(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）１．５〜３．５の範囲内の比誘電率Ｋ′と、０未満であるがしかし−３００ppm／℃を超える比誘電率の温度係数ＴＣＫ′とを有し、ポリ（フェニレンサルファイド）、シクロオレフィンコポリマー、及びこれらの混合物からなる群から選択されるポリマーと；
（ｂ）ジルコン酸カルシウム、ジルコン酸ストロンチウム、ＣａＴｉＳｉＯ5、ＰｂＺｒＯ3、ジルコニア及びこれらの混合物からなる群から選択される一種類以上のセラミックスからなり、各々は、１５〜２００の範囲内の比誘電率と、ゼロを超え３０００ppm／℃までのＴＣＫ′とを有する、第一のセラミックと；
（ｃ）酸化アルミニウム、チタン酸マグネシウム、マイカ、二酸化ケイ素、ベリリア、スピネル、及びトリアからなる群から選択される一種類以上のセラミックスからなり、各々は、３〜１５の範囲内の比誘電率と、ゼロを超え３００ppm／℃までのＴＣＫ′とを有する、場合により用いる第二のセラミックと；
から本質的になる、温度に対し安定な比誘電率を有するポリマー組成物において、
前記第一のセラミックは２〜６０体積％の量で含まれ、前記場合により用いる第二のセラミックは５０体積％までの量で含まれ、
前記ポリマーと前記第一と第二のセラミックスとの量を釣り合わせることで、前記組成物の前記比誘電率は４を超え、前記組成物の前記比誘電率は、−５０℃からより高い温度の温度範囲内で、前記比誘電率の平均値の上下２％以内で変動し、前記より高い温度とは、８０℃と、前記ポリマー組成物のガラス転移温度より１０℃低い温度とのうちのいずれか低い方であり、Ｋ′及びＴＣＫ′の前記値は２．０GHzの周波数で測定し、Ｋ′の前記値は２０℃で測定する、前記ポリマー組成物。
【請求項２】
前記第一のセラミックはゼロを超え３００ppm／℃までのＴＣＫ′を有し、前記第二のセラミックはゼロを超え２００ppm／℃までのＴＣＫ′を有する、請求項１に記載のポリマー組成物。
【請求項３】
前記組成物の前記比誘電率は、−５０℃からより高い温度の範囲内で、前記組成物の前記比誘電率の平均値の上下１％以内で変動し、前記より高い温度とは、８０℃と、前記ポリマー組成物のガラス転移温度より１０℃低い温度とのうちのいずれか低い方である、請求項１に記載のポリマー組成物。
【請求項４】
前記組成物の前記比誘電率は、−５０℃からより高い温度の範囲内で、前記比誘電率の平均値の上下０．５％以内で変動し、前記より高い温度とは、８０℃と、前記ポリマー組成物のガラス転移温度より１０℃低い温度とのうちのいずれか低い方である、請求項１に記載のポリマー組成物。
【請求項５】
前記第一のセラミックはジルコン酸カルシウムであり、前記場合により用いる第二のセラミックは、マイカ、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、チタン酸マグネシウム及びこれらの混合物からなる群から選択される、請求項１に記載のポリマー組成物。
【請求項６】
前記場合により用いる第二のセラミックは前記組成物には含まれない、請求項５に記載のポリマー組成物。
【請求項７】
（ａ）ポリ（フェニレンサルファイド）と；
（ｂ）ジルコン酸カルシウム、ジルコン酸ストロンチウム、ＣａＴｉＳｉＯ5、ＰｂＺｒＯ3、ジルコニア及びこれらの混合物からなるセラミック材料の群から選択される、第一のセラミック材料と；
（ｃ）酸化アルミニウム、チタン酸マグネシウム、マイカ、二酸化ケイ素、ベリリア、スピネル、トリア及びこれらの混合物からなる群から選択される、場合により用いる第二のセラミック材料と；
を含む、温度に対し安定な比誘電率を有するポリマー組成物において、
前記第一のセラミックは２〜６０体積％の量で含まれ、前記場合により用いる第二のセラミックは５０体積％までの量で含まれ、
前記ポリマーと、前記第一のセラミックと、前記場合により用いる第二のセラミックとの量を釣り合わせることで、前記組成物は４を超える比誘電率を有し、前記組成物の前記比誘電率は、−５０℃〜８０℃の温度範囲内で、前記組成物の前記比誘電率の平均値の上下２％以内で変動し、Ｋ′及びＴＣＫ′の前記値は２．０GHzの周波数で測定し、Ｋ′の前記値は２０℃で測定する、前記ポリマー組成物。
【請求項８】
前記第一のセラミックはジルコン酸カルシウムであり、前記第二のセラミックは、マイカ、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、チタン酸マグネシウム及びこれらの混合物からなる群から選択される、請求項７に記載のポリマー組成物。
【請求項９】
前記第一のセラミックはジルコン酸カルシウムであり、前記第二のセラミックは存在しない、請求項７に記載のポリマー組成物。
【請求項１０】
（ａ）請求項１のポリマー組成物を含み、二つの表面を有する平坦な基板と；
（ｂ）該基板の少なくとも一方の表面に密着する金属の層と；
を含む、温度に対し安定な比誘電率を有する積層品において、
該積層品の前記比誘電率は、２．０GHzの周波数及び２０℃で少なくとも４．０であり、前記積層品の前記比誘電率は、−５０℃からより高い温度の温度範囲にわたって測定した前記積層品の前記比誘電率の平均値の上下２％を超えて変動せず、前記より高い温度とは、８０℃と、前記ポリマー組成物のガラス転移温度より１０℃低い温度とのうちのいずれか低い方である、前記積層品。
【請求項１１】
前記金属は銅である、請求項１０に記載の積層品。
【請求項１２】
（ａ）請求項７のポリマー組成物を含み、二つの表面を有する平坦な基板と；
（ｂ）該基板の少なくとも一方の表面に密着する金属の層と；
を含む、温度に対し安定な比誘電率を有する積層品において、
該積層品の前記比誘電率は、２．０GHzの周波数及び２０℃で少なくとも４．０であり、前記積層品の前記比誘電率は、−５０℃〜８０℃の温度範囲にわたって測定した前記積層品の前記比誘電率の平均値の上下２％を超えて変動しない、前記積層品。
【請求項１３】
前記金属は銅であり、該銅は前記基板の両方の表面に密着する、請求項１２に記載の積層品。
【請求項１４】
（ａ）１．５〜３．５の範囲内の比誘電率Ｋ′と、０未満であるがしかし−３００ppm／℃を超える比誘電率の温度係数ＴＣＫ′とを有し、ポリ（フェニレンサルファイド）、シクロオレフィンコポリマー、及びこれらの混合物からなる群から選択されるポリマーと；
（ｂ）ジルコン酸カルシウム、ジルコン酸ストロンチウム、ＣａＴｉＳｉＯ5、ＰｂＺｒＯ3、ジルコニア及びこれらの混合物からなる群から選択される一種類以上のセラミックスからなり、各々は、１５〜２００の範囲内の比誘電率と、ゼロを超え３０００ppm／℃までのＴＣＫ′とを有する、第一のセラミックと；
（ｃ）一種類以上のセラミックスからなり、各々は、３〜１５の範囲内の比誘電率と、ゼロを超え３００ppm／℃までのＴＣＫ′とを有する、場合により用いる第二のセラミックと；
を配合するステップを含む、温度に対し安定な比誘電率を有するポリマー組成物を作る方法において、
前記第一のセラミックは２〜６０体積％の量で含まれ、前記場合により用いる第二のセラミックは５０体積％までの量で含まれ、
前記ポリマーと前記第一と第二のセラミックスとの量を釣り合わせることで、前記組成物の前記比誘電率は４を超え、前記組成物の前記比誘電率は、−５０℃からより高い温度の温度範囲内で、前記比誘電率の平均値の上下２％以内で変動し、前記より高い温度とは、８０℃と、前記ポリマー組成物のガラス転移温度より１０℃低い温度とのうちのいずれか低い方であり、Ｋ′及びＴＣＫ′の前記値は２．０GHzの周波数で測定し、Ｋ′の前記値は２０℃で測定する、前記方法。
【請求項１５】
（ａ）請求項１に記載のポリマー組成物を、二つの表面を有する平坦な基板に成形するステップと；
（ｂ）該平坦な基板の一方または両方の表面に金属を施用するステップと；
を含む、温度に対し安定な比誘電率を有する積層品を作る方法。
【請求項１６】
請求項１のポリマー組成物を含むマルチチップモジュール。
【請求項１７】
請求項１のポリマー組成物と金属の一つ以上の層とを含む三次元物品。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、一般に高比誘電率を有する材料の分野に関し、より詳細には温度によってほとんど変化しないような高比誘電率を有する充填済み熱可塑性ポリマー類に関する。
発明の背景
高比誘電率と低損失正接とを有する新諸材料は、エレクトロニクス産業において、高周波で使用するために、及びさらなる小型化を可能にするための手段として必要とされている。こうした諸材料を、薄膜、シート、プラーク（plaque）及び他の成形形状にできれば、これらは、マイクロ波の周波数での回路基板、高エネルギー密度キャパシタ、フィルタ、アンテナ、埋設構成要素、及びマルチチップモジュールとして使用できるため、特に有用である。これらには、例えば無線通信技術において様々な最終使用がある。多くのセラミック材料は、望ましい高比誘電率と低誘電損失とを有するが、容易に薄膜にはできない。フィルム及び成形物品に製造したセラミック材料はまた、一般に脆い。
所望の特性を有するフィルム及びシートを作るための一つの手法は、ポリマーマトリックスと高比誘電率を有するセラミック充填剤とを含む組成物（また本明細書において「複合物」と呼ぶ）を利用することである。この手法は難しく、というのは、組成物は所望の高比誘電率を実現するためには高レベルのセラミック充填剤を必要とし、同時に、組成物を押出しまたは成形に適したものにするようなレオロジー特性を保持する必要があるからである。組成物はまた、周囲水分（湿度）と温度との変化に対し安定でなければならない。高温に対する耐性、並びに高い機械的強度、耐衝撃性及び耐薬品性もまた、全て望ましい。最後に、多くの用途において、こうした諸材料から作られた平坦な基板を、銅及び／または他の諸材料と共に積層品にする必要がある。
セラミックスと組合せたポリマー類に基づく幾つかの高比誘電率材料は周知である。例えば、多数の特許がRogers Corporationに譲渡されており、これらの特許は、高誘電体材料として使用するための、好ましくはポリ（テトラフルオロエチレン）（ＰＴＦＥ）であるフッ素ポリマー類とセラミック材料との複合物を教示しており、例えば、米国特許第4,335,180号及び同第5,358,775号がある。Rogers Corporationは、高誘電体フィルムとして使用するための、ＰＴＦＥとセラミック充填剤とのこうした組成物の幾つかを販売している。一般に、充填剤を含むＰＴＦＥの薄膜または他の成形物品を作るのは難しい。
高誘電体複合材料の他の例が、多数開示されている。典型的な例は、米国特許第5,174,973号、ドイツ特許公開DE 3,242,657、日本特許公告JP 5,307,911、JP 57,853、JP 98,069及び発表された論文（S. Asai, et al., IEEE Transactions on Components, Hybrids and Manufacturing Technology, Vol. 16, No. 5, August, 1993, pp. 499-504）である。
比誘電率の温度安定性は重要な問題である。高誘電体セラミックスの比誘電率は温度によって変化する。この結果、ポリマー類とセラミックスとの組成物の比誘電率も温度によって変化する。比誘電率の変化は、こうした組成物を利用する電子構成要素の電気的性質、例えばパッチアンテナの共振周波数に影響する。これにより、装置は限定された温度範囲内でのみ使用可能になるので、装置の有用性を制限してしまうことがある。屋外での使用は特に信頼性の無いことがある。今までは、この問題に対処するために、比誘電率の温度係数が正及び負であるセラミック材料の組合せを含む組成物を作り、それにより諸材料の比誘電率の変化を互いに相殺してきた。この手法は、米国特許第5,552,210号、１９９２年に公示された日本特許公告4,161,461、及び本出願人の同時係属米国出願08/646,403に説明されている。代わりの手法は、セラミック充填剤がほぼゼロの比誘電率の温度係数を有するような組成物を作ることである。そのようなセラミック充填剤は周知であるが、非常に高価である。一般的な高比誘電率セラミック材料と一般的なポリマー類とを利用した新手法を、下記に説明する。
発明の要約
２０℃で４を超え、かつ温度によってほとんど変動しない比誘電率Ｋ′を有するポリマー組成物を、ポリマーまたはポリマー類の混合物とセラミックまたはセラミックスの混合物とから、次の通りに作る。ポリマーまたはポリマー類の混合物は、約１．５〜約３．５の範囲内の比誘電率Ｋ′と、負でありかつ０と約−３００ppm／℃の間である比誘電率の温度係数ＴＣＫ′とを有する。ポリマーまたはポリマー類の混合物は、好ましくは熱可塑性であるが、また、熱硬化性または非熱可塑性フッ素ポリマーでもよい。セラミックまたはセラミックスの混合物は以下のもので構成される。
（ａ）第一のセラミックは、一種類のセラミックまたはセラミックスの混合物としてよく、各々は、約１５〜約２００の範囲内の比誘電率と、正でありかつゼロと約３０００ppm／℃の間であるＴＣＫ′とを有し；
（ｂ）場合により用いる第二のセラミックは、一種類のセラミックまたはセラミックスの混合物としてよく、各々は、約３〜約１５までの範囲内の比誘電率と、正でありかつゼロと約３００ppm／℃の間であるＴＣＫ′とを有する。
ポリマーとセラミックスとの量を釣り合わせることで、本組成物の比誘電率Ｋ′は４を超え、ポリマー及びセラミックスの比誘電率の温度による変化を互いに相殺させ、その結果、本組成物の比誘電率Ｋ′は、−５０℃とより高い温度の間の温度範囲内で、比誘電率の平均値の上下２％以内で変動する。より高い温度とは、８０℃か、または本ポリマー組成物のガラス転移温度より１０℃低い温度のいずれか低い方である。Ｋ′及びＴＣＫ′の値を２．０GHzの周波数で測定する。Ｋ′の値は２０℃で測定する。
温度に対し安定な比誘電率を有する熱可塑性ポリマー組成物を作るためには、約１．５〜約３．５の範囲内の比誘電率Ｋ′と、負でありかつゼロと約−３００ppm／℃の間である比誘電率の温度係数ＴＣＫ′とを有する熱可塑性ポリマーまたは熱可塑性ポリマー類の混合物を、一種類以上のセラミックスと配合する。セラミックスは、第一のセラミックと、場合により用いる第二のセラミックとを含み、第一のセラミックはセラミックスの混合物としてよく、各々は、約１５〜約２００の範囲内の比誘電率と、ゼロと約３０００ppm／℃の間である正のＴＣＫ′とを有し；場合により用いる第二のセラミックは一種類以上のセラミックスとしてよく、各々は、約３〜約１５までの範囲内の比誘電率と、ゼロを超えるがしかし３００ppm／℃未満であるＴＣＫ′とを有する。ポリマーと第一と第二のセラミックスとの量を釣り合わせることで、本組成物の比誘電率は４を超え、ポリマー及びセラミックスの比誘電率の変化を互いに相殺させ、その結果、本組成物の比誘電率は、−５０℃から第二のより高い温度の温度範囲内で、比誘電率の平均値の上下２％以内で変動する。第二のより高い温度とは、８０℃か、または本ポリマー組成物のガラス転移温度より１０℃低い温度のいずれか低い方である。Ｋ′及びＴＣＫ′の値を２．０GHzの周波数で測定し、Ｋ′の値は２０℃で測定する。
こうした組成物は、温度に対し安定な比誘電率を有する積層品を作る際に、特に有用である。積層品は、上記に説明した本ポリマー組成物で構成される平坦な基板と、この基板の二つの表面の少なくとも一方に密着する金属の層とから作る。積層品の比誘電率は、２．０GHzの周波数及び２０℃で少なくとも４．０であり、積層品の比誘電率は、−５０℃から第二のより高い温度の温度範囲にわたって測定した積層品の比誘電率の平均値の上下２％を超えて変動しない。第二のより高い温度とは、８０℃か、または本ポリマー組成物のガラス転移温度より１０℃低い温度のいずれか低い方である。
温度に対し安定な比誘電率を有する積層品を作るためには、上記に説明した本ポリマー組成物を成形して平坦な基板にしてから、この平坦な基板の二つの表面の一方または両方に金属を施用する。「成形」とは、ポリマーまたはポリマー組成物を、製造済みの生成物、例えばシート、フィルム、または他の三次元物体にするための任意の方法を意味する。そのような方法としては、押出し、射出成形、カレンダー加工（calendaring）、圧縮成形、及びその他同様なものが挙げられる。最後に、ポリマー組成物と金属の一つ以上の層とを含む三次元物品はまた、金属層をコーティングまたは施用するための方法と組合せた成形方法によって作ってよい。
積層品を積み重ねるかまたは相互接続することで、熱可塑性組成物と金属との交互の層を有する多数の層を有する基板を形成できる。諸層は様々な比誘電率と様々な厚さとを有することができ、及び、マルチチップモジュールと回路基板とのための基板を形成するために組み立てることができる。
発明の詳細な説明
本明細書において説明するように、一種類以上のポリマー類と一種類以上の高誘電体セラミックスとを組合せることにより、４を超え、かつ、変化する温度に対し比較的一定である比誘電率を有するポリマー組成物が得られる。このことにより、これは、大きな範囲の温度にさらされる（例えば屋外での使用）ことがある装置において特に有用になる。充填剤が存在すること、特に多量に存在することは、また、無充填ポリマーと比較してより低い熱膨張率（ＣＴＥ）を本組成物に与える。ＣＴＥの低下により、本組成物は、銅との積層により適したものになり、というのは、本ポリマー組成物と銅との間のＣＴＥの不整合がより小さくなり、反り、層間剥離、及びその他同様なものによる問題がより少なくなるからである。熱可塑性ポリマー類は好ましいが、他のポリマー類、例えば熱硬化性物質類及び非熱可塑性フッ素ポリマー類も使用できる。熱可塑性ポリマーを使用することで、本組成物の製造はより容易になり、というのはこれは、射出成形及び押出しのような一般的な方法により成形できるからである。
使用対象となるポリマーまたはポリマー類の選択はまた、所望の特性（例えば熱的性質、損失正接）によって決まる。ポリマーまたはポリマー類はまた、上述のように負のＴＣＫ′を有さなければならない。高温での性能が重要でない場合には、ＡＳＴＭ試験方法Ｄ６４８によって２６４psi負荷の下で、約８０℃を超えるＨＤＴを有するポリマー組成物（充填剤を加えた後）を生じるポリマーで十分である。より高温での性能が必要な場合、組成物は上記に説明した条件下で測定した場合、約２００℃を超えるＨＤＴを有するべきである。
本発明の実施において使用してよい熱可塑性ポリマー類は、結晶性、無定形、または液晶性としてよい。本明細書において開示する組成物中に使用するための好ましいポリマー類は、ポリ（フェニレンサルファイド）、シクロオレフィンコポリマー類（ＣＯＣ）、及びこれらの混合物である。こうしたポリマー類は両方とも、上述の範囲内の比誘電率と比誘電率の温度係数とを有する（すなわちＣＯＣのＫ′は約２．４であり、ＰＰＳのものは約３．１であり；エチレンとノルボルネンとのシクロオレフィンコポリマーのＴＣＫ′はわずかに負であり、ＰＰＳのＴＣＫ′は約−５０ppm／℃である）。ポリ（フェニレンサルファイド）（ＰＰＳ）は周知の高温エンジニアリングポリマーであり、幾つかの製造業者から入手可能で、Hoechst Celanese CorporationのＦＯＲＴＲＯＮ（登録商標）という商標のもの及びPhillips Chemical CompanyのＲＹＴＯＮ（登録商標）という商標のものが挙げられる。シクロオレフィンコポリマー類（ＣＯＣ）は高温ポリマーのより新しいクラスである。これは、環式オレフィンモノマー類、例えば、ノルボルネン、テトラシクロドデセン、ビシクロ［２，２，１］ヘプト−２−エン、１−メチルビシクロ［２，２，１］ヘプト−２−エン、ヘキサシクロ［６，６，１，１3,6，１10,13，０2,7，０9,14］−４−ヘプタデセン、及びその他同様なものの、ホモポリマー類またはコポリマー類としてよい。これがコポリマーである場合、好ましくはそのコモノマーは非環式オレフィン、例えば、エチレン、プロピレン、ブチレン、ペンテン異性体類及びその他同様なものである。多くのそのような好適なシクロオレフィンコポリマー類が周知である。これらは例えば、米国特許第5,087,677号、同第5,422,409号、同第5,324,801号、同第5,331,057号、同第4,943,611号、同第5,304,596号、及びEP 608903に説明されている。本発明の実施において有用な、例証となるＣＯＣ組成物は、上述の米国特許第5,087,677号、本明細書において参考のために引用する、に説明するノルボルネンとエチレンとのコポリマーである。これは、ＴＯＰＡＳ（登録商標）という商標でHoechst Celanese Corporation, Somerville, New Jerseyから市販されている。特定のＣＯＣ類もまた、ＡＰＥＬTMという商標でMitsui Petrochemicals, Ltd.から入手可能である。
本発明の最も好ましいポリマーは、ポリ（フェニレンサルファイド）（ＰＰＳ）であり、優れた熱的性質、成形の容易さ、及び低損失正接（また誘電損率、誘電損失、または消散率とも呼ぶ）がその理由である。
セラミック材料または諸材料は、本ポリマーとは符号が反対の比誘電率の温度係数を有し、それにより比誘電率の熱係数ＴＣＫ′はほぼ互いに相殺する。ポリマーと、符号が反対のＴＣＫ′値を有するセラミック充填剤とを使用し、かつ、その量を調節するこの方法を、本明細書において「温度補償」と呼ぶ。ポリマーマトリックスは負のＴＣＫ′を有するので、セラミックスは正のＴＣＫ′を有する。
上述のように、少なくとも一種類のセラミック充填剤を使用し（「第一のセラミック」）、これはセラミックスの混合物としてよい。このセラミックスまたは混合物中の各セラミックは、約１５〜約２００の範囲内の比誘電率と、ゼロを超えるがしかし約３０００ppm／℃未満であるＴＣＫ′とを有する。かなりの高比誘電率を有するこの第一のセラミックを使用して、本組成物の比誘電率を、ほぼ所望の比誘電率にまでまたは所望の比誘電率にまで上げる。場合により用いる第二のセラミックもセラミックスの混合物としてよい。第二のセラミック材料または第二のセラミック充填剤類の各々は、第一のセラミックのＫ′より小さい比誘電率を有する。熱膨張率（ＣＴＥ）並びに比誘電率の制御を可能にするように、第二のセラミックを含ませる。特定の比誘電率を実現するためには多かれ少なかれ充填剤が必要なので、第一と第二のセラミックスの量は変化させることがある。より多くのセラミック充填剤を使用する場合、セラミックスは一般にポリマー類より低いＣＴＥを有するので、組成物はより低いＣＴＥを有する。組成物のＣＴＥを下げることによって、組成物のＣＴＥと組成物の上に積層する金属層、例えば銅のＣＴＥとの間の差がより小さくなる。金属ではさらにＣＴＥが低いので、組成物のＣＴＥと組成物から作られた基板の上に積層した金属層のＣＴＥとの間の差が大きく、これにより、積層品が加熱または冷却された時に応力が生じて、諸層間に応力を生じ、これは積層品の層間剥離または曲げの原因となることがある。従って、二種類のセラミックスを使用することで、特定の比誘電率と、できる限り小さい平均ＴＣＫ′と、低ＣＴＥとを実現するためのさらなる自由度が得られる。こうした諸特性は一般に、第一のセラミックを約２〜約６０体積％の量で、及び第二のセラミックを約５０体積％までの量で含ませることによって実現される。
好ましい組成物においては、第一のセラミックまたは第一のセラミックスの各々のＴＣＫ′は、正でありかつゼロと約３００ppm／℃の間であり、第二のセラミックまたは第二のセラミックスの各々のＴＣＫ′は、ゼロと約２００ppm／℃の範囲内にある。
本組成物、及び本組成物から作られた積層品及び他の成形製品の比誘電率は、−５０℃の低温からより高い温度の間の範囲にわたって測定した組成物または積層品の平均比誘電率の上下２％以内で変動する。より高い温度とは、８０℃か、または本組成物のガラス転移温度より１０℃低い温度のいずれか低い方である。好ましくは本組成物の比誘電率は、上記に言及した温度で、平均の上下１％以内で、最も好ましくは０．５％以内で変動する。本組成物の比誘電率の変動性は、最高温度で本組成物のガラス転移温度より１０℃低い温度まで測定し、というのは比誘電率は、組成物のガラス転移温度付近では急激に変化するからである。
セラミック及びポリマー−セラミック組成物における別の望ましい特性は一般に、低損失正接（誘電損率）である。低損失正接は有益であり、雑音を低減するために、かつ、高周波（約５００MHzを超える）での信号損失を最小にするためにしばしば必要である。好ましいセラミックスは全て、損失正接が低い。
第一のセラミックは好ましくは、ジルコン酸カルシウム、ジルコン酸ストロンチウム、ＣａＴｉＳｉＯ5、ジルコン酸鉛、ジルコニア及びこれらの混合物からなるセラミックスの群から選択される。場合により用いる第二のセラミックは好ましくは、酸化アルミニウム、チタン酸マグネシウム、マイカ、二酸化ケイ素（例えば溶融シリカ）、ベリリア、スピネル、及びトリアからなる群から選択される。二酸化ケイ素にはまた、必要な値のＴＣＫ′とＫ′とを有するケイ酸塩類（例えば石英ガラス、アルカリケイ酸鉛及び高鉛のアルカリケイ酸鉛（high lead alkali silicate））も含まれる。これらは周知であり、”Ceramic Dielectrics and Capacitors,”by J.M. Herbert, Gordon and Breach Science Publishers, New York, 1985, page 228に説明されている。典型的な石英ガラス（９６％）は酸素以外に、９４．３％のＳｉ、０．２％のＮａ、０．１％のＫ、４．９％のＢ、及び０．５％のＡｌを含む。典型的なアルカリケイ酸鉛は、６８％のＳｉ、１６％のＮａ、８％のＫ、０．３５％のＣａ、０．３％のＭｇ、６％のＰｂ、０．４％のＢ、及び０．８％のＡｌを含む。典型的な高鉛のアルカリケイ酸鉛は、５８．５％のＳｉ、１５．５％のＫ及び２６％のＰｂを含む。これらは全て、上記に列記した範囲に入るＫ′とＴＣＫ′の値を有し、こうした二つの群のセラミックスのＫ′とＴＣＫ′の値を列記する表１と２に示す通りである。これらはまた、損失正接が低い。
セラミックスの非常に好ましい組合せにおいては、第一のセラミックはジルコン酸カルシウムであり、第二のセラミックは、マイカ、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、及びチタン酸マグネシウムからなる群から選択される一種類以上のセラミックスである。特定の用途においては、この第二のセラミックは、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、及びチタン酸マグネシウムからなる群の一種類以上のセラミックスとマイカとの混合物であることが望ましい。この最後の組合せは、特定の用途のために組成物を設計する際にもう一つの自由度を付け加えるので望ましい。これは第一と第二のセラミックスの両方を使用し、これにより、積層品中の金属層のような他の諸材料とのＣＴＥの大きな不整合を避けるために十分に大きな体積のセラミックを用いて、特定の比誘電率を実現することが可能になる。加えて、第二のセラミックは、平らな粒子の形態（板状粒子）のマイカと、それに加えて、形状がより球形の酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、及び／またはチタン酸マグネシウムを含む。マイカは、押出しまたは射出成形方法の最中に平坦な基板中で整列し、それにより平らな板状粒子は、基板の平面と平行になる。これにより、ｚ方向（基板に垂直）と比較して、ｘとｙ方向の間にかなりのＣＴＥの差が生じ、これは純粋なマイカ単独の場合にも起きる通りである。形状がほぼ球形の粒子では、ｚ方向と比較して、ｘとｙ方向にはＣＴＥの非常に小さい異方性を生じるのみである。従って、ｚ方向と比較してｘとｙ方向の間の差があることが望ましいかまたは許容できる状況では、球形の幾何学的形状を有するセラミックスと組合せてマイカを使用することで、ｚ方向におけるものとは異なるように、ｘとｙ方向におけるＣＴＥを所望の通り制御できる。ＣＴＥの異方性が望ましくない場合、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、またはチタン酸マグネシウム、またはこれらの組合せを好ましくは第二のセラミックとして、マイカ無しで使用する。
最後に、幾つかの組成物においては、ジルコン酸カルシウムを充填剤として、他のセラミックス無しで使用するのが望ましい。従って、ポリ（フェニレンサルファイド）中にジルコン酸カルシウムを他の充填剤無しで使用する組成物は、有利な特性を有する。特に、これは非常に損失正接が低い。
本発明において使用してよいセラミック材料は、従来技術において周知である。多くは市販されている。他は周知の方法により容易に合成できる。例えば、金属チタン酸塩類及びジルコン酸塩類は、所望の生成物を得るために必要な化学量論的比で金属酸化物類をシンタリングすることによって、作ることができる。合成方法に関してさらに詳しくは、例えば”Ceramic Dielectrics and Capacitors,”by J.M. Herbert, Gordon and Breach Science Publishers, New York, 1985を参照されたい。ジルコン酸カルシウムは幾つかの製造業者から入手可能である。ジルコン酸カルシウムとチタン酸マグネシウムとは両方ともTam Ceramics, Niagara Falls, NYから入手可能であり、それぞれＴＩＣＯＮ（登録商標）１１０及びＴＩＣＯＮ（登録商標）７５として販売されている。マイカ、酸化アルミニウム、及び二酸化ケイ素は多くの用途において広く使用されており、本明細書において開示する高誘電体セラミックス無しで、補強充填剤としてしばしば使用される。
ＰＰＳ中のジルコン酸カルシウムのコンパウンドは容易に合成でき、フィルムまたはシートの射出成形または押出しのような方法により、容易に成形物品に製造できる。ジルコン酸カルシウムは、約０．２ミクロン〜約１０ミクロンの、好ましくは約１ミクロン〜約２ミクロンの範囲内の平均粒径を有する粉末として、好ましくは使用する。より大きいまたはより小さい粒径も使用でき、これは製造対象となる物品の大きさと形状とによって決まる。所望の性質を実現するために、ＣａＺｒＯ3の量を調節し、かつ、場合により用いる第二のセラミック材料、例えばチタン酸マグネシウム、酸化アルミニウム、マイカ、二酸化ケイ素、またはこれらの幾つかまたは全ての混合物のうち一つを加えることによって、コンパウンドの電気的性質は特定の用途のために容易に微調整できる。全てのレベルのＣａＺｒＯ3で損失正接は低く、一般に周波数２．０GHzで０．００３を超えない。その上、こうした組成物を混合し及び射出成形するのは容易なので、再現性のある比誘電率を有する（すなわち、同じ組成物は常に同じ比誘電率を有する）特定の組成物を作ることができる。
高誘電体セラミックまたはセラミックスの他に、他の添加剤も本ポリマー組成物に含ませてよい。これは、酸化防止剤、型潤滑剤、光安定剤、離型剤、着色剤、サイジング及びカップリング剤、他の補強充填剤、及び、低比誘電率を有し、第一と第二のセラミック材料のどちらにも含まれていないセラミック材料が挙げられる。
本明細書において開示する高誘電体ポリマー組成物は、ポリマー類と充填剤類とのコンパウンドを作るための標準的な方法によって作る。こうした方法は典型的には、充填剤とポリマーとを、ポリマーを融解するのに十分な高さの温度で混合することを含む。二軸スクリュー押出機中でポリマーとセラミック充填剤とを配合するのは、好ましい方法である。
本ポリマー組成物は、容易に成形物品にできる。本組成物は、フィルム、シート、プラーク、円板、及びエレクトロニクスにおいて基板として特に有用な他の平坦な形状に成形できる（例えばプリント回路板）。三次元形状も作ることができる。本ポリマー類は多くの方法によって成形してよく、例えば押出し、射出成形、及び圧縮成形である。フィルムとシートは典型的には、射出成形または押出し方法によって作る。
高比誘電率と低損失正接とを有する積層品も、こうしたポリマー組成物から容易に作ることができる。そのような積層品は、例えばアンテナ、フィルタ、カップラ、スプリッタ、及びその他同様なもの等の回路を作る際に特に有用である。本積層品は一般に、上記に説明した本ポリマー組成物の平坦な基板、例えばシート、フィルム、またはプラークを有し、これらは銅または他の金属の二つの層の間に置かれる。金属は必ずしも積層方法によって施用するものではなく、「積層品」という用語はより広い意味を有して、積層以外の方法によって作られた多層構造を含む。平坦な基板は、縁以外に二つの表面を有する。基板の厚さは選択の問題であり、用途によって決まるが、一般に約１ミル〜約５００ミルの範囲内にある。
平坦な基板の少なくとも一方の表面には、それに密着する金属層があり、一般に両方の表面に金属層がある。金属は電気導体として存在する。銅は好ましい金属であるが、他のものを使用してよく、例えば金、チタン、銀及びこれらの合金または銅との合金でよい。金属はコーティングの形態で含ませてよく、これは、コーティング処理によって、例えば気相蒸着またはスパッタリングによって、またはその表面が既に電気めっき用に活性化済みのシートの上に電気めっきすることによって施用する。金属を施用する好ましい方法は、実際の積層方法であり、それによって金属フィルムまたは箔を基板の表面の上に積層する。金属フィルムまたは箔は薄く、一般に約１／８ミル〜約１２ミルの範囲内である。金属フィルム及び箔を説明する際に、「箔」または「フィルム」という語を、本明細書において区別無く使用する。金属を充填済みポリマーシート（例えば、ポリ（フェニレンサルファイド））の上に積層するためには、接着剤を使用するか、またはポリマーをその融点に加熱してその間金属フィルムまたは箔をポリマーシートに押し付ける。代わりに、シートがまだ溶融または軟化状態にある間に、金属フィルムまたは箔を、充填済みポリマーの新たに押出したシートの上に積層でき、そのためには、シートが押出機のダイから現われた時に金属フィルムまたは箔をポリマーシートと共供給し、そして、金属フィルムまたは箔とポリマーシートとを、圧力を加える装置、例えば一組のローラーを通過させる。積層品を作るための最も便利な方法は、金属フィルムまたは箔を型の内壁に押し付け、次に溶融ポリマーを圧力下で型内に射出成形方法で供給することである。成形処理中の圧力により、ポリマーが冷却し硬化した後に、良好な密着を有する積層品が得られる。好ましい金属箔は、一方の面が無光沢表面であり、これにより金属とポリマーとの間の密着を促進する。箔の無光沢表面の表面プロファイルが、算術平均粗さ値約１ミクロン及び平均の山から谷までの高さ約１０ミクロンであるような箔を得ることができる。こうしたものからは、許容できる密着が得られる。無光沢面の表面粗さを大きくするように処理済みの箔も得ることができる。こうしたものからは、より良好な密着が得られ、好適である。
上述のように、反りを避けるように積層品を作る際に、低熱膨張率がしばしば必要となる。反りは、平坦な基板のＣＴＥとそれに積層した銅のＣＴＥとの間の不整合が大きいために生じることがある。基板の両方の表面に接して銅がある限りは、たとえＣＴＥ値の不整合から生じる力があっても反りは無い。それに続く取り扱いの最中に一方の表面から銅が除去されると、積層品は曲がることがある。本ポリマー組成物と本積層品では充填剤レベルが高いので、ＣＴＥが低下し、これは銅のＣＴＥにより近く、応力の低減と反りの低減とをもたらす。
本誘電体積層品を積み重ねるかまたは相互接続することで、熱可塑性組成物と金属との交互の層を有する多数の層を有する基板を形成できる。諸層は、様々な比誘電率と様々な厚さとを有することができ、マルチチップモジュールと回路基板とのための基板を形成できる。
本高誘電体複合物と積層品とは多くの用途を有する。例えば、シート、フィルム、プラーク及びその他同様なものは全て、マイクロ波の周波数で使用可能なプリント回路板を作るための基板として使用してよい。平坦な基板の他の用途としては、高エネルギー密度キャパシタ、フィルタ、アンテナ、埋設構成要素、及びマルチチップモジュールが挙げられる。こうした諸材料が特に有用となる用途は、無線装置用のプリント回路アンテナ、例えばマイクロストリップ、ダイポール、及びパッチアンテナである。こうした種類のアンテナは、基板がセラミックなので典型的には平坦であり、従ってその放出した信号と受信信号に対する応答とには指向性がある。こうした諸材料は湾曲または他の成形形態に容易に作ることができ、それによりアンテナ応答の指向性（送信または受信のいずれでも）を所望の通りに変更できる。他の用途としては、印刷した（ストリップラインまたはマイクロストリップ）及びマイクロ波回路要素、例えば伝送線、誘導子、キャパシタ、フィルタ（例えば低域通過フィルタ、高域通過フィルタ、帯域通過フィルタ、及び帯域消去フィルタ）、信号カプラー、分岐線カプラー、電力スプリッタ、信号スプリッタ、インピーダンス変成器、半波及び四分の一波変成器、及びインピーダンス整合回路が挙げられる。
本発明を、以下の実施例によってさらに説明するが、これは限定するものではない。この実施例では全て、熱可塑性ポリマーとしてポリ（フェニレンサルファイド）を使用するが、しかし温度補償を有する高誘電体組成物は、Ｋ′２と３．５の間及びＴＣＫ′０と−３００ppm／℃の間を有する他のポリマー類から作ることができる。
実施例１〜２
ポリ（フェニレンサルファイド）とジルコン酸カルシウムとの一連の二つの組成物を、表３に示す比率を用いて作った。Hoechst Celanese Corporation, Bridgewater, NJから入手したＦＯＲＴＲＯＮ（登録商標）Ｗ２０３ポリ（フェニレンサルファイド）を、ＢＲＡＢＥＮＤＥＲTMメルトミキサー中で、Tam Ceramics, Inc., 4511 Hyde Park Boulevard, Niagara Falls, NY 14305から購入したＴＩＣＯＮTMジルコン酸カルシウムと共に配合した。押出機のダイ温度は約３００℃であり、スクリュー速度は６０rpmだった。配合した生成物を水中に押出し、ペレット化した。配合前のセラミックは、平均粒径約１〜２ミクロンの範囲を有する粉末だった。
ペレット化したコンパウンドを厚さ１／８インチ（直径２〜２．５インチ）の円板にするために、融点である約３００℃〜３１０℃で、ＢＯＹ３０Ｍ射出成形機を使用して射出成形した。２．０GHz、２０℃での比誘電率と損失正接とを、ＡＳＴＭ試験方法Ｎｏ．Ｄ２５２０、方法Ｂに従って、空洞共振技術によって測定した。このデータを表３に提示する。比較として、２GHz、２１℃でのポリ（フェニレンサルファイド）の比誘電率及び損失正接は、それぞれ３．１及び０．００２３だった。
実施例３
ＦＯＲＴＲＯＮ  Ｗ２０３、ジルコン酸カルシウム、及びマイカのコンパウンドを、実施例１〜２で使用した方法と同じ方法で作り、ただし共充填剤としてマイカを加えた。マイカはKMG Minerals, Inc., Kings Mountain, North Carolina 28086から入手し、Ｌ−１４０と呼ばれる。マイカは、平均粒径約７０ミクロンを有する板状粒子の形態だった。誘電測定は、実施例１〜２の方法と同じ方法を使用して行った。組成と誘電測定値とを表３に示す。
上記に説明した本発明の実施例は例示にすぎず、当業者であればあらゆる点での修正に気付き得ることは理解できるはずである。従って本発明を、本明細書において説明した実施例に限定されるものとみなすべきではない。
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