本發(fā)明涉及微波介質(zhì)材料技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種低溫?zé)Y(jié)低介C0G微波介質(zhì)材料及其制備方法。
背景技術(shù):
近年來(lái),隨著微波通訊技術(shù)的發(fā)展,對(duì)元器件的小型化、集成化以及模塊化的要求也越來(lái)越迫切。低溫共燒陶瓷LTCC以其優(yōu)異的電學(xué)、機(jī)械、熱學(xué)及工藝特性,已經(jīng)成為電子器件模塊化的主要技術(shù)之一,要實(shí)現(xiàn)無(wú)源元件的集成化、模塊化,必須開(kāi)發(fā)新的LTCC材料體系。LTCC技術(shù)必須滿足以下幾點(diǎn)要求:
首先燒結(jié)溫度要低于960℃以便與銀電極共燒,擁有一個(gè)低的介電常數(shù)避免信號(hào)傳輸延遲,其次需要擁有高的Q·f值以便滿足工作頻率的要求,最后溫度系數(shù)要接近于0實(shí)現(xiàn)系數(shù)的穩(wěn)定性。
射頻微波多層片式電容器廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通訊的基站,直放站,軍用電臺(tái)、雷達(dá),廣播電視發(fā)射機(jī),MRI磁共振醫(yī)療設(shè)備,大功率激光設(shè)備,同步加速器,高速鐵路應(yīng)答等設(shè)備,設(shè)備、微波多層片式瓷介電容器的特點(diǎn)是高Q值、低ESR、高FER(自諧振頻率)、高可靠。
通常εr、Q·f和τf之間存在一定相互制約關(guān)系,高介電常數(shù)與高Q·f和低τf是相互矛盾的,器件的小型化要求材料的介電常數(shù)能夠提高,材料的Q·f值將會(huì)降低,τf絕對(duì)值也會(huì)隨之而增大。電容器的損耗由兩部分組成,即介質(zhì)損耗和金屬損耗。30MHz以下介質(zhì)損耗占主導(dǎo)地位,30MHz以上由于“趨膚效應(yīng)”金屬損耗變大,逐漸占主導(dǎo)地位。為了獲得高頻下更低的ESR,必須降低金屬損耗,因此現(xiàn)在開(kāi)始采用方阻更低的Ag或Cu作內(nèi)部電極材料,由于Ag的熔點(diǎn)低(961℃),必須要求陶瓷的燒結(jié)溫度降低到950℃以下。因此低溫?zé)Y(jié)的高Q值、低介電常數(shù)介質(zhì)材料成為材料研發(fā)工作者的一個(gè)熱點(diǎn)研發(fā)方向。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對(duì)上述問(wèn)題中存在的不足之處,本發(fā)明提供一種低溫?zé)Y(jié)低介電常數(shù)C0G特性微波介質(zhì)材料。
為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供一種低溫?zé)Y(jié)低介電常數(shù)C0G特性微波介質(zhì)材料,包括:主料、副料、改性添加劑和燒結(jié)助劑;其中,
所述主料為BaSi2O5;
所述副料為Zn2SiO4;
所述改性添加劑為Al2O3、MnO、CeO2、CoO、Nb2O5、ZrO2的一種或多種;
所述燒結(jié)助劑為B2O3、SiO2、ZnO、Li2CO3、MgO中的一種或多種。
上述的低溫?zé)Y(jié)低介電常數(shù)C0G特性微波介質(zhì)材料中,優(yōu)選為,各成分摩爾份數(shù)為:
所述BaSi2O5為65~85份;
所述Zn2SiO4為2~10份;
所述Al2O3為0~4份;
所述MnO為0.1~0.5份;
所述CeO2為0~0.5份;
所述CoO為0.1~1份;
所述Nb2O5為0~5份;
所述ZrO2為0~4份;
所述燒結(jié)助劑共5~20份。
上述的低溫?zé)Y(jié)低介電常數(shù)C0G特性微波介質(zhì)材料中,優(yōu)選為,各成分摩爾份數(shù)為:
所述BaSi2O5為70~75份;
所述Zn2SiO4為4~8份;
所述Al2O3為2份;
所述MnO為0.3份;
所述CeO2為0.3份;
所述CoO為0.5份;
所述Nb2O5為2份;
所述ZrO2為2份;
所述燒結(jié)助劑共10~15份。
一種低溫?zé)Y(jié)低介電常數(shù)C0G特性微波介質(zhì)材料的制備方法,包括如下步驟:
將BaO的前驅(qū)體、SiO2的前驅(qū)體按比例混合,進(jìn)行球磨、烘干、過(guò)篩后在1000℃~1100℃煅燒2.5~5小時(shí)后獲得BaSi2O5;
將ZnO的前驅(qū)體、SiO2的前驅(qū)體按比例混合,進(jìn)行球磨、烘干、過(guò)篩后在1150℃~1250℃煅燒2.5~5小時(shí)后獲得Zn2SiO4;
所述BaSi2O5與所述Zn2SiO4,所述Al2O3、所述MnO、所述CeO2、所述CoO、所述Nb2O5、所述ZrO2的一種或多種,由所述B2O3、所述SiO2、所述ZnO、所述Li2CO3、所述MgO中的一種或多種,按比例混合、球磨、烘干、過(guò)篩后獲得微波介質(zhì)材料;
將微波介質(zhì)材料造粒后在4~6MPa壓力下制成坯體,再將坯體排膠,排膠溫度為500℃、升溫速率為2℃/min、保溫1小時(shí),再以3~8℃/min升溫至850~950℃對(duì)排膠后的坯體進(jìn)行燒結(jié)保溫2~5小時(shí)后隨爐自然冷卻。
上述的低溫?zé)Y(jié)低介電常數(shù)C0G特性微波介質(zhì)材料的制備方法中,優(yōu)選為,
所述BaO的前驅(qū)體為BaO、Ba(OH)2、BaCO3中的一種或多種;
所述SiO2的前驅(qū)體為SiO2、H2SiO3中的一種或兩種;
所述ZnO的前驅(qū)體為ZnO、Zn(OH)2、ZnCO3中的一種或多種。
上述的C0G微波介質(zhì)材料的制備方法中,優(yōu)選為,
將所述B2O3、所述SiO2、所述ZnO、所述Li2CO3、所述MgO中的一種或多種按比例混合,進(jìn)行球磨、烘干、過(guò)篩后在500~700℃煅燒2.5~5小時(shí)后獲得燒結(jié)助劑。
在上述技術(shù)方案中,本發(fā)明實(shí)施例提供的低溫?zé)Y(jié)低介電常數(shù)C0G特性微波介質(zhì)材料及制備方法,與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、能夠在較低溫度(850~950℃)下燒結(jié),陶瓷粉具備成分均一、粒度分布窄、分散性好、成型性工藝好,燒結(jié)后瓷體致密、無(wú)雜質(zhì)和少缺陷,其相對(duì)介電常數(shù)在8~12系列變化、室溫?fù)p耗角正切<4×10-4、絕緣電阻>1×1012Ω、在-55~125℃范圍內(nèi)電容溫度系數(shù)為0±30ppm/℃、容量溫度特性穩(wěn)定、品質(zhì)因數(shù)Q·f值很高。
2、此C0G微波介質(zhì)材料制備方法及工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備成熟及投入成本較低、易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),可快捷、穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)從材料配方向微波介質(zhì)材料產(chǎn)品批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)化。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是,下述說(shuō)明僅僅是示例性的,而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。
(1)主料的制備
主料BaSi2O5的制備方法:將純度均為99.0%以上的BaCO3 0.1mol、SiO20.2mol混合,加入氧化鋯球和去離子水進(jìn)行球磨混合,球磨時(shí)間8小時(shí),在120℃烘5小時(shí)至干燥,過(guò)40目篩后,在1050±50℃煅燒混合物2.5h,即得主成分BaSi2O5。
(2)副料的制備
副料Zn2SiO4的制備方法:將純度均為99.0%以上的ZnO 0.2mol、SiO20.1mol混合,加入氧化鋯球和去離子水進(jìn)行球磨混合,球磨時(shí)間8小時(shí),在120℃烘5小時(shí)至干燥,過(guò)40目篩后,在1200±50℃煅燒混合物2.5h,即得主成分Zn2SiO4。
(3)燒結(jié)助劑的制備
LBS燒結(jié)助劑的制備方法:按質(zhì)量比例為1.5:1:1稱取原料Li2CO3、H3BO3、SiO2混合,加入氧化鋯球進(jìn)行球磨,球磨時(shí)間為6小時(shí),在80℃烘10小時(shí)至干燥,過(guò)100目篩后,在600℃煅燒4小時(shí)后獲得。
LMZBS燒結(jié)助劑的制備方法:按質(zhì)量比例為2.5:2.5:2:1:1稱取原料Li2CO3、Mg(OH)2、H3BO3、ZnO、SiO2混合,加入氧化鋯球進(jìn)行球磨,球磨時(shí)間為6小時(shí),在80℃烘10小時(shí)至干燥,過(guò)100目篩后,在560℃煅燒4小時(shí)后獲得。
(4)配方設(shè)計(jì)及圓片性能
本低溫?zé)Y(jié)C0G特性微波介質(zhì)材料配方如表1所示,按設(shè)計(jì)比例在主/副料中添加燒結(jié)助劑和改性添加劑,加入氧化鋯球進(jìn)行球磨,球磨時(shí)間為5小時(shí),在120℃烘6小時(shí)至干燥,過(guò)100目篩后獲得。
微波介質(zhì)陶瓷材料的制備:將微波介質(zhì)材料加入6.5wt%的PVA(聚乙烯醇)水溶液粘合造粒;分別在4Mpa和6MPa壓力下壓制成圓片和圓柱坯體,將坯體排膠,排膠溫度為500℃、升溫速率為2℃/min、保溫1小時(shí),去除粘合劑;將排膠后的坯體在850~950℃下燒結(jié),保溫2~5小時(shí),隨爐自然冷卻降至室溫,制得微波介質(zhì)陶瓷材料。
將燒制完的圓片兩表面涂覆銀漿、燒制銀電極,制成電容器后測(cè)試其室溫電學(xué)性能,結(jié)果見(jiàn)表2:相對(duì)介電常數(shù)10±2,損耗角正切<4×10-4,絕緣電阻>1×1012Ω,在-55~125℃范圍內(nèi)電容溫度系數(shù)為-30~30ppm/℃。
所述圓柱樣品的直徑為8.4±0.5mm,厚度為5.0±1.0mm,圓柱樣品的Q·f值為18296~38157GHz。
表1低溫?zé)Y(jié)C0G特性微波介質(zhì)材料配方(mol%)
表2微波介質(zhì)陶瓷材料的性能
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已,并不用于限制本發(fā)明,對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō),本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。