專利名稱：微波介電材料系統(tǒng)及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及介電材料系統(tǒng)及其制造方法，特別是微波介電材料系統(tǒng)及其制造方法。
背景技術：
衛(wèi)星科技與通訊技術的日進千里，已然帶動新一波的經(jīng)濟革命；而微波介電材料系統(tǒng)(例如:微波介電陶瓷材料)因具有高介電常數(shù)(h或K)、良好的共振頻率溫度系數(shù)(Tf)及高質量因子(Q)等特性，成為帶動通訊科技發(fā)展的重要因素之一。微波介電材料是ー類用于現(xiàn)代通訊技術中微波電子組件的材料，用該材料所制成的共振器、濾波器、雙エ器、天線及多層陶瓷電容器等可廣泛應用于行動通訊、衛(wèi)星通訊以及通訊導航、雷達測控、預警系統(tǒng)等軍事領域。隨著電子通訊設備及組件的小型化及集成化，要求微波介電陶瓷材料具有盡可能高的介電常數(shù)、更高的質量因子以及很小的共振頻率溫度系數(shù)。在相同尺寸之下，介電常數(shù)低者可具有較高的共振頻率；而在相同共振頻率的前提之下，高K值材料則具有較小尺寸(小型化)的優(yōu)勢。h則愈趨近于零愈好，才不會因為溫度變化而影響通訊質量，不論是在北極或是赤道的通訊質量皆不受影響；在實際應用上，、較佳的范圍為<±10 ppm/°C。Q值愈高則頻寬愈窄，單ー頻段內可容許的頻道愈多；此外，Q值愈高表示損失愈小、訊號衰減率愈低；ー般而言，Qf(質量因子與共振頻率的乘積)S 6000 GHz較符合實際應用的所需。在電子產(chǎn)品輕薄短小化的趨勢下，并同時滿足較佳共振頻率溫度系數(shù)(T f < ± 10 ppm/°C )及較佳質量因子(Qfき6000 GHz)的需求下，則K值愈高愈好，以利于小型化。目前市面上所銷售具有較佳特性的微波介電陶瓷材料，其最高K值約90;而同時滿足較佳共振頻率溫度系數(shù)(T f < ±10 ppm/°C )及較佳質量因子(Qf ^ 6000 GHz)的最高介電常數(shù)達約95。以下例舉數(shù)個微波介電材料系統(tǒng)的現(xiàn)有技術文獻，并簡述其作法及缺點?，F(xiàn)有技術文獻1 (US 6，331，499):
作法=BaO-TiO2-Nd2O3-Sm2O3 材料系統(tǒng)，并以 Bi2O3' La203、Pr2O3> Eu2O3 等，部分取代Nd2O3;介電常數(shù)(e或K)、質量因子(Qf)及共振頻率溫度系數(shù)(Tf)三項特性分別為82.5 92.5、6000 7300 GHz 及 10 _20 ppm/。。。缺點:現(xiàn)有技術文獻I的介電常數(shù)(e )尚不夠高，因介電常數(shù)愈高愈有利于組件小型化，故現(xiàn)有技術文獻I不利于組件小型化。另外，現(xiàn)有技術文獻I的共振頻率溫度系數(shù)(Tf)也還不夠好；一般而言，h愈接近于零愈好，表示通訊質量比較不會受環(huán)境溫度的影響?，F(xiàn)有技術文獻2 (US 6，380，117):
作法:xBa0-yRE203-zTi02 材料系統(tǒng)，x+y+z=100 mol%。其中，RE2O3 ={ (Sm2O3) (Nd2O3)a(La203)b}，a+b〈l及(1-a-b) ^ 0.7 ;并添加0.1 5 セ％堿金屬氧化物及0.1 5wt%的Bi203。在實際應用上，現(xiàn)有技術文獻2的共振頻率溫度系數(shù)(T f)在較佳范圍內(_1(T+10 ppm/°C )及Qfき6000 GHz的最高介電常數(shù)(e J約95。缺點:現(xiàn)有技術文獻2的介電常數(shù)(￡ )尚不夠高，不利于組件小型化。現(xiàn)有技術文獻3 (US 6，900，150):
作法=BaO-Nd2O3-Sm2O3-Bi2O3-TiO2 材料系統(tǒng)，組成范圍:28 31wt% 的 T1、19 21wt% 的Ba、ll 18wt%的Sm、7 13wt%的Nd及き3wt%的Bi。介電常數(shù)(e或K)、質量因子(Qf)及共振頻率溫度系數(shù)(T f)三項特性分別為50 70、> 9000 GHz及(T+20 ppm/°C。缺點:現(xiàn)有技術文獻3的介電常數(shù)(e )尚不夠高，不利于組件小型化；介電常數(shù)愈高愈有利于組件小型化。現(xiàn)有技術文獻4 (US 6,905,994):
作法:現(xiàn)有技術文獻4掲示ニ個材料系統(tǒng):(I) AnR4Ti3+n012+3n材料系統(tǒng)(A=堿土金屬元素(不包括Ba)、R=稀土元素(不包括La) ；n=l, 2，4) ； (2) AxR4Ti3+x012+3x材料系統(tǒng)(A=堿土金屬元素、R=稀土元素；0.5〈x〈5 (不包括x=l, 2，4))。在實際應用上,現(xiàn)有技術文獻4的共振頻率溫度系數(shù)(T f)在可接受范圍內(_2(T+20 ppm/°C )的最高介電常數(shù)(し)僅約45。缺點:現(xiàn)有技術文獻4的介電常數(shù)(￡ )尚不夠高，不利于組件小型化。現(xiàn)有技術文獻5 (US 7，049，258):
作法:現(xiàn)有技術文獻5為上述現(xiàn)有技術文獻4 (US 6，905，994)的進ー步改善，材料系統(tǒng)為OahAx) JLahRy) JTihMzLnOm3n ;其中，A=堿土金屬元素、R=稀土元素及M=四價陽離子(如Zr，Si及Sn), 0.5〈n〈5、0〈x〈0.5、0〈y〈0.5及0〈z〈0.5。現(xiàn)有技術文獻5的共振頻率溫度系數(shù)(T f)在較佳范圍內(_1(T+10 ppm/°C )的最高介電常數(shù)(e r)僅約49。缺點:現(xiàn)有技術文獻5的介電常數(shù)(￡ )尚不夠高，不利于組件小型化。因此，有必要提供創(chuàng)新且具進步性的微波介電材料系統(tǒng)及其制造方法，以解決上述問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供微波介電材料系統(tǒng)，其組成為(aBa0-bNd203-cSm203-dBi203-eTi02)，其中，a=17 19wt% (重量百分比)、b=6 13wt%、c=21 27wt%、d=3 14wt% 及 e=35 39wt%。本發(fā)明另提供ー種微波介電材料系統(tǒng)的制造方法，包括以下步驟:(a)混合含Ba化合物、Nd203、Sm2O3> Bi2O3及TiO2 ； (b)對步驟(a)中的混合物進行煅燒步驟，以制得煅燒粉；(c)對該煅燒粉進行造粒步驟，以制得造粒粉；(d)成型該造粒粉，以制得微波介電材料坯體；及(e)對該微波介電材料坯體進行燒結步驟，以制得微波介電材料系統(tǒng)，該微波介電材料系統(tǒng)的組成為(aBa0-bNd203-cSm203_dBi203-eTi02)，其中，a=17 19wt%、b=6 13wt%、c=21 27wt%、d=3 14wt% 及 e=35 39wt%。藉此，本發(fā)明的微波介電材料系統(tǒng)同時具有以下特性:介電常數(shù)(K)介于90110，共振頻率溫度系數(shù)(T f)介于-10ppm/°C、10ppm/°C，品質因子(Qf) > 6000 GHz0


圖1顯示本發(fā)明ー實施例之微波介電材料系統(tǒng)之制造方法流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明 公開微波介電材料系統(tǒng)，其組成為(aBa0-bNd203-cSm203-dBi203-eTi02)，其中，a=17 19wt% (重量百分比)、b=6 13wt%、c=21 27wt%、d=3 14wt% 及 e=35 39wt%。其中，該BaO的材料來源為含Ba的鹽類、氧化物或氫氧化物，例如碳酸鋇(BaCO3)、氧化鋇(BaO)或氫氧化鋇(Ba (OH) 2)，或其它適合的含Ba的鹽類。關于本發(fā)明微波介電材料系統(tǒng)的密度，其具有5.7飛.0 g/cm3的燒結密度。并且，本發(fā)明的微波介電材料系統(tǒng)具有以下特性:介電常數(shù)(K)介于9(T110，共振頻率溫度系數(shù)(Tf)介于-10ppm/°C +10ppm/°C，品質因子(Qf) > 6000 GHz0在應用上，本發(fā)明的微波介電材料系統(tǒng)系可應用于行動通訊或/及衛(wèi)星通訊用途的小型化微波電子組件。參考圖1，其顯示本發(fā)明實施例的微波介電材料系統(tǒng)的制造方法的流程圖。首先，參考步驟S11，混合含Ba化合物、Nd203、Sm2O3> Bi2O3及Ti02。該含Ba化合物系可選自于含Ba的鹽類、氧化物或氫氧化物，例如碳酸鋇、氧化鋇或氫氧化鋇，或其它適合的含Ba的鹽類。在在本實施例的步驟Sll中，其是混合21 23wt%的BaC03、6 13wt%的Nd203、21 27wt%的 Sm203、3 14wt% 的 Bi2O3 及 35 39wt% 的 Ti02。參考步驟S12，對步驟S11中的混合物進行煅燒步驟，以制得煅燒粉。較佳地，在步驟S12中系以1100 1200で并持溫2飛小時進行該煅燒步驟。參考步驟S13，對該煅燒粉進行造粒步驟，以制得造粒粉。在本發(fā)明的方法中，可以網(wǎng)篩造粒或噴霧造粒方式制得該造粒粉，但不以此為限。在本實施例中，在步驟S13之前另包括將該煅燒粉與有機添加劑混合的步驟。較佳地，該有機添加劑包括1.5^2wt%的PVA黏結劑及0.5^1wt%的PEG塑化劑。參考步驟S14，成型該造粒粉，以制得微波介電材料坯體。在本發(fā)明的實施例中，是以干壓成型方式成型該造粒粉，但不以此為限。參考步驟S15，對該微波介電材料坯體進行燒結步驟，以制得微波介電材料系統(tǒng)。較佳地，在步驟S15中是以126(T135(TC并持溫:T5小時進行該燒結步驟。本發(fā)明的方法所制得的微波介電材料系統(tǒng)的組成為(aBa0-bNd203-cSm203_dBi203-eTi02)，其中，a=17 19wt%、b=6 13wt%、c=21 27wt%、d=3 14wt% 及 e=35 39wt%。以下舉例說明本發(fā)明微波介電材料系統(tǒng)的制造方法，唯并不意謂本發(fā)明僅局限于此等實例所揭不的內容。按重量百分比:21 23wt% 的 BaC03、6 13wt% 的 Nd203、21 27wt% 的 Sm203、3 14wt%的Bi2O3及35 39wt%的TiO2配料，用氧化鋯球加去離子水混合球磨15小吋，混合完成后于110°C烘箱中進干燥，再將粉末放入電爐中煅燒，以10°C /分鐘的升溫速率加熱至1150°C并持溫3小時，以制得煅燒粉。將上述煅燒粉用氧化鋯球加去離子水及分散劑于球磨機中細磨20小時，得到平均粒徑約f 1.5iim的細磨粉末后，再于110°C中干燥。接著，將干燥的細磨粉末加入約
1.5^2 wt%的PVA黏結劑及約0.5 lwt%之PEG塑化劑等有機添加劑均勻混合，并通過50網(wǎng)目(mesh)過篩造，再使用單軸成型機成型直徑與厚度分別約14.6mm及7mm的圓柱體生還，生還密度約3.5 3.6 g/cm3。接著，將這些圓柱體生坯置于高溫爐中，先以5°C /分鐘升溫至600°C并保溫2小吋，進黏結劑的燒除；接著以10°c /分鐘持續(xù)升溫至同燒結溫 (127(ri320°C )并保溫4小吋，然后于高溫爐中自然冷卻至室溫后取出，以制得陶瓷燒結體(本發(fā)明的微波介電材料系統(tǒng))。將上述圓柱體狀陶瓷燒結體進雙面研磨至厚度約5.4mm的測試試片，再進行各項特性的量測分析。其中，介電常數(shù)(K)及質量因子(Qf)值乃采用Hakk1-Coleman介電共振器方法進行測量。共振頻率溫度系數(shù)(Tf)的測量溫度范圍為-3(T+25°C及+25 +80°C，其定義為T f=Af0/f0AT (ppm/°C )，Af0為當溫度變化量為AT時的中心頻率變化量。茲以下列實例予以 詳細說明本發(fā)明，唯并不意謂本發(fā)明僅局限于此等實例所掲示的內容。在以下實例中，依照表I的化學組成配方進行制備微波介電材料系統(tǒng)。本發(fā)明的實例中以純度皆大于99%的BaC03、Nd203、Sm203、Bi2O3及TiO2為原材料，各個比較例與實例的原料重量百分比如表2所示，而其特性量測結果則如表3所示。實例A:
按重量百分比:22.33wt%的BaC03、9.52wt%的Nd203、22.49wt%的Sm203、9.49wt%的Bi2O3及36.17wt%的TiO2 (如表2所示)配料300g,用氧化錯球加去離子水混合球磨15小時，混合完成后于110°C烘箱中進干燥，烘干后先以30目過篩，再將粉末放入電爐中煅燒，以IO0C /分鐘的升溫速率加熱至1150°C并持溫3小吋，以制得煅燒粉。將上述煅燒粉用氧化鋯球加去離子水及分散劑于球磨機中細磨20小時，得到平均粒徑約f 1.5iim的細磨粉末后，再于110°C中干燥。將干燥的細磨粉末加入約1.5^2wt%的PVA黏結劑及約0.5^1wt%的PEG塑化劑等有機添加劑均勻混合，并通過50目過篩造，再使用單軸成型機成型直徑與厚度分別約14.6mm及7mm的圓柱體生還,生還密度約3.6 g/
3
cm o然后，將這些圓柱體生坯置于高溫爐中，先以5°C /分鐘升溫至600°C并保溫2小吋，進黏結劑的燒除；接著以10°c /分鐘持續(xù)升溫至同燒結溫 (127(ri320°C )并保溫4小吋，然后于高溫爐中自然冷卻至室溫后取出，即制得陶瓷燒結體。將上述圓柱體狀陶瓷燒結體進雙面研磨至厚度約5.4mm的測試試片，再進行各項特性的量測分析。經(jīng)量測特性結果如表3所示:介電常數(shù)(K)約100.5、品質因子(Qf)約10980 GHz、共振頻率溫度系數(shù)(T fl及T f2)約-3.7及+4.9 ppm/°C ;而燒結密度則約為 5.86 g/cm3。實例B I:
實例Bi的制備方法與實例A相同，配方組成如表2所示，而相關特性(K、Q、Qf、Tf及燒結密度)的量測結果則如表3所示。從表3實例Al的特性量測結果得知:本發(fā)明微波介電材料系統(tǒng)的介電常數(shù)(K)范圍介于90.9 109.5及品質因子(Qf) > 8500 GHz，且共振頻率溫度系數(shù)(Tf) < ±10ppm/℃o四個比較例皆未添加Sm2O3,其K值最高雖然可達113.7 (如比較例4)，但共振頻率溫度系數(shù)(Tf)太高(>27 ppm/°C )，并不適用。本發(fā)明實例中，K值最高可達109.5(如實例I)，且其Tf很低(く ±5 ppm/°C )及質量因子(Qf)亦仍高達8707 GHz0表I微波介電材料系統(tǒng)化學組成
權利要求
1.波介電材料系統(tǒng)，其組成為(aBa0-bNd203-cSm203-dBi203-eTi02)，其中，a=17 19wt%、b=6 13wt%、c=21 27wt%、d=3 14wt% 及 e=35 39wt%。
2.權利要求1的微波介電材料系統(tǒng)，其中該BaO的材料來源是含Ba的鹽類、氧化物或氫氧化物。
3.權利要求1的微波介電材料系統(tǒng)，其介電常數(shù)(K)介于9(T110，共振頻率溫度系數(shù)(T f)介于-10ppm/°C +10ppm/°C，品質因子(Qf) > 6000 GHz。
4.權利要求1的微波介電材料系統(tǒng)，其具有5.7^6.0 g/cm3的燒結密度。
5.權利要求1的微波介電材料系統(tǒng)，其應用于行動通訊或/及衛(wèi)星通訊用途的小型化微波電子組件。
6.波介電材料系統(tǒng)的制造方法，包括以下步驟:(a)混合含Ba 化合物、Nd2O3' Sm203、Bi2O3 及 TiO2 ； (b)對步驟(a)中的混合物進行煅燒步驟，以制得煅燒粉； (C)對該煅燒粉進行造粒步驟，以制得造粒粉； (d)成型該造粒粉，以制得微波介電材料坯體；及 (e)對該微波介電材料坯體進行燒結步驟，以制得微波介電材料系統(tǒng)，該微波介電材料系統(tǒng)的組成為(aBa0-bNd203-cSm203_dBi203-eTi02)，其中，a=l7 l9wt%、b=6^13wt%,c=21 27wt%、d=3 14wt% 及 e=35 39wt%。
7.權利要求6的微波介電材料系統(tǒng)的制造方法，其中在步驟(a)中，該含Ba化合物選自含Ba的鹽類、氧化物或氫氧化物。
8.權利要求6的微波介電材料系統(tǒng)的制造方法，其中在步驟(b)中以110(Tl200°C并保溫2飛小時進行該煅燒步驟。
9.權利要求6的微波介電材料系統(tǒng)的制造方法，其中在步驟(c)之前另包括將該煅燒粉與有機添加劑混合的步驟。
10.權利要求9的微波介電材料系統(tǒng)的制造方法，其中該有機添加劑包括1.5^2wt%的PVA黏結劑及0.5 lwt%的PEG塑化劑。
11.權利要求6的微波介電材料系統(tǒng)的制造方法，其中在步驟(c)中以網(wǎng)篩造?；驀婌F造粒方式制得該造粒粉。
12.權利要求6的微波介電材料系統(tǒng)的制造方法，其中在步驟(d)中以干壓成型方式成型該造粒粉。
13.權利要求6的微波介電材料系統(tǒng)的制造方法， 其中在步驟(e)中以126(Tl350°C并保溫3飛小時進行該燒結步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及微波介電材料系統(tǒng)及其制造方法。該微波介電材料系統(tǒng)的組成為(aBaO-bNd2O3-cSm2O3-dBi2O3-eTiO2)，其中，a=17~19wt%(重量百分比)、b=6~13wt%、c=21~27wt%、d=3~14wt%及e=35~39wt%。藉此，本發(fā)明的微波介電材料系統(tǒng)同時具有以下特性介電常數(shù)(K)介于90~110，共振頻率溫度系數(shù)(τf)介于-10ppm/℃~+10ppm/℃，品質因子(Qf)＞6000GHz。
文檔編號C04B35/46GK103086711SQ201110331149
公開日2013年5月8日 申請日期2011年10月27日 優(yōu)先權日2011年10月27日
發(fā)明者詹鎮(zhèn)鋒, 林俊鋠 申請人:中國鋼鐵股份有限公司