專利名稱：鋰基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料及其制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子陶瓷及其制備領(lǐng)域，特別涉及一種在低溫下燒結(jié)的鋰基 低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料及其制備。
背景技術(shù)：
隨著無線通信的發(fā)展，對(duì)通信設(shè)備系統(tǒng)提出了便攜性的要求，從微波元 器件到整機(jī)系統(tǒng)走向集成化，以期獲得小體積、輕重量、高可靠性、低成本 的產(chǎn)品。
對(duì)微波元器件(帶通器，諧振器，濾波器等)小型化集成化的要求，使
得低溫共燒陶瓷技術(shù)(Low-temperatureco-fired ceramic (LTCC))飛速發(fā)展。 低溫共燒陶瓷技術(shù)可以提供高密度、高頻段、高數(shù)字化的封裝技術(shù)以及良好 的熱處理工藝。低溫共燒陶瓷系統(tǒng)(LTCC)的共燒溫度一般低于960。C。由 于燒結(jié)溫度低，可用電阻率低的金屬作為多層布線的導(dǎo)體材料，從而提高組 裝密度、信號(hào)傳輸速度，并且可內(nèi)埋于多層基板一次燒成的各種層式微波電 子器件，因此廣泛應(yīng)用在高速高密度互聯(lián)多芯片組件(MCM)。由于共燒技 術(shù)具有組裝密度高、介電損耗低、可用于高微波頻段、獨(dú)石結(jié)構(gòu)高可靠性與 IC熱匹配好等特點(diǎn)，因此有著廣泛的應(yīng)用前景。因而具有高介電常數(shù)、高品 質(zhì)因數(shù)(Qf)、接近于零的諧振頻率溫度系數(shù)(TCF)的性能良好的微波介質(zhì)
陶瓷成為目前功能材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)低溫共燒技術(shù)，微波介質(zhì) 陶瓷必需要跟低損耗、低熔點(diǎn)的電極(像銀電極，銅電極，金電極或者鋁電 極)共同燒結(jié)。
但是，絕大部分的微波陶瓷的燒結(jié)溫度都在1000°C以上，雖然他們也有 非常良好的微波介電性能，卻不適合LTCC技術(shù)要求，因此開發(fā)和研究具有 低燒結(jié)溫度的微波材料體系就非常的有意義了。為了將有著較高燒結(jié)溫度的 微波介質(zhì)陶瓷應(yīng)用于LTCC技術(shù)，需要對(duì)其材料體系進(jìn)行降溫，降溫的方法 有以下幾種1，采用化學(xué)制備的方法，使得成相成瓷的溫度降低；2，使用 顆粒細(xì)小的氧化物進(jìn)行反應(yīng)；3,添加低熔點(diǎn)的氧化物作為助燒劑；4，添加 特殊氧化物通過反應(yīng)燒結(jié)的方式進(jìn)行降溫；5，添加玻璃相以液相燒結(jié)的方式 降溫；6，使用本身具有低溫?zé)Y(jié)成瓷特性的氧化物作為主元體系。
綜上所述，隨著微波移動(dòng)通信的迅猛發(fā)展，對(duì)微波器件的便攜式、微型 化提出了新的要求。用高介電常數(shù)微波材料制備的微波介質(zhì)諧振器可以極大 地減小微波電路尺寸，但進(jìn)一步微型化的出路卻在于MCM的發(fā)展。在制造 MCM用多層電路基板時(shí)，LTCC技術(shù)顯示出奇特優(yōu)勢(shì)，因此與LTCC技術(shù)相 適應(yīng)的多層介質(zhì)器件和材料就得到了廣泛的重視和研究。適用于LTCC技術(shù)、 微波性能優(yōu)異、能與銀或銅電極共燒、化學(xué)組成和制備工藝簡(jiǎn)單的新型微波 介質(zhì)陶瓷材料是一類極具應(yīng)用前景的新材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種鋰基低溫?zé)Y(jié)微波 介質(zhì)陶瓷材料及其制備方法，該陶瓷材料在不添加燒結(jié)助劑或者添加少量助 劑時(shí)就可以在低溫下燒結(jié)的可應(yīng)用于LTCC的高性能鋰基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)
陶瓷材料。
本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種鋰基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料，它燒結(jié)后的相對(duì)介電常數(shù)為7.7~16，低的低頻介電損耗(tanS<5xl(T4， lMHz)， 良好的微波性能(Qf=13,366GHz 55,009GHz)，諧振頻率溫度系數(shù)可調(diào) (TCF=-24.2ppm/°C~-55ppm/°C)，另外它的主要特點(diǎn)是可以在較低的燒結(jié)溫 度下(低于960。C)進(jìn)行燒結(jié)，化學(xué)組成簡(jiǎn)單。
本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供上述超低溫?zé)Y(jié)鋰基微波介質(zhì)陶瓷材料的制 備方法，工藝簡(jiǎn)單。
本發(fā)明采用了最簡(jiǎn)單有效的固相反應(yīng)燒結(jié)的方法來實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的。 首先是選取合適比例的配方，選取合適的初始氧化物以及合適的取代物，通 過一次球磨使得氧化物混合均勻，通過預(yù)燒結(jié)過程使得氧化物進(jìn)行初步的反 應(yīng)，再通過二次球磨細(xì)化反應(yīng)物的顆粒尺寸，最后通過燒結(jié)過程得到所需要 的陶瓷樣品。通過這樣一種簡(jiǎn)單易行的有效的制備方法，得到的陶瓷樣品的 介電常數(shù)隨成分變化在7.7 16之間變化，Qf分布在13，366GHz 55，009GHz， 諧振頻率溫度系數(shù)在-24.2ppm/。C -55ppmA:可調(diào)，可以實(shí)現(xiàn)近零的要求，燒 結(jié)溫度低于960。C，使之適用于LTCC技術(shù)的需要，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的該微波介質(zhì)陶瓷材料結(jié)構(gòu)表達(dá)式為 Li3M04+x wt.% B203,其中M-Nb5+、 Ta"或Sb5+ ， 05x^1.0。
所述的微波介質(zhì)陶瓷基于Li20-M205，其中M-NbS+、 TaS+或SbS+， 二元 體系中的單相化合物L(fēng)i3M04。
鋰基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料的制備方法，按以下步驟進(jìn)行
1)將化學(xué)原料Li2C03、 Nb205、 Ta205、 Sb203 、 B203按配方通式Li3M04+x
wt。/。B203配制，其中M-Nt)5+，Ta5+，Sb5+, 0SxSl.0;
2) 將配制后的化學(xué)原料混合，放入尼龍罐中，加入酒精球磨4~5個(gè)小時(shí)， 充分混合磨細(xì)，取出快速烘干100°C~200°C，過篩200目后壓制成塊狀；
3) 壓制的塊體經(jīng)750。C 800。C預(yù)燒，并保溫4 6小時(shí)，即可得到樣品燒
塊；
4) 將樣品燒塊粉碎，并經(jīng)過4 5個(gè)小時(shí)的二次球磨，充分混合磨細(xì)、烘 干，加入質(zhì)量份數(shù)8%~15%的PVA粘合劑，PVA粘合劑是指5。/。聚乙烯醇水 溶液造粒，經(jīng)60目與120目篩網(wǎng)過篩，得到所需瓷料粉末；
5) 將瓷料粉末按需要壓制成型，在550°C，保溫4個(gè)小時(shí)排除粘合劑PVA， 在870~960°C下燒結(jié)2~8個(gè)小時(shí)成瓷，即可得到鋰基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷 材料。
本發(fā)明的低溫?zé)Y(jié)鋰基微波介質(zhì)陶瓷材料具有以下特點(diǎn)相對(duì)介電常數(shù) 較高(7.7 16)，低頻下介電損耗小(tanS<5xl(T4， lMHz)，微波性能良好 (Qf=13,366GHz~55,009GHz )，諧振頻率溫度系數(shù)可調(diào) (TCF=-24.2ppm/°C -55ppm/°C)，燒結(jié)溫度較低(低于960。C)，化學(xué)組成及 制備工藝簡(jiǎn)單。
具體實(shí)施方式
下面對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
本發(fā)明的鋰基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料的配方表達(dá)式為L(zhǎng)i3M04+x wt.%B203，其中M-Nt)5+、 丁&5+或81)5+ ， 0^x^1.0。
本發(fā)明的低溫?zé)Y(jié)鋰基微波介質(zhì)陶瓷材料具體制備步驟是將化學(xué)原料 Li2C03、 Nb205、 Ta205、 Sb203 、 B203按配方通式Li3M04+x wt.% B203配制，
其中M-Nl)5+、 Ta5+或Sb5+， 0SxSl.0。
充分混合球磨4 5個(gè)小時(shí)，磨細(xì)后烘干、過篩、壓塊，然后經(jīng)750°C~800°C 預(yù)燒，并保溫5 8小時(shí)，將預(yù)燒后的塊體進(jìn)行二次球磨，磨細(xì)烘干后造粒， 經(jīng)60目與120目篩網(wǎng)雙層過篩，即可得到所需瓷料。將瓷料按需要壓制成型， 然后在870°C~960eC下燒結(jié)2~8小時(shí)成瓷，即可得到低溫?zé)Y(jié)鋰基微波介質(zhì) 陶瓷材料。
本發(fā)明的低溫?zé)Y(jié)鋰基微波介質(zhì)陶瓷材料由于包括了低熔點(diǎn)的Li2C03
(Li20)且以其作為主元，且添加少量的B203為助燒劑，使得在低溫下燒結(jié)這
種介質(zhì)陶瓷材料成為可能。本發(fā)明根據(jù)晶體化學(xué)原理和電介質(zhì)有關(guān)理論，以 Li20-M205 (M= Nb5+、 TaS+或SbS+)二元體系的簡(jiǎn)單單相化合物為基礎(chǔ)，通過 添加少量低熔點(diǎn)氧化物的方法來對(duì)鋰基微波介質(zhì)陶瓷材料進(jìn)行改性，可以在 較低的溫度(低于960QC)燒結(jié)出致密的且有著優(yōu)良微波介電性能的新型功 能陶瓷，這類陶瓷可以作為射頻多層陶瓷電容器、片式微波介質(zhì)諧振器或?yàn)V 波器、低溫共燒陶瓷系統(tǒng)(LTCC)、陶瓷天線、多芯片組件(MCM)等介質(zhì) 材料使用。 實(shí)施例1:
將分析純度的原料Li2C03和Nb205按配方Li3M04+x wt.% B203，其中M= Nb5+，其中x=0。配制后充分混合球磨4個(gè)小時(shí)，然后烘干、過篩、壓塊， 經(jīng)800°C預(yù)燒4個(gè)小時(shí)，然后將預(yù)燒后的塊狀樣品粉碎后再進(jìn)行二次球磨5 小時(shí)，磨細(xì)烘干后造粒，經(jīng)60目與120目篩網(wǎng)雙層過篩，即可得到所需瓷料。 將瓷料按需要壓制成型(片狀或者柱狀)，然后在930°C空氣下燒結(jié)2~3h成 瓷，即可得到低溫?zé)Y(jié)鋰基微波介質(zhì)陶瓷材料。
該組陶瓷材料的性能達(dá)到如下指標(biāo)-
930°C空氣中燒結(jié)成瓷，微波下的介電性能Sr 15.8 (8.99GHz)，品質(zhì)因 子Q~6200， Qf 55009GHz，微波下的諧振頻率溫度系數(shù)TCF~-48.6ppm/°C (250C 850C)。 實(shí)施例2:
將分析純度的原料Li2C03 ， Ta205和B203按配方Li3M04+x wt.°/。 B203，其 中M-Ta5、其中x-0.6。配制后充分混合球磨4個(gè)小時(shí)，然后烘干、過篩、 壓塊，經(jīng)750°C預(yù)燒4個(gè)小時(shí)，然后將預(yù)燒后的塊狀樣品粉碎后再進(jìn)行二次 球磨5小時(shí)，磨細(xì)烘干后造粒，經(jīng)60目與120目篩網(wǎng)雙層過篩，即可得到所 需瓷料。將瓷料按需要壓制成型(片狀或者柱狀)，然后在930°C空氣下燒結(jié) 2~3h成瓷，即可得到超低溫?zé)Y(jié)鋰基微波介質(zhì)陶瓷材料。
該組陶瓷材料的性能達(dá)到如下指標(biāo)
930°C空氣中燒結(jié)成瓷，微波下的介電性能s廣14.1 (12.4GHz),品質(zhì)因 子Q 24H， Qf 29912GHz，微波下的諧振頻率溫度系數(shù)TCF~-48.3ppm/°C (25。C 85。C)。 實(shí)施例3:
將分析純度的原料Li2C03 ， Sb205和B203按配方Li3M04+x wt.% B203,其 中M-Sb"，其中f0.6。配制后充分混合球磨4個(gè)小時(shí)，然后烘干、過篩、 壓塊，經(jīng)750。C預(yù)燒4個(gè)小時(shí)，然后將預(yù)燒后的塊狀樣品粉碎后再進(jìn)行二次 球磨5小時(shí)，磨細(xì)烘干后造粒，經(jīng)60目與120目篩網(wǎng)雙層過篩，即可得到所 需瓷料。將瓷料按需要壓制成型(片狀或者柱狀)，然后在930°C空氣下燒結(jié) 2~3h成瓷，即可得到超低溫?zé)Y(jié)鋰基微波介質(zhì)陶瓷材料。
該組陶瓷材料的性能達(dá)到如下指標(biāo)-
930°C空氣中燒結(jié)成瓷，微波下的介電性能e廣10.29 (13.46GHz)，品質(zhì) 因子Q 1085, Qf 14611GHz，微波下的諧振頻率溫度系數(shù)TCF~-27.8ppm/°C
(25°C~85°C)。 實(shí)施例4:
將分析純度的原料Li2C03， Ta205和B203按配方Li3M04+x wt.% B203,其 中M-Ta5、其中x-l.O。配制后充分混合球磨4個(gè)小時(shí)，然后烘干、過篩、 壓塊，經(jīng)750。C預(yù)燒4個(gè)小時(shí)，然后將預(yù)燒后的塊狀樣品粉碎后再進(jìn)行二次 球磨5小時(shí)，磨細(xì)烘干后造粒，經(jīng)60目與120目篩網(wǎng)雙層過篩，即可得到所 需瓷料。將瓷料按需要壓制成型(片狀或者柱狀)，然后在900°C空氣下燒結(jié) 2~3h成瓷，即可得到超低溫?zé)Y(jié)鋰基微波介質(zhì)陶瓷材料。
該組陶瓷材料的性能達(dá)到如下指標(biāo)
900°C空氣中燒結(jié)成瓷，微波下的介電性能s廣13.8 (12.6GHz)，品質(zhì)因 子Q-2214, Qf 27896GHz,微波下的諧振頻率溫度系數(shù)TCF~-43.5ppm/°C (250C~850C)o 實(shí)施例5:
將分析純度的原料Li2C03, Sb205和B203按配方Li3M04+x wt.% B203，其 中]V^Sb5、其中x-l.O。配制后充分混合球磨4個(gè)小時(shí)，然后烘干、過篩、 壓塊，經(jīng)750。C預(yù)燒4個(gè)小時(shí)，然后將預(yù)燒后的塊狀樣品粉碎后再進(jìn)行二次 球磨5小時(shí)，磨細(xì)烘干后造粒，經(jīng)60目與120目篩網(wǎng)雙層過篩，即可得到所 需瓷料。將瓷料按需要壓制成型(片狀或者柱狀)，然后在900°C空氣下燒結(jié) 2 3h成瓷，即可得到超低溫?zé)Y(jié)鋰基微波介質(zhì)陶瓷材料。
該組陶瓷材料的性能達(dá)到如下指標(biāo)
900。C空氣中燒結(jié)成瓷，微波下的介電性能Sr 9.98 (13.57GHz)，品質(zhì)因 子Q-985, Qf 13366GHz，微波下的諧振頻率溫度系數(shù)TCF~-24.2ppm/°C
(250C~850C).
權(quán)利要求
1.一種鋰基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料，其特征在于，該微波介質(zhì)陶瓷材料結(jié)構(gòu)表達(dá)式為L(zhǎng)i3MO4+x wt.％B2O3，其中M＝Nb5+、Ta5+或Sb5+，0≤x≤1.0。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料，其特征在于， 所述的微波介質(zhì)陶瓷基于1^20-1^205，其中M-N^+、 TaS+或Sb5 二元體系 中的單相化合物L(fēng)i3M04。
3. 實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1所述的鋰基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料的制備方法， 其特征在于，按以下步驟進(jìn)行1) 將化學(xué)原料Li2C03、 Nb205、 Ta205、 Sb203 、 B203按配方通式Li3M04+x wt。/。B203配制，其中M-Nb5+，Ta5+, Sb5+， 0^x^1.0;2) 將配制后的化學(xué)原料混合，放入尼龍罐中，加入酒精球磨4~ 5個(gè)小時(shí)， 充分混合磨細(xì)，取出快速烘干100。C 200。C，過篩200目后壓制成塊狀；3) 壓制的塊體經(jīng)750。C 800。C預(yù)燒，并保溫4 6小時(shí)，即可得到樣品燒塊；4) 將樣品燒塊粉碎，并經(jīng)過4 5個(gè)小時(shí)的二次球磨，充分混合磨細(xì)、烘 干，加入質(zhì)量份數(shù)8。/。 15。/。的PVA粘合劑，PVA粘合劑是指5。/。聚乙烯醇水 溶液，造粒，經(jīng)60目與120目篩網(wǎng)過篩，得到所需瓷料粉末；5) 將瓷料粉末按需要壓制成型，在550°C，保溫4個(gè)小時(shí)排除粘合劑PVA， 在870~960°C下燒結(jié)2~8個(gè)小時(shí)成瓷，即可得到鋰基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷 材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋰基低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料及其制備。從Li₂O-M₂O₅(M＝Nb⁵⁺、Ta⁵⁺或Sb⁵⁺)二元體系的相圖出發(fā)，以其中單相化合物L(fēng)i₃MO₄為基礎(chǔ)，通過添加B₂O₃來降低其燒結(jié)溫度，得到了一系列微波介電性能優(yōu)良的介電常數(shù)介于7.7～16之間，品質(zhì)因數(shù)Qf介于13,366GHz到55,009GHz之間，諧振頻率溫度系數(shù)介于-24.2ppm/℃到-55ppm/℃之間，可以在較低溫度下燒結(jié)成瓷的微波介質(zhì)材料。該低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷結(jié)構(gòu)表達(dá)式為L(zhǎng)i₃MO₄+x wt.％B₂O₃，其中M＝Nb⁵⁺、Ta⁵⁺或Sb⁵⁺，0≤x≤1.0。
文檔編號(hào)C04B35/622GK101362647SQ20081015082
公開日2009年2月11日 申請(qǐng)日期2008年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月5日
發(fā)明者吳新光, 迪 周, 熹 姚, 龐利霞, 宏 汪 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)