專利名稱：一種用于電子元器件的微波介質(zhì)陶瓷材料及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷材料及其制造方法，更具體地說，是一種應(yīng)用于電子元器件微波介質(zhì)陶瓷材料及其制造方法。
背景技術(shù)：
在電子工業(yè)日新月異飛速發(fā)展的今天，電子信息技術(shù)的集成化和微型化發(fā)展趨勢，正推動電子信息產(chǎn)品日益向薄型化、小型化、數(shù)字化、多功能化，以及高可靠和低成本的方向發(fā)展。微波介質(zhì)陶瓷(MWDC)是近十余年才迅速發(fā)展起來的一類新型功能電子陶瓷，以其優(yōu)異的微波介電性質(zhì)在微波電路系統(tǒng)中發(fā)揮著介質(zhì)隔離，介質(zhì)波導(dǎo)以及介質(zhì)諧振等一系列電路功能。微波介質(zhì)陶瓷具有低損耗、高介電常數(shù)、低頻率溫度系數(shù)、低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)。在諧振器、濾波器、震蕩器等元器件中采用這種材料可縮小濾波器、耦合器、銅質(zhì)空腔諧振器的體積過大問題，可解決微波器件的集成化問題。這種材料生產(chǎn)成熟，能夠滿足當(dāng)代微波通信、移動通信、衛(wèi)星通信、廣播電視、雷達(dá)、電子對抗、制導(dǎo)等技術(shù)對微波電路集成化、微型化、高可靠穩(wěn)定化、以及低成本的要求。此外，這類材料在分頗器、隔離器、信號延遲等方面已大量使用；例如用于毫米波通信、雷達(dá)、測量儀器等方面。
在我國，微波介質(zhì)陶瓷正在不斷的發(fā)展之中。在中低介微波介質(zhì)陶瓷領(lǐng)域，現(xiàn)有的陶瓷材料或損耗較大，或溫度穩(wěn)定性不好，或原料價格昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種介電性能優(yōu)異、原料價格低廉，生產(chǎn)成本低的用于電子元器件的微波介質(zhì)陶瓷材料及其制造方法。
本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的，用于電子元器件的微波介質(zhì)陶瓷材料，其主要成分是(Mg，Zn)2TiO4-CaTiO3。其中(Mg，Zn)2TiO4可以用(Mgx，Zn1-x)2TiO4表示其組成，x值為0.5～0.9。
上述用于電子元器件的微波介質(zhì)陶瓷材料的制造方法，其過程包括以堿式碳酸鎂、二氧化鈦、氧化鋅為主要原料按照(Mgx，Zn1-x)2TiO4(x＝0.5～0.9)的比例混合，進(jìn)行球磨、烘干、過篩、預(yù)燒，得到(Mg，Zn)2TiO4；以碳酸鈣、二氧化鈦為主要原料按照CaTiO3分子式配方混合，進(jìn)行球磨、烘干、過篩、預(yù)燒，得到CaTiO3；將得到的上述兩種化合物按照1∶0～0.15的比例混合，經(jīng)過二次球磨、烘干、造粒、壓制成型、進(jìn)行燒結(jié)得到陶瓷材料。(Mg，Zn)2TiO4的預(yù)燒是以5～6℃/分的升溫速率升至1100～1250℃；CaTiO3的預(yù)燒是以5～6℃/分的升溫速率升至1100～1350℃；燒結(jié)是以3℃/分的升溫速率升至500～550℃后，再以5～6℃/分的升溫速率升至1250～1350℃。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，所制備的陶瓷材料在進(jìn)一步降低介電損耗的同時，具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性能，并且原料價格低廉。本發(fā)明所提供的陶瓷材料及制造方法是一種新型的陶瓷材料系統(tǒng)，在進(jìn)一步降低介電損耗的同時，具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性能，同時原料價格低廉，有良好的市場前景，可以作為同類材料的換代產(chǎn)品。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1以分析純堿式碳酸鎂、二氧化鈦、氧化鋅為原料，按照配方純堿式碳酸鎂42g、二氧化鈦41g、氧化鋅17g，將這些物質(zhì)混合后，用ZrO2球加去離子水球磨5小時，用電熱干燥箱在120℃烘干后過40目篩，然后在1100～1250℃進(jìn)行預(yù)燒，預(yù)燒升溫速率為6℃/分，保溫2小時，得到(Mg0.7，Zn0.3)2TiO4。以碳酸鈣、二氧化鈦為原料按照配方混合碳酸鈣51g、二氧化鈦49g，用ZrO2球加去離子水球磨5小時，用電熱干燥箱在120℃烘干后過40目篩，然后在1250℃進(jìn)行預(yù)燒，預(yù)燒升溫速率為6℃/分，保溫2小時，得到CaTiO3。將得到的(Mg0.7，Zn0.3)2TiO4和CaTiO3按照95∶5的重量比混合，用ZrO2球加去離子水球磨5小時，用電熱干燥箱在120℃烘干后過40目篩，然后在1250℃進(jìn)行預(yù)燒，預(yù)燒升溫速率為6℃/分，保溫2小時。再用ZrO2球和去離子水進(jìn)行二次球磨(4.5小時)。球磨后的混合物經(jīng)120℃烘干、加石蠟造粒，在80MPa壓強(qiáng)下壓制成直徑約20mm，厚度約1mm的圓片狀生坯。生坯在1250～1350℃進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)過程起始升溫速率為3℃/分，升至500℃后升溫速率變?yōu)?.5℃/分，達(dá)到燒結(jié)溫度后，保溫6小時，隨爐冷卻10小時。燒結(jié)后的樣品燒滲銀電極，焊接引線，制成圓片電容器。
利用Hewlett Packard 4278A Capacitance Meter在1MHz下測試圓片電容器的電容量C(pF)和損耗角正切tanδ，并計(jì)算介質(zhì)的相對介電常數(shù)ε。利用Agilent 4339BHigh Resistance Meter測試樣品的絕緣電阻R(Ω)，并計(jì)算介質(zhì)的體電阻率ρv。利用GZ-ESPEC恒溫箱和HM27002型電容器C-T特性測試儀測量介電常數(shù)溫度系數(shù)αε。
表1～表4分別給出了在不同預(yù)燒溫度和燒結(jié)溫度下制備樣品的介電性能(ε、tanδ、ρv、αε)測量結(jié)果。
表1 ε與(Mg0.7，Zn0.3)2TiO4預(yù)燒溫度和燒結(jié)溫度的關(guān)系

表2 tanδ(×10-4)與(Mg0.7，Zn0.3)2TiO4預(yù)燒溫度和燒結(jié)溫度的關(guān)系

表3 αε(ppm/℃)與(Mg0.7，Zn0.3)2TiO4預(yù)燒溫度和燒結(jié)溫度的關(guān)系

表4 ρv(Ω·cm)與(Mg0.7，Zn0.3)2TiO4預(yù)燒溫度和燒結(jié)溫度的關(guān)系

由表1～表4可以看出，本發(fā)明所涉及的(Mg，Zn)2TiO4-CaTiO3介質(zhì)陶瓷，可以在1250～1350℃范圍內(nèi)燒結(jié)。該陶瓷的介電常數(shù)ε在21～25之間，并且可以通過改變燒結(jié)溫度對ε進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般燒結(jié)溫度越高，ε越大。tanδ一般在1×10-4以下，最大不超過1.4×10-4；tanδ對預(yù)燒溫度和燒結(jié)溫度均不敏感，在上述預(yù)燒溫度和燒結(jié)溫度變化范圍內(nèi)，tanδ的最小值為0.35×10-4，最大值為1.4×10-4，在燒結(jié)溫度低至1250℃時，仍可獲得非常小的tanδ值。該陶瓷的介電常數(shù)溫度系數(shù)αε一般在+15～+25ppm/℃之間，體電阻率ρv大于1013Ω·cm。由此可見，充分反映出本發(fā)明的材料具有兩個優(yōu)點(diǎn)一是介電性能好；二是工藝穩(wěn)定性好，尤其是介電性能對預(yù)燒和燒結(jié)溫度都不敏感。
實(shí)施例2樣品的配方和制備工藝均與實(shí)施例1條件相同，只是在0.5～0.9之間改變(Mgx，Zn1-x)2TiO4-CaTiO3的x值。也即改變原料中堿式碳酸鎂、二氧化鈦、氧化鋅的比例。X＝0.5，即堿式碳酸鎂、二氧化鈦、氧化鋅的重量比例為37∶46∶17；X＝0.6，即堿式碳酸鎂、二氧化鈦、氧化鋅的重量比例為38∶44∶18；X＝0.7，即堿式碳酸鎂、二氧化鈦、氧化鋅的重量比例為41∶40∶19；X＝0.8，即堿式碳酸鎂、二氧化鈦、氧化鋅的重量比例為44∶36∶20；X＝0.9，即堿式碳酸鎂、二氧化鈦、氧化鋅的重量比例為48∶31∶21。(Mgx，Zn1-x)2TiO4預(yù)燒溫度為1210℃，燒結(jié)溫度為1290℃。得到的陶瓷材料參數(shù)的測量方法與實(shí)施例1相同。表5給出了樣品的介電性能隨原料比例變化的規(guī)律。
表5 樣品介電性能與x值的關(guān)系

由表5可以看出，增大x值，可以使ε略有提高，同時可使tanδ保持較小的數(shù)值。但x值達(dá)到0.8以上時，tanδ有所增大。改變x值對αε影響不大。表中給出的范圍內(nèi)，ρv均在1013Ω·cm以上。
實(shí)施例3樣品的配方和制備工藝均與實(shí)施例1條件相同，只是改變(Mg0.7，Zn0.3)2TiO4和CaTiO3的重量比，使CaTiO3的重量百分比在0～15％的范圍內(nèi)變化。即每100g(Mg0.7，Zn0.3)2TiO4添加CaTiO3的含量在0～15g之間變化。預(yù)燒溫度為1210℃，燒結(jié)溫度為1290℃。得到的陶瓷材料參數(shù)的測量方法與實(shí)施例1相同。表6給出了樣品的介電性能隨CaTiO3含量變化的規(guī)律。
表6 樣品介電性能與CaTiO3含量的關(guān)系


由表6可以看出，(Mg，Zn)2TiO4-CaTiO3介質(zhì)陶瓷中加入更多CaTiO3，可以使ε和ρv明顯提高，tanδ同時顯著增大。表中給出的范圍內(nèi)，ρv均在1013Ω·cm以上。
權(quán)利要求
1.一種用于電子元器件的微波介質(zhì)陶瓷材料，其特征是，所述材料由(MgxZn1-x)2TiO4-CaTiO3化合物組成，該材料包含占(MgxZn1-x)2TiO4-CaTiO3重量比為85～100％的(MgxZn1-x)2TiO4和0～15％的CaTiO3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于電子元器件的微波介質(zhì)陶瓷材料，其特征是，所述(MgxZn1-x)2TiO4中x值為0.5～0.9。
3.一種制備如權(quán)利要求1所述的用于電子元器件的微波介質(zhì)陶瓷材料的方法，其特征是，包括下述步驟(1)以堿式碳酸鎂、二氧化鈦、氧化鋅為原料，按照堿式碳酸鎂占原料總體重量36～55％、二氧化鈦占原料總體重量28～48％、氧化鋅占原料總體重量11～20％的比例混合，進(jìn)行球磨、烘干、過篩、預(yù)燒以5～6℃/分的升溫速率升至1100～1250℃，得到(Mg，Zn)2TiO4；(2)以碳酸鈣、二氧化鈦為原料，按照碳酸鈣占原料總體重量45～60％、二氧化鈦占原料總體重量40～50％的比例混合，進(jìn)行球磨、烘干、過篩、預(yù)燒以5～6℃/分的升溫速率升至1100～1350℃，得到CaTiO3；(3)將得到的上述兩種化合物按照1∶0～0.15的比例混合，經(jīng)過二次球磨、烘干、造粒、壓制成型、進(jìn)行燒結(jié)得到陶瓷材料，所述燒結(jié)是以3℃/分的升溫速率升至500～550℃后，再以5～6℃/分的升溫速率升至1250～1350℃。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種介電性能優(yōu)異、原料價格低廉，生產(chǎn)成本低的用于電子元器件的微波介質(zhì)陶瓷材料及其制造方法。所述的微波電子陶瓷材料主要成分是(Mg，Zn)
文檔編號C04B35/462GK1690013SQ20041001910
公開日2005年11月2日 申請日期2004年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月30日
發(fā)明者吳順華, 蘇皓, 張志萍, 王國慶, 趙康健, 楊浩 申請人:天津大學(xué)