(57)【要約】  改善された電気的および機械的特性を有するセラミック組成は、Ｍｇ，Ｏ，Ｓｉ，および適宜２価（ＡＯ）の酸化物および４価（ＤＯ２）の酸化物を含み、そして量の比率Ｍｇ（１＋ｘ）（１−ｙ）Ｏ３＋ｘＡ（１＋ｘ）ｙＳｉ（１−ｚ）Ｄｚを有する。【選択図】  図１
2019513113.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック組成であって、
以下の量の比率
Ｍｇ（１＋ｘ）（１−ｙ）Ｏ３＋ｘＡ（１＋ｘ）ｙＳｉ（１−ｚ）Ｄｚ
を有する主成分と、
残りの部分とを有し、
ｘは０．０１以上かつ０．３以下であり、
ｙは０以上かつ０．２以下であり、
ｚは０以上かつ１以下であり、
前記残りの部分は不純物を含有する、
ことを特徴とするセラミック組成。
【請求項２】
ｘは０．０２以上かつ０．０８以下であることを特徴とする、請求項１に記載のセラミック組成。
【請求項３】
ＡＯは２価の酸化物であることを特徴とする、請求項１または２に記載のセラミック組成。
【請求項４】
Ａは、Ｚｎ，Ｎｉ，Ｃｏ，およびＺｎ，Ｎｉ，Ｃｏの混合物から選択されていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセラミック組成。
【請求項５】
ＤＯ２は４価の酸化物であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセラミック組成。
【請求項６】
Ｄは、Ｔｉ，Ｓｎ，Ｚｒ，およびＴｉ，Ｓｎ，Ｚｒの混合物から選択されていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセラミック組成。
【請求項７】
前記残りの部分は、製造による不純物を含有することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のセラミック組成。
【請求項８】
前記残りの部分は、Ａｌ２Ｏ３，ＺｒＯ２，ＴｉＯ２，Ｎｂ２Ｏ５，またはＴａ２Ｏ５を含有することを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のセラミック組成。
【請求項９】
前記残りの部分は、２価の元素を含有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のセラミック組成。
【請求項１０】
前記残りの部分は、Ｃａ，Ｓｒ，および／またはＢａを、総組成に対してそれぞれ０．３Ｍｏｌ％以下で含有することを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のセラミック組成。
【請求項１１】
前記セラミック組成は、９５Ｍｏｌ％以上前記主成分からなっていることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のセラミック組成。
【請求項１２】
前記セラミック組成は、０．５ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの周波数領域で７以下の誘電率を有し、１０ＧＨｚで１６０００より大きなＱ値を有し、８ｐｐｍ／Ｋ以上の熱膨張係数を有し、３．５ｇ／ｃｍ３以下の比重を有することを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のセラミック組成。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のセラミック組成を、薄膜成形を用いて製造するための方法
【請求項１４】
１つのセラミック組成の製造のための方法であって、以下のステップ、
ＭｇＯ，ＡＯ，ＳｉＯ２，ＤＯ２を含む、か焼された粉末を準備するステップと、
前記粉末を結着剤と混合し、そしてプレス可能な顆粒材を生成するステップと、
前記顆粒材をプレスするステップと、
プレスされた前記顆粒材を脱炭するステップと、
焼結するステップと、
を備え、
Ａは、Ｚｎ，Ｎｉ，Ｃｏ，およびＺｎ，Ｎｉ，Ｃｏの混合物から選択されており、
Ｄは、Ｔｉ，Ｓｎ，Ｚｒ，およびＴｉ，Ｓｎ，Ｚｒの混合物から選択されている、
ことを特徴とするセラミック組成の製造のための方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載のセラミック組成の製造のための方法において、
前記か焼された粉末は以下の存在比
（１＋ｘ）「（ＭｇＯ）１−ｙ＋（ＡＯ）ｙ］＋（ＳｉＯ２）１−ｚ＋（ＤＯ２）ｚ
を備え、
０．０１≦ｘ≦０．３０；０．００≦ｙ≦０．２０；０．００≦ｚ≦１．００で準備される、
ことを特徴とする、セラミック組成の製造のための方法。
【請求項１６】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のセラミック組成のアプリケーションであって、
前記セラミック組成が誘電体として、導波路，ストリップラインフィルタ，マイクロ波セラミックフィルタ（ＭＫＦ），誘電体共振器（ＤＲ），集積回路用基板，集積された受動的な回路素子（ＩＥ，ＫＥ）を有する集積回路用の多層基板（ＭＬＳ）で使用されることを特徴とするアプリケーション。
【請求項１７】
０．５ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの周波数領域で使用されることを特徴とする、請求項１６に記載のアプリケーション。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、より良好な電気的および機械的特性を有する誘電体セラミック組成、たとえば高周波デバイス用のセラミック組成、ならびにこのような組成の製造のための方法およびこのような組成のアプリケーションの可能性に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミック誘電体は、電子デバイスにおける絶縁材料として、たとえば基板材料としてのアプリケーションに用いられる。高周波アプリケーション用に、たとえば導波路、ストリップラインフィルタ、誘電体共振器、集積回路用の基板等での使用のために、しばしば低誘電率で損失係数の小さい、あるいは大きなＱ値の材料が必要とされる。しかしながら、特に０．５ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの周波数領域において良好な特性を備える材料のグループは限定されている。
【０００３】
ポリマー材料をこのようなデバイスにおける誘電体として使用することが可能である。ポリマー材料と比較して、セラミック誘電体は、しかしながら一般的に（たとえばＵＶ照射、熱、寒さによる）材料劣化が小さいことにより、より長い長時間安定性を示し、湿気に対し感受性が低く、より高いガス気密性を有し、そしてこれらにより高い信頼性を有するデバイスを可能とする。
【０００４】
とにかくセラミック材料の誘電率は、有機のポリマーベースのものと比較して大きくなっている。
【０００５】
通常のセラミック材料は、たとえばクリストバライト（二酸化ケイ素の変化形態），トリジマイト（二酸化ケイ素ＳｉＯ２のもう１つの変化形態），コージライト（マグネシウム−アルミニウム−ケイ酸塩），ウィレマイト（Ｚｎ２［ＳｉＯ４］の化学等量組成のケイ酸塩），ムライト（アルミニウムを含有するケイ酸塩），フォルステライト（Ｍｇ２ＳｉＯ４の化学等量組成を有するケイ酸塩），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），コランダム（Ａｌ２Ｏ３），およびガラスセラミックである。クリストバライト，トリジマイト，コージライト，ウィレマイト，およびガラスセラミックの材料のみが、７より小さい誘電率を有している。クリストバライトおよびトリジマイトは、準安定であり、３００℃〜６００℃の領域で相変化を示す。コージライトは、大きな損失係数および非常に小さな熱膨張係数（ＴＣＥ＝Thermal Coefficient of Expansion）０．５ｐｐｍ／Ｋを有する材料である。小さな熱膨張係数は、熱変動の際にこれが大きな熱機械的応力をもたらすので、問題がある。またウィレマイトの小さな熱膨張係数は、そのアプリケーションを限定する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって特に１ＧＨｚを越える周波数領域で、小さな誘電率、小さな損失係数を有する材料が要求されている。さらにこの材料はＲｏＨＳに準拠するものでなければならず、すなわちこれに対応する危険物の使用の制限の指令に対応していなければならない。さらにその熱膨張係数は充分に大きくなければならない。
【０００７】
具体的には、この誘電率は７以下でなければならず、そのＱ値は、たとえば１０ＧＨｚで１６０００以上でなければならず、そしてその熱膨張係数は８ｐｐｍ／Ｋ以上でなければならない。
【０００８】
その他、この材料から製造されるデバイスの重量を低減するために、その比重は出来る限り小さくなければならない。さらに一般的に用いられる出発材料から生成される誘電体セラミック組成であることが要求されている。
【０００９】
さらにこの組成は、不純物にたいする感受性が小さいものでなければならない。すなわち、付加的な物質による不純物混入が、この組成の基本的な特性をせいぜい許容範囲程度で変更するものでなければならない。
【００１０】
これに対応してこのような誘電体の製造のための方法、ならびに適合した誘電体をベースにした、改善された機械的および電気的特性を有するセラミックデバイスが要求されている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
独立請求項（複数）は、これに対応するセラミック組成、その製造のための方法ならびにこの組成に適した利用を提示する。従属請求項は有利な実施例を提示する。
【００１２】
本発明によるセラミック組成は、１つの主成分および残りの部分を含む。この残りの部分の組成は、製造での不純物混入によってほぼ決定される。この組成の支配的な成分は、この主成分であり、以下の量の比率
Ｍｇ（１＋ｘ）（１−ｙ）Ｏ（３＋ｘ）Ａ（１＋ｘ）ｙＳｉ（１−ｚ）Ｄｚ
となっている。ここでｘは０．０１以上かつ０．３以下の実数である。ｙは０以上かつ０．２以下の実数である。ｚは０〜１の実数である。
【００１３】
こうしてこのセラミック組成の主成分は、主にＭｇ（マグネシウム），Ｏ（酸素）を含み、他の元素Ａ，Ｓｉ（ケイ素）およびもう１つの残りＤを含む。可能かつ有利なＡおよびＤの元素は後で提示される。
【００１４】
以上より１つの簡単な組成は、非化学等量性のケイ酸マグネシウムとなる。
【００１５】
数値ｘは、上記のセラミック組成に含まれる過剰なＭｇＯの相対的な量を与える。数値ｙは、Ｍｇを置換することができる、Ａによって表される元素の相対的な量を与える。数値ｚは、Ｓｉを置換することができる、記号Ｄによって表される元素の相対的な量を与える。
【００１６】
ここで提示するセラミック組成の改善された電気的および機械的特性は驚くべきものである。フォルステライト（Ｍｇ２ＳｉＯ４）およびエンスタタイト（ＭｇＳｉＯ３）（たとえば“Effect of Mg/Si Ratio on Microwave Dielectric Characteristics of Fosterite Seramics”；K.X. Song, X.M. Chen, X.C. Fan; J. Am.  Ceram. Soc., 90[6] 1808-1811 (2007)；“Synthesis and Microwave Dielectric Properties of MgSiO3Ceramics”; M.E. Song, J.S. Kim, M.R. 
Joung, S. Nahm, Y.S. Kim, J.H. Paik, B.H. Choi; J. Am. Ceram. Soc., 91[8] 2747-2750 (2008)）のセラミック組成の研究から、これらのセラミックの電気的特性が知られている。エンスタタイトおよびフォルステライトは、その異なる化学等量組成により、異なる結晶構造に分類され得る。２つの結晶相を有するセラミックの誘電体Ｑ値は、その組成に依存して、１つの小さな値から１つの大きな値まで単調に、あるいは１つの極小値を経過して変化し得る。この極小値は非常に平坦または非常に顕著に目立ったものとなり得る。この理由は２つの異なる層の間での結晶粒界での誘電体損失である。このような結晶粒界がより多く存在するほど、生成される総損失に対し大きな寄与となる。このような誘電体Ｑ値の極小値が存在すると、これによりセラミック組成では結晶粒界で１つの極大値となる。エンスタタイトも、またフォルステライトも、比較的大きな誘電率を備える。非化学等量的なフォルステライトよりも少ないＭｇを含有する組成は、したがって化学等量的なフォルステライトセラミックよりも大幅に劣化したＱ値を有するであろう。したがって、この電気的Ｑ値は、ＭｇとＳｉの比率が１：１のセラミック組成（エンスタタイト）およびＭｇとＳｉの比率が２：１のセラミック組成（フォルステライト）で局所的な極大値を備えることが予想されるであろう。したがって１：１と２：１の間の混合比では、この電気的特性が悪化することが予想されるであろう。この電気的Ｑ値は、これらの比の値の間で低下することが起こるであろう。
【００１７】
しかしながらここで、エンスタタイトの１：１の比から始まる、１：１と２：１の間の比へのＭｇの濃度増加が、上記の電気的Ｑ値の予想外の改善をもたらすことが明らかになった。
【００１８】
ｘの値は０．０２以上かつ０．０８以下の値となり得る。このｘの値の範囲では、このセラミック組成はとりわけ小さな誘電率を有し、そして同時に大きな電気的Ｑ値、たとえばＱ×ｆ＝１６０ＴＨｚ〜２００ＴＨｚ（そして２２０ＴＨｚにまで達することも可能）を有している。比較例として、文献によるエンスタタイトの値は、約Ｑ×ｆ＝１２０ＴＨｚとなっている。
【００１９】
ここでＱ×ｆ＝１６０ＴＨｚのＱ値は、むしろ比較的大きな程度の不純物混入で可能であり、これは不純物に対するこの電気的Ｑ値の耐性を示している。
【００２０】
ｘ＝０．１７となっていることが可能である。
こうしてこのセラミック組成は３．０３９ｇ／ｃｃｍの密度を有する。
【００２１】
この誘電率は６．６３となり得る。さらにｘの値が０．０４となっていることが可能である。こうして一方で３．０６ｇ／ｃｃｍの比重が得られ、他方で６．５７の誘電率が得られる。ｘ＝０では、比重が３．０６で誘電率が６．２となり得、ここでこのＱ値は、ｘがもっと大きな値のものと比較して低減されている。
【００２２】
Ａは酸素原子と結合して２価の酸化物ＡＯを形成することが可能である。ここでＡは、Ｚｎ（亜鉛），Ｎｉ（ニッケル），Ｃｏ（コバルト），Ｍｎ（マンガン），およびＺｎ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎの混合物から選択されている。これに対応する２価の酸化物は、これよりそれぞれＺｎＯ（酸化亜鉛），ＮｉＯ（酸化ニッケル），ＣｏＯ（酸化コバルト），ＭｎＯとなろう。
【００２３】
Ｄは、Ｏ２と共に４価の酸化物となり得る。ここでＤは具体的には、Ｔｉ（チタン），Ｓｎ（錫），Ｚｒ（ジルコン），およびＴｉ，Ｓｎ，Ｚｒの混合物から選択されている。これに対応する４価の酸化物は、これよりそれぞれＴｉＯ２，ＳｎＯ２，ＺｒＯ２となろう。
【００２４】
残りの部分は、製造による不純物を含有することが可能である。上述のセラミック材料の製造のための出発材料は、粉砕、たとえばボールミル，ドラムミル，チューブミル，アトライターミル等によって紛体に粉砕される。この際磨滅により生じる産物、たとえば酸化ジルコンのボールから産生される物が上記のセラミック出発生成物に入り込み、そしてその組成に不純物として混入することが事実上不可避である。
【００２５】
そのためこのような不純物に対する上記のセラミック組成の電気的および機械的特性の不感受性が一層重要となる。こうして不純物混入にも関わらず、ほぼＱ×ｆ＝１６０ＴＨｚのＱ値を実現することができる。
【００２６】
この組成の残りの部分は、適宜Ａｌ２Ｏ３，ＺｒＯ２，ＴｉＯ２，Ｎｂ２Ｏ５，またはＴａ２Ｏ５の成分を含有し得る。
【００２７】
この残りの部分は、２価の元素を含有し得る。この残りの部分はさらに、２価の元素、たとえばＣａ（カルシウム），Ｓｒ（ストロンチウム），および／またはＢａ（バリウム）を含有し得る。カルシウム，ストロンチウム，およびバリウムは、総組成に対してそれぞれ０．３Ｍｏｌ％以下で含有され得る。
【００２８】
上記のセラミック組成が、９５Ｍｏｌ％以上上記の主成分からなっていることが可能である。
【００２９】
１つの可能なセラミック組成は、０．５ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの周波数領域で７以下の誘電率を有する。そのＱ値Ｑは、１０ＧＨｚで１６０００以上の値を有する。熱膨張係数は、８ｐｐｍ／Ｋ以上である。比重は３．５ｇ／ｃｃｍ以下である。
【００３０】
セラミック組成の製造のための方法は以下のステップを備える。
−ＭｇＯ，ＡＯ，ＳｉＯ２，ＤＯ２を含む、か焼された粉末を準備するステップ。
−この粉末を結着剤と混合し、そしてプレス可能な顆粒材を生成するステップ。
−この顆粒材をプレスするステップ。
−プレスされたこの顆粒材を脱炭するステップ。
−焼結するステップ。
ここで
−Ａは、Ｚｎ，Ｎｉ，Ｃｏ，およびＺｎ，Ｎｉ，Ｃｏの混合物から選択されている。
−Ｄは、Ｔｉ，Ｓｎ，Ｚｒ，およびＴｉ，Ｓｎ，Ｚｒの混合物から選択されている。
【００３１】
この際、上記のか焼された粉末は以下の存在比
（１＋ｘ）「（ＭｇＯ）１−ｙ＋（ＡＯ）ｙ］＋（ＳｉＯ２）（１−ｚ）＋（ＤＯ２）ｚ
となり得る。ここで０．０１≦ｘ≦０．３０；０．００≦ｙ≦０．２０；０．００≦ｚ≦１．００で準備される。
【００３２】
上記の顆粒材のプレスの代替として、押し出し処理を使用することも可能である。
【００３３】
上記の組成の製造は、薄膜成形を用いても可能である。このような製造方法は、多層基板が生成されなければならない場合に適している。
【００３４】
上記のようなセラミック組成は、誘電体として、たとえば導波路，ストリップラインフィルタ，マイクロ波セラミックフィルタ，誘電体共振器，集積回路用基板，または集積された受動的な回路素子を有する集積回路用の多層基板で使用することができる。
【００３５】
以上に対応する電子デバイスは、０．５ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの周波数領域におけるアプリケーションが想定されている。
【００３６】
上記のセラミック組成の化学等量比の図示ならびにデバイス概略図が、そのアプリケーションの例示的な明示のために、上記の組成が基づいている原理のより良好な理解のための以下の図に示されている。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】ｘおよびｙに対する有利な値の領域を示し、そしてｙ＝０でのｘに対する例示的な値を示す。
【図２】１つのセラミック多層基板を有する１つの電子デバイスを示す。
【図３】１つのマイクロ波セラミックフィルタを示す。
【図４】１つの誘電体共振器を示す。
【００３８】
図１は、ｘおよびｙに対して、可能かつ有利な値を示す。ｘは、０．０１〜０．３で選択されてよい。有利には、ｘは０．０２〜０．０８となっている。このセラミック組成の電気的および機械的特性は、ｙの変化に対して比較的安定しており、こうしてｙはここに示す範囲で、その特性を劣化することなしに、比較的自由に選択することができる。マーキングされているｙ＝０およびｘ＝０．２７；０．１８；０．０４；０．００の組合せが記号×で示されている。
【００３９】
図２は、集積回路素子（複数）を有する多層基板用の材料としての上記のセラミック組成のアプリケーションを示す。この多層基板ＭＬＳは、様々なセラミック組成、たとえば下層ＵＬ，中間層ＭＬ，および上層ＯＬを組み合わせるものであってよい。信号導線ＳＬ，インダクタンス素子ＩＥ，およびキャパシタンス素子ＫＥは、貫通接続部（複数）ＤＫを介して互いに回路接続されていてよい。この多層基板ＭＬＳの上面には、複数のチップＣＨ１，ＣＨ２が配設されて回路接続されていてよい。この多層基板ＭＬＳの下面には、外部の周辺回路への回路接続のための接続面が配設されていてよい。
【００４０】
図３は、上記のセラミック組成からなる１つのセラミック基体を有する１つのマイクロはセラミックフィルタＭＫＦを示す。この基体には、メタライズされた側面を有する円筒形状の空洞部（複数）が配設されている。これによりこれらの空洞部は共振体となり、これらの共振体は１つの共振周波数での共振を形成することにより高周波フィルタとなる。
【００４１】
図４は上記のセラミック組成のもう１つの可能なアプリケーション、すなわち２つのメタライズ面ＭＦの間に１つのセラミック体を有する誘電体共振器ＤＲを示す。
【００４２】
上記のセラミック組成および上記のセラミック組成のアプリケーションならびに上記のセラミック組成の製造のための方法は、上述した実施形態（複数）およびここで示した実施例に限定されるものではない。具体的には、上記の組成の電気的および機械的特性の安定性のために、上記の主成分も、また上記の組成の残りの部分も、さらなる元素を含むことが可能である。また他の高周波デバイスでのアプリケーションも可能である。
【符号の説明】
【００４３】
ＡＵ            ：  空洞部
ＣＨ１，ＣＨ２  ：  チップ
ＤＫ            ：  貫通接続部
ＤＲ            ：  誘電体共振器
ＩＥ            ：  インダクタンス素子
ＫＥ            ：  キャパシタンス素子
ＫＦ            ：  接続面
ＭＦ            ：  メタライズ面
ＭＫＦ          ：  マイクロ波セラミックフィルタ
ＭＬ            ：  中間層
ＭＬＳ          ：  多層基板
ＯＬ            ：  上層
ＳＬ            ：  信号導線
ＵＬ            ：  下層
Ｘ              ：  変数値
Ｙ              ：  変数値
【図１】
2019513113.tif 000003
【図２】
2019513113.tif 000004
【図３】
2019513113.tif 000005
【図４】
2019513113.tif 000006
【国際調査報告】
2019513113.tif 000007
2019513113.tif 000008
2019513113.tif 000009
2019513113.tif 000010
2019513113.tif 000011
2019513113.tif 000012