(57)【要約】【課題】高いQ・f値と低いεrを持つマイクロ波誘電体磁器組成物を低い焼成温度により提供する。【解決手段】xMgO-(1-ｘ)B2O3（0.75≦ｘ≦0.99）の一般式で示され、400,000GHz以上のQ・f値を示すMgO多結晶体であるマイクロ波誘電体磁器組成物。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
xMgO-(1-ｘ)B2O3（0.75≦ｘ≦0.99）の一般式で示される組成の多結晶体であることを特徴とするマイクロ波誘電体磁器組成物。
【請求項２】
B2O3を焼結助剤として焼成したMgO多結晶体であって、400,000GHz以上のQ・f値を示すことを特徴とするマイクロ波誘電体磁器組成物。
【請求項３】
0.75〜0.99モル％のMgO粉末と0.01〜0.25モル％のB2O3粉末とを混合して成形した後、1350℃以上の温度域で焼成を行うことを特徴とするマイクロ波誘電体磁器組成物の製造方法。
【請求項４】
前記焼成をボロン雰囲気中で行うことを特徴とする請求項３に記載のマイクロ波誘電体磁器組成物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロ波誘電体磁器組成物及びその製造方法に関し、更に詳しくはMgOを主成分とする新規な組成を持ち、低い焼成温度下で高密度多結晶体を得ることができると共に誘電損失が極めて小さいマイクロ波誘電体磁器組成物と、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波誘電体材料は主にAu(金)、Ag(銀)、Cu（銅）等の抵抗が比較的小さい電極材料と組み合わせ、共振器、フィルター、アンテナ、高周波回路基板及び積層回路素子基板として用いられている。
【０００３】
従来、この種の材料では、自動車電話や携帯電話への共振器の実装のため小型化が最優先され、使用される周波数も低いことから、εr（比誘電率）の高い材料を中心に研究・開発が進められてきた。
【０００４】
しかし、情報通信技術の高度化による大情報量化及び従来の使用帯域での周波数資源の枯渇に伴い、利用周波数の高周波数化が急速に進んでいる。そのため近年では、高いQ・f値（品質係数）と低いεrを持つ材料の研究・開発が盛んになってきている。
【０００５】
このような背景下、マイクロ波誘電体磁器組成物は、近年利用が拡大しつつあるミリ波帯等の高周波数帯での通信に必要不可欠な材料である。
【０００６】
誘電体材料が多く用いられる基板材料では、その高周波回路において基板上の導体パターンが分布定数回路として機能するため、誘電体材料の特性が重要となる。特にミリ波帯ではεrが高すぎると伝送遅延等の弊害が生じやすくなり、信号の高速処理に支障が生じる。また、誘電損失（tanδ=１/Q）は周波数の増加に比例して増加するため、回路上の信号伝播の損失を抑えるためには、低損失な誘電体材料、即ち高いＱ値を持つ材料が必要となる。従って、ミリ波帯等の高周波数帯域での応用において高Ｑ・低εrの誘電体材料が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−１９４２５５号公報  上記の特許文献１は一般式xTiO2・(1-x)MgO（0.51≦ｘ≦0.57）で表される組成の高周波用の誘電体セラミックスとその製造方法を開示している。この誘電体セラミックスは1260〜1320℃の焼成温度で製造できるとしているが、Ｑ値は十分に高いとはいえない。又、特許文献１ではMgOとTiO2との反応により生成する化合物を主成分としており、本発明と生成相も異なる。
【０００８】
【特許文献２】特開２００４−１０７１９５号公報  上記の特許文献２は、Mg4Nb2O9で示される組成物のMgの一部ないし全部が金属元素で置換され、及び／又は、Nbの一部ないし全部がTaやＶで置換されたマイクロ波誘電体磁器組成物であって、優れたQ・f値とεrを示すものを開示している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、MgO自体は単結晶、多結晶ともに良好なQ・f値とεrを持つ材料として知られている。しかし、高密度な多結晶MgOを得るためには1650℃以上の焼成温度が必要なため、設備面、プロセス面で製造コストが嵩むという問題があった。又、従来の多結晶のMgOはQ・f値に関しても十分満足できる程に高い値は得られていなかった。
【００１０】
そこで本発明は、より低い焼成温度下で高密度な多結晶MgOを得ることができ、しかもその多結晶MgOの誘電損失が極めて小さいマイクロ波誘電体磁器組成物及びその製造方法を提供することを、解決すべき技術的課題とする。
【００１１】
本願発明者らは高Q、低誘電率材料の創成に取り組み、候補物質としてMgO-B2O3系化合物に着目した。そしてxMgO-(1-ｘ)B2O3の一般式で示される組成物の合成と評価を行う過程で、前記一般式におけるxの値が0.75以上であり、より具体的には0.75≦ｘ≦0.99である組成域の材料が、非常に低い温度範囲で焼成しても、極めて優れたマイクロ波誘電特性を示すことを見出し、本発明を完成した。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（第１発明の構成）
上記課題を解決するための第１発明の構成は、xMgO-(1-ｘ)B2O3（0.75≦ｘ≦0.99）の一般式で示される組成の多結晶体である、マイクロ波誘電体磁器組成物である。
【００１３】
上記の第１発明において、より好ましくは0.95≦ｘ≦0.99である。
【００１４】
（第２発明の構成）
上記課題を解決するための第２発明の構成は、B2O3を焼結助剤として焼成したMgO多結晶体であって、400,000GHz以上のQ・f値を示す、マイクロ波誘電体磁器組成物である。
【００１５】
（第３発明の構成）
上記課題を解決するための第３発明の構成は、0.75〜0.99モル％のMgO粉末と0.01〜0.25モル％のB2O3粉末とを混合して成形した後、1350℃以上の温度域で焼成を行う、マイクロ波誘電体磁器組成物の製造方法である。
【００１６】
（第４発明の構成）
上記課題を解決するための第４発明の構成は、前記第３発明における焼成をボロン雰囲気中で行う、マイクロ波誘電体磁器組成物の製造方法である。
【発明の効果】
【００１７】
（マイクロ波誘電体磁器組成物の発明）
後述するマイクロ波誘電体磁器組成物の製造方法の発明により、1350℃以上の焼成温度において、高周波数での応用の決め手となるQ・f値が従来の多結晶MgOで知られているQ・f≒375,000GHzよりも有意に高い400,000GHz以上を示すマイクロ波誘電体磁器組成物が製造される。例えば1350℃での焼成によって、従来の多結晶MgOで知られているQ・f≒375,000GHzの２倍以上のQ・f≒773,000GHzを示すマイクロ波誘電体磁器組成物が得られている。
【００１８】
従来、MgOの多結晶体で400000ＧＨｚ以上のQ・f値を得ることは困難であり、多結晶体MgOでの実測値として報告されているQ・f値の最高値は、1650℃で焼結したものでQ・f≒375,000GHzである。従って、本発明のマイクロ波誘電体磁器組成物における上記のQ・f値は、多結晶体としてトップクラスの値であり、1350℃の焼成温度で得られる組成物としては今までに知られていない高い値である。
（マイクロ波誘電体磁器組成物の製造方法の発明）
第３発明によれば、MgOを1350℃以上の低い温度域で焼成して高いＱｆ値を得るという全く新規なマイクロ波誘電体磁器組成物の製造方法が提供される。又、第４発明のように焼成をボロン雰囲気中で行うと、MgOの焼結性が促進され、より緻密な組織を持つ多結晶体が得られる。
【００１９】
MgO自体は従来より良好なQ・f値とεrを示すことが知られているが、高密度な多結晶MgOを得るにはかなり高い焼成温度が必要である。しかし本願発明者らは、B2O3を焼結助剤として用いると、少量（0.01〜0.25モル％）のB2O3のドーピングにより、400,000GHz以上のQ・f値というマイクロ波誘電特性の向上を実現させながら、しかも1350℃まで焼成温度を低減させることが可能であることを見出した。
【００２０】
MgO及びB2O3はそれぞれこの技術分野で良く知られた物質であるが、マイクロ波誘電体としてはxMgO-(1-ｘ)B2O3の一般式で示される組成物は知られておらず、当然ながら、xMgO-(1-ｘ)B2O3からなる組成物のマイクロ波誘電特性は未だ国内外で明らかにされていない。
【００２１】
本発明のマイクロ波誘電体磁器組成物の製造方法においては、従来の多結晶MgOに比較して著しく低い、1350℃以上の焼成温度で焼成しても下記のように極めて優れたマイクロ波誘電特性を示す磁器組成物を得るため、設備面、プロセス面で製造コストを有効に節減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】磁器組成物（xMgO-(1-ｘ)B2O3）の製造方法を示すフローチャートである。
【図２】磁器組成物（xMgO-(1-ｘ)B2O3）の粉末Ｘ線回折パターンを示す図である。
【図３】磁器組成物（xMgO-(1-ｘ)B2O3）の３例のFE-SEM写真である。
【図４】磁器組成物（xMgO-(1-ｘ)B2O3）における組成ｘの増加に伴う品質係数（Q・f）の増加の関係を示すグラフである。
【図５】従来の多結晶体と磁器組成物（xMgO-(1-ｘ)B2O3）の誘電特性を対比して示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に本発明の実施形態を説明する。本発明の技術的範囲は、これらの実施形態によって制約されない。
【００２４】
〔マイクロ波誘電体磁器組成物〕
本発明に係るマイクロ波誘電体磁器組成物は少量のB2O3をドーピングした多結晶体MgOであって、xMgO-(1-ｘ)B2O3の一般式で示される組成を有し、この一般式においてｘの値は0.75以上で１未満であり、より好ましくは0.75以上で0.99以下であり、更に好ましくは0.95以上で0.99以下である。
【００２５】
本発明のマイクロ波誘電体磁器組成物については、1350℃で焼成した場合にQ・f≒773,000GHzという極めて高いQ・f値を得ている。
一般的に1350℃以上の温度域で焼成すると400,000GHz以上の高いQ・f値を得ることが期待できる。
【００２６】
このように、1350℃という、従来技術に比較して著しい低温域で焼成された多結晶体MgOが、400,000GHz以上、更には700,000GHz以上という極めて高いQ・f値を示すことは、従来技術からは全く予測できない。
【００２７】
〔マイクロ波誘電体磁器組成物の製造〕
マイクロ波誘電体磁器組成物は、上記の一般式に従うモル％、即ち0.75〜0.99モル％のMgO粉末と0.01〜0.75モル％のB2O3粉末とを混合して成形した後、必要な温度で焼成を行うことによって得られる。
【００２８】
上記の焼成温度は必ずしも限定されないが、例えば1350℃で焼成すると、低温度域焼成による製造プロセス上のメリットを確保したもとで、400,000GHz以上のQ・f値を示す高密度のMgO多結晶体が得られる。又、実施例に示すように1350℃の焼成で700,000GHz以上のQ・f値を示す高密度のMgO多結晶体が得られている。
【００２９】
1350℃を超える温度域で焼成して高いQ・f値の材料を得ることもできるが、焼成温度が余りに高いと低温度域焼成による製造プロセス上のメリットが失われ、さらに多結晶体のMgOではこれ以上高いQf値を得ることは困難であると考えられる。
【実施例】
【００３０】
以下に本発明の実施例を説明する。本発明の技術的範囲はこれらの実施例によって制約されない。
【００３１】
（実施例１：マイクロ波誘電体磁器組成物の製造）
本発明に係るマイクロ波誘電体磁器組成物を、図１にフローチャートを示すような一般的な固相反応法により合成した。以下に具体的に説明する。
【００３２】
純度99.99％のMgOと純度99.9％のB2O3を出発原料とし、一般式xMgO-(1-ｘ)B2O3におけるｘ＝0.75〜１となるようなモル比に基きMgOとB2O3を秤量し、湿式混合した。
【００３３】
混合後の試料を1000℃で４時間ボロン雰囲気中にて仮焼成した。得られた粉末を再度粉砕及び混合した後、ポリビニルアルコール（PVA）をバインダーとして用いて粉末の造粒を行い、100MPaの一軸加圧で直径12mm、高さ7mmのペレットを成形した。
【００３４】
得られたペレットを1350℃、4hボロン雰囲気中で本焼成し、鏡面研磨した後、Hakki and Coleman法により、比誘電率（εr）と品質係数（Q・f）を評価した。また共振周波数の温度係数（τf）を、20℃と80℃における共振周波数から求めた。
【００３５】
本焼成後の相の同定と微構造観察には、粉末Ｘ線回折（XRPD）と電界放射型走査電子顕微鏡（FE-SEM）をそれぞれ用いた。各試料の焼結性を評価するために、見かけの密度をアルキメデス法により求めた。
【００３６】
（実施例２：マイクロ波誘電体磁器組成物の解析と評価）
上記の実施例１にて合成された磁器組成物（xMgO-(1-ｘ)B2O3）の粉末Ｘ線回折パターンを図２に示す。図２から明らかなように、ｘ＝0.75〜0.99の範囲においてMgOとMg3B2O6の生成が認められた。更に、組成ｘの増加に伴いMg3B2O6の回折強度が弱くなり、その生成量が減少し、ｘ＝0.99では微量のMg3B2O6が検出された。また、見かけの密度（Da）は、組成ｘの増加に伴い増加傾向を示し、ｘ＝0.95ではほぼ一定の見かけの密度が得られた。
【００３７】
次に（xMgO-(1-ｘ)B2O3）の磁器組成物（x＝0.80，0.95，0.99）のFE-SEM写真を図３に示す。これらの写真から、組成ｘの増加に伴い結晶粒の粒径が大きくなり、微量のボロンドープにより焼結性が促進され緻密な組織を持つ多結晶体が得られることが明らかとなった。即ち、微量のボロンドープが1350℃におけるMgOの焼結性を促進するのに有効であると考えられる。
【００３８】
マイクロ波誘電特性と見かけの密度を一覧表にした表１から明らかなように、磁器組成物（xMgO-(1-ｘ)B2O3）の品質係数（Q・f）は組成ｘの増加に伴い増加傾向を示しており、ｘ＝0.99である場合においてQ・f＝773,691GHzが得られている。
【００３９】
【表１】
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この値は、多結晶体のMgOにおいて1600℃で焼成したものよりも２倍以上高い値である。このことは、微量のボロンドープによる結晶粒の粒成長に基く粒界面積の減少により、Q・f値が単結晶のMgOに近い値を示したものと考えられる。又、比誘電率（εr）は6.9〜9.3、共振周波数の温度係数（τf）は-69〜-54ppm/℃であり、従来の多結晶のMgOとほぼ同じ値を示した。
【００４０】
なお、図４では、表１に示したデータに基き、組成ｘの増加に伴う品質係数（Q・f）の増加の関係をグラフで示した。更に図５では、従来報告されている数多くの多結晶体の誘電特性を図中の「○」のプロットで示し、本発明の磁器組成物（ｘ＝0.99）の誘電特性を図中の「●」のプロットで示した。高い品質係数（Q・f）と低い比誘電率が求められる中で、本発明の磁器組成物の位置づけが明瞭に見て取れる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明により、高いQ・f値と低いεrを持つマイクロ波誘電体磁器組成物が低い焼成温度により提供される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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