專利名稱：：一種低介電常數(shù)低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及應(yīng)用于片式多層微波元器件的一種低介電常數(shù)低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷及其制備方法，屬于材料科學(xué)
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：為滿足現(xiàn)代通訊設(shè)備的集成化、小型化的要求，微波介質(zhì)器件作為主要元件之一，也急需小型化和輕量化。實現(xiàn)這一目標(biāo)的重要途徑是采用多層集成電路技術(shù)(筒稱MLIC)。在多層片式微波元器件設(shè)計中，為降低其制造成本，一般采用高電導(dǎo)率的Cu或Ag作為內(nèi)電極，而Cu和Ag的熔點分別是1064。C和96rC。因此，開發(fā)Ag或Cu共燒的低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷是非常必要的。目前，已開發(fā)出BiNb04、ZnO-Ti02、MgO-Ti02、Li20-Nb205-Ti02、BaO-Nd2OrTi02、BaO-Nb205等體系低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷。GuoYP等在《JournalofEuropeanCeramicSociety》2006年26巻1827-1830頁發(fā)表的"CharacterizationanddielectricbehaviorofwillemiteandTiO2-dopedwillemiteceramicsatmillimeter-wavefrequency"—文公開了Zri2Si04微波介質(zhì)陶瓷在12801340。C燒結(jié)的介電性能介電常數(shù)&為6.6,品質(zhì)因數(shù)Qf值為219,000GHz,頻率溫度系數(shù)Tf為-61xl(r，C.通過添加11wt。/。Ti02可使其頻率溫度系數(shù)Tf調(diào)節(jié)到0,1250。C燒結(jié)的陶瓷性能介電常數(shù)9.3，品質(zhì)因數(shù)Qf值為113,000GHz,頻率溫度系數(shù)Tf為1.0xl(T6/°C。中國發(fā)明專利200510019420.5公開了一種低介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料，該材料的成分組成為uZnO-vSi02-wTi02的固溶體介質(zhì)陶瓷，其中58.0mol.%69.0mol.%,28.0mol.%^v^35.0mo1.%，3.0mol.%^w^7mo1.%，該發(fā)明材料的特征是材料燒結(jié)溫度約12501300°C,介電常數(shù)7~8之間，Qf=10000~25000GHz。以上研究表明ZnO-Si02系具有優(yōu)良的微波性能，但其燒結(jié)溫度較高(120(TC以上)，要與Ag電極共燒，需將其燒結(jié)溫度降至960。C以下。為降低該陶瓷體系燒結(jié)溫度，發(fā)明人在《JapaneseJournalofAppliedphysics》2006年45巻5A期4143-4145頁發(fā)表的"ANewsystemofLowTemperatureSinteringZnO-SiO2DielectricCeramics"—文公開了以Li2C03-Bi203作為助劑降低ZnO-Si02陶瓷燒結(jié)溫度的技術(shù)方案，5wt0/oLi2COr4wt%Bi203可使ZnO-SiO2陶瓷燒結(jié)溫度降至910。C，其介電性能為er為6.65,品質(zhì)因數(shù)Qf值為33，000GHz,頻率溫度系數(shù)Tf為-70xlO勺。C.該研究的主要缺陷是頻率溫度系數(shù)太大，無法滿足器件穩(wěn)定性對低Tf要求。為調(diào)整摻雜Li2C03-Bi203的低溫?zé)Y(jié)ZnO-Si02陶瓷Tf，發(fā)明人前期選用Ti02作為Tf調(diào)節(jié)劑，研究發(fā)現(xiàn)Ti02會與Li2C03-Bi203中的81203發(fā)生反應(yīng)生成化合物，Ti02起不到調(diào)節(jié)Tf作用，同時導(dǎo)致燒結(jié)溫度大大提高(燒結(jié)溫度1050°C)。因此，必須尋找新的降溫助劑和Tf調(diào)節(jié)劑，實現(xiàn)ZnO-Si02系陶資低溫?zé)Y(jié)和Tf可調(diào)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，選用特定的降溫助劑和Tf調(diào)節(jié)劑，提供一種介電常數(shù)610,高品質(zhì)因數(shù)Qf值、頻率溫度系數(shù)Tf可調(diào)且能與銀電極共燒的低介電常數(shù)低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷，同時材料制備工藝簡單、對設(shè)備和車間環(huán)境無特殊要求，便于批量生產(chǎn)及應(yīng)用推廣。本發(fā)明的低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷技術(shù)方案是以(Zn^Mgx)0-ySi02為成分，Ti02為副成分，調(diào)節(jié)微波介質(zhì)陶瓷頻率溫度系數(shù)，Li20-B203合成物為添加劑，降低[(Zn,-xMgx)0-ySi02]+Ti02復(fù)合陶瓷燒結(jié)溫度，使其能與低成本電極Ag共燒。一種低介電常數(shù)低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷，其原料組成為[(ZnLxMgx)0-ySi02+awt。/oTi02]+bwt%[zLi20-(l-z)B203],其中O^x^l，0.5^1,0^20,0<t^l5,0<z<1。上述組成的優(yōu)化方案為一種低介電常數(shù)低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷，其原料組成為[(Zn。.8Mga2)O-0.5SiO2+10wt%TiO2]+3wt%。一種低介電常數(shù)低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷的制備工藝，包括以下步驟(1)先將氧化鋅(ZnO)、輕質(zhì)氧化鎂(MgO)、二氧化硅(Si02)按(ZnLxMgx)0-ySi02化學(xué)式配料混合，在10501150。C預(yù)燒26h，合成主成分(Zn!.xMgx)0-ySi02,其中0SxSl，0.5^^1;(2)將碳酸鋰(Li2C03),硼酸(H3B03)按zLi20-(l-z)B203比例混合，在500700。C預(yù)燒l~3h，合成Li20-B203添加劑，其中0<z<1;(3)將合成的主成分(ZriLxMgx)0-ySi02、Li20-B203添加劑及Ti02原料按[(ZriLxMgx)0-ySi02+awt。/。Ti02]+bwt%[zLi20-(l-z)B203]瓷料組成配料，其中02x^1,0.5￡ySl，0^a^20,0<b^15,0<z<1,a為占(Zn!國xMgx)0-ySi02的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，b為占[(ZnLxMgx)0-ySi02+awt。/。Ti02]的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，，得到用于制備低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷的粉料，將粉料壓制成直18mm、厚度810mm的圓薄片，在860960。C燒結(jié)，保溫l4h,即可得到本發(fā)明的材料。采用上述配方及制備方法組成的本發(fā)明，可得到s產(chǎn)610,Qf>10000GHz，諧振頻率系數(shù)Tf的低溫?zé)Y(jié)(燒結(jié)溫度^96(TC)微波介質(zhì)陶f:,性能指標(biāo)可滿足片式多層微波(射頻)元器件設(shè)計要求，對推動我國低溫共燒技術(shù)、新型片式元器件、移動通信技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。本發(fā)明具有以下特點(1)復(fù)合添加Li20-B203合成物，促使[(ZnLxMgJO-ySi02]+Ti02復(fù)合陶瓷的燒結(jié)溫度從120(TC以上降至96(TC以下，可采用高導(dǎo)電率、低成本Ag作為新型片式元器件的內(nèi)電極。(2)通過Li2C03,H3B03熱處理形成Li20-B203合成物，解決了游離H3B03存在會導(dǎo)致料漿粘度偏大而難以流延成型的技術(shù)難題。(3)復(fù)合添加Li20-B203合成物不與1102反應(yīng)，克服了其它助劑與Ti02反應(yīng)而使單質(zhì)Ti02無法調(diào)節(jié)[(Zn,.xMgx)0-ySi02]陶瓷的頻率溫度系數(shù)的技術(shù)弁瓦頸。(4)材料對工藝和生產(chǎn)設(shè)備無特殊要求，工藝穩(wěn)定、重現(xiàn)性好，且原料價格低廉，可大大降低多層頻率器件的制備成本，完全滿足量產(chǎn)要求。具體實施例方式本發(fā)明將參照下述的實施例進一步詳細說明，當(dāng)然這些實施例并不是為了限制本發(fā)明的范圍。首先，將氧化鋅(ZnO)、輕質(zhì)氧化鎂(MgO)、二氧化硅(SK)2)按(Zn^Mgx)0-ySi02化學(xué)式配料，置于聚氨酯球磨桶中，加入氧化鋯球和去離子水球磨混合20h,烘干后在箱式爐或隧道爐于1100。C預(yù)燒4h,合成主成分(Zn^Mgx)0-ySi02。冷卻后球磨使其平均粒徑約lum備用。其次，將碳酸鋰(Li2C03),硼酸(H3B03)按zLi20-(l-z)B203比例配料，置于聚氨酯球磨桶中，加入氧化鋯球和無水乙醇球磨混合20h，烘干后在箱式爐或隧道爐于60(TC預(yù)燒2h,合成Li20-B203添加劑。冷卻后球磨使其平均粒徑小于1.5um備用。將合成的主成分(ZnLxMgx)0-ySi02、Li20-B203添加劑及7102原料按瓷料組成配料，置于聚氨酯球磨桶中，加入氧化鋯球和無水乙醇混合20h，烘干，加入5wt。/。聚乙烯醇(PVA)粘合劑造粒，在80Mpa壓力下壓制成直徑18mm,厚度10mm的圓薄片，在860~960。C燒結(jié)2h。制備的樣品表面用金剛砂拋光后，采用Ailment8719ET(0.05~13.5GHz)網(wǎng)絡(luò)分析儀，根據(jù)Hakki-Coleman測定介電常數(shù)&和品質(zhì)因子Qf,諧振頻率溫度系數(shù)Tf采用空腔法測定，由下列公式計算Tf=(f8()-f25)/(f25x55)，其中fso和f25分別是80。C和25。C下的諧振中心頻率。具體配方組成以及微波介電性能詳見表1。表1可見，隨著y(Si02)含量增大，陶瓷樣品的Sr和品質(zhì)因數(shù)Qf值降低，Tf向負溫度系數(shù)方向移動。x(Mg)含量^).5時，Mg的摻入拓寬了燒結(jié)溫區(qū)，Qf值和Sr略有升高，x(Mg)含量較高時，燒結(jié)溫度有所升高，Qf值降低。添加Ti02可起調(diào)節(jié)Tf作用，隨a(Ti02)含量增力。，陶乾樣品的Sr升高，Qf值降低，Tf向正溫度系數(shù)方向移動。Li20-B203組分間的配比對燒結(jié)溫度、介電性能有較大顯著，以1^20"6203(2=0.5)合成物制備的低溫?zé)Y(jié)陶瓷樣品各項性能最佳，隨Li20-B203合成物含量增大，陶瓷樣品的^和品質(zhì)因數(shù)Qf值都有所降低。在本實施例的所有成分中，x=0.2,y=0.5,z=0.5,a=10，b=3的組分點在900。C燒結(jié)具有最佳的樣i波介電性能sr=8.84,Q一l5500GHz，Tf=17.8xl(T6/°C。該組分材料可用于多層介質(zhì)天線、巴倫、各類濾波器等多層頻率器件設(shè)計生產(chǎn)。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權(quán)利要求1.一種低介電常數(shù)低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于瓷料組成為[(Zn1-xMgx)O-ySiO2+awt％TiO2]+bwt％[zLi2O-(1-z)B2O3]其中0≤x≤1，0.5≤y≤1，0≤a≤20，0＜b≤15，0＜z＜1，a為占(Zn1-xMgx)O-ySiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，b為占[(Zn1-xMgx)O-ySiO2+awt％TiO2]的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低介電常數(shù)低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷，其特征在于原料組成為[(ZnQ.8Mg().2)O-0.5SiO2+10wt%TiO2]+3wt%。3.—種低介電常數(shù)低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷的制備工藝，其特征在于(1)先將氧化鋅、輕質(zhì)氧化鎂、二氧化硅按(Zn!-xMgx)0-ySi02化學(xué)式配料混合，在10501150。C預(yù)燒26h,合成主成分(ZnkMgx)0-ySi02,其中0^1，0.5Sy$l;(2)將碳酸鋰，硼酸按zLi20-(l-z)B203比例混合，在500700。C預(yù)燒l~3h，合成Li20-B203添加劑，其中0<z<l;(3)將合成的主成分(Zn!-xMgx)0-ySi02、Li20-B203添加劑及1102原料按[(ZnLxMgx)0-ySi02+awt。/。Ti02〗+bwt%[zLi20(l-z)B203]瓷料組成配料，其中0SxSl，0.5SySl，0^a^20，0<b^l5,0<z<1,a為占(Zni.xMgx)0-ySi02的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，b為占[(Zni.xMgx)0-ySi02+awt°/。Ti02]的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，得到用于制備低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷的粉料，將粉料壓制成直18mm、厚度810mm的圓薄片，在860960。C燒結(jié)，保溫1~4h，即可得到本發(fā)明的材料。全文摘要本發(fā)明公開了一種低介電常數(shù)低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷，瓷料組成為[(Zn<sub>1-x</sub>Mg<sub>x</sub>)O-ySiO<sub>2</sub>+awt％TiO<sub>2</sub>]+bwt％[zLi<sub>2</sub>O-(1-z)B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]，其中0≤x≤1，0.5≤y≤1，0≤a≤20，0＜b≤15，0＜z＜1；本發(fā)明還公開了該瓷料的制備方法。本發(fā)明采用Li<sub>2</sub>O-B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>合成物，可促使(Zn<sub>1-x</sub>Mg<sub>x</sub>)O-ySiO<sub>2</sub>陶瓷燒結(jié)溫度從1200℃降至960℃以下；具有良好的微波介質(zhì)性能介電常數(shù)為6～10，品質(zhì)因數(shù)Qf＞12000GHz，頻率溫度系數(shù)可根據(jù)需要調(diào)節(jié)。本發(fā)明材料使用成本低、工藝穩(wěn)定、重現(xiàn)性好，可用于多層介質(zhì)天線、巴倫、各類濾波器等多層頻率器件設(shè)計生產(chǎn)，在工業(yè)上具有極大的價值。文檔編號C04B35/46GK101172848SQ20071015614公開日2008年5月7日申請日期2007年10月19日優(yōu)先權(quán)日2007年10月19日發(fā)明者史靈杭,張啟龍,輝楊,鄒佳麗申請人:浙江大學(xué)