(57)【要約】【課題】電気特性と耐湿性に優れたフォルステライト系セラミックス焼結体を提供すること。【解決手段】マグネシウム含有量がケイ素含有量に対してモル比で１．８〜２．２の範囲の値であり、比誘電率が６．４〜７．５の範囲にあり、周波数１４ＧＨｚにおける誘電正接が１×１０−４以下であって、相対密度が９９．４％以上であることを特徴とするフォルステライト系セラミックス焼結体。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネシウム含有量がケイ素含有量に対してモル比で１．８〜２．２の範囲の値であり、比誘電率が６．４〜７．５の範囲にあり、周波数１４ＧＨｚにおける誘電正接が１×１０−４以下であって、相対密度が９９．４％以上であることを特徴とするフォルステライト系セラミックス焼結体。
【請求項２】
比誘電率が６．９〜７．２の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載のフォルステライト系セラミックス焼結体。
【請求項３】
周波数１４ＧＨｚにおける誘電正接が０．５〜０．９×１０−４の範囲にあることを特徴とする請求項１もしくは２に記載のフォルステライト系セラミックス焼結体。
【請求項４】
相対密度が９９．７％以上であることを特徴とする請求項１乃至３のうちのいずれかの項に記載のフォルステライト系セラミックス焼結体。
【請求項５】
アンテナ基板製造用であることを特徴とする請求項１乃至４のうちのいずれかの項に記載のフォルステライト系セラミックス焼結体。
【請求項６】
ミリ波通信装置の回路基板製造用であることを特徴とする請求項１乃至４のうちのいずれかの項に記載のフォルステライト系セラミックス焼結体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォルステライト系セラミックス焼結体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
フォルステライト（組成式：２ＭｇＯ・ＳｉＯ２）及びこれを主成分とするケイ酸マグネシウム化合物（以下、これらを総称してフォルステライト系セラミックスという）は、誘電正接（誘電損失、もしくはｔａｎδともいう）が小さく、特に高周波帯域での電気特性に優れた材料である。このため、フォルステライト系セラミックス焼結体は、マイクロ波波通信装置やミリ波波通信装置などの高周波通信装置の回路基板やアンテナ基板の材料として注目されている。
【０００３】
特許文献１には、マイクロ波領域での誘電正接の小さいフォルステライト焼結体を得る方法として、ＭｇＯとＳｉＯ２とを２対１のモル比で混合した原料粉末を仮焼きし、粉砕してフォルステライトの粉末とし、該粉末にバインダを混合し加圧成形して成形品となし、該成形品を脱脂及び焼結してフォルステライト磁器を作製する際に、原料粉末及びフォルステライト磁器を得る各工程において混入する特定の不純物量を制御し、かつフォルステライト粉末の平均粒子径を３μｍ以下に制御することが提案されている。この特許文献の実施例では、比誘電率が６．８６、周波数１５．８〜１８．７ＧＨｚにおける誘電正接が６．０×１０−５のフォルステライト磁器が得られている。ただし、ここで得られているフォルステライト磁器はかさ密度が３．１７ｇ／ｃｍ３であり、フォルステライトの理論密度（３．２２２ｇ／ｃｍ３）に対する相対密度に換算すると９８．４％程度である。
【０００４】
特許文献２には、フォルステライト相及び／又はエンスタタント相を有する緻密な混成焼結体であって、ＭｇＯとＳｉＯ２のモル比の範囲が２．５対１から２対１．７、比誘電率が６．４〜７．５、誘電正接が１×１０−４以下であるＭｇＯ−ＳｉＯ２系磁器が提案されている。この特許文献の実施例では、比誘電率が６．６７、周波数約１６ＧＨｚにおける誘電正接が６．２〜８．１×１０−５のＭｇＯ−ＳｉＯ２系磁器が得られている。ただし、この特許文献には、「緻密化とは、焼成品の吸水率が０．１％以下で、気孔率が１％以下になった時をいうものとする」との記載があることから、実施例で得られているＭｇＯ−ＳｉＯ２系磁器の相対密度は９９％程度であると考えられる。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３０８３６３８号
【特許文献２】
特許第３０８３６８１号
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
通信装置の回路基板やアンテナ基板に用いるフォルステライト系セラミックス焼結体は、種々の環境においても電気特性が安定していることが好ましい。しかしながら、本発明者の研究によると、従来の相対密度が９９％程度のフォルステライト系セラミックス焼結体を、高湿下に放置すると、誘電正接が急激に増加する傾向にあることが判明した。従って、本発明の課題は、高湿下においても誘電正接が低い値で安定する、すなわち耐湿性に優れたフォルステライト系セラミックス焼結体を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、マグネシウム含有量がケイ素含有量に対してモル比（Ｍｇ／Ｓｉ）で１．８〜２．２の範囲の値であり、比誘電率が６．４〜７．５の範囲にあり、周波数１４ＧＨｚにおける誘電正接が１×１０−４以下であって、相対密度が９９．４％以上であることを特徴とするフォルステライト系セラミックス焼結体にある。
【０００８】
本発明の好ましい態様は、次の通りである。
（１）比誘電率が６．９〜７．２の範囲にある。
（２）周波数１４ＧＨｚにおける誘電正接が０．５〜０．９×１０−４の範囲にある。
（３）相対密度が９９．７％以上である。
（４）アンテナ基板製造用である。
（５）ミリ波通信装置の回路基板製造用である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明のフォルステライト系セラミックス焼結体は、マグネシウム含有量がケイ素含有量に対してモル比（Ｍｇ／Ｓｉ）で１．８〜２．２の範囲の値であり、比誘電率が６．４〜７．５の範囲（好ましくは、６．９〜７．２の範囲）にあり、周波数１４ＧＨｚにおける誘電正接が１×１０−４以下（好ましくは、０．５〜０．９×１０−４の範囲）であって、相対密度が９９．４％以上（好ましくは、９９．７％以上）である。本発明のフォルステライト系セラミックス焼結体では、相対密度が９９．４％以上であることが特に重要である。相対密度が９９．４％未満になると、高湿下においたときの誘電正接の増加率が高くなる傾向にある。この要因は、必ずしも明らかではないが、高湿下においたときのフォルステライト系セラミックス焼結体に付着した水分が影響しているものと考えられる。ここで、相対密度とは、フォルステライト系セラミックスの固有の密度に対するフォルステライト系セラミックス焼結体の実際の密度を意味し、アルキメデス法により測定したフォルステライト系セラミックス焼結体のかさ密度を、フォルステライトの理論密度（３．２２２ｇ／ｃｍ３）で除した値である。
【００１０】
次に、本発明のフォルステライト系セラミックス焼結体の製造方法について説明する。
本発明の焼結体の製造に用いるフォルステライト系セラミックス粉末は、水酸化マグネシウム粉末と二酸化ケイ素粉末とを、マグネシウム量とケイ素量とのモル比（Ｍｇ／Ｓｉ）が１．８〜２．２の範囲となるような量で湿式混合して、水酸化マグネシウム粉末と二酸化ケイ素粉末の粉末混合物を得て、次いでこの粉末混合物を仮焼することによって製造したものであることが好ましい。
【００１１】
フォルステライト系セラミックス粉末の製造原料となる水酸化マグネシウム粉末は、純度が９９．９質量％以上であることが好ましく、９９．９５質量％以上であることがより好ましい。また、水酸化マグネシウム粉末は、平均粒子径が０．１〜１０μｍの範囲にあることが好ましく、０．１〜５μｍの範囲にあることがより好ましい。水酸化マグネシウム粉末の粒度分布の範囲は、狭い方が好ましい。具体的には、粒度分布を小粒子径側から積算したときの積算累積量において、その積算累積量が１０％となる粒子径（Ｄ１０）と積算累積量が９０％となる粒子径（Ｄ９０）と比（Ｄ９０／Ｄ１０）が１０以下となる粒度分布をもつことが好ましい。
【００１２】
水酸化マグネシウム粉末としては、気相酸化法（金属マグネシウム蒸気と酸素とを互いに接触させて、マグネシウムを酸化することにより酸化マグネシウム粉末を得る方法）にて製造された酸化マグネシウム粉末を水和させて得たものを用いることが好ましい。気相酸化法にて製造された酸化マグネシウムとしては、例えば、宇部マテリアルズ株式会社から販売されている気相法高純度超微粉マグネシア（商品名：５００Ａ、１０００Ａ、２０００Ａ）を挙げることができる。酸化マグネシウム粉末を水和させる方法としては、酸化マグネシウム粉末を水蒸気と接触させる方法、あるいは酸化マグネシウム粉末を水と接触させる方法を利用することができる。これらの水和方法のうち、前者の酸化マグネシウム粉末を水蒸気と接触させる方法を利用することが好ましい。
【００１３】
水酸化マグネシウム粉末と混合する二酸化ケイ素粉末は、純度が９９．９質量％以上であることが好ましく、９９．９９質量％以上であることがより好ましい。また、二酸化ケイ素粉末は、平均粒子径が０．１μｍ以下（特に、０．０１〜０．０５μｍの範囲）にあることが好ましい。
【００１４】
二酸化ケイ素粉末は、非晶質であることが好ましい。二酸化ケイ素粉末の具体的な例としては、コロイダルシリカ、及びヒュームドシリカを挙げることができる。
【００１５】
水酸化マグネシウム粉末と二酸化ケイ素粉末との混合方法には、特に制限はないが、水酸化マグネシウム粉末と二酸化ケイ素粉末との混合スラリを調製し、次いでその混合スラリ中の水酸化マグネシウム粉末と二酸化ケイ素粉末とをボールミルなどを用いて混合する方法を利用することが好ましい。ボールミルのメディアには、ナイロンボールなどのプラスチック製ボールを用いることが好ましい。混合スラリの調製は、水酸化マグネシウム粉末のスラリに二酸化ケイ素粉末あるいは二酸化ケイ素粉末のスラリを加えることにより行なうことが好ましい。
【００１６】
混合スラリの水酸化マグネシウム粉末濃度は、マグネシウムのモル濃度に換算して０．５〜５モル／Ｌの範囲とすることが好ましい。混合スラリの溶媒には、水あるいはエタノールなどの有機溶媒を単独で、もしくは混合して用いることができるが、水を単独で用いることが好ましい。また、混合スラリには、必要に応じて、バインダー（例えば、ポリビニルアルコール）や可塑剤（例えば、エチレングリコール）を添加してもよい。
【００１７】
水酸化マグネシウム粉末と二酸化ケイ素粉末との粉末混合物の仮焼温度は、通常は８００〜１２００℃の範囲、好ましくは９００〜１１００℃の範囲、より好ましくは９５０〜１０５０℃の範囲の温度である。焼成時間は、マグネシウムとケイ素とのモル比などの要因によって異なるが、通常は１〜２４時間の範囲、好ましくは１〜５時間の範囲にある。
【００１８】
本発明のフォルステライト系セラミックス焼結体は、フォルステライト系セラミックス粉末をシート状に成形して、次いでその成形体を焼成してフォルステライト系セラミックス粉末を焼結させることによって製造することができる。
【００１９】
フォルステライト系セラミックス粉末の成形方法には、金型を用いた一軸加圧成形法やゴム型を用いた冷間等方加圧成形法（ＣＩＰ）を用いることができる。
【００２０】
成形体の焼成は、減圧下（１×１０−１Ｐａ以下、好ましくは１×１０−４〜１×１０−２Ｐａの範囲の圧力下）にて行なうことが好ましい。具体的には、焼成炉内の気体を排気しながら、成形体の焼成を行なうことが好ましい。成形体の焼成温度は、通常は１２００〜１６００℃の範囲、好ましくは１２００〜１５００℃の範囲の温度である。焼成時間は、成形体の形状やサイズなどの要因によって異なるが、通常は１０分〜２４時間の範囲、好ましくは３〜２０時間の範囲にある。
【００２１】
本発明のフォルステライト系セラミックス焼結体は、高湿下（例えば、６０ＲＨ％以上）に長期にわたって放置しても、誘電正接が低い値で安定するので、各種通信装置（特に、マイクロ波やミリ波などの高周波の通信装置）の回路基板やアンテナ基板の材料として有利に使用することができる。
【００２２】
【実施例】
［実施例１］
（１）フォルステライト系セラミックス粉末の製造
気相酸化法にて製造された酸化マグネシウム粉末を水和させて得た水酸化マグネシウム粉末（純度：９９．９８質量％以上、平均粒子径：０．３５７μｍ、Ｄ９０／Ｄ１０＝５．４）を水に分散させて得た水酸化マグネシウムスラリに、ヒュームドシリカ粉末（純度：９９．９９質量％以上、平均粒子径：０．１μｍ以下）を水に分散させて得たヒュームドシリカスラリを、マグネシウム量がケイ素量に対してモル比（Ｍｇ／Ｓｉ）で２．０となるような量にて加えて、水酸化マグネシウム粉末濃度がマグネシウムのモル濃度に換算して１．１５モル／Ｌの混合スラリを調製した。次いで、混合スラリをナイロンボールを用いて２４時間混合した後、スラリをろ過、乾燥して、水酸化マグネシウム粉末とヒュームドシリカ粉末の粉末混合物を得た。
【００２３】
上記の粉末混合物を１０００℃で３時間仮焼した後、メノウ乳鉢を用いて摩砕した。得られた粉末の鉱物組成をＸ線回折法にて分析したところ、この粉末は、フォルステライト単相であることが確認された。
【００２４】
（２）フォルステライト系セラミックス焼結体の製造
上記のようにして得たフォルステライト系セラミックス粉末を金型に充填し、一軸成形機にて４０Ｍｐａの荷重で仮成形し、次いでＣＩＰにて２００Ｍｐａの荷重で本成形して、直径１２ｍｍ、厚さ６ｍｍの円板状成形体を作成した。次に、この成形体を減圧下（１×１０−３Ｐａ）にて１４００℃で１０時間焼成した。得られたフォルステライト系セラミックス焼結体のマグネシウム含有量とケイ素含有量のモル比（Ｍｇ／Ｓｉ）、比誘電率、誘電正接（測定周波数：１４ＧＨｚ）、及び相対密度を表１に示す。
【００２５】
［実施例２］
実施例１（１）の水酸化マグネシウム粉末とヒュームドシリカ粉末との混合割合を、マグネシウム量とケイ素量とのモル比（Ｍｇ／Ｓｉ）が１．８となるような量に変えた以外は、実施例１と同じ操作を行なって、フォルステライト系セラミックス焼結体を製造した。得られたフォルステライト系セラミックス焼結体のマグネシウム含有量とケイ素含有量のモル比（Ｍｇ／Ｓｉ）、比誘電率、誘電正接（測定周波数：１４ＧＨｚ）、及び相対密度を表１に示す。
【００２６】
［実施例３］
実施例１（１）の水酸化マグネシウム粉末とヒュームドシリカ粉末との混合割合を、マグネシウム量とケイ素量とのモル比（Ｍｇ／Ｓｉ）が２．２となるような量に変えた以外は、実施例１と同じ操作を行なって、フォルステライト系セラミックス焼結体を製造した。得られたフォルステライト系セラミックス焼結体のマグネシウム含有量とケイ素含有量のモル比（Ｍｇ／Ｓｉ）、比誘電率、誘電正接（測定周波数：１４ＧＨｚ）、及び相対密度を表１に示す。
【００２７】
［比較例１］
実施例１（２）のフォルステライト系セラミックス焼結体の焼成条件を、減圧下（１×１０−３Ｐａ）にて１６００℃で１時間に変えた以外は、実施例１と同じ操作を行なって、フォルステライト系セラミックス焼結体を製造した。得られたフォルステライト系セラミックス焼結体のマグネシウム含有量とケイ素含有量のモル比（Ｍｇ／Ｓｉ）、比誘電率、誘電正接（測定周波数：１４ＧＨｚ）、及び相対密度を表１に示す。
【００２８】
［比較例２］
実施例１（２）のフォルステライト系セラミックス焼結体の焼成条件を、減圧下１×１０−３Ｐａ）にて１６００℃で１０時間に変えた以外は、実施例１と同じ操作を行なって、フォルステライト系セラミックス焼結体を製造した。得られたフォルステライト系セラミックス焼結体のマグネシウム含有量とケイ素含有量のモル比（Ｍｇ／Ｓｉ）、比誘電率、誘電正接（測定周波数：１４ＧＨｚ）、及び相対密度を表１に示す。
【００２９】
【表１】
2004284830.tif 000002
【００３０】
［フォルステライト系セラミックス焼結体の耐湿性の評価］
（１）耐湿性の評価方法
実施例１〜３、及び比較例１、２で製造したフォルステライト系セラミックス焼結体の耐湿性を、フォルステライト系セラミックス焼結体を２５℃、湿度６０ＲＨ％の雰囲気下に４時間放置したときの、重量増加率と誘電正接（測定周波数：１４ＧＨｚ）の増加率とから評価した。
【００３１】
（２）評価結果
各フォルステライト系セラミックス焼結体の重量増加量、及び誘電正接の増加率（％）を、表２に示す。表２の結果から、相対密度が９９．４％以上のフォルステライト系セラミックス焼結体（実施例１〜３）は、相対密度が９９．４％よりも小さいフォルステライト系セラミックス焼結体（比較例１、２）と比べて、重量増加率及び誘電正接増加率が低く、耐湿性に優れていることが分かる。
【００３２】
【表２】
2004284830.tif 000003
【００３３】
【発明の効果】
本発明のフォルステライト系セラミックス焼結体は、高湿下においても、長期間にわたって誘電正接が低い値で安定する。