一種矽鈹石型鉬基鎢基超低溫燒結微波介質陶瓷材料及其製備方法

2023-10-05 22:27:14

專利名稱：一種矽鈹石型鉬基鎢基超低溫燒結微波介質陶瓷材料及其製備方法
技術領域：
本發明屬於電子陶瓷及其製備領域，特別涉及一種在超低溫下燒結的矽鈹石型鉬基鎢基超低溫燒結微波介質陶瓷材料及其製備。
背景技術：
微波介質陶瓷是近幾十年發展起來的一種新型功能陶瓷材料，是製造微波介質濾 波器和諧振器的關鍵材料，近年來對它的研究十分活躍發展迅速，其推動力主要來自於商 用無線通信高速發展的需求，如蜂窩式移動通信系統、電視接收系統、直接廣播系統和衛星 通信系統等。微波介質陶瓷具有介電常數分布較寬、低微波損耗、頻率溫度係數小等優良性 能，適合製作各種微波器件和行動電話等設備中的穩頻振蕩器濾波器和鑑頻器，能滿足微 波電路小型化、集成化、高可靠性和低成本的要求。隨著移動通信事業的發展，微波介質陶 瓷的研究日益受到人們的重視。低溫共燒陶瓷LTCC (LowTemperatureCo-firedCeramics)技術以其優異的電學、 機械、熱學及工藝特性，已經成為電子器件模塊化的主要技術之一。顧名思義，LTCC技術指 的就是將電極跟陶瓷生坯一起燒結的技術。根據材料的不同，LTCC材料的介電常數可在很 大範圍內變化，增加了電路設計的靈活性。LTCC工藝中所應用的微波介質陶瓷要比PCB印 刷電路板中所用的樹脂材料有著更低的介質損耗，具有非常優良的高頻特性。所以，當跟高 電導率的金屬電極共燒之後，整體模塊也會保持很低的損耗。另外，與樹脂材料等有機物相 比，陶瓷材料擁有較低的熱膨脹係數，進一步提高了元器件包裝過程的可靠性。憑藉以上所 述的種種優點，LTCC技術正逐漸成為高頻基板和集成器件應用的首選方法。介質陶瓷基板 現在廣泛應用於電子工業中的薄膜電路、大規模集成電路、大功率混合集成電路等等。應用 最為廣泛的還是傳統的Al2O3陶瓷，其介電常數為9，介電損耗在0. 0001以下，其良好的導 熱性以及溫度穩定性也是作為陶瓷基板材料不可缺少的特性。自上世紀七十年代以來，微波介質陶瓷體系開發的研究已經接近四十年，如果不 考慮燒結溫度這一指標，據文獻統計，到現在為止至少已經有幾百種體系，上萬種具有良 好微波介電性能的陶瓷被開發出來。但是大部分微波介質陶瓷都有著較高的燒結溫度
IOOO0Oo近十幾年來，一種更為有效的研究途徑越來越受到人們的關注，即尋找本身具 有低燒溫度(5000GHz)、諧振頻 率溫度特性穩定的、可以跟相應電極材料燒結匹配的新型微波介質陶瓷逐漸成為當前的研 究熱點與難點。在兼顧各項性能指標的同時，所研發的新材料應該具備價格低廉、不含或者 少含有有毒元素等特點，以滿足環保可持續發展的要求。

發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術材料的不足，提供一種矽鈹石型鉬基鎢基超 低溫燒結微波介質陶瓷材料及其製備方法，該陶瓷材料是一種不需要添加任何助燒劑就可 以在540°(T660°C燒結的可應用於LTCC的高性能矽鈹石型鉬基鎢基超低溫燒結微波介質陶 瓷材料，其最低燒結溫度低至540°C。本發明的第一個目的是提供一種矽鈹石型鉬基鎢基超低溫燒結微波介質陶瓷 材料，它燒結後的相對介電常數為5.3 5.5，低的低頻介電損耗(切115<3\10-4，說泡)， 良好的微波性能(37，OOOGHz彡Qf彡63，400GHz)，諧振頻率溫度係數可調(_133ppm/ 0C彡TCF彡-149ppm/°C),另外它的主要特點是可以在較低的燒結溫度下(540°(T640°C)進 行燒結，化學組成及製備工藝簡單，物相單一。本發明的第二個目的是提供上述超低溫燒結矽鈹石型鉬基鎢基微波介質陶瓷材 料的製備方法。本發明採用了最簡單有效的固相反應燒結的方法來實現上述發明目的。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(碳酸鹽)，通過一次球磨 使得氧化物混合均勻，通過預燒結過程使得氧化物進行初步的反應，再通過二次球磨細化 反應物的顆粒尺寸，最後通過燒結過程得到所需要的陶瓷樣品。通過這樣一種簡單易行 的有效的製備方法，得到的陶瓷樣品的介電常數隨成分在5. 3^5. 5之間變化，Qf分布在 37，OOOGHz 63，400GHz，諧振頻率溫度係數在TCF在-133ppm/°(T-149ppm/°C之間可調，燒結 溫度540°(T640°C，使之適用於LTCC技術的需要，擴大其應用範圍。本發明的技術方案是這樣實現的
一種矽鈹石型鉬基鎢基超低溫燒結微波介質陶瓷材料，該陶瓷材料結構表達式為 Li2(Mo1^xWx)O4,式中 0·0<χ<1·0。所述陶瓷材料的微波介電常數ε r=5. 3~5. 5、諧振頻率溫度係數 TCF=-133 -149ppm/。C、高品質因數 Qf=3700(T63400GHz、燒結溫度是 540。C 640。C、IMHz 低 頻下介電損耗為tanS<3X10_4。所述的矽鈹石型鉬基鎢基超低溫燒結微波介質陶瓷材料的製備方法，按以下步驟 進行
1)將化學原料MoO3、WO3和Li2CO3按配方通式Li2(McvxWx) O4配製，式中0. 0<χ<1· 0 ；
2)將步驟1)配料混合，球磨5、個小時，在100°(T200°C下烘乾，過篩200目後壓製成 塊狀體；
3)將步驟2)的塊狀體經500°(T800°C預燒，並保溫4飛小時，得到樣品燒塊；
4)將樣品燒塊粉碎，並經過5飛個小時的二次球磨，在100°(T200°C下烘乾、造粒，造粒 後經60目與120目篩網雙層過篩，得到瓷料粉末；
5)將瓷料粉末壓製成型，在540°(T640°C下燒結2、個小時成瓷，得到矽鈹石型鉬基鎢 基超低溫燒結微波介質陶瓷材料。本發明的超低溫燒結鉬基鎢基微波介質陶瓷材料具有以下特點相對 介電常數低(5. 3 5.5)，低頻下介電損耗小(tanS<3X10-4，lMHz)，微波性能良好 (37, 000GHz ≤ Qf ≤ 63，400GHz)，燒結溫度低(540°(T640°C)，諧振頻率溫度係數可調 (-133ppm/°C≤ TCF≤ _149ppm/。C)，化學組成及製備工藝簡單。
具體實施例方式下面對本發明的內容作進一步詳細說明。本發明的矽鈹石型鉬基鎢基超低溫燒結微波介質陶瓷材料的配方表達式為 Li2(Mo1^xWx)O4,式中 0·0<χ WO3 和 Li2CO3 按配方通式 Li2 (McvxWx) O4 配製，式中 0. 0<χ<1. O。充分混合球磨5個小時，磨細後烘乾、過篩、壓塊，然後經500°C預燒，並保溫4小 時，將預燒後的塊體進行二次球磨，磨細烘乾後造粒，經60目與120目篩網雙層過篩，即可 得到所需瓷料。將瓷料按需要壓製成型，然後在540°(T640°C下燒結2小時成瓷，即可得到 超低溫燒結鉬基鎢基微波介質陶瓷材料。本發明的超低溫燒結矽鈹石型鉬基鎢基超微波介質陶瓷材料其主要特點是以低熔點氧化物MoO3和Li2O作為主元，使得在低溫下燒結這種介質陶瓷材料成為可能。本發明 根據晶體化學原理和電介質有關理論，以A2BO4這種典型的矽鈹石型組成為基礎，使用Li+1 離子來佔據A位，使用高價態的Mo6+和W6+離子的組合離子來佔據B位，在沒有添加任何燒 結助劑的前提下，可以在非常低的溫度範圍(540°(T640°C)內燒結出緻密的且有著優良微波 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、片式微波介質諧振器 或濾波器、低溫共燒陶瓷系統(LTCC)、陶瓷基板、多晶片組件(MCM)等介質材料使用。實施例1
將分析純度的原料Mo03、WO3和Li2CO3按配方通式Li2 (Moa99Watll) O4配製。配製後充分 混合球磨4個小時，然後烘乾、過篩、壓塊，經500°C預燒4個小時，然後將預燒後的塊狀樣 品粉碎後再進行二次球磨5小時，磨細烘乾後造粒，經60目與120目篩網雙層過篩，即可得 到所需瓷料。將瓷料按需要壓製成型(片狀或者柱狀)，然後在540°(T640°C空氣下燒結2個 小時成瓷，即可得到矽鈹石型鉬基鎢基超低溫燒結微波介質陶瓷材料。該組陶瓷材料的性能達到如下指標
540°(T640°C空氣中燒結成瓷，微波下的介電性能ε r=5. 3 (13. IGHz ),品質因子 Q=2, 800, Qf=37, 000GHz，微波下的諧振頻率溫度係數 TCF=_133ppm/。C (25。C 85。C)。實施例2:
將分析純度的原料Mo03、W03和Li2CO3按配方通式Li2 (Moa5Wa5) O4配製。配製後充分混 合球磨4個小時，然後烘乾、過篩、壓塊，經500°C預燒4個小時，然後將預燒後的塊狀樣品 粉碎後再進行二次球磨5小時，磨細烘乾後造粒，經60目與120目篩網雙層過篩，即可得到 所需瓷料。將瓷料按需要壓製成型(片狀或者柱狀)，然後在540°(T640°C空氣下燒結2個小 時成瓷，即可得到矽鈹石型鉬基鎢基超低溫燒結微波介質陶瓷材料。該組陶瓷材料的性能達到如下指標
540°(T640°C空氣中燒結成瓷，微波下的介電性能ε r=5. 4 (14. 2GHz )，品質因子 Q=3, 500, Qf=49, 700GHz，微波下的諧振頻率溫度係數 TCF=_139ppm/。C (25。C 85。C)。實施例3
將分析純度的原料Mo03、WO3和Li2CO3按配方通式Li2 (MoatllWa99) O4配製。配製後充分 混合球磨4個小時，然後烘乾、過篩、壓塊，經500°C預燒4個小時，然後將預燒後的塊狀樣 品粉碎後再進行二次球磨5小時，磨細烘乾後造粒，經60目與120目篩網雙層過篩，即可得到所需瓷料。將瓷料按需要壓製成型(片狀或者柱狀)，然後在540°(T640°C空氣下燒結2個小時成瓷，即可得到矽鈹石型鉬基鎢基超低溫燒結微波介質陶瓷材料。該組陶瓷材料的性能達到如下指標
540°(T640°C空氣中燒結成瓷，微波下的介電性能ε r=5. 5 (15. 7GHz )，品質因子 Q=4, 300，Qf=63, 400GHz，微波下的諧振頻率溫度係數 TCF=-149ppm/°C (25°(T85°C)。需要指出的是，按照本發明的技術方案，上述實施例還可以舉出許多，根據申請人 大量的實驗結果證明，在本發明的權利要求書所提出的範圍，均可以達到本發明的目的。
權利要求
一種矽鈹石型鉬基鎢基超低溫燒結微波介質陶瓷材料，其特徵在於該陶瓷材料結構表達式為Li2(Mo1-xWx)O4, 式中0.0<x<1.0。
2. —種矽鈹石型鉬基鎢基超低溫燒結微波介質陶瓷材料，其特徵在於所述陶瓷材 料的微波介電常數ε r=5. 3^5. 5、諧振頻率溫度係數TCF=-133 -149ppm/°C、高品質因數 Qf=3700(T63400GHz、燒結溫度是 540°(T640°C、IMHz 低頻下介電損耗為tan δ <3Χ 1(Γ4。
3.實現權利要求1所述的矽鈹石型鉬基鎢基超低溫燒結微波介質陶瓷材料的製備方 法，其特徵在於，按以下步驟進行1)將化學原料MoO3、WO3和Li2CO3按配方通式Li2(McvxWx) O4配製，式中0. 0<χ<1· O ；2)將步驟1)配料混合，球磨5、個小時，在100°(T200°C下烘乾，過篩200目後壓製成 塊狀體；3)將步驟2)的塊狀體經500°(T800°C預燒，並保溫4飛小時，得到樣品燒塊；4)將樣品燒塊粉碎，並經過5飛個小時的二次球磨，在100°(T200°C下烘乾、造粒，造粒 後經60目與120目篩網雙層過篩，得到瓷料粉末；5)將瓷料粉末壓製成型，在540°(T640°C下燒結2、個小時成瓷，得到矽鈹石型鉬基鎢 基超低溫燒結微波介質陶瓷材料。
全文摘要
本發明公開了一種矽鈹石型鉬基鎢基超低溫燒結微波介質陶瓷材料及其製備方法。以結構通式A2BO4為基礎，選取低價態Li+1離子佔據A位，高價態的Mo6+和W6+複合陽離子佔據B位，通過傳統固相反應燒結的方法，得到了一系列可以在540oC~640oC超低溫度範圍內燒結，微波介電常數低(5.3≤εr≤5.5)、諧振頻率溫度係數可調(-133ppm/oC≤TCF≤-149ppm/oC)且微波介電損耗低(高品質因數Qf值，37,000GHz≤Qf≤63,400GHz)的陶瓷材料。其具體結構表達式為Li2(Mo1-xWx)O4，式中0.0<x<1.0。
文檔編號H01B3/12GK101823880SQ20101019202
公開日2010年9月8日 申請日期2010年6月4日 優先權日2010年6月4日
發明者吳新光, 周迪, 姚熹, 龐利霞, 張高群, 汪宏, 郭靖 申請人:西安交通大學