一種低介電常數(shù)、低損耗的微波介質(zhì)陶瓷及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及介質(zhì)陶瓷及其制造領(lǐng)域，尤其涉及一種低介電常數(shù)、低損耗的微波介 質(zhì)陶瓷及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 微波介質(zhì)陶瓷（Microwave Dielectric Ceramics, MWDC)應(yīng)用于微波頻段 (300MHz~300GHz)電路中作為介質(zhì)材料并完成一種或多種功能的陶瓷，在現(xiàn)代通訊中被 廣泛用作諧振器、濾波器、介質(zhì)天線和介質(zhì)導(dǎo)波回路等元器件，是現(xiàn)代通信技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ) 材料，已在便攜式移動電話、汽車電話、無繩電話、電視衛(wèi)星接受器和軍事雷達(dá)等方面有著 十分重要的應(yīng)用，在現(xiàn)代通訊工具的小型化、集成化過程中正發(fā)揮著越來越大的作用。
[0003] 應(yīng)用于微波頻段的介質(zhì)陶瓷通常需要滿足如下三個條件：（1)適宜的介電常數(shù)以 利于器件的小型化（介質(zhì)元器件的尺寸與介電常數(shù)\的平方根成反比）；（2)高的品質(zhì)因 數(shù)Q以降低損耗，一般要求QX f彡3000GHz (其中f為諧振頻率）；（3)穩(wěn)定的頻率溫度系 數(shù)，以保證器件的溫度穩(wěn)定性。上世紀(jì)70年代以來，開始了大規(guī)模的對介質(zhì)陶瓷材料的開 發(fā)工作，根據(jù)相對介電常數(shù)\的大小與使用頻段的不同，通?？蓪⒁驯婚_發(fā)和正在開發(fā)的 微波介質(zhì)陶瓷分為四類。
[0004] 1、超低介電常數(shù)微波介電陶瓷，主要代表是Al203-Ti0 2、Y2BaCu05、MgAl204和 1%如04等，其ε #20,品質(zhì)因數(shù)QXf》50000GHz，τ f<l〇ppm/°C。主要用于微波基板 以及高端微波元器件。
[0005] 2、低ε r和高Q值的微波介電陶瓷，主要是Ba〇-Mg〇-Ta 205, Ba0-Zn0-Ta205或 Ba0-Mg0_Nb205，Ba0-Zn0-Nb205系統(tǒng)或它們之間的復(fù)合系統(tǒng)MWDC材料。其ε ^=20-35,0 =(1~2) X 104(在f彡10GHz下），τ產(chǎn)〇。主要應(yīng)用于f彡8GHz的衛(wèi)星直播等微波通 信機(jī)中作為介質(zhì)諧振器件。
[0006] 3、中等和Q值的微波介電陶瓷，主要是以BaTi 409、Ba2Ti902。和（Zr、Sn)Ti0 4等為基的MWDC材料，其ε r= 35~45, Q = (6~9) X 103 (在f = 3~-4GHz下）， τ 5ppm/°C。主要用于4~8GHz頻率范圍內(nèi)的微波軍用雷達(dá)及通信系統(tǒng)中作為介質(zhì)諧 振器件。
[0007] 4、高ε Q值較低的微波介電陶瓷，主要用于0. 8~4GHz頻率范圍內(nèi)民用移動 通訊系統(tǒng)。
[0008] 綜上所述，低介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷可用于微波電路基板、射頻電子標(biāo)簽（RFID) 電路基板、電子封裝領(lǐng)域。目前市場上廣泛采用A1203陶瓷應(yīng)用于該領(lǐng)域中，雖然該陶瓷材 料具有很高的品質(zhì)因子，但是A1203具有相對較高的介電常數(shù)（9-10)，將該材料應(yīng)用于高 速、高頻電路基板、電子封裝領(lǐng)域時，該材料的燒結(jié)溫度較高且存在較大的信號延遲，隨著 對于信號傳輸?shù)乃俣鹊奶嵘约案哳l通信的發(fā)展需求，則需要更低介電常數(shù)及更低燒結(jié)溫 度的陶瓷材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于如何克服現(xiàn)有的低介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷頻率 溫度系數(shù)不穩(wěn)定，且介電常數(shù)高、損耗高等的缺陷。
[0010] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種低介電常數(shù)、低損耗的微波介質(zhì)陶瓷， 所述微波介質(zhì)陶瓷的主晶相結(jié)構(gòu)式為：xZn〇-yMg〇-zB203，其中x、y、z為摩爾比，1彡X彡3， 0· 2彡y彡1，1彡z彡3〇
[0011] 進(jìn)一步地，所述微波介質(zhì)陶瓷的主晶相的原料為：ZnO、MgO和Η3Β0 3。
[0012] 具體地，所述微波介質(zhì)陶瓷還包括質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5-20%的Si02、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1-4%的 !102和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5-15%的41 203。
[0013] 相應(yīng)地，本發(fā)明還提供了一種低介電常數(shù)、低損耗的微波介質(zhì)陶瓷制備方法，包括 以下步驟：
[0014] S1、將原料ZnO、MgO和Η3Β03按化學(xué)式為xZn〇-yMg〇-zB 203的組成配料，其中 l<x<3,0.2<y<l，l<z< 3,并將按照所述化學(xué)式配料的原料混合物置入球磨機(jī)中， 加入去離子水和球磨介質(zhì)進(jìn)行球磨混合；
[0015] S2、將球磨后的原料混合物干燥后，高溫熔融，再倒入去離子水急冷得到固態(tài)物 質(zhì)；
[0016] S3、在所述固態(tài)物質(zhì)中加入Si02、1102和A1 203，并置入球磨機(jī)中，加入去離子水和 球磨介質(zhì)進(jìn)行球磨混合，制備得到衆(zhòng)料；
[0017] S4、將所述漿料進(jìn)行干燥，加入聚乙烯縮丁醛溶液作為粘接劑進(jìn)行造粒；
[0018] S5、以干壓成型方法制備得到素坯，將所述素坯排膠并燒結(jié)制備得到微波介質(zhì)陶 bL· 〇
[0019] 具體地，在所述步驟S3中，Si02、1102和A1 203的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：5-20%、1-4% 和 5-15 %〇
[0020] 進(jìn)一步地，所述步驟S5中制備得到素坯后具體包括：
[0021] S501、將所述素坯置入高溫爐中梯度緩慢升溫進(jìn)行排膠；
[0022] S502、將排膠后的素坯置于高溫爐中梯度緩慢升溫，冷卻至室溫制備得到微波介 質(zhì)陶瓷。
[0023] 進(jìn)一步地，所述步驟S501中的梯度緩慢升溫過程具體為：以0. 5°C /min的升溫 速度升溫至100°c，保溫0. 5-lh，再以1°C /min的升溫速度升溫至400-600°C，保溫l-3h ; 所述步驟S502中的梯度緩慢升溫過程具體為：以2°C /min的升溫速度升溫至500°C，再以 5-10°C /min的升溫速度升溫至700-950°C，保溫0. 5-2h。
[0024] 其中，選擇梯度緩慢升溫的原理主要是：在成型時所引入的粘接劑為有機(jī)物，因此 在排膠階段需要緩慢升溫，避免過快升溫所導(dǎo)致的有機(jī)物分解產(chǎn)生的氣體體積急劇增加而 導(dǎo)致成型坯體破損；在燒結(jié)時，也是由于坯體對于環(huán)境水分的吸收以及排膠過程中所殘留 的有機(jī)殘渣需要在一次緩慢升溫以避免陶瓷坯體開裂破損，由于有機(jī)殘渣的存在會惡化微 波介電性能；為了避免由于升溫過快陶瓷顆粒之間的快速粘接影響坯體中氣體的排出采用 梯度緩慢升溫方式。
[0025] 進(jìn)一步地，在所述步驟S2中，高溫熔融的溫度為1100-1200 °C，熔融時間為 0.5~2h〇
[0026] 進(jìn)一步地，所述步驟S1和S3中的球磨介質(zhì)為直徑為2mm的氧化錯球，球磨條件為 在轉(zhuǎn)速為300-350rpm下球磨6-8h ;所述步驟S4中造粒具體為：加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5-10%的 聚乙烯縮丁醛溶液作為粘接劑，并在溫度為50-60°C下干燥0. 5-3h。
[0027] 進(jìn)一步地，所述步驟S4中將所述漿料烘干的條件為：在溫度為80 °C下干燥 10-18h ;所述步驟S5中干壓成型的成型壓力為200-240MPa。
[0028] 本發(fā)明的低介電常數(shù)、低損耗的微波介質(zhì)陶瓷及制備方法，具有如下有益效果：
[0029] 1、與傳統(tǒng)的陶瓷固相反應(yīng)合成粉體工藝相比，本發(fā)明方法采用熔融水淬法制備陶 瓷粉體，所獲得陶瓷相對于用傳統(tǒng)法方法具有更低的燒結(jié)溫度。
[0030] 2、本發(fā)明使用的原材料與最終產(chǎn)物均不含環(huán)境有害物質(zhì)，環(huán)保性能好；且本發(fā)明 涉及的工藝步驟及相應(yīng)配方范圍較寬，易于生產(chǎn)控制。
[0031] 3、本發(fā)明采用梯度緩慢升溫使得坯體得到最優(yōu)的排膠和燒結(jié)的處理，排出各種不 良影響因素，最終制備出性能優(yōu)異的微波介電陶瓷。
[0032] 4、本發(fā)明微波介質(zhì)陶瓷具有低介電常數(shù)（6-7)，低介電損耗，良好溫度穩(wěn)定性的優(yōu) 點(diǎn)，與傳統(tǒng)A1203基陶瓷基板比較，具有更短的信號延遲時間。
【附圖說明】
[0033] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其它附圖。
[0034] 圖1是本發(fā)明的低介電常數(shù)、低損耗的微波介質(zhì)陶瓷及制備方法的方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于 本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其 他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0036] 實(shí)施例一：
[0037] 本發(fā)明提供了一種低介電常數(shù)、低損耗的微波介質(zhì)陶瓷，所述微波介質(zhì)陶瓷的主 晶相結(jié)構(gòu)式為：xZn〇-yMg〇-zB203，其中x = l、y = 0. 2、z = 3,且所述微波介質(zhì)陶瓷的主晶 相的原料為：211〇、1%0和Η3Β03，所述微波介質(zhì)陶瓷還包括質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%、1%和10% 的 Si02、Ti0jP A1 203。
[0038] 相應(yīng)地，本發(fā)明還提供了一種低介電常數(shù)、低損耗的微波介質(zhì)陶瓷制備方法，包括 以下步驟：
[0039] S1、將原料ZnO、MgO和Η3Β03按化學(xué)式為xZn〇-yMg〇-zB 203的組成配料，其中X =Ky = 〇. 2、Z = 3,并將按照所述化學(xué)式配料的原料混合物置入球磨機(jī)中，加入去離子水和 直徑為2mm的氧化錯球在轉(zhuǎn)速為350rpm下球磨6h ;
[0040] S2、將球磨后的原料混合物干燥后，在溫度為1100°C下高溫熔融2h，再倒入去離 子水急冷得到固態(tài)物質(zhì)；
[0041] S3、在所述固態(tài)物質(zhì)中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%、1%和10%的Si02、1102和 A1203，并置入球磨機(jī)中，加入去離子水和直徑為2mm的氧化鋯球在轉(zhuǎn)速為350rpm下球磨 6h ；
[0042] S4、將所述漿料在溫度為80°C下干燥10h，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的聚乙烯縮丁醛溶 液作為粘接劑，并在溫度為50°C下干燥3h進(jìn)行造粒；
[0043] S5、以干壓成型方法制備得到素坯，其中干壓成型的成型壓力為200MPa，將所述素 坯置入高溫爐中以0. 5°C /min的升溫速度升溫至100°C，保溫0. 5h，再以