一種溫度穩定型低溫燒結ltcc微波介質陶瓷材料及其製備方法和應用的製作方法
2023-06-06 16:21:36 2
一種溫度穩定型低溫燒結ltcc微波介質陶瓷材料及其製備方法和應用的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料及其製備方法和應用，屬於電子陶瓷及其製造【技術領域】。該溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料的配方通式為：Bi3(Nb1-xVx)O7，其中0.0001≤x≤0.3。本發明的溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料能夠在較低的溫度（850～900℃）下燒結緻密成瓷，且具有優異的微波介電性能，可作為LTCC微波介質材料使用。該陶瓷材料具有以下優點：1、在微波頻段的介電常數εr在76.0～95.0範圍內可調；2、品質因數Qf=250～615GHz；3、諧振頻率溫度係數TCF值在-112至+3.3ppm/℃範圍內可調；4、燒結溫度低（850～900℃）；5、能夠與金屬Ag電極共燒匹配；6、製備工藝簡單；7、應用範圍廣。
【專利說明】一種溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料及其製備方法和應用
【技術領域】
[0001]本發明屬於電子陶瓷及其製造【技術領域】，具體涉及一種溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料及其製備方法和應用。
【背景技術】
[0002]低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic LTCC)技術是近年發展起來的令人矚目的整合組件技術，已經成為無源集成的主流技術，成為無源元件領域的發展方向和新的元件產業的經濟增長點。利用LTCC製備片式無源集成器件和模塊具有許多優點，首先，陶瓷材料具有優良的高頻高Q特性;第二，使用電導率高的金屬材料作為導體材料，有利於提高電路系統的品質因子；第三，可適應大電流及耐高溫特性要求，並具備比普通PCB電路基板優良的熱傳導性；第四，可將無源組件埋入多層電路基板中，有利於提高電路的組裝密度；第五，具有較好的溫度特性，如較小的熱膨脹係數、較小的介電常數溫度係數，可以製作層數極高的電路基板，可以製作線寬小於50 μ m的細線結構。另外，非連續式的生產工藝允許對生坯基板進行檢查，從而提高成品率，降低生產成本。
[0003]LTCC器件按其所包含的元件數量和在電路中的作用，大體可分為LTCC元件、LTCC功能器件、LTCC封裝基板和LTCC模炔基板。國內LTCC器件的開發比國外至少落後5年。這主要是由於電子終端產品發展滯後造成的。
[0004]LTCC功能器件和模塊主要用於GSM、CDMA和PHS手機、無繩電話、WLAN和藍牙等通信產品，除40多兆的無繩電話外，這幾類產品在國內是近5年才發展起來的。國內的終端產品為了儘快搶佔市場，最初的設計方案大都是從國外買來的，甚至方案與元器件打包採購，其所購方案都選用了 國外元器件。前幾年終端產品生產廠的主要目標是擴大市場份額，成本壓力不大，無法顧及元器件國產化。隨著終端產品產能過剩，價格和成本競爭將日趨激烈，元器件的國產化必將提上議事日程，這將為國內LTCC器件的發展提供良好的市場契機。
[0005]中國電子學會元件分會秘書長陳福厚表示，國內LTCC行業面臨的問題主要是原材料的問題。目前原材料的來源主要有三種方式:其一，直接從國外進口生帶；其二，買瓷粉，自己做生帶；其三，自己研製瓷粉。其中從國外進口生帶成本最高，而自己研製瓷粉周期過長，因此，目前國內LTCC行業主要從國外進口瓷粉，自己做生帶。因此，研究開發頻率系列化(要求介電常數系列化)且燒結溫度低的環保型微波介質陶瓷材料已成為目前國內LTCC器件發展的關鍵點之一。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在於提供一種溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料及其製備方法，該材料能夠在較低的溫度下燒結緻密成瓷，在微波頻段具有高介電常數，並具有良好的溫度穩定性，與金屬Ag電極能夠共燒匹配,能夠用於製備LTCC微波介質器件。[0007]本發明是通過以下技術方案來實現:
[0008]一種溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料，組成表達式為=Bi3 (NlvxVx) O7,其中，0.0001<X<0.3。
[0009]所述的陶瓷材料的微波頻段的介電常數ε r=76.0~95.0,諧振頻率溫度係數TCF=-112 ~+3.3ppm/°C，品質因數 Qf=250 ~615GHz。
[0010]所述的陶瓷材料能夠與金屬Ag電極共燒匹配。
[0011]一種溫度穩定型低溫燒結LTC C微波介質陶瓷材料的製備方法，包括以下步驟:
[0012]I)將原料Bi2O3' Nb2O5和V2O5按組成通式Bi3(Nb1-Jx)O7配料，其中，
0.0001 <X < 0.3 ;
[0013]2)將混合後的原料充分球磨,球磨後烘乾、過篩並壓製成塊狀體,然後在700~750°C下保溫4~8h，得到樣品燒塊；
[0014]3)將樣品燒塊粉碎，充分球磨後烘乾，然後造粒，造粒後過篩，得到所需的二次顆粒;
[0015]4)將二次顆粒壓製成型，在850~900°C下燒結I~3h，得到溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料。
[0016]所述步驟2)的球磨是將混合後的原料置於尼龍罐中，加入酒精後，球磨4~6h ;烘乾是在100~140°C的條件下進行的；過篩是用120目的篩網。
[0017]所述步驟3)的球磨時間為4~6h ;烘乾是在100~140°C的條件下進行的；過篩是經80目與120目的雙層篩網。
[0018]步驟4)所述的壓製成型是壓製成片狀或柱狀。
[0019]步驟4)所述的燒結是在空氣氛圍下的燒結。
[0020]一種溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料在製備微波介質器件中的應用，所述的微波介質器件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、陶瓷基板或多晶片組件。
[0021]與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果:
[0022]本發明的溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料以Bi3NbO7為基礎，根據晶體化學原理和電介質有關理論，選取五價離子V5+與Nb5+形成的複合離子取代Bi3NbO7中的B位五價離子Nb5+，得到Bi3(NVxVx)O7，當選取合適的取代量(0.0001<x<0.3)時可以得到一種溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料，該材料可以在不添加任何燒結助劑的前提下，在較低的燒結溫度(850~900°C)範圍內燒結緻密成瓷。
[0023]本發明採用了簡單有效的固相反應燒結的方法，首先通過選取合適比例的配方，選取合適的初始氧化物，通過一次球磨使得原料混合均勻，通過預燒結過程使得原料進行初步的化學反應，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陶瓷材料產品。
[0024]通過本發明方法製備得到的溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料的介電常數K在76.0~95.0範圍內可調，諧振頻率溫度係數TCF值在-112至+3.3ppm/°C範圍內可調，品質因數Qf=250~615GHz，能夠與金屬Ag電極共燒匹配，因此本發明提供的Bi3(Nb1-Jx)O7材料能夠應用於製備LTCC微波介質器件。
[0025]本發明製備方法操作簡單，環境友好，使之適用於LTCC技術的需要，能夠用於製備微波介質器件，擴大了其應用範圍。
【具體實施方式】
[0026]下面結合具體的實施例對本發明做進一步的詳細說明，所述是對本發明的解釋而不是限定。
[0027]依本發明的技術方案，本發明的溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料的配方通式為:Bi3 (Nb1-Jx) O7，其中，0.0001≤X≤0.3。以五價離子V5+與Nb5+形成的複合離子取代Bi3NbO7中的B位五價離子Nb5+。
[0028]所述的溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料的具體製備方法是:
[0029]將高純化學原料Bi2O3' Nb2O5和V2O5按組成通式Bi3 (Nb1-Jx) O7配料，其中，
0.0001 ^ X ^ 0.3 ;將混合後的原料充分球磨4~6小時，磨細後烘乾、過篩、壓塊，然後在700~750°C下保溫4~8小時；
[0030]將保溫後的塊體粉碎後進行二次球磨，磨細後烘乾、造粒、過80目與120目的雙層篩網，得到所需的二次顆粒；
[0031]將二次顆粒壓製成型，在850~900°C下燒結I~3小時，得到該溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料。
[0032]實施例1
[0033]一種溫度穩定型低 溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料的製備方法，包括以下步驟:
[0034]I)將分析純的化學原料Bi203、Nb2O5和V2O5按配方通式Bi3(Nba 9999Vacicm)O7配料，混合後，充分球磨5小時，然後在120°C下烘乾，過120目篩後壓塊，然後在750°C下保溫4小時，得到樣品燒塊；
[0035]2)將樣品燒塊粉碎後，二次球磨5小時後，在120°C下烘乾後，造粒，然後經80目與120目篩網雙層過篩，即可得到所需的二次顆粒；
[0036]3)將二次顆粒按需要壓製成型(片狀或者柱狀)，然後在850~90(TC空氣下燒結2小時成瓷，得到溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料。
[0037]該組陶瓷材料的性能達到如下指標:
[0038]850~900°C空氣中燒結成瓷，微波頻段下的介電性能ε^95.0，品質因子Qf=250GHz，微波下的諧振頻率溫度係數TCF=-112ppm/°C(25~85°C )，與金屬Ag電極能夠共燒匹配。
[0039]實施例2
[0040]一種溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料的製備方法，包括以下步驟:[0041 ] I)將分析純的化學原料Bi203、Nb205和V2O5按配方通式Bi3 (Nb0.9V0.1) O7配料，混合後，充分球磨4小時，然後在100°C下烘乾，過120目篩後壓塊，然後在700°C下保溫5小時，得到樣品燒塊；
[0042]2)將樣品燒塊粉碎後，二次球磨4小時後，在120°C下烘乾後，造粒，然後經80目與120目篩網雙層過篩，即可得到所需的二次顆粒；
[0043]3)將二次顆粒按需要壓製成型(片狀或者柱狀)，然後在850~90(TC空氣下燒結I小時成瓷，得到溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料。
[0044]該組陶瓷材料的性能達到如下指標:[0045]850~900°C空氣中燒結成瓷，微波頻段下的介電性能ε^80.0，品質因子Qf=615GHz，微波下的諧振頻率溫度係數TCF=-22ppm/°C (25~85°C )，與金屬Ag電極能夠共燒匹配。
[0046]實施例3
[0047]一種溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料的製備方法，包括以下步驟:
[0048]I)將分析純的化學原料Bi203、Nb205和V2O5按配方通式Bi3 (Nb0.8V0.2) O7配料，混合後，充分球磨6小時，然後在140°C下烘乾，過120目篩後壓塊，然後在700°C下保溫8小時，得到樣品燒塊；
[0049]2)將樣品燒塊粉碎後，二次球磨6小時後，在140°C下烘乾後，造粒，然後經80目與120目篩網雙層過篩，即可得到所需的二次顆粒；
[0050]3)將二次顆粒按需要壓製成型(片狀或者柱狀)，然後在850~900°C空氣下燒結3小時成瓷，得到溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料。
[0051]該組陶瓷材料的性能達到如下指標:
[0052]850~900°C空氣中燒結成瓷，微波頻段下的介電性能ε^76.0，品質因子Qf=460GHz，微波下的諧振頻率溫度係數TCF=+3.3ppm/°C(25~85°C )，與金屬Ag電極能夠共燒匹配。
[0053]實施例4
[0054]一種溫度穩定型低 溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料的製備方法，包括以下步驟:
[0055]I)將分析純的化學原料Bi203、Nb205和V2O5按配方通式Bi3 (Nb0.7V0.3) O7配料，混合後，充分球磨4小時，然後在120°C下烘乾，過120目篩後壓塊，然後在720°C下保溫6小時，得到樣品燒塊；
[0056]2)將樣品燒塊粉碎後，二次球磨4小時後，在100°C下烘乾後，造粒，然後經80目與120目篩網雙層過篩，即可得到所需的二次顆粒；
[0057]3)將二次顆粒按需要壓製成型(片狀或者柱狀)，然後在850~90(TC空氣下燒結3小時成瓷，得到溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料。
[0058]該組陶瓷材料的性能達到如下指標:
[0059]850~900°C空氣中燒結成瓷，微波頻段下的介電性能ε^80.2，品質因子Qf=285GHz，微波下的諧振頻率溫度係數TCF=-82ppm/°C (25~85°C )，與金屬Ag電極能夠共燒匹配。
[0060]以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的【具體實施方式】僅限於此，對於本發明所屬【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬於本發明由所提交的權利要求書確定專利保護範圍。
【權利要求】
1.一種溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料，其特徵在於，該陶瓷材料的組成表達式為=Bi3(Nb1-Jx)O7,其中，0.0001≤ X ≤ 0.3。
2.根據權利要求1所述的溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料，其特徵在於，所述的陶瓷材料的微波頻段的介電常數ε r=76.0~95.0,諧振頻率溫度係數TCF=_112~+3.3ppm/°C，品質因數 Qf=250 ~615GHz。
3.根據權利要求1所述的溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料，其特徵在於，所述的陶瓷材料能夠與金屬Ag電極共燒匹配。
4.一種溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟:
1)將原料Bi2O3^Nb2O5 和 V2O5 按組成通式 Bi3 (NVxVx) O7 配料，其中，0.0001 ≤x ≤ 0.3 ； 2)將混合後的原料充分球磨，球磨後烘乾、過篩並壓製成塊狀體，然後在700~750°C下保溫4~8h，得到樣品燒塊； 3)將樣品燒塊粉碎，充分球磨後烘乾，然後造粒，造粒後過篩，得到所需的二次顆粒； 4)將二次顆粒壓製成型，在850~900°C下燒結I~3h，得到溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料。
5.根據權利要求4所述的溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料的製備方法，其特徵在於，所述步驟2)的球磨是將混合後的原料置於尼龍罐中，加入酒精後，球磨4~6h ;烘乾是在100~140°C的條件下進行的；過篩是用120目的篩網。
6.根據權利要求4所述的溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料的製備方法，其特徵在於，所述步驟3)的球磨時間為4~6h ;烘乾是在100~140°C的條件下進行的；過篩是經80目與120目的雙層篩網。
7.根據權利要求4所述的溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料的製備方法，其特徵在於，步驟4)所述的壓製成型是壓製成片狀或柱狀。
8.根據權利要求4所述的溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料的製備方法，其特徵在於，步驟4)所述的燒結是在空氣氛圍下的燒結。
9.一種如權利要求1所述的溫度穩定型低溫燒結LTCC微波介質陶瓷材料在製備微波介質器件中的應用。
10.根據權利要求9所述的應用，其特徵在於，所述的微波介質器件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、陶瓷基板或多晶片組件。
【文檔編號】C04B35/495GK103467092SQ201310379784
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年8月27日 優先權日:2013年8月27日
【發明者】龐利霞, 周迪, 劉衛國 申請人:西安工業大學