CN103803956A

CN103803956A - 一种具有高频低介电损耗的低温共烧陶瓷材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN103803956A
Application number: CN201310743499.0A
Authority: CN
Inventors: 姜少虎; 张奕; 林慧兴; 陈玮; 罗澜
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2013-12-28
Filing date: 2013-12-28
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2033-12-28
Also published as: CN103803956B

Abstract

本发明公开了一种具有高频低介电损耗的低温共烧陶瓷材料及其制备方法和应用。所述材料是由20～50wt%的玻璃材料与50～80wt%的陶瓷材料复合而成，所述玻璃材料的组成中至少包含CaO、B₂O₃、SiO₂和Al₂O₃，所述陶瓷材料的组成为堇青石、硅酸锌、氧化铝中的至少一种。该材料的制备是首先按所述玻璃材料的组成进行配料，制得玻璃粉体，然后将玻璃粉体与陶瓷粉体按比例混合均匀，制得低温共烧陶瓷粉体；再将所得低温共烧陶瓷粉体在850～900℃下进行烧结。实验证明，本发明所提供的低温共烧陶瓷材料，具有高频低介电损耗性能，可满足贴片式元器件的应用要求。

Description

一种具有高频低介电损耗的低温共烧陶瓷材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明是涉及一种低温共烧陶瓷材料及其制备方法和应用，具体说，是涉及一种具有高频低介电损耗的低温共烧陶瓷材料及其制备方法和应用。

背景技术

低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC）技术是休斯公司于1982年开发出来的一种新型材料技术，它是将低温烧结陶瓷粉体流延制成厚度均匀致密的生瓷带、通过激光打孔、注浆、电路丝网印刷等工艺制成需要的电路图形、多层叠压后在900℃以下烧结成三维无源器件的一种集成技术。目前，LTCC技术广泛用于制作微波通讯、半导体、光电子等领域制作电子元器件，它具有高集成度、高性能的显著优点，随着手机通讯，GPS，电子娱乐产品等便携式产品的迅猛发展，用LTCC技术制成的贴片式滤波器、谐振器、耦合器、LED显示模块、蓝牙模块、电感、电容等电子元器件，已经广泛进入我们的现实生活中。

LTCC技术包括低温共烧陶瓷材料、器件设计等技术，其中LTCC材料技术是基础与关键，它的稳定性和工艺直接影响这LTCC产品性能的好坏。作为技术关键的LTCC材料，通常应达到如下的要求：1、介电常数多样化，以满足不同的设计要求，对于一些高频器件来说，要求介电常数越低越好，对于一些大容量的贴片电容器来说，要根据不同的参数，需要不同的介电常数。2、高Q值，即要求材料要有尽可能低的介质损耗，以降低器件的插入损耗，保证良好的选频特性。3、良好的热稳定性，使器件能与安装基板良好匹配。4、LTCC材料要求能在900℃以下烧结，这样使作为内电极线路的Ag、Cu等金属导电材料不至于氧化失效。5、除此之外，还要有其他良好的物理化学性能、机械性能等。

目前LTCC材料主要分三类：1）微晶玻璃体系，这类体系的材料具有900℃以下易于烧结的特点，但多数存在介质损耗偏大的缺点。2）玻璃+陶瓷复合体系，这种材料是使陶瓷材料通过添加玻璃粉料来达到低温烧结的目的，同时又能保持陶瓷材料良好的微波介电性能。3）纯陶瓷体系，这类的材料体系很多情况下难于低温烧结，同时对于能够900℃以下烧结的一些陶瓷材料又存在介质损耗大的一些缺点，所以应用场合相对较窄。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题和需求，本发明的目的是提供一种具有高频低介电损耗的低温共烧陶瓷材料及其制备方法和应用，以满足低温共烧陶瓷材料在片式滤波器、片式电感、片式电容器等贴片式元器件中的应用要求。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种具有高频低介电损耗的低温共烧陶瓷材料，是由20～50wt%的玻璃材料与50～80wt%的陶瓷材料复合而成，所述玻璃材料的组成中至少包含CaO、B₂O₃、SiO₂和Al₂O₃，所述陶瓷材料的组成为堇青石、硅酸锌、氧化铝中的至少一种。

作为优选方案，所述玻璃材料的组成中还包含MgO。

作为进一步优选方案，所述玻璃材料的组成中还包含碱金属氧化物。

作为更进一步优选方案，所述玻璃材料的组成配比如下：

上述各组成的质量百分比之和为100%。

作为更进一步优选方案，所述的碱金属氧化物选自Na₂O、K₂O和Li₂O中的至少一种。

本发明上述的低温共烧陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：

a)按所述玻璃材料的组成进行配料，制得玻璃粉体；

b)将玻璃粉体与陶瓷粉体按比例混合均匀，然后湿法球磨成中位粒径（D50）＜2μm，干燥，研磨，制得低温共烧陶瓷粉体；

c)将所得低温共烧陶瓷粉体在850～900℃下进行烧结。

作为优选方案，所述玻璃粉体的制备包括如下操作：将组成所述玻璃材料的混合粉体加热到1300～1500℃至熔成玻璃液，然后将玻璃液倒入水中淬冷，再湿法球磨成中位粒径（D50）＜2μm，干燥，研磨，即得所述的玻璃粉体。

作为优选方案，烧结的时间为1～3小时。

因实验证明本发明所述的低温共烧陶瓷材料具有高频低介电损耗，因此可应用于贴片式元器件（如片式滤波器、片式电感和片式电容器等）的制作。

研究表明：本发明中所采用的玻璃材料中，B₂O₃、SiO₂、Al₂O₃是玻璃网络结构的形成体，SiO₂含量不能高于60%，当高于60%时，玻璃熔制温度过高，不利于生产，低于30%时不利于玻璃的形成；Al₂O₃含量低于5%时，不利于玻璃形成，高于25%时，玻璃的粘度太大，熔制温度过高；B₂O₃有助于降低熔制玻璃温度，含量低于10%时玻璃粘度过大，高于40%时，玻璃化学稳定性变差；CaO有助于提高玻璃的化学稳定性和降低玻璃熔制温度的作用，低于20%时玻璃熔制温度偏高，高于50%时玻璃介电常数增大；MgO有助于调节玻璃化学稳定性的作用，含量太高，不利于玻璃形成；碱金属氧化物（如：Na₂O、K₂O、Li₂O）有调节玻璃熔制温度作用，总含量太高，玻璃化学稳定性变差，同时玻璃的介质损耗急剧变大，电性能变差。本发明中用到的陶瓷粉体堇青石、硅酸锌、氧化铝都具有介电常数低、介电损耗小的优点，通过调节堇青石、硅酸锌、氧化铝的不同比例，可以达到调节介电常数的目的，同时这种陶瓷粉体具有与Ag浆良好的匹配性，有助于陶瓷材料与电极材料在低温下共烧。

与现有技术相比，本发明所提供的低温共烧陶瓷材料，具有良好的介电性能、物理化学和机械等性能，其在1GHz下介电常数为6～8，介电损耗<2×10^-3，具有高频低介电损耗性能，可满足贴片式元器件（如片式滤波器、片式电感和片式电容器等）的应用要求。

附图说明

图1为实施例4所制备的低温共烧陶瓷材料与Ag电极材料共烧后的断面SEM图；

图2为实施例4所制备的低温共烧陶瓷材料与Ag电极材料的烧结曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例1

a)按如下玻璃材料的组成：CaO20质量份、B₂O₃20质量份、SiO₂50质量份、Al₂O₃5质量份、MgO3质量份、Na₂O0.5质量份、K₂O0.5质量份及Li₂O1质量份进行配料；将混合粉体加热到1500℃至熔成玻璃液，然后将玻璃液倒入水中淬冷；湿法球磨成中位粒径（D50）在1～2μm之间的粉体，干燥，研磨，制得玻璃粉体；

b)称取上述玻璃粉体30质量份及堇青石20质量份、硅酸锌50质量份，混合均匀后湿法球磨成中位粒径（D50）在1～2μm之间的粉体，干燥，研磨，制得低温共烧陶瓷粉体；

c)将所得低温共烧陶瓷粉体在880℃下烧结2hr，然后自然冷却到室温，即得本发明所述的低温共烧陶瓷材料。

经检测，所得低温共烧陶瓷材料在1GHz下的介电常数为5.9，介电损耗为1.6×10^-3。

实施例2

b)称取上述玻璃粉体35质量份及堇青石30质量份、硅酸锌35质量份，混合均匀后湿法球磨成中位粒径（D50）在1～2μm之间的粉体，干燥，研磨，制得低温共烧陶瓷粉体；

经检测，所得低温共烧陶瓷材料在1GHz下的介电常数为5.5，介电损耗为1.7×10^-3。

实施例3

a)按如下玻璃材料的组成：CaO30质量份、B₂O₃10质量份、SiO₂52质量份、Al₂O₃5质量份、MgO1质量份、Na₂O0.5质量份、K₂O0.5质量份及Li₂O1质量份进行配料；将混合粉体加热到1500℃至熔成玻璃液，然后将玻璃液倒入水中淬冷；湿法球磨成中位粒径（D50）在1～2μm之间的粉体，干燥，研磨，制得玻璃粉体；

b)称取上述玻璃粉体25质量份及堇青石20质量份、硅酸锌55质量份，混合均匀后湿法球磨成中位粒径（D50）在1～2μm之间的粉体，干燥，研磨，制得低温共烧陶瓷粉体；

经检测，所得低温共烧陶瓷材料在1GHz下的介电常数为6.2，介电损耗为1.5×10^-3。

实施例4

a)按如下玻璃材料的组成：CaO25质量份、B₂O₃11质量份、SiO₂45质量份、Al₂O₃15质量份、MgO1质量份、Na₂O1质量份、K₂O1质量份及Li₂O1质量份进行配料；将混合粉体加热到1500℃至熔成玻璃液，然后将玻璃液倒入水中淬冷；湿法球磨成中位粒径（D50）在1～2μm之间的粉体，干燥，研磨，制得玻璃粉体；

b)称取上述玻璃粉体35质量份及堇青石35质量份、硅酸锌30质量份，混合均匀后湿法球磨成中位粒径（D50）在1～2μm之间的粉体，干燥，研磨，制得低温共烧陶瓷粉体；

经检测，所得低温共烧陶瓷材料在1GHz下的介电常数为5.8，介电损耗为1.8×10^-3。

图1为本实例所制备的低温共烧陶瓷材料与Ag电极材料共烧后的断面SEM图，由图1可见：其界面结合紧密、平整、相容性好。

图2为本实例所制备的低温共烧陶瓷材料（b）与Ag电极材料（a）的烧结曲线图，由图2可见：所得低温共烧陶瓷材料与Ag电极材料具有相近的起始、终止收缩温度和收缩速率，可保证该材料与Ag电极材料间的良好低温共烧性。

实施例5

a)按如下玻璃材料的组成：CaO43质量份、B₂O₃13质量份、SiO₂37质量份、Al₂O₃5质量份、MgO1质量份、Na₂O0.5质量份及K₂O0.5质量份进行配料；将混合粉体加热到1500℃至熔成玻璃液，然后将玻璃液倒入水中淬冷；湿法球磨成中位粒径（D50）在1～2μm之间的粉体，干燥，研磨，制得玻璃粉体；

b)称取上述玻璃粉体40质量份及堇青石50质量份、硅酸锌10质量份，混合均匀后湿法球磨成中位粒径（D50）在1～2μm之间的粉体，干燥，研磨，制得低温共烧陶瓷粉体；

经检测，所得低温共烧陶瓷材料在1GHz下的介电常数为5.3，介电损耗为1.7×10^-3。

实施例6

a)按如下玻璃材料的组成：CaO50质量份、B₂O₃5质量份、SiO₂25质量份、Al₂O₃15质量份、MgO4质量份、Na₂O0.5质量份及K₂O0.5质量份进行配料；将混合粉体加热到1500℃至熔成玻璃液，然后将玻璃液倒入水中淬冷；湿法球磨成中位粒径（D50）在1～2μm之间的粉体，干燥，研磨，制得玻璃粉体；

经检测，所得低温共烧陶瓷材料在1GHz下的介电常数为5.1，介电损耗为1.8×10^-3。

最后有必要在此说明的是：以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种具有高频低介电损耗的低温共烧陶瓷材料，其特征在于：是由20～50wt%的玻璃材料与50～80wt%的陶瓷材料复合而成，所述玻璃材料的组成中至少包含CaO、B₂O₃、SiO₂和Al₂O₃，所述陶瓷材料的组成为堇青石、硅酸锌、氧化铝中的至少一种。

2.如权利要求1所述的低温共烧陶瓷材料，其特征在于：所述玻璃材料的组成中还包含MgO。

3.如权利要求2所述的低温共烧陶瓷材料，其特征在于：所述玻璃材料的组成中还包含碱金属氧化物。

4.如权利要求3所述的低温共烧陶瓷材料，其特征在于：所述玻璃材料的组成配比如下：

上述各组成的质量百分比之和为100%。

5.如权利要求4所述的低温共烧陶瓷材料，其特征在于：所述的碱金属氧化物选自Na₂O、K₂O和Li₂O中的至少一种。

6.一种制备权利要求1-5中任意一项所述的低温共烧陶瓷材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)按所述玻璃材料的组成进行配料，制得玻璃粉体；

b)将玻璃粉体与陶瓷粉体按比例混合均匀，然后湿法球磨成中位粒径＜2μm的粉体，干燥，研磨，制得低温共烧陶瓷粉体；

c)将所得低温共烧陶瓷粉体在850～900℃下进行烧结。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述玻璃粉体的制备包括如下操作：将组成所述玻璃材料的混合粉体加热到1300～1500℃至熔成玻璃液，然后将玻璃液倒入水中淬冷，再湿法球磨成中位粒径＜2μm，干燥，研磨，即得所述的玻璃粉体。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述烧结的时间为1～3小时。

9.权利要求1-5中任意一项所述的低温共烧陶瓷材料在贴片式元器件中的应用。