透波超材料及其陶瓷介質(zhì)基板和漿料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及透波超材料，尤其是涉及透波超材料所使用的陶瓷介質(zhì)基板，以及陶 瓷介質(zhì)基板、陶瓷介質(zhì)基板漿料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超材料（Metamaterial)是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工 復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。超材料的奇特性質(zhì)源于其精密的幾何結(jié)構(gòu)以及尺寸大小。超材料中 的微結(jié)構(gòu)，大小尺度小于它作用的波長，因此得以對波施加影響。迄今發(fā)展出的超材料包括 左手材料、光子晶體、超磁性材料等。左手（LH)材料是一類在一定的頻段下同時具有負(fù)的 磁導(dǎo)率和負(fù)的介電常數(shù)的材料系統(tǒng)（對電磁波的傳播形成負(fù)的折射率）。與之相對的是， 大多數(shù)自然的材料是RH材料。超材料的奇異性質(zhì)使它具有廣泛的應(yīng)用前景，從高接收率天 線，雷達反射罩甚至是地震預(yù)警。
[0003] 從結(jié)構(gòu)上看，超材料是由非金屬材料制成的基板和附著在基板表面上或嵌入在基 板內(nèi)部的多個導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)構(gòu)成的?；蹇梢蕴摂M地劃分為陣列排布的多個基板單元。每 個基板單元上附著有導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)，從而形成一個超材料單元。整個超材料是由很多這樣 的超材料單元組成的，就像晶體是由無數(shù)的晶格按照一定的排布構(gòu)成的。每個超材料單元 上的導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)可以相同或者不完全相同。導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)是由導(dǎo)電材料組成的具有一定 幾何圖形的平面或立體結(jié)構(gòu)。
[0004] 由于導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的存在，每個超材料單元具有不同于基板本身的電磁特性，因 此所有的超材料單元構(gòu)成的超材料對電場和磁場呈現(xiàn)出特殊的響應(yīng)特性。通過對導(dǎo)電幾何 結(jié)構(gòu)設(shè)計不同的具體結(jié)構(gòu)和形狀，可以改變整個超材料的響應(yīng)特性。
[0005] 透波超材料是能透過電磁波且?guī)缀醪桓淖冸姶挪ǖ男再|(zhì)(包括能量)的材料。為了 實現(xiàn)所需的性能，要求透波超材料的介質(zhì)基板有較低的介電常數(shù)和介電損耗。同時由于超 材料的許多應(yīng)用場合面對惡劣的環(huán)境，還需要介質(zhì)基板有較高的機械強度和良好的熱學(xué)性 能。
[0006] 在多種指標(biāo)的要求下，用于透波超材料的具有所需低介電常數(shù)和低介電損耗的材 質(zhì)并不容易找到。
[0007] 陶瓷材料是透波超材料的介質(zhì)基板的可選材料之一。目前陶瓷材料在電子元件中 的應(yīng)用的研究發(fā)展迅速，尤其是低溫共燒陶瓷技術(shù)（LTCC)引人矚目。例如，中國專利公開 號CN102093031A披露一種低軟化點玻璃-陶瓷系低溫共燒陶瓷材料及其制備方法。它是 將玻璃粉和陶瓷粉混合，以流延成型法制成粗坯，并在800?950°C條件下燒結(jié)制得。低溫 共燒陶瓷的優(yōu)點之一是，適合與通常作為導(dǎo)電層的金屬銀共燒。金屬銀的熔點為962°C，這 就需要燒結(jié)溫度在900°C以下。盡管該文獻宣稱可以制得低介電常數(shù)、低介電損耗的陶瓷材 料，但是其各個實施例的陶瓷基板材料，介電常數(shù)最低也達到了 5. 5,最高則達到7. 2。但是 這些介電常數(shù)對于透波超材料而言并不優(yōu)良。
[0008] 美國電子科學(xué)實驗室提供的可商業(yè)獲得的用于制作介質(zhì)基板的陶瓷流延帶，其主 要成分是氧化鋁和氧化硅，介電常數(shù)是4. 1，介電損耗是1(T2。但是這些介電常數(shù)和介電損 耗指標(biāo)仍未令人滿意。而且這一陶瓷流延帶價格昂貴，提高了產(chǎn)品成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的之一是提供一種陶瓷介質(zhì)基板的漿料的制備方法，該漿料適于制備 具有更低介電常數(shù)和介電損耗的陶瓷介質(zhì)基板。
[0010] 本發(fā)明的另一目的是提供一種具有更低介電常數(shù)和介電損耗的陶瓷介質(zhì)基板及 其制備方法。
[0011] 本發(fā)明的另一目的是提供一種透波超材料，其介質(zhì)基板為具有更低介電常數(shù)和介 電損耗的陶瓷介質(zhì)基板。
[0012] 本發(fā)明所提出的陶瓷介質(zhì)基板的漿料的制備方法，包括使用石英陶瓷粉和二氧化 硅系玻璃粉的混合物來準(zhǔn)備制作陶瓷介質(zhì)基板所需的漿料，其中該石英陶瓷粉的含量為 30?85wt%，該二氧化硅系玻璃粉的含量為15?70wt%。
[0013] 在本發(fā)明的一實施例中，該石英陶瓷粉為非晶態(tài)。
[0014] 在本發(fā)明的一實施例中，該石英陶瓷粉的顆粒大小在0. 5-3iim之間。
[0015] 在本發(fā)明的一實施例中，該二氧化硅系玻璃粉的粒徑在0. 5-4iim之間。
[0016] 在本發(fā)明的一實施例中，該二氧化硅系玻璃粉中二氧化硅的含量不低于95wt%。
[0017] 在本發(fā)明的一實施例中，該二氧化硅系玻璃粉還含有總含量不高于5wt%的氧化 錯、氧化鉀和氧化鈉。
[0018] 在本發(fā)明的一實施例中，該二氧化硅系玻璃粉的含量為30?50wt%。
[0019] 在本發(fā)明的一實施例中，使用該混合物準(zhǔn)備制作陶瓷介質(zhì)基板所需的漿料的步驟 包括：向該混合物中加入有機添加劑。
[0020] 本發(fā)明所提出的陶瓷介質(zhì)基板的制備方法包括：按照前述的陶瓷介質(zhì)基板的漿料 的制備方法準(zhǔn)備漿料；將該漿料流延成型，制成流延片；該流延片上附著導(dǎo)電漿料；以及將 該流延片進行脫脂和低溫共燒，形成含有導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)的石英陶瓷-玻璃復(fù)相介質(zhì)基板。
[0021] 本發(fā)明所提出用于透波超材料的陶瓷介質(zhì)基板，包括基材和導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)，該基 材包括石英陶瓷和二氧化硅系玻璃，還包括不可避免的雜質(zhì)，其中該石英陶瓷的含量為 30?85重量份數(shù)，該二氧化硅系玻璃的含量為15?70重量份數(shù)。
[0022] 在本發(fā)明的一實施例中，該石英陶瓷為非晶態(tài)。
[0023] 在本發(fā)明的一實施例中，該二氧化硅系玻璃中二氧化硅的含量不低于95重量份 數(shù)。
[0024] 在本發(fā)明的一實施例中，該二氧化硅系玻璃還含有不高于5重量份數(shù)的氧化鋁、 氧化鉀和氧化鈉的組合物。
[0025] 在本發(fā)明的一實施例中，該二氧化硅系玻璃的含量為30?50重量份數(shù)。
[0026] 本發(fā)明所提出的透波超材料，包括按照上述的方法形成的陶瓷介質(zhì)基板。
[0027] 本發(fā)明所提出的透波超材料，包括如上所述的陶瓷介質(zhì)基板。
[0028] 本發(fā)明由于采用以上技術(shù)方案，使之與現(xiàn)有技術(shù)相比，陶瓷介質(zhì)基板在具有低溫 燒結(jié)特性和高機械強度的同時，還具有更低的介電常數(shù)和介電損耗，并且成本更低。
【附圖說明】
[0029] 為讓本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具 體實施方式作詳細(xì)說明，其中：
[0030] 圖1示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的陶瓷介質(zhì)基板完整制作流程。
[0031] 圖2A示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的陶瓷介質(zhì)基板剖面示意圖。
[0032] 圖2B示出根據(jù)本發(fā)明一實施例的陶瓷介質(zhì)基板俯視圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，在以下的描述中闡述了更多 的細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明顯然能夠以多種不同于此描述的其它方式來實 施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下根據(jù)實際應(yīng)用情況作類似推廣、演 繹，因此不應(yīng)以此具體實施例的內(nèi)容限制本發(fā)明的保護范圍。
[0034] 本發(fā)明的實施例基于低溫共燒陶瓷技術(shù)。低溫共燒陶瓷技術(shù)是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉 制成厚度精確而且致密的生瓷帶，作為基板材料，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精 密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所需要的導(dǎo)電圖案。對于低溫共燒陶瓷技術(shù)而言，尋找符合設(shè) 計要求的陶瓷材料，以及在需要的情況下，尋找能夠降低燒結(jié)溫度且不會引起性能惡化的 玻璃是技術(shù)難點，亦是業(yè)界努力的方向。
[0035] 本發(fā)明實施例的一個特點是，使用石英陶瓷粉作為制作陶瓷介質(zhì)基板的基礎(chǔ)。石 英陶瓷具有優(yōu)良的介電性能、熱膨脹系數(shù)小、熱穩(wěn)定性好、且成本較低。但是石英陶瓷的孔 隙度較大，機械強度并不突出。而且石英陶瓷的燒結(jié)溫度一般在1200°C以上，無法與低熔點 導(dǎo)電金屬，例如銀一起共燒。因此需要尋找一種能夠基本維持（至少不明顯惡化）石英陶瓷 的優(yōu)點，而且能夠改良其缺點的介質(zhì)玻璃。
[0036] 本申請的發(fā)明人從眾多材料中經(jīng)過試驗及篩選，發(fā)現(xiàn)二氧化硅系玻璃能夠滿足上 述要求。二氧化硅系玻璃的主要成分是二氧化硅（Si02)，其次含有氧化鋁（A1203)、氧化鉀 (K20)和氧化鈉（Na20)。二氧化硅系玻璃的熔點一般