專利名稱：一種發(fā)黃光的低溫共燒陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子陶瓷材料及發(fā)光材料領(lǐng)域，涉及一種發(fā)黃光的低溫共燒陶瓷材料及其制備方法。該陶瓷材料可用于白光LED領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
作為新一代固體照明光源，白光發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)比傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈具有更高的使用壽命、發(fā)光效率、綠色環(huán)保性和可靠性。目前，實(shí)現(xiàn)白光LED最常用方法是將藍(lán)光LED (InGaN)和被藍(lán)光激發(fā)時(shí)發(fā)射出黃光的釔鋁石榴石熒光粉 (YAG:Ce3+)組合起來，而InGaN / YAG:Ce3+白光LED遇到了顯色性和發(fā)光效率的困難。據(jù)文獻(xiàn)1 (半導(dǎo)體技術(shù)，2008，33(4): 281-285)報(bào)道，LED的光學(xué)特性必須通過封裝來實(shí)現(xiàn)， 而解決上述困難的重要途徑之一是改善LED的封裝技術(shù)。國內(nèi)外研究者開始關(guān)注改善LED 的封裝技術(shù)及黃色熒光粉的熒光發(fā)光特性。在LED 的封裝技術(shù)中，低溫共燒陶瓷 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。LTCC是一類用于實(shí)現(xiàn)高集成度、高性能的電子封裝材料。Lamina Ceramics公司自行研制了低溫共燒陶瓷基板(LTCC-M)，并開發(fā)了相應(yīng)的LED封裝技術(shù)。鈣硼硅系微晶玻璃能夠作為LTCC基板材料，美國的Ferro公司生產(chǎn)的A6系列產(chǎn)品，就是屬于 CBS系列的微晶玻璃，由于其性能優(yōu)良，為國內(nèi)外各單位用來制備最終產(chǎn)品。如果能將發(fā)光材料與作為封裝材料的LTCC陶瓷材料一體化，將簡化LED封裝工藝，從而提高發(fā)光效率。但目前國內(nèi)外未見相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種燒結(jié)溫度低，介電常數(shù)可控，介質(zhì)損耗低，機(jī)械強(qiáng)度高同時(shí)具有優(yōu)良的黃色發(fā)光性能的低溫共燒陶瓷材料及其制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種發(fā)黃光的低溫共燒陶瓷材料，該陶瓷材料的各組分的摩爾百分比為
CaO 15 20% ；
SiO2 60 70% ；
B2O3 10 25% ；
激活劑離子1 9% ；
電荷補(bǔ)償劑離子1 9%。本發(fā)明的另一目的是提供一種發(fā)黃光的低溫共燒陶瓷材料的制備方法，具體包括以下步驟
步驟1 將占摩爾百分比為60 70%的Si (OC2H5)Jgj入以體積比為1:1的分析純乙醇中，加入穩(wěn)定劑乙酸，攪拌制得有機(jī)溶液；
步驟2 再將占摩爾百分比為15-20%的CaC03、、占摩爾百分比為1_9%的激活劑離子所對(duì)應(yīng)量的含有Tb的氧化物或含有Tb與Ce 二者氧化物混合物、占摩爾百分比為1-9%的電荷補(bǔ)償劑離子所對(duì)應(yīng)量的含有Li、K、Na中一種的碳酸鹽放入燒杯中，加入水=HNO3的體積比=1 1的混合溶液中溶解至澄清，制得無機(jī)溶液；
步驟3 然后將步驟2制備得到的無機(jī)溶液緩慢倒入步驟1制備得到的有機(jī)溶液中，采用硝酸做催化劑并用硝酸調(diào)整溶液PH值到2 3，在80°C的水浴中攪拌2小時(shí)制得凝膠；
步驟4 將步驟3制好的凝膠放入烘箱中，在溫度為95°C烘干后再放入馬弗爐中 700°C預(yù)燒3h，粉碎后過80目篩，加入占摩爾百分比為15-20% B2O3所對(duì)應(yīng)量的H3BO3，球磨 4小時(shí)、干燥、然后加PVA造粒、在溫度為825°C下在還原氣氛中燒結(jié)保溫3小時(shí)后得到摻雜稀土離子的發(fā)黃光的低溫共燒陶瓷材料。本發(fā)明通過改變體系的燒結(jié)溫度和激活劑添加量來改善和控制材料的燒結(jié)收縮率、介電常數(shù)及發(fā)光強(qiáng)度等性能。本發(fā)明可以較好的實(shí)現(xiàn)LTCC工藝，同時(shí)在藍(lán)光的激發(fā)下可以很好的發(fā)出黃光，可用于白光LED照明領(lǐng)域。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
1)發(fā)光強(qiáng)度好，提高了發(fā)光效率。該體系材料在460nm 490nm波長的藍(lán)光激發(fā)下可以發(fā)出約541nm左右的黃光，可以很好的與藍(lán)光LED發(fā)出的光組合成白光；
2)在制備LTCC基板的過程中加入稀土發(fā)光離子，使LTCC基板在發(fā)光芯片的激發(fā)下發(fā)光，預(yù)計(jì)可應(yīng)用在LED燈的制作中，將
制備熒光粉及熒光粉涂敷的工序合二為一，從而可簡化制作工藝。3)燒結(jié)溫度低，燒結(jié)范圍寬(800 950°C)；
4)介電常數(shù)、燒結(jié)收縮率可控。通過控制體系的燒結(jié)溫度，從而控制燒結(jié)收縮率在 13 20%之間變化，介電常數(shù)在3 7 (IMHz)之間變化；介質(zhì)損耗低(< 0. 002)；
5)強(qiáng)度和熱物理性能適當(dāng)，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度>140Mpa；熱膨脹系數(shù)在4 Tppm·!^之間 (20 360°C)，數(shù)值上較接近Si芯片或GaAs芯片的熱膨脹系數(shù)；
6)制備工藝先進(jìn)，采用Sol-Gel，起始反應(yīng)活性高、各組份相互混合時(shí)均勻性好、合成溫度低、節(jié)省能源等，制得的玻璃粉加入粘接劑后可直接燒結(jié)；
7)不僅可以應(yīng)用于白光LED領(lǐng)域，也可以應(yīng)用于LTCC基板材料、微電子封裝材料領(lǐng)域。


圖1為實(shí)施例1樣品CaO-B2O3-SiO2 5% Tb3+在483nm光激發(fā)下的發(fā)射光譜圖。圖2為實(shí)施例1樣品CaO-B2O3-SiO2 5% Tb3+的激發(fā)光譜圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明。實(shí)施例一
1)按照以下比例稱取分析純占摩爾百分比為60%Si (OC2H5) 4、摩爾百分比為15%的CaCO3 、摩爾百分比為15%的B2O3所對(duì)應(yīng)量的H3BO3、摩爾百分比5%的含有Tb的所對(duì)應(yīng)量的Tb4O7 和摩爾百分比為5%的含有K所對(duì)應(yīng)量的K2C03。首先將分析純乙醇倒入Si (OC2H5)4中(正硅酸乙酯乙醇的體積比=1:1)，并加入穩(wěn)定劑乙酸，室溫下攪拌，制得有機(jī)溶液。2)將CaCO3，Tb4O7和K2CO3粉末放入燒杯中并加入HNO3溶液(水=HNO3的體積比 =1:1)使其溶解至澄清，制得無機(jī)溶液。
3)將無機(jī)溶液緩慢倒入有機(jī)溶液中，采用硝酸做催化劑并用硝酸調(diào)整溶液PH值使其為3，在80°C的水浴中攪拌2小時(shí)制得凝膠；
4)將步驟3)制備好的凝膠放入烘箱中95°C烘干后再放入馬弗爐中于700°C預(yù)燒3h， 粉碎后過80目蹄，加入H3BO3，球磨4小時(shí)后干燥，然后加PVA造粒、壓片、825°C下在還原氣氛中燒結(jié)保溫3小時(shí)后得到摻雜Tb3+的發(fā)光低溫共燒陶瓷材料。5)將燒結(jié)后的樣品直接進(jìn)行熒光測試；被銀、燒銀后進(jìn)行介電性能測試。得到的樣品其性能指標(biāo)如下
最大藍(lán)光激發(fā)波長和最大發(fā)射波長分別是483nm和541nm。介電常數(shù)ε r (IMHz)為3. 7，介電損耗系數(shù)tan δ (IMHz)為0. 0015，徑向收縮率為19. 6%，密度2. 95g/cm3，熱膨脹系數(shù)(20 360°C)為4. 9ppm/K，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度為146MPa。實(shí)施例二
1)按照以下比例稱取分析純占摩爾百分比為65%Si (OC2H5) 4、摩爾百分比為15%的CaCO3 、摩爾百分比為13%的B2O3的所對(duì)應(yīng)量的H3BO3、摩爾百分比2. 5%的含有Tb、Ce的所對(duì)應(yīng)量的Tb4O7和&02和摩爾百分比為3. 5%含有K所對(duì)應(yīng)量的K2C03。首先將一定量的分析純乙醇倒入Si (OC2H5)4中(正硅酸乙酯乙醇的體積比=1:1)，并加入穩(wěn)定劑乙酸，室溫下攪拌，制得有機(jī)溶液。2)將CaCO3，Tb4O7, CeO2和K2CO3粉末放入燒杯中并加入HNO3溶液(水=HNO3的體積比=1:1)使其溶解至澄清，制得無機(jī)溶液。3)將無機(jī)溶液緩慢倒入有機(jī)溶液中，采用硝酸做催化劑并用硝酸調(diào)整溶液pH值使其為2，在80°C的水浴中攪拌2小時(shí)制得凝膠；
4)將步驟3)制備好的凝膠放入烘箱中95°C烘干后再放入馬弗爐中于700°C預(yù)燒3h， 粉碎后過80目蹄，加入H3BO3，球磨4小時(shí)后干燥，然后加PVA造粒、壓片、825°C下在還原氣氛中燒結(jié)保溫3小時(shí)后得到摻雜Tb3+、Ce3=的發(fā)光低溫共燒陶瓷材料。5)將燒結(jié)后的樣品直接進(jìn)行熒光測試，得到的樣品的發(fā)光性能指標(biāo)如下 最大藍(lán)光激發(fā)波長和最大發(fā)射波長分別是483nm和541nm。實(shí)施例三
1)按照以下比例稱取分析純占摩爾百分比為70%Si (OC2H5)4、摩爾百分比為18%CaC03、 摩爾百分比為10%的B2O3的所對(duì)應(yīng)量的H3BO3、摩爾百分比1%的含有Tb的所對(duì)應(yīng)量的 Tb4O7和摩爾百分比為1%的含有Na所對(duì)應(yīng)量的Na2CO3 。首先將一定量的分析純乙醇倒入Si (OC2H5)4中(正硅酸乙酯乙醇的體積比=1:1)，并加入穩(wěn)定劑乙酸，室溫下攪拌，制得有機(jī)溶液。2)再將CaCO3，Tb4O7,和Na2CO3粉末放入燒杯中并加入HNO3溶液(水=HNO3的體積比=1 1)使其溶解至澄清，制得無機(jī)溶液。3)將無機(jī)溶液緩慢倒入有機(jī)溶液中，采用硝酸做催化劑并用硝酸調(diào)整溶液pH值使其為2. 5，在80°C的水浴中攪拌2小時(shí)制得凝膠；
4)將步驟3)制備好的凝膠放入烘箱中95°C烘干后再放入馬弗爐中于700°C預(yù)燒3h， 粉碎后過80目蹄，加入H3BO3，球磨4小時(shí)后干燥，然后加PVA造粒、壓片、825°C下在還原氣氛中燒結(jié)保溫3小時(shí)后得到摻雜Tb3+的發(fā)黃光低溫共燒陶瓷材料。5)將燒結(jié)后的樣品直接進(jìn)行熒光測試，得到的樣品的發(fā)光性能指標(biāo)如下最大藍(lán)光激發(fā)波長和最大發(fā)射波長分別是483nm和541nm。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)黃光的低溫共燒陶瓷材料，其特征在于，該陶瓷材料的各組分的其摩爾百分比為CaO 15 20% ；SiO2 60 70% ；B2O3 10 25% ；激活劑離子1 9% ；電荷補(bǔ)償劑離子1 9%。
2.一種發(fā)黃光的低溫共燒陶瓷材料的制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟 步驟1 將占摩爾百分比為60 70%的Si (OC2H5)Jgj入以體積比為1:1的分析純乙醇中，加入穩(wěn)定劑乙酸，攪拌制得有機(jī)溶液；步驟2 再將占摩爾百分比為15-20%的CaC03、、占摩爾百分比為1_9%的激活劑離子所對(duì)應(yīng)量的含有Tb的氧化物或含有Tb與Ce 二者氧化物混合物、占摩爾百分比為1-9%的電荷補(bǔ)償劑離子所對(duì)應(yīng)量的含有Li、K、Na中一種的碳酸鹽放入燒杯中，加入水=HNO3的體積比=1 1的混合溶液中溶解至澄清，制得無機(jī)溶液；步驟3 然后將步驟2制備得到的無機(jī)溶液緩慢倒入步驟1制備得到的有機(jī)溶液中，采用硝酸做催化劑并用硝酸調(diào)整溶液PH值到2 3，在80°C的水浴中攪拌2小時(shí)制得凝膠；步驟4 將步驟3制好的凝膠放入烘箱中，在溫度為95°C烘干后再放入馬弗爐中 700°C預(yù)燒3h，粉碎后過80目篩，加入占摩爾百分比為15-20% B2O3所對(duì)應(yīng)量的H3BO3，球磨 4小時(shí)、干燥、然后加PVA造粒、在溫度為825°C下在還原氣氛中燒結(jié)保溫3小時(shí)后得到摻雜稀土離子的發(fā)黃光的低溫共燒陶瓷材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用Sol-Gel合成的鈣硼硅系發(fā)黃光的低溫共燒陶瓷材料及其制備方法，其中摻雜的激活劑為Ce3+、Tb3+的一種或兩種。該材料的各組分的摩爾百分比為15～20%的CaO、60～70%的SiO2、10～25%的B2O3、1～9%的激活劑離子和1～9%的電荷補(bǔ)償劑離子。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)發(fā)光強(qiáng)度好，在460nm～490nm波長的藍(lán)光激發(fā)下可以發(fā)出541nm左右的黃光。該材料制成的LTCC基板可在發(fā)光芯片的激發(fā)下發(fā)光，預(yù)計(jì)可應(yīng)用在LED燈的制作中，可簡化制作工藝。故可應(yīng)用于白光LED、LTCC基板材料、微電子封裝材料領(lǐng)域。燒結(jié)溫度低且范圍寬，燒結(jié)收縮率可控。介電常數(shù)在3～7(1MHz)之間可調(diào)，介電損耗在0.002以下。機(jī)械強(qiáng)度高，熱性能良好。
文檔編號(hào)C04B35/622GK102320822SQ20111023549
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月16日
發(fā)明者劉世香, 劉丹, 周濟(jì), 周花蕾, 常志東, 李文軍, 車平 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)