一種鉬酸鹽溫度穩定型超低介電常數微波介電陶瓷的製作方法

2023-06-14 18:37:46

本發明涉及介電陶瓷材料，特別是涉及用於製造微波頻率使用的陶瓷基板、諧振器與濾波器等微波元器件的介電陶瓷材料及其製備方法。

背景技術：

微波介電陶瓷是指應用於微波頻段(主要是uhf和shf頻段)電路中作為介質材料並完成一種或多種功能的陶瓷，在現代通訊中被廣泛用作諧振器、濾波器、介質基片和介質導波迴路等元器件，是現代通信技術的關鍵基礎材料，已在可攜式行動電話、汽車電話、無繩電話、電視衛星接受器和軍事雷達等方面有著十分重要的應用，在現代通訊工具的小型化、集成化過程中正發揮著越來越大的作用。

應用於微波頻段的介電陶瓷，應滿足如下介電特性的要求：(1)系列化介電常數εr以適應不同頻率及不同應用場合的要求；(2)高的品質因數q值或低的介質損耗tanδ以降低噪音，一般要求qf≥3000ghz；(3)諧振頻率的溫度係數τf儘可能小以保證器件具有好的熱穩定性，一般要求-10ppm/℃≤τf≤+10ppm/℃。國際上從20世紀30年代末就有人嘗試將電介質材料應用於微波技術,並製備出tio2微波介質濾波器，但其諧振頻率溫度係數τf太大而無法實用化。上世紀70年代以來，開始了大規模的對介質陶瓷材料的開發工作,根據相對介電常數εr的大小與使用頻段的不同，通常可將已被開發和正在開發的微波介質陶瓷分為4類。

(1)超低介電常數微波介電陶瓷，主要代表是al2o3-tio2、y2bacuo5、mgal2o4和mg2sio4等，其εr≤20，品質因數q×f≥50000ghz，τf≤10ppm/℃。主要用於微波基板以及高端微波元器件。

(2)低εr和高q值的微波介電陶瓷，主要是bao-mgo-ta2o5,bao-zno-ta2o5或bao-mgo-nb2o5,bao-zno-nb2o5系統或它們之間的複合系統mwdc材料。其εr＝20～35,q＝(1～2)×104(在f≥10ghz下),τf≈0。主要應用於f≥8ghz的衛星直播等微波通信機中作為介質諧振器件。

(3)中等εr和q值的微波介電陶瓷，主要是以bati4o9、ba2ti9o20和(zr、sn)tio4等為基的mwdc材料,其εr＝35～45，q＝(6～9)×103(在f＝3～－4ghz下)，τf≤5ppm/℃。主要用於4～8ghz頻率範圍內的微波軍用雷達及通信系統中作為介質諧振器件。

(4)高εr而q值較低的微波介電陶瓷，主要用於0.8～4ghz頻率範圍內民用移動通訊系統，這也是微波介電陶瓷研究的重點。80年代以來，kolar、kato等人相繼發現並研究了類鈣鈦礦鎢青銅型bao—ln2o3—tio2系列(ln＝la、sm、nd或pr等,簡稱blt系)、複合鈣鈦礦結構cao—li2o—ln2o3—tio2系列、鉛基系列材料、ca1-xln2x/3tio3系等高εr微波介電陶瓷，其中blt體系的bao—nd2o3—tio2材料介電常數達到90，鉛基系列(pb,ca)zro3介電常數達到105。

以上這些材料體系的燒結溫度一般高於1300℃，不能直接與ag和cu等低熔點金屬共燒形成多層陶瓷電容器。近年來，隨著低溫共燒陶瓷技術(lowtemperatureco-firedceramics,ltcc)的發展和微波多層器件發展的要求，國內外的研究人員對一些低燒體系材料進行了廣泛的探索和研究，主要是採用微晶玻璃或玻璃-陶瓷複合材料體系，因低熔點玻璃相具有相對較高的介質損耗，玻璃相的存在大大提高了材料的介質損耗。因此研製無玻璃相的低燒微波介質陶瓷材料是當前研究的重點。

在探索與開發新型可低燒微波介電陶瓷材料的過程中，固有燒結溫度低的li基化合物、bi基化合物、鎢酸鹽體系化合物和碲酸鹽體系化合物等材料體系得到了廣泛關注與研究，但是由於微波介電陶瓷的三個性能指標(εr與q·f和τf)之間是相互制約的關係(見文獻：微波介質陶瓷材料介電性能間的制約關係，朱建華，梁飛，汪小紅，呂文中，電子元件與材料，2005年3月第3期)，滿足三個性能要求且可低溫燒結的單相微波介質陶瓷非常少，主要是它們的諧振頻率溫度係數通常過大或者品質因數偏低而無法實際應用要求。目前對微波介質陶瓷的研究大部分是通過大量實驗而得出的經驗總結,卻沒有完整的理論來闡述微觀結構與介電性能的關係，因此，在理論上還無法從化合物的組成與結構上預測其諧振頻率溫度係數和品質因數等微波介電性能，這在很大程度上限制了低溫共燒技術及微波多層器件的發展。探索與開發既能低溫燒結同時具有近零諧振頻率溫度係數(-10ppm/℃≤τf≤+10ppm/℃)與較高品質因數的微波介電陶瓷是本領域技術人員一直渴望解決但始終難以獲得成功的難題。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種具有良好的熱穩定性與低損耗的超低介電常數微波介電陶瓷材料及其製備方法。

本發明的微波介電陶瓷材料的化學組成為li3gd3mo2o12。

本微波介電陶瓷材料的製備方法步驟為：

(1)將純度為99.9％(重量百分比)以上的li2co3、gd2o3和moo3的原始粉末按li3eu3mo2o12的組成稱量配料。

(2)將步驟(1)原料溼式球磨混合12小時，球磨介質為蒸餾水，烘乾後在1100℃大氣氣氛中預燒6小時。

(3)在步驟(2)製得的粉末中添加粘結劑並造粒後，再壓製成型，最後在1150～1200℃大氣氣氛中燒結4小時；所述的粘結劑採用質量濃度為5％的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇添加量佔粉末總質量的3％。

本發明的優點：li3gd3mo2o12陶瓷燒結溫度較低，原料成本低；其品質因數qf值高達77000-104000ghz,介電常數達到11.0～11.8，其諧振頻率的溫度係數τf小，溫度穩定性好；可廣泛用於各種介質基板、諧振器和濾波器等微波器件的製造，可滿足低溫共燒技術及微波多層器件的技術需要。

具體實施方式

實施例：

表1示出了構成本發明的不同燒結溫度的3個具體實施例及其微波介電性能。其製備方法如上所述，用圓柱介質諧振器法進行微波介電性能的評價。

本陶瓷可廣泛用於各種介質基板、諧振器和濾波器等微波器件的製造，可滿足移動通信和衛星通信等系統的技術需要。

表1：