專利名稱：一種多層電感器用硅酸鋅基玻璃/陶瓷介質(zhì)材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多層電感器用硅酸鋅基玻璃/陶瓷介質(zhì)材料的制備方法，屬材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
傳統(tǒng)的多層片式電感器的介質(zhì)材料一般采用軟磁性的鐵氧體材料，軟磁性鐵磁體(ferrite)有三種常用晶型，分別為尖晶石型、石榴石型和磁鉛石型。在尖晶石型的鐵氧體中，NiZn鐵氧體得到了最為廣泛的研究和應(yīng)用。其他一些體系，比如，Li系鐵氧體、MgZn鐵氧體、MnZn鐵氧體也受到了學(xué)者的重視和研究，但這些體系由于自身頻率方面的限制，不能用于高頻。Y鐵石榴石(YIG)是石榴石型鐵氧體的代表，而磁鉛石鐵氧體，則以Ba鐵氧體為代表。這兩種鐵氧體材料并沒有大量用于生產(chǎn)中，在學(xué)者中依然有針對(duì)它們開展的研究。NiZnCu鐵氧體是目前在工業(yè)中應(yīng)用得最廣泛的一種介質(zhì)材料，它是由Cu替代了NiZn鐵氧體中的部分Ni和Zn而形成的，尖晶石的晶型并沒有改變。較常見的分子式如Ni0.25Cu0.25Zn0.50Fe2O4,CuO是作為一種低溫金屬氧化物而加入其中的，目的是降低鐵氧體的燒結(jié)溫度。從NiZn鐵氧體到NiZnCu鐵氧體，燒結(jié)溫度從1250℃下降到1050℃。然后，通過別的辦法，再把溫度降低一些，從而實(shí)現(xiàn)在900℃以下燒結(jié)。對(duì)于Cu在其中所起到的作用，也有很多學(xué)者做了相應(yīng)的研究。其中以日本學(xué)者Fujimoto的研究最為引人注目。實(shí)際上，為了降低NiZnCu的燒結(jié)溫度，學(xué)者和生產(chǎn)廠家實(shí)驗(yàn)了各種辦法。主要的實(shí)驗(yàn)可以歸納為兩類；(1)通過添加一些助熔劑來降低燒結(jié)溫度。如，添加Bi2O3或Pb玻璃。(2)通過制備超細(xì)粉末的辦法來降低燒結(jié)溫度。如，預(yù)燒后重新粉化，或者采用溶膠-凝膠的化學(xué)方法制備原料。最近，有的學(xué)者實(shí)驗(yàn)了干凝膠自燃燒的方法制備鐵氧體的超細(xì)粉末，獲得了比較好的結(jié)果。NiZnCu鐵氧體作為介質(zhì)材料的優(yōu)點(diǎn)在于它的磁導(dǎo)率比較大，能到幾百至幾千，但它不能夠用于特高頻和超高頻(高于500MHz)，其原因是這種介質(zhì)材料的電介質(zhì)常數(shù)較大(一般為10-15)，使多層片式電感器在高頻下產(chǎn)生較大的附隨電容；同時(shí)其電感量也較大，而電感器的自諧振頻率是由電感量和附隨電容決定的，其關(guān)系式為SRF=1/[2π(LCp)1/2]。電感(L)和電容(Cp)越大，自諧振頻率反而越小。所以，以這種傳統(tǒng)的鐵氧體材料為介質(zhì)材料的多層片式電感無法適用于極射頻段，更無法適用于特高頻段。
現(xiàn)今電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，粗略可以歸納為“四化”，即小型化、移動(dòng)化、數(shù)字化和高頻化。而多年來，電感器的技術(shù)發(fā)展相對(duì)滯后，影響了電子產(chǎn)品的整體發(fā)展。片式電感器主要分為兩類多層式片式電感器和繞線式片式電感器。在專家所做的市場估計(jì)中，兩者所占份額分別為60％和40％，而隨著技術(shù)的發(fā)展，前者所占的比重將逐漸增大。多層片式電感器(MLCI)的主要優(yōu)點(diǎn)有體積??；可靠性高；磁屏蔽性好；適于表面安裝(SMT)和自動(dòng)裝配等。許多電子產(chǎn)品都離不開多層片式電感器，如筆記本計(jì)算機(jī)、手持電話、BP機(jī)、大屏幕彩電機(jī)芯等。多層片式電感器的應(yīng)用包括(1)與電容合成LC濾波器；(2)在主動(dòng)器件(如晶體管)中作為交流阻隔器；(3)用于匹配電路；(4)作為抗電磁干擾(EMI)濾波器。在多層片感的研究和工業(yè)化方面，日本走在了世界前面。早在1986年，他們就提出了富有創(chuàng)意的片感設(shè)計(jì)方案，并在隨后的幾年里，不斷地研究和改進(jìn)片感的技術(shù)。目前，日本的廠商占據(jù)了大部分市場，尤其在高頻應(yīng)用方面，日本的TDK公司、村田公司、太陽誘電公司和TOKO公司都有自諧振頻率高于4GHz產(chǎn)品。美國的水平僅次于日本。往后便是韓國和臺(tái)灣。國內(nèi)要相對(duì)落后一些，但近年來，已有部分學(xué)者開展了卓有成效的研究。
在片感器件中，主要有兩種材料電極材料和介質(zhì)材料。其中電極材料一般采用金屬銀(Ag)或者銀-鈀合金(Ag-Pd)，金屬銀是由于具有最低的電阻率而被選為內(nèi)部線圈的導(dǎo)體，如果采用金屬銀，介質(zhì)材料要求900℃以下燒結(jié)；如果介質(zhì)材料在1000℃下燒結(jié)，則采用銀鈀電極，所以，用于片式電感的低燒介質(zhì)材料是片式電感的關(guān)鍵技術(shù)，頻從目前的研究和工業(yè)化的現(xiàn)狀來看，目前片式電感用的低燒介質(zhì)材料主要有三類，一類是應(yīng)用于300MHz以下頻率的鐵氧體介質(zhì)；另一類是應(yīng)用于高頻范圍(500MHz-2GHz)內(nèi)的低介電常數(shù)的陶瓷材料與鐵氧體的混和物；第三類是應(yīng)用于高頻范圍(2-5 GHz)內(nèi)的低介電常數(shù)(1MHz,K＜5.0；1MHZ,tanδ＜0.001)的陶瓷材料介質(zhì)材料。
在低介瓷的研究中，臺(tái)灣學(xué)者許正源(Jen-Yan Hsu)在1997年發(fā)表了一篇很重要的文章，提到他們以低介瓷制備了三組樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得了5.3到2.4GHz高頻。但在此文中，他并沒有明確指出所采用的低介瓷的體系，只是列出了幾個(gè)條件，如低的介質(zhì)電常數(shù)(εr=4-5)，低的損耗角正切(在1MHz,tanδ≤0.001)以及低的燒結(jié)溫度(低于900℃)。
當(dāng)今隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，如手機(jī)，手提式計(jì)算機(jī)，彩色大屏幕機(jī)芯等產(chǎn)品不斷向高頻化發(fā)展，生產(chǎn)適合于高頻、特高頻應(yīng)用的電子元器件已迫在眉睫。這對(duì)相應(yīng)的電子器件材料提出了更高的要求，而多年來，電感器的技術(shù)發(fā)展相對(duì)滯后，影響了電子產(chǎn)品的整體發(fā)展。研發(fā)適合于特高頻段(2-5GHz)的低溫?zé)Y(jié)獨(dú)石型多層片式電感器的需求越來越迫切。
本發(fā)明的目的是提出一種多層電感器用硅酸鋅基玻璃/陶瓷介質(zhì)材料的制備方法，以非磁性陶瓷材料作為特高頻片式電感器的介質(zhì)材料，采用“玻璃+晶相”系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)，以便在低于900℃下與Ag電極共燒，并使材料具有低介電常數(shù)與介電損耗，低的燒結(jié)溫度，采用此新的材料作為多層片式電感器的介質(zhì)材料以及流延工藝來制造電感器，可使片式電感器有望在2-5GHz的特高頻下使用。
本發(fā)明的多層電感器用硅酸鋅基玻璃/陶瓷介質(zhì)材料的制備方法，包括以下步驟(1)合成低熔點(diǎn)的硼硅玻璃采用60-90wt％二氧化硅，15-25wt％三氧化二硼，2-15wt％堿金屬氧化物如氧化鈉，氧化鉀為原料，濕法球磨至平均粒徑為4-6μm，再將球磨后的原料裝入高鋁坩堝中，熔制玻璃，熔制溫度為1400-1600℃，保溫2-4小時(shí)，然后，玻璃淬冷，得到硼硅玻璃，再將玻璃球磨30-40小時(shí)后得到平均粒徑為0.5-2μm的玻璃粉。
(2)合成硅酸鋅晶體將氧化鋅和二氧化硅按硅酸鋅分子量比混合，濕法球磨至平均粒徑為5μm左右，在40-60MPa的壓力干壓成圓柱狀，在1400-1500℃下煅燒，保溫2-4小時(shí)，得到六方型硅酸鋅，球磨20-30小時(shí)后得到平均粒徑為0.5-2μm的硅酸鋅粉。
(3)制備陶瓷燒結(jié)體以上述制備的40-85wt％硼硅酸鹽玻璃，10-35wt％硅酸鋅，5-30wt％α-型石英為原料，濕法球磨至平均粒徑為0.5-2μm，在100-120MPa壓力干壓成圓片狀，再置于電爐中燒成，在850-950℃下保溫0.5-4小時(shí)，即得到本發(fā)明的硅酸鋅基玻璃/陶瓷介質(zhì)材料。
利用本發(fā)明的多層電感器用硅酸鋅基玻璃/陶瓷介質(zhì)材料的制備方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)采用“低溫玻璃+晶相”的系統(tǒng)，其低溫玻璃為低熔點(diǎn)硼硅酸玻璃，低熔點(diǎn)玻璃起溫?zé)Y(jié)助劑作用，晶相為硅酸鋅和α-型石英晶相，所加的晶相可以起調(diào)節(jié)燒結(jié)體的物理性能，如抗熱震性，抗折強(qiáng)度等。
(2)本發(fā)明充分利用了陶瓷的多相加和性，由玻璃與晶相組成的低溫?zé)Y(jié)的陶瓷體，其物理性能(介電性能，機(jī)械性能與熱性能)都具有一定的加和，由Polder和VanSanten進(jìn)一步將Maxwell方程一般化得到以下經(jīng)驗(yàn)公式(ε＇-1)/3ε＇=∑[Vi(Di-1)/(Di+2ε＇)]，其中ε＇為混合體的介電常數(shù)；Vi為第ⅰ分布相或基相的體積百分?jǐn)?shù)；Di為第ⅰ分布相或基相的介電常數(shù)。此方程適用于包括多相和氣孔的混合體。α-型二氧化硅的介電常數(shù)為4.1；二氧化硅玻璃的介電常數(shù)為3.8；硼硅玻璃的介電常數(shù)為3.7。硅酸鋅晶體的介電常數(shù)因?yàn)殇\離子的原子半徑較小，而使其介電常數(shù)較小。按上述的公式計(jì)算，故組合成分的材料的介電常數(shù)較小。
硼硅玻璃的介電損耗也很低，約為4×10-4，石英晶體和硅酸鋅晶體的介電損耗都很低，約為10-4數(shù)量級(jí)，因?yàn)槭⒕w和硅酸鋅晶體的結(jié)構(gòu)都屬于緊密型結(jié)構(gòu)，其高頻下的結(jié)構(gòu)損耗很小，一般材料的高頻損耗為結(jié)構(gòu)損耗。要求材料的晶體和玻璃體結(jié)構(gòu)緊密，無氣孔，無自由移動(dòng)的金屬離子。本實(shí)驗(yàn)所制備的材料具有緊密的晶相和玻璃相結(jié)構(gòu)。故材料的介電損耗較小。
本材料中由于均勻地分布硅酸鋅和α-型石英晶相，同時(shí)硼硅玻璃與晶相相熔性好，兩相之間有一定的反應(yīng)，這使得兩相之間結(jié)合緊密，故是材料具有良好的熱穩(wěn)定性和抗折強(qiáng)度(待測)。
(3)利用鋅離子的活性較大，可促進(jìn)材料的燒結(jié)，由XRD可檢測到少量的鋅離子進(jìn)入玻璃網(wǎng)絡(luò)，XRD結(jié)果表明有少量亞硅酸鋅和方石英兩種晶相形成，少量方石英的形成來源于α-型石英和硼硅玻璃。
(4)原料的粒徑很重要，本原料的d50粒徑為0.5-2.0μm范圍。
下面介紹
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1(1)合成低熔點(diǎn)的硼硅玻璃采用88wt％二氧化硅，10wt％三氧化二硼，2wt％氧化鉀為原料，濕法球磨至平均粒徑為4.5μm，再將球磨后的原料裝入高鋁坩堝中，熔制玻璃，溫度為1400℃，保溫4小時(shí)，然后，玻璃淬冷，最后得到硼硅玻璃，再將玻璃球磨35小時(shí)后得到平均粒徑為0.972μm的玻璃粉。
(2)合成硅酸鋅晶體氧化鋅和二氧化硅按硅酸鋅分子量比配比，濕法球磨至平均粒徑為5μm，在50MPa的壓力干壓成一圓柱狀，煅燒(1450℃，保溫3小時(shí))，最后得到六方型硅酸鋅，球磨25小時(shí)后得到平均粒徑為1.160μm的硅酸鋅粉。
(3)制備陶瓷燒結(jié)體采用上述制備的40wt％硼硅酸鹽玻璃，33wt％硅酸鋅，27wt％α-型石英為原料。濕法球磨至平均粒徑為0.986μm，在100MPa壓力干壓成圓片狀，再置于電爐中燒成(880℃，保溫時(shí)間2小時(shí))，即得到本發(fā)明的材料。
實(shí)施例2(1)合成低熔點(diǎn)的硼硅玻璃采用80wt％二氧化硅，15wt％三氧化二硼，5wt％氧化鉀為原料，濕法球磨至平均粒徑為4.5μm，再將球磨后的原料裝入高鋁坩堝中，熔制玻璃，溫度為1500℃，保溫3.5小時(shí)，然后，玻璃淬冷，最后得到硼硅玻璃，再將玻璃球磨40小時(shí)后得到平均粒徑為0.854μm的玻璃粉。
(2)合成硅酸鋅晶體氧化鋅和二氧化硅按硅酸鋅分子量比配比，濕法球磨至平均粒徑為4.8μm，在55MPa的壓力干壓成一圓柱狀，煅燒(1500℃，保溫3小時(shí))，最后得到六方型硅酸鋅，球磨28小時(shí)后得到平均粒徑為1.540μm的硅酸鋅粉。
(3)制備陶瓷燒結(jié)體采用上述制備的62wt％硼硅酸鹽玻璃，28wt％硅酸鋅，10wt％α-型石英為原料。濕法球磨至平均粒徑為1.54μm，在100MPa壓力干壓成圓片狀，再置于電爐中燒成(900℃，保溫時(shí)間1小時(shí))，即得到本發(fā)明的材料。
實(shí)施例3(1)合成低熔點(diǎn)的硼硅玻璃采用70wt％二氧化硅，20wt％三氧化二硼，10wt％氧化鈉為原料，濕法球磨至平均粒徑為5.0μm，再將球磨后的原料裝入高鋁坩堝中，熔制玻璃，溫度為1550℃，保溫2小時(shí)，然后，玻璃淬冷，最后得到硼硅玻璃，再將玻璃球磨33小時(shí)后得到平均粒徑為0.954μm的玻璃粉。
(2)合成硅酸鋅晶體氧化鋅和二氧化硅按硅酸鋅分子量比配比，濕法球磨至平均粒徑為4.4μm，在50MPa的壓力干壓成一圓柱狀，煅燒(1500℃，保溫2小時(shí))，最后得到六方型硅酸鋅，球磨25小時(shí)后得到平均粒徑為1.40μm的硅酸鋅粉。
(3)制備陶瓷燒結(jié)體采用上述制備的85wt％硼硅酸鹽玻璃，10wt％硅酸鋅，5wt％α-型石英為原料。濕法球磨至平均粒徑為0.900μm，在110MPa壓力干壓成圓片狀，再置于電爐中燒成(850℃，保溫時(shí)間4小時(shí))，即得到本發(fā)明的材料。
實(shí)施例4(1)合成低熔點(diǎn)的硼硅玻璃采用65wt％二氧化硅，25wt％三氧化二硼，10wt％氧化鈉為原料，濕法球磨至平均粒徑為5.5μm，再將球磨后的原料裝入高鋁坩堝中，熔制玻璃，溫度為1600℃，保溫2小時(shí)，然后，玻璃淬冷，最后得到硼硅玻璃，再將玻璃球磨40小時(shí)后得到平均粒徑為0.804μm的玻璃粉。
(2)合成硅酸鋅晶體氧化鋅和二氧化硅按硅酸鋅分子量比配比，濕法球磨至平均粒徑為4.8μm，在55MPa的壓力干壓成一圓柱狀，煅燒(1450℃，保溫1.5小時(shí))，最后得到六方型硅酸鋅，球磨40小時(shí)后得到平均粒徑為1.02μm的硅酸鋅粉。
(3)制備陶瓷燒結(jié)體采用上述制備的70wt％硼硅酸鹽玻璃，10wt％硅酸鋅，20wt％α-型石英為原料。濕法球磨至平均粒徑為0.85μm，在110MPa壓力干壓成圓片狀，再置于電爐中燒成(900℃，保溫時(shí)間4小時(shí))，即得到本發(fā)明的材料。
實(shí)施例5(1)合成低熔點(diǎn)的硼硅玻璃采用60wt％二氧化硅，25wt％三氧化二硼，15wt％氧化鉀為原料，濕法球磨至平均粒徑為5.5μm，再將球磨后的原料裝入高鋁坩堝中，熔制玻璃，溫度為1580℃，保溫2小時(shí)，然后，玻璃淬冷，最后得到硼硅玻璃，再將玻璃球磨36小時(shí)后得到平均粒徑為0.902μm的玻璃粉。
(2)合成硅酸鋅晶體氧化鋅和二氧化硅按硅酸鋅分子量比配比，濕法球磨至平均粒徑為4.5μm，在55MPa的壓力干壓成一圓柱狀，煅燒(1500℃，保溫2小時(shí))，最后得到六方型硅酸鋅，球磨28小時(shí)后得到平均粒徑為1.06μm的硅酸鋅粉。
(3)制備陶瓷燒結(jié)體采用上述制備的68wt％硼硅酸鹽玻璃，22wt％硅酸鋅，10wt％α-型石英為原料。濕法球磨至平均粒徑為0.103μm，在110MPa壓力干壓成圓片狀，再置于電爐中燒成(950℃，保溫時(shí)間0.5小時(shí))，即得到本發(fā)明的材料。
權(quán)利要求
1.一種多層電感器用硅酸鋅基玻璃/陶瓷介質(zhì)材料的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)合成低熔點(diǎn)的硼硅玻璃采用60-90wt％二氧化硅，15-25wt％三氧化二硼，2-15wt％堿金屬氧化物為原料，濕法球磨至平均粒徑為4-6μm，再將球磨后的原料裝入高鋁坩堝中，熔制玻璃，熔制溫度為1400-1600℃，保溫2-4小時(shí)，然后，玻璃淬冷，得到硼硅玻璃，再將玻璃球磨30-40小時(shí)后得到平均粒徑為0.5-2μm的玻璃粉；(2)合成硅酸鋅晶體將氧化鋅和二氧化硅按硅酸鋅分子量比混合，濕法球磨至平均粒徑為5μm左右，在40-60MPa的壓力干壓成圓柱狀，在1400-1500℃下煅燒，保溫2-4小時(shí)，得到六方型硅酸鋅，球磨20-30小時(shí)后得到平均粒徑為0.5-2μm的硅酸鋅粉；(3)制備陶瓷燒結(jié)體以上述制備的40-85wt％硼硅酸鹽玻璃，10-35wt％硅酸鋅，5-30wt％α-型石英為原料，濕法球磨至平均粒徑為0.5-2μm，在100-120MPa壓力干壓成圓片狀，再置于電爐中燒成，在850-950℃下保溫0.5-4小時(shí)，即得到本發(fā)明的硅酸鋅基玻璃/陶瓷介質(zhì)材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多層電感器用硅酸鋅基玻璃/陶瓷介質(zhì)材料的制備方法,首先合成低熔點(diǎn)的硼硅玻璃,然后合成硅酸鋅晶體,最后以上述制備的硼硅酸鹽玻璃、硅酸鋅為原料,濕法球磨后干壓成圓片狀,再燒成得硅酸鋅基玻璃/陶瓷介質(zhì)材料。利用本發(fā)明的方法制備的材料,具有緊密的晶相和玻璃相結(jié)構(gòu),故材料的介電損耗較小,而且具有良好的熱穩(wěn)定性和抗折強(qiáng)度。
文檔編號(hào)C03C10/00GK1304893SQ01102210
公開日2001年7月25日 申請日期2001年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月18日
發(fā)明者周和平, 羅凌虹, 王少洪 申請人:清華大學(xué)