable.
そして、上述のように誘電体セラミック材料の誘電特性のなかでも共振周波数の温度係数τfは主要な項目を占める。α−アルミナのコランダム相のτfは約−50ppm/℃であり、負の値をとる。これをゼロに近づけるためにはτfの値が正の物質を焼成後の誘電体セラミック材料に存在させることが重要となる。酸化チタンのルチル相のτfは約+450ppm/℃であり大きな正の値をとるため、少量のルチル相の存在で誘電体セラミック材料全体のτfをゼロに近づけることができる。また、酸化チタンはα−アルミナの焼結助剤として効果を発揮する。つまり、酸化チタンは前記誘電体セラミック材料のτfをゼロに近づける効果と焼結性維持向上の両立を実現することができる。As described above, the temperature coefficient τ f of the resonance frequency occupies the main item among the dielectric characteristics of the dielectric ceramic material. τ f of the corundum phase of α-alumina is about −50 ppm / ° C. and takes a negative value. In order to bring this close to zero, it is important that a substance having a positive value of τ f is present in the fired dielectric ceramic material. Since τ f of the rutile phase of titanium oxide is about +450 ppm / ° C. and takes a large positive value, τ f of the entire dielectric ceramic material can be brought close to zero in the presence of a small amount of rutile phase. Titanium oxide is effective as a sintering aid for α-alumina. That is, titanium oxide can realize both the effect of bringing τ f of the dielectric ceramic material close to zero and the improvement in maintaining sinterability.
よって、前記誘電体セラミック材料へのX線回折で、コランダム相が最も高いピーク強度を示し、ルチル相が次に高いピーク強度を示すことが重要である。CuKα線によるX線回折では、ICSD(無機結晶構造データベース)31545によると、α−アルミナのコランダム相(空間群R3c)に相当するメインピークが2θ=35.11±0.20°(回折指数104)あるいは2θ=43.30°(回折指数113)、2θ=57.42°(回折指数116)に出現する。また、ICSD(無機結晶構造データベース)39169によると、酸化チタンのルチル相(空間群P42/mnm)に相当するメインピークが2θ=27.33°(回折指数110)に出現する。各ピークは±0.20°の測定誤差を含むこととする。ここでは、前記α−アルミナのコランダム相の3つのメインピークのうち最もピーク強度の高い強度がX線回折で最も高いピーク強度を示すこととする。そして、次に高いピーク強度が前記酸化チタンのルチル相に相当するメインピークであることとする。もちろん前記α−アルミナのコランダム相や酸化チタンのルチル相に他の成分が固溶し、ピーク位置(2θ)が変化することもあるが、前記±0.20°の範囲内に収まればよい。なお、酸化チタンのルチル相に相当するメインピークがα−アルミナのコランダム相メインピークより高くなる場合、共振周波数温度係数τfが+60ppm/℃を超えてしまい、共振周波数温度係数の絶対値もα−アルミナのそれよりも大きくなる。Therefore, in X-ray diffraction on the dielectric ceramic material, it is important that the corundum phase exhibits the highest peak intensity and the rutile phase exhibits the next highest peak intensity. According to ICSD (inorganic crystal structure database) 31545, the main peak corresponding to the corundum phase of α-alumina (space group R3c) is 2θ = 35.11 ± 0.20 ° (diffraction index 104). Or 2θ = 43.30 ° (diffraction index 113) or 2θ = 57.42 ° (diffraction index 116). According to ICSD (Inorganic Crystal Structure Database) 39169, a main peak corresponding to the rutile phase of titanium oxide (space group P42 / mnm) appears at 2θ = 27.33 ° (diffraction index 110). Each peak includes a measurement error of ± 0.20 °. Here, the intensity with the highest peak intensity among the three main peaks of the corundum phase of the α-alumina is the highest peak intensity by X-ray diffraction. The next highest peak intensity is the main peak corresponding to the rutile phase of titanium oxide. Of course, other components may be dissolved in the corundum phase of α-alumina and the rutile phase of titanium oxide, and the peak position (2θ) may change, but it should be within the range of ± 0.20 °. When the main peak corresponding to the rutile phase of titanium oxide is higher than the corundum phase main peak of α-alumina, the resonance frequency temperature coefficient τ f exceeds +60 ppm / ° C., and the absolute value of the resonance frequency temperature coefficient is also α -Be larger than that of alumina.
さらに、前記誘電体セラミック材料へのX線回折でニオブ酸銀(AgNbO3)のピークが検出されないことが重要である。ニオブ酸銀のτfは室温〜100℃付近で−600ppm/℃以下を推定され、大きな負の値をとる。このピークが検出されないことで、上述の酸化チタンのルチル相のτf上昇効果が明確にあらわれる。Furthermore, it is important that the peak of silver niobate (AgNbO 3 ) is not detected by X-ray diffraction on the dielectric ceramic material. Τ f of silver niobate is estimated to be −600 ppm / ° C. or less around room temperature to 100 ° C., and takes a large negative value. By this peak is not detected, it appears clearly that tau f increasing effect of rutile phase titanium oxide as described above.
ICSD(無機結晶構造データベース)55646によると、ニオブ酸銀の斜方晶相(空間群Pbcm)に相当するメインピークが2θ=32.08°(回折指数114)に出現する。ピークは±0.20°の測定誤差を含むこととする。もちろん前記ニオブ酸銀に他の成分が固溶し、ピーク位置(2θ)が変化することもあるが、前記±0.20°の範囲内に収まればよい。 According to ICSD (Inorganic Crystal Structure Database) 55646, a main peak corresponding to the orthorhombic phase (space group Pbcm) of silver niobate appears at 2θ = 32.08 ° (diffraction index 114). The peak includes a measurement error of ± 0.20 °. Of course, other components may be dissolved in the silver niobate and the peak position (2θ) may change, but it should be within the range of ± 0.20 °.
発明者の鋭意検討の結果、前記誘電体セラミック組成物中の酸化チタンの含有量を多くすることにより、焼成後の前記誘電体セラミック材料の微細組織の制御に成功した。具体的には、ルチル相の酸化チタンを残存させ、かつ、ニオブ酸銀を消滅させることができた。その結果、誘電体セラミック材料の低温焼結化や高熱伝導率を保持しつつ、誘電特性の向上を実現した。本部分が本発明の特徴的な点である。 As a result of inventor's earnest study, the fine structure of the dielectric ceramic material after firing was successfully controlled by increasing the content of titanium oxide in the dielectric ceramic composition. Specifically, rutile phase titanium oxide was allowed to remain, and silver niobate could be eliminated. As a result, the dielectric ceramic material has been improved in dielectric properties while maintaining low temperature sintering and high thermal conductivity. This part is a characteristic point of the present invention.
このようにして作成されたセラミック多層基板301の相対密度は95%以上である。このようなセラミック多層基板301において、誘電体セラミック組成物層の組成を実現することにより、誘電特性を向上させつつ、低温焼結性を維持させ、保持時間を減少させることができるため、省エネルギー化および電極材料に導電性に優れたAgやCuを主成分として利用することができる。また、十分な焼結性を得るために必要な焼結助剤の添加量の低減ができ、純アルミナに近づけることができる。結果として、前記誘電体セラミック材料の熱伝導率・機械的強度・誘電特性向上を実現できる。特に、熱特性に関して、より高熱伝導性を有するセラミック多層基板301を実現することができ、発熱性の高い半導体デバイスを実装する小型のパワーアンプモジュール等に最適で誘電特性の良好なセラミック多層基板301を提供することができる。 The relative density of the ceramic multilayer substrate 301 thus prepared is 95% or more. In such a ceramic multilayer substrate 301, by realizing the composition of the dielectric ceramic composition layer, it is possible to maintain the low-temperature sinterability and reduce the holding time while improving the dielectric characteristics, thereby saving energy. In addition, Ag or Cu having excellent conductivity can be used as the main component for the electrode material. Further, the amount of the sintering aid necessary for obtaining sufficient sinterability can be reduced, and it can be brought close to pure alumina. As a result, the thermal conductivity, mechanical strength, and dielectric properties of the dielectric ceramic material can be improved. In particular, with respect to thermal characteristics, a ceramic multilayer substrate 301 having higher thermal conductivity can be realized, and the ceramic multilayer substrate 301 is suitable for a small power amplifier module or the like on which a semiconductor device having high heat generation is mounted and has good dielectric characteristics. Can be provided.
次に、図3に示すように前記方法によって作製したセラミック多層基板301の表層にパワーアンプやLEDなどの半導体部品302や内層に形成することの困難な高容量コンデンサ303を実装することにより、小型のセラミック電子部品を実現することができる。 Next, as shown in FIG. 3, by mounting a semiconductor component 302 such as a power amplifier or LED or a high-capacitance capacitor 303 that is difficult to form on the inner layer on the surface layer of the ceramic multilayer substrate 301 manufactured by the above method, a small size is achieved. The ceramic electronic component can be realized.
このようなセラミック多層基板301を実現することにより、例えば従来のパワーアンプモジュールと比較して放熱のための金属導体配線であるサーマルビアの数を減らす、あるいはサーマルビアを用いないことで回路設計の自由度が増すと同時に配線空間の制約が緩和されるため、各種モジュールのさらなる小型化を実現でき、ひいては通信機器の小型化・多機能化が可能になる。 By realizing such a ceramic multilayer substrate 301, for example, the number of thermal vias, which are metal conductor wirings for heat dissipation, can be reduced compared to a conventional power amplifier module, or by using no thermal vias. As the degree of freedom increases and the restrictions on the wiring space are relaxed, the various modules can be further miniaturized, and the communication equipment can be miniaturized and multifunctional.
以下、実施例に基づいて誘電体セラミック材料及び誘電体セラミック組成物について詳細に説明する。なお、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, dielectric ceramic materials and dielectric ceramic compositions will be described in detail based on examples. The present invention is not limited to these examples.
表1に示すように、母材として酸化アルミニウム(Al2O3)を71.1〜100重量%、焼結助剤としてCuO、TiO2、Nb2O5、Ag2Oを合計0.0〜28.9重量%配合し、ボールミルにて16時間混合・乾燥した。前記粉体にバインダーであるPVA樹脂及び水を所定量加えて、乳鉢を用いて造粒を行い、乾燥後、75MPaの一軸加圧により円柱状の成形体を作成した。成形体の脱バインダーを行った後、大気中にて焼成を行った。昇温速度を300℃/h、最高温度を860、900、940、980℃、1300℃のいずれか、最高温度における保持時間を24h、降温速度を300℃/hとした。このようにして試料番号1〜35の35種類の誘電体セラミック材料を作成した。As shown in Table 1, 71.1 to 100% by weight of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) as a base material, and CuO, TiO 2 , Nb 2 O 5 , and Ag 2 O as a sintering aid total 0.0 ˜28.9 wt% was blended and mixed and dried for 16 hours in a ball mill. A predetermined amount of PVA resin as a binder and water were added to the powder, granulated using a mortar, and after drying, a cylindrical shaped body was prepared by uniaxial pressing at 75 MPa. After the binder was removed from the molded body, firing was performed in the air. The heating rate was 300 ° C./h, the maximum temperature was 860, 900, 940, 980 ° C., or 1300 ° C., the holding time at the maximum temperature was 24 h, and the cooling rate was 300 ° C./h. In this way, 35 types of dielectric ceramic materials of sample numbers 1 to 35 were prepared.
試料番号1〜20については、TiO2以外の焼結助剤(CuO、Nb2O5、Ag2O)の重量比を一定とし、試料番号1をベースにTiO2の焼結助剤全量に対する重量%を5から86%まで増加させたものである。試料番号2〜4、5〜7、8〜10、11〜13、14〜16、17〜19はそれぞれ同一組成であり、焼成温度のみを900、940、980℃と変化させたものである。なお、試料番号2〜19が特許例である。試料番号1および20は比較例である。特に、試料番号1は従来の技術に記載した特許文献2に相当する試料である。試料番号1の焼成温度は860℃、試料番号20の焼成温度は940℃とした。後述するが、試料番号1の組成については900、940、980℃での焼成も行っている(試料番号は付与していない)。For sample numbers 1 to 20, the weight ratio of the sintering aids other than TiO 2 (CuO, Nb 2 O 5 , Ag 2 O) is constant, and the sample number 1 is used as a base for the total amount of TiO 2 sintering aid. The weight percent is increased from 5 to 86%. Sample numbers 2 to 4, 5 to 7, 8 to 10, 11 to 13, 14 to 16, and 17 to 19 have the same composition, and only the firing temperature is changed to 900, 940, and 980 ° C. Sample numbers 2 to 19 are patent examples. Sample numbers 1 and 20 are comparative examples. In particular, sample number 1 is a sample corresponding to Patent Document 2 described in the prior art. The firing temperature of sample number 1 was 860 ° C., and the firing temperature of sample number 20 was 940 ° C. As will be described later, the composition of sample number 1 is also fired at 900, 940, and 980 ° C. (sample number is not given).
試料番号21〜26については、TiO2以外の焼結助剤(CuO、Nb2O5、Ag2O)の重量比を一定とし、試料番号1をベースにTiO2の焼結助剤全量に対する重量%を5から84%まで増加させたものである。試料番号21〜26の焼成温度はそれぞれ860、860、900、900、900、940℃である。この理由は後述するが、それぞれの組成でかさ密度3.8g/cm3以上を達成した最適な焼成温度を選定したからである。なお、試料番号23〜25が特許例、試料番号21、22、26は比較例である。また、試料番号27〜31については、全て特許例であり、前記特許例の効果をさらに確かなものにするため、追加で実験を行ったものである。For sample numbers 21 to 26, the weight ratio of the sintering aids other than TiO 2 (CuO, Nb 2 O 5 , Ag 2 O) is constant, and based on the sample number 1 with respect to the total amount of the TiO 2 sintering aid. The weight percent is increased from 5 to 84%. The firing temperatures of sample numbers 21 to 26 are 860, 860, 900, 900, 900, and 940 ° C., respectively. Although this reason is mentioned later, it is because the optimal calcination temperature which achieved bulk density 3.8g / cm < 3 > or more with each composition was selected. Sample numbers 23 to 25 are patent examples, and sample numbers 21, 22, and 26 are comparative examples. Sample Nos. 27 to 31 are all patent examples, and additional experiments were conducted in order to further ensure the effects of the patent examples.
試料番号32〜35については、全て比較例であり、焼結助剤はTiO2のみである。言い換えるとTiO2以外の焼結助剤を含有しないものである。試料番号32はアルミナ(Al2O3)のみであることを示している。試料番号32をベースに焼結助剤の誘電体セラミック組成物全量に対する重量%を0から25.1%まで増加させたものである。試料番号32〜35の焼成温度は1300℃である。なぜなら1300℃未満の温度では十分な焼結性(かさ密度3.8g/cm3に相当)が得られなかったからである。Sample numbers 32 to 35 are all comparative examples, and the sintering aid is only TiO 2 . In other words, it does not contain any sintering aid other than TiO 2 . Sample number 32 indicates that it is only alumina (Al 2 O 3 ). Based on Sample No. 32, the weight percentage of the sintering aid to the total amount of the dielectric ceramic composition is increased from 0 to 25.1%. The firing temperature of sample numbers 32 to 35 is 1300 ° C. This is because sufficient sinterability (corresponding to a bulk density of 3.8 g / cm 3 ) could not be obtained at a temperature below 1300 ° C.
得られた試料番号1〜35の誘電体セラミック材料の評価について、かさ密度、比誘電率εr、Q×f(品質係数Qと共振周波数fの積)、共振周波数温度係数τf、熱伝導率κ、CuKα線によるXRD(X線回折)測定により行った。Regarding evaluation of the obtained dielectric ceramic materials of sample numbers 1 to 35, bulk density, relative dielectric constant ε r , Q × f (product of quality factor Q and resonance frequency f), resonance frequency temperature coefficient τ f , heat conduction The measurement was performed by XRD (X-ray diffraction) measurement using a rate κ and CuKα rays.
かさ密度の評価については、値を表2に記述したが、アルミナの理論密度である4.0g/cm3の95%である3.8g/cm3以上で良好とした。なお酸化チタン(ルチル相)の理論密度は4.2g/cm3であるがアルミナの値と同等であり、含有量も少ないため、アルミナの理論密度を基準とした。Regarding the evaluation of the bulk density, the values are shown in Table 2. However, the evaluation was good at 3.8 g / cm 3 or more, which is 95% of the theoretical density of 4.0 g / cm 3 of alumina. Although the theoretical density of titanium oxide (rutile phase) is 4.2 g / cm 3, it is equivalent to the value of alumina and its content is small, so the theoretical density of alumina was used as a reference.
誘電特性3項目(比誘電率εr、Q×f(品質係数Qと共振周波数fの積)、共振周波数温度係数τf)の評価については、それぞれ値を表2に記述した。今回、特に着目したのは上述のとおりτfである。試料番号32のアルミナ単成分の値よりも絶対値が低いものを良好と判断した。Table 2 shows values for the evaluation of the three dielectric properties (relative permittivity ε r , Q × f (product of quality factor Q and resonance frequency f), resonance frequency temperature coefficient τ f ). As noted above, τ f is particularly focused on this time. A sample having an absolute value lower than the value of the alumina single component of sample number 32 was judged good.
熱伝導率κの評価については、前記非特許文献1に示す7.2W/mK以上のものを良好と判断した。 Regarding the evaluation of the thermal conductivity κ, the one of 7.2 W / mK or more shown in Non-Patent Document 1 was judged to be good.
XRD測定の評価については、以下のように規定した。上述のようにα−アルミナのコランダム相に相当するメインピークが2θ=35.11±0.20°(回折指数104)あるいは2θ=43.30±0.20°(回折指数113)、2θ=57.42±0.20°(回折指数116)に出現する。また、酸化チタンのルチル相に相当するメインピークが2θ=27.33±0.20°(回折指数110)に出現する。また、ニオブ酸銀(AgNbO3)に相当するメインピークが2θ=32.08±0.20°(回折指数114)に出現する。ここでは、▲1▼前記α−アルミナのコランダム相の3つのメインピークのうち最もピーク強度の高い強度がX線回折で最も高いピーク強度を示すこと、▲2▼前記α−アルミナの次に高いピーク強度が前記酸化チタンのルチル相に相当するメインピークであること、▲3▼ニオブ酸銀(AgNbO3)のピークが検出されないこと、の3つを基準とした。つまり、前記3つの基準を満たした場合を○、満たさなかった場合を×とし、表2にXRD結果として記述した。The evaluation of the XRD measurement was defined as follows. As described above, the main peak corresponding to the corundum phase of α-alumina is 2θ = 35.11 ± 0.20 ° (diffraction index 104) or 2θ = 43.30 ± 0.20 ° (diffraction index 113), 2θ = Appears at 57.42 ± 0.20 ° (diffraction index 116). A main peak corresponding to the rutile phase of titanium oxide appears at 2θ = 27.33 ± 0.20 ° (diffraction index 110). A main peak corresponding to silver niobate (AgNbO 3 ) appears at 2θ = 32.08 ± 0.20 ° (diffraction index 114). Here, (1) the intensity of the highest peak intensity among the three main peaks of the corundum phase of the α-alumina shows the highest peak intensity by X-ray diffraction, and (2) the second highest after the α-alumina. Three standards were used: the peak intensity was a main peak corresponding to the rutile phase of titanium oxide, and the peak of ( 3 ) silver niobate (AgNbO 3 ) was not detected. That is, the case where the above three criteria are satisfied is indicated as “◯”, and the case where the above three criteria are not satisfied is indicated as “X”.
結果を(表2)及び(図1)、(図4)を用いて説明する。 A result is demonstrated using (Table 2), (FIG. 1), and (FIG. 4).
試料番号1〜31の結果より、全ての試料のかさ密度は3.8g/cm3以上であり、1000℃未満で良好な焼結性を有していた。また、全ての試料の熱伝導率は14W/mK以上であり、1000℃未満で焼成した誘電体セラミック材料としては非特許文献1記載の7.2W/mK以上の良好な熱特性を有していた。From the results of sample numbers 1 to 31, the bulk density of all the samples was 3.8 g / cm 3 or more, and had good sinterability at less than 1000 ° C. Moreover, the thermal conductivity of all the samples is 14 W / mK or more, and the dielectric ceramic material fired at less than 1000 ° C. has good thermal characteristics of 7.2 W / mK or more described in Non-Patent Document 1. It was.
試料番号1(比較例)は焼結助剤全量に対してTiO2を5重量%含む。この試料のτfは−87ppm/℃と試料番号32(アルミナ単成分)の値−52ppm/℃よりも小さく、絶対値が大きかった。つまり、誘電特性は悪化した。図1(a)に示すXRDパターンより、TiO2(ルチル相)のピークが認められず、かわりにAgNbO3のピークが認められた。これが試料番号1のτfが悪化した原因である。また、試料番号1は焼成温度860℃で得られたものであるが、Q×fは3500GHzであった。900、940、980℃で焼成した試料のQ×fの測定も試みたが、特性があまりにも悪く、測定が不能であった。つまり、試料番号1に記載した組成物では焼成温度による誘電特性の安定性が著しく劣っていることがわかった。Sample No. 1 (Comparative Example) contains 5% by weight of TiO 2 with respect to the total amount of the sintering aid. Τ f of this sample was −87 ppm / ° C. and smaller than the value of sample number 32 (alumina single component) −52 ppm / ° C., and the absolute value was large. That is, the dielectric characteristics deteriorated. From the XRD pattern shown in FIG. 1 (a), the peak of TiO 2 (rutile phase) was not recognized, but the peak of AgNbO 3 was recognized instead. This is the reason why τ f of sample number 1 deteriorated. Sample No. 1 was obtained at a firing temperature of 860 ° C., but Q × f was 3500 GHz. Attempts were made to measure Q × f of samples fired at 900, 940, and 980 ° C., but the properties were too bad to measure. In other words, it was found that the composition described in Sample No. 1 was extremely inferior in the stability of the dielectric characteristics depending on the firing temperature.
それに対して、焼結助剤全量に対してTiO2を51重量%含む試料番号2のτfは−39ppm/℃と試料番号32(アルミナ単成分)の値−52ppm/℃よりも大きく、絶対値が小さかった。つまり、誘電特性は良化した。図1(b)に示すXRDパターンより、AgNbO3のピークが消失し、かわりにTiO2(ルチル相)のピークが認められ、アルミナの次に強度は大きかった。これが試料番号2のτfが試料番号1や32と比較して良化した原因である。また、試料番号2は焼成温度900℃で得られたものであるが、Q×fは2900GHzであった。940、980℃で焼成した試料番号3、4のQ×fはそれぞれ3100、6500GHzであり、試料番号1に記載した組成物と比較するとQ×fの劣化はなかった(むしろ焼成温度増加によってQ×fが増加する傾向にあった)。また、組成の同じ試料同士のεrの焼成温度による大きな違いは認められなかった。つまり、TiO2の増量により、焼成温度による誘電特性の安定化が確認された。On the other hand, τ f of Sample No. 2 containing 51% by weight of TiO 2 with respect to the total amount of the sintering aid is −39 ppm / ° C. and larger than the value of Sample No. 32 (alumina single component) −52 ppm / ° C. The value was small. That is, the dielectric characteristics improved. From the XRD pattern shown in FIG. 1 (b), the AgNbO 3 peak disappeared, and instead a TiO 2 (rutile phase) peak was observed. This is the reason why τ f of sample number 2 is improved compared to sample numbers 1 and 32. Sample No. 2 was obtained at a firing temperature of 900 ° C., but Q × f was 2900 GHz. Q × f of samples No. 3 and 4 calcined at 940 and 980 ° C. were 3100 and 6500 GHz, respectively, and there was no deterioration of Q × f compared to the composition described in sample No. 1 (rather, the Q × f was increased by increasing the calcining temperature. Xf tended to increase). Further, no significant difference was observed between the samples having the same composition depending on the firing temperature of εr. That is, it was confirmed that the dielectric property was stabilized by the firing temperature by increasing the amount of TiO 2 .
試料番号5、6、7は焼結助剤全量に対してTiO2を67重量%含み、試料番号8、9、10は焼結助剤全量に対してTiO2を69重量%含み、試料番号11、12、13は焼結助剤全量に対してTiO2を71重量%含み、試料番号14、15、16は焼結助剤全量に対してTiO2を76重量%含み、試料番号17、18、19は焼結助剤全量に対してTiO2を81重量%含む。これら試料のτfはTiO2の含有量増加とともに大きくなり、例えば試料番号5、8、11、15、18のτfはそれぞれ、−8、−6、±0、+19、+42ppm/℃であった。また、組成の同じ試料同士のτfの焼成温度による大きな違いは認められなかった。特に、試料番号5〜13においてはτfの絶対値が10ppm/℃以下であり、良好な誘電特性を示した。図1(c)、(d)、(e)に示すそれぞれ試料番号5、15、18のXRDパターンより、試料番号2と同様、AgNbO3のピークはなく、TiO2(ルチル相)のピークが認められた。また、TiO2の含有量増加とともにTiO2(ルチル相)のピーク強度も大きくなる傾向があったが、TiO2(ルチル相)のピーク強度はアルミナのピーク強度よりは小さかった。これらが、良好なτfが得られた原因である。また、組成の同じ試料同士のQ×fの焼成温度上昇による大きな劣化は認められなかった。むしろ焼成温度増加によってQ×fが増加する傾向にあった。また、組成の同じ試料同士のεrの焼成温度による大きな違いは認められなかった。Sample Nos. 5, 6, and 7 contain 67% by weight of TiO 2 with respect to the total amount of sintering aid, Sample Nos. 8, 9, and 10 contain 69% by weight of TiO 2 with respect to the total amount of sintering aid. 11, 12 and 13 contain 71% by weight of TiO 2 with respect to the total amount of the sintering aid, and Sample Nos. 14, 15 and 16 contain 76% by weight of TiO 2 with respect to the total amount of the sintering aid. 18 and 19 contain 81% by weight of TiO 2 with respect to the total amount of the sintering aid. The τ f of these samples increases as the content of TiO 2 increases. For example, τ f of sample numbers 5, 8, 11, 15, and 18 are −8, −6, ± 0, +19, and +42 ppm / ° C., respectively. It was. Further, no significant difference was observed between the samples having the same composition depending on the firing temperature of τ f . In particular, the absolute value of tau f in the sample No. 5-13 is below 10 ppm / ° C., showed good dielectric properties. From the XRD patterns of Sample Nos. 5, 15, and 18 shown in FIGS. 1 (c), (d), and (e), respectively, there is no AgNbO 3 peak and TiO 2 (rutile phase) peak as in Sample No. 2. Admitted. Also, there was a tendency that with increasing content of TiO 2 increases the peak intensity of TiO 2 (rutile phase), the peak intensity of TiO 2 (rutile phase) was less than the peak intensity of alumina. These are the reasons why good τ f is obtained. In addition, no significant deterioration was observed due to an increase in the firing temperature of Q × f between samples having the same composition. Rather, Q × f tended to increase with increasing firing temperature. Further, no significant difference was observed between the samples having the same composition depending on the firing temperature of εr.
試料番号20(比較例)は焼結助剤全量に対してTiO2を86重量%含む。この試料のτfは+99ppm/℃と試料番号32(アルミナ単成分)の値−52ppm/℃よりも絶対値が大きかった。つまり、誘電特性は悪化した。図1(f)に示すXRDパターンより、AgNbO3のピークはなく、TiO2(ルチル相)のピークが認められたが、前記TiO2(ルチル相)のピークがアルミナのピーク強度よりも大きく、最大となっていた。これが試料番号20のτfが悪化した原因である。Sample No. 20 (Comparative Example) contains 86% by weight of TiO 2 with respect to the total amount of the sintering aid. The absolute value of τ f of this sample was +99 ppm / ° C. and the absolute value of the sample number 32 (alumina single component) was −52 ppm / ° C. That is, the dielectric characteristics deteriorated. From the XRD pattern shown in FIG. 1 (f), there was no AgNbO 3 peak and a TiO 2 (rutile phase) peak, but the TiO 2 (rutile phase) peak was larger than the peak intensity of alumina, It was the maximum. This is the reason why τ f of sample number 20 deteriorated.
試料番号21〜31についても、同様の評価がなされた。試料番号23〜25、27〜31(特許例)は焼結助剤全量に対してTiO2を58〜81重量%含み、τfの絶対値が47ppm/℃以下と小さな値であった。これらの試料のX線回折では、AgNbO3のピークはなくTiO2(ルチル相)のピークが認められ、そのピーク強度はアルミナのピーク強度よりは小さかった。試料番号21、22、26(比較例)は焼結助剤全量に対してTiO2をそれぞれ5、31、84重量%含み、τfの絶対値が大きかった。Similar evaluations were made for sample numbers 21-31. Sample numbers 23 to 25 and 27 to 31 (patent examples) contained 58 to 81 wt% of TiO 2 with respect to the total amount of the sintering aid, and the absolute value of τ f was a small value of 47 ppm / ° C. or less. In the X-ray diffraction of these samples, there was no AgNbO 3 peak and a TiO 2 (rutile phase) peak was observed, and the peak intensity was smaller than that of alumina. Sample numbers 21, 22, and 26 (comparative examples) contained 5, 31, and 84% by weight, respectively, of TiO 2 with respect to the total amount of the sintering aid, and the absolute value of τ f was large.
なお、比較例である試料番号32〜35は全て十分な焼結性を得るために1300℃での焼成が必要であった。また、試料番号35についてはかさ密度3.8g/cm3を得ることができなかった。つまり、これらの試料はHTCCであり、LTCCとは言えない。試料番号32、33、34、35のτfはそれぞれ、−52、−36、−46、−65ppm/℃であり、唯一の焼結助剤であるTiO2の誘電体セラミック組成物全量に対する重量%を0から25.1%まで増加させているにも関わらずτfは試料番号5〜13の結果(±10ppm/℃以下)の様にはゼロに近づかなかった。図4(a)〜(d)に示すXRDパターンより、増量したTiO2の一部がAl2TiO5として存在していることがわかった。平衡状態図によると、Al2TiO5は1100℃以上でのみ生成する化合物であり、その際に膨張(密度減少)がある。また、前記Al2TiO5のτfは+79ppm/℃とTiO2のそれよりもかなり小さく、これらが、τfが±10ppm/℃以下に近づかなかった原因であると考えられる。In addition, all of the sample numbers 32-35 which are comparative examples needed baking at 1300 degreeC in order to acquire sufficient sinterability. Further, for sample number 35, a bulk density of 3.8 g / cm 3 could not be obtained. That is, these samples are HTCC and cannot be said to be LTCC. Τ f of Sample Nos. 32, 33, 34, and 35 are −52, −36, −46, and −65 ppm / ° C., respectively, and the weight of the only sintering aid TiO 2 with respect to the total amount of the dielectric ceramic composition. % Was increased from 0 to 25.1%, but τ f did not approach zero as in the results of sample numbers 5 to 13 (± 10 ppm / ° C. or less). From the XRD patterns shown in FIGS. 4A to 4D, it was found that a part of the increased amount of TiO 2 exists as Al 2 TiO 5 . According to the equilibrium diagram, Al 2 TiO 5 is a compound produced only at 1100 ° C. or higher, and there is expansion (density reduction) at that time. Moreover, τ f of the Al 2 TiO 5 is +79 ppm / ° C., which is considerably smaller than that of TiO 2 , and these are considered to be the reasons why τ f did not approach ± 10 ppm / ° C. or less.
このように、試料番号1〜35の結果を総括すると、誘電体セラミック組成物を980℃以下で焼成することによって作成される前記誘電体セラミック材料のかさ密度が3.8g/cm3以上であり、前記誘電体セラミック材料へのX線回折で、アルミナのコランダム相が最も高いピーク強度を示し、酸化チタンのルチル相が次に高いピーク強度を示す試料において、良好な誘電特性と高い熱伝導率を有することを本実施例にて明らかにした。さらに前記誘電体セラミック材料へのX線回折でAgNbO3のピークが認められないことで、共振周波数温度係数τfの値をより少量のTiO2の含有量でゼロに近づけることが可能となった。さらに、誘電体セラミック組成物をAgの融点である961℃未満で焼成することによって電気抵抗の低いAgとの同時焼成が可能となった。Thus, when the results of the sample numbers 1 to 35 are summarized, the bulk density of the dielectric ceramic material produced by firing the dielectric ceramic composition at 980 ° C. or less is 3.8 g / cm 3 or more. In a sample in which the corundum phase of alumina shows the highest peak intensity and the rutile phase of titanium oxide shows the next highest peak intensity in X-ray diffraction on the dielectric ceramic material, good dielectric properties and high thermal conductivity It was clarified in this example that the Further, since the peak of AgNbO 3 is not observed in the X-ray diffraction of the dielectric ceramic material, the value of the resonance frequency temperature coefficient τ f can be made close to zero with a smaller amount of TiO 2 content. . Furthermore, by firing the dielectric ceramic composition at less than 961 ° C., which is the melting point of Ag, simultaneous firing with Ag having low electrical resistance is possible.
また、前記良好な誘電特性と高い熱伝導率を有する誘電体セラミック材料を得るためには、原料となる前記誘電体セラミック組成物において、前記誘電体セラミック組成物が酸化アルミニウムと焼結助剤により構成され、前記酸化アルミニウムの合計が前記誘電体セラミック組成物に占める含有率が79.4〜93.2重量%であり、前記焼結助剤の合計が前記誘電体セラミック組成物に占める含有率が酸化物換算で6.8〜20.6重量%であり、前記焼結助剤がチタン及び銅、ニオブ、銀成分を含み、前記チタン成分の合計が前記焼結助剤に占める含有率が酸化物換算で51〜81重量%であり、前記銅成分の合計が前記焼結助剤に占める含有率が酸化物換算で4〜10重量%であり、前記ニオブ成分の合計が前記焼結助剤に占める含有率が酸化物換算で6〜16重量%であり、前記銀成分の合計が前記焼結助剤に占める含有率が酸化物換算で9〜23重量%であることが重要であることを本実施例にて明らかにした。 In order to obtain a dielectric ceramic material having the good dielectric properties and high thermal conductivity, the dielectric ceramic composition used as a raw material is made of an aluminum oxide and a sintering aid. And the total content of the aluminum oxide in the dielectric ceramic composition is 79.4 to 93.2% by weight, and the total content of the sintering aid is in the dielectric ceramic composition Is 6.8 to 20.6% by weight in terms of oxide, and the sintering aid contains titanium, copper, niobium, and silver components, and the total content of the titanium components occupies the sintering aid. It is 51 to 81% by weight in terms of oxide, the content of the copper component in the sintering aid is 4 to 10% by weight in terms of oxide, and the total of the niobium component is the sintering aid. Contained in the agent It is important that the total content of the silver component in the sintering aid is 9 to 23% by weight in terms of oxide, in terms of oxide. It was revealed in
本発明は、低温焼結化と良好な誘電特性、高い熱伝導率を可能とする誘電体セラミック材料及び誘電体セラミック組成物であり、本発明を用いることにより、電気抵抗の低いAgやCuを導体として内蔵し、パワーアンプやLED等の発熱する半導体を実装した高放熱かつ誘電特性の良好なセラミック電子部品の基板等に有用である。 The present invention is a dielectric ceramic material and a dielectric ceramic composition that enable low-temperature sintering, good dielectric properties, and high thermal conductivity. By using the present invention, Ag or Cu having low electrical resistance can be obtained. It is useful as a substrate for ceramic electronic components that are built in as conductors and have high heat dissipation and good dielectric properties, on which a heat-generating semiconductor such as a power amplifier or LED is mounted.
201 セラミックグリーンシート
202 ビア電極
203 配線電極
204 積層体
205 コンデンサ
206 表層電極
207 コイル
301 セラミック多層基板
302 パワーアンプやLEDなどの半導体部品
303 高容量コンデンサ部品DESCRIPTION OF SYMBOLS 201 Ceramic green sheet 202 Via electrode 203 Wiring electrode 204 Laminated body 205 Capacitor 206 Surface layer electrode 207 Coil 301 Ceramic multilayer substrate 302 Semiconductor components, such as a power amplifier and LED 303 High capacity capacitor components
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