專(zhuān)利名稱：：BaO-TiO₂-Nb₂O₅三元體系低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于電子陶瓷及其制造領(lǐng)域，涉及一種新的微波介質(zhì)陶瓷材料，尤其是種低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料及制備方法。隨著電子信息技術(shù)不斷向高頻化和數(shù)字化方向發(fā)展，對(duì)元器件的小型化，集成化以至模塊化的要求也越來(lái)越迫切。低溫共燒陶瓷LTCC(LowTemperatureCo-firedCeramics)以其優(yōu)異的電學(xué)、機(jī)械、熱學(xué)及工藝特性，已經(jīng)成為電子器件模塊化的主要技術(shù)之一。低溫共燒陶瓷系統(tǒng)(LTCC)的共燒溫度一般在80(TC95(TC之間。由于燒結(jié)溫度低，可用電阻率低的金屬作為多層布線的導(dǎo)體材料，可以提高組裝密度、信號(hào)傳輸速度，并且可內(nèi)埋于多層基板一次燒成的各種層式微波電子器件，因此廣泛用在高速高密度互連多元陶瓷組件(MCM)之中。由于共燒技術(shù)具有組裝密度高，介電損耗低，可用于高微波頻段，獨(dú)石結(jié)構(gòu)高可靠性與IC熱匹配好等特點(diǎn)，因此有著極廣的應(yīng)用前景，其中又首推LTCC技術(shù)，因?yàn)樗粌H燒結(jié)溫度低，而且還在于采用了高電導(dǎo)率的金屬電極Au，Ag，Cu等，布線導(dǎo)電性好，而且在用Cu電極時(shí)，造價(jià)也會(huì)很低。大多數(shù)商用的微波介質(zhì)材料雖然具有優(yōu)異的微波介電性能，但是燒結(jié)溫度高(一般>130(TC)，因此為了與LTCC工藝相兼容，必須降低材料的燒結(jié)溫度。通常降低微波介質(zhì)材料的燒結(jié)溫度的方法有添加氧化物或低熔點(diǎn)玻璃燒結(jié)助劑，引入化學(xué)合成方法，以及超細(xì)粉體作原料等?；瘜W(xué)方法合成和超細(xì)粉體作原料可導(dǎo)致工藝過(guò)程復(fù)雜，制造成本和周期會(huì)上升。相比較而言，添加適量的低熔點(diǎn)氧化物或玻璃相，雖然可能造成少許微波介電性能的下降，但其工藝簡(jiǎn)單，易于材料批量化生產(chǎn)。1997年，Roberts等人[1]在BaO_Ti02-Nb205體系中報(bào)道了一系列化合物的介電性能，在這些體系中，BaTiNb4013、BaTisNbAjPBa3Ti5Nb6028因?yàn)榫哂袃?yōu)異的微波介電性能而被廣泛關(guān)注[2—3]。2008年，Zou等人[4]首先報(bào)道了BaJi3Nb為8微波介質(zhì)陶瓷，該體系燒結(jié)溫度為1300°C，微波性能優(yōu)異，但對(duì)于LTCC低溫?zé)Y(jié)而言，其燒結(jié)溫度高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)與銀的共燒。因此，為了實(shí)現(xiàn)該材料與Ag電極的共燒，必須降低其燒結(jié)溫度。相關(guān)參考文獻(xiàn)[l]G丄Roberts,R.J.Cava,Dielectricpropertiesofbariumtitaniumniobates，J.Mater.Res.12(1997)526-530.[2]R.Ratheesh，H.Sreemoolanadhan，NewhighpermittivityandlowlossceramicsintheBaO_Ti02_Nb205composition，J.Mater.Sci.Mater.Electr.9(1998)291-294.[3]M.T.Sebastian,NewlowlossmicrowavedielectricceramicsintheBa0_Ti02_Nb205/Ta205system，J.Mater.Sci.Mater.Electr.10(1999)475-478.[4]D.Guo，Z.Ling，X.Hu，Temperaturecoefficient—adjustabledielectricceramicsnearthenominalcompositionBa2Ti3Nb4018，Ceram.Int.34(2008)1931-1934.
背景技術(shù)：
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發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有材料的缺點(diǎn)，提供一種低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料及其制備方法，該低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料從LTCC低溫共燒的角度出發(fā)，在Ba0-Ti02-Nb205體系中通過(guò)摻雜少量的低熔點(diǎn)玻璃相，其燒結(jié)溫度可成功降至90(TC左右，同時(shí)保持優(yōu)異的微波性能。本發(fā)明的低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料，由重量百分比為9598%的Ba2Ti3Nb4018和重量百分比為25%的玻璃相組成。制備上述低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料的步驟如下1)首先將BaC03、Ti02和Nb205按BaC03:Ti02:Nb205=2:3:2配制成主粉體；2)然后將配制好的主粉體混合均勻，按照主粉體與酒精的重量比為1:l向主粉體中加入酒精，采用濕磨法混合48小時(shí)，取出后在12014(TC下烘干，以80目的篩網(wǎng)過(guò)篩，過(guò)篩后壓制成塊狀，然后以58°C/min的升溫速率將壓制的塊狀主粉體由室溫升至1000°C120(TC并在此溫度下保溫26h，制成燒塊，即合成主晶相；3)將上述制成的燒塊粉碎，進(jìn)行45小時(shí)的二次球磨，烘干后加入重量百分比為25%的玻璃相，配成粉料，按照粉料與酒精的重量比為1:l向粉料中加入酒精，球磨48小時(shí)后取出，放入烘爐內(nèi)在12014(TC下烘干，造粒后壓制成小圓片，于50060(TC排膠，隨爐冷卻后得到瓷料，再將瓷料在85095(TC下燒結(jié)24h即可得到該低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料。本發(fā)明以8&211#4018系微波介質(zhì)陶瓷為基礎(chǔ)，采用自制的低熔點(diǎn)玻璃相作為燒結(jié)助劑，成功地將其燒結(jié)溫度降至90(TC左右，同時(shí)保持優(yōu)異的微波性能。降溫后的材料能與銀電極共燒兼容。這種低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料化學(xué)組成和制備工藝均比較簡(jiǎn)單，可廣泛用于低溫共燒陶瓷系統(tǒng)(LTCC)、多層介質(zhì)諧振器、微波天線、濾波器等微波器件的制造。圖1為本發(fā)明實(shí)施例3與Ag電極共燒匹配圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例5與Ag電極共燒匹配圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例9與Ag電極共燒匹配圖。具體實(shí)施例方式本發(fā)明以分析純的BaC03和Nb205，化學(xué)純的Ti02為主要原料。先按摩爾比BaC03:Ti02:Nb205=2:3:2，預(yù)先合成主粉體，而后在主粉體中加入一定比例的低熔點(diǎn)玻璃相，造粒、壓片、燒結(jié)后即可得到低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料。對(duì)于低玻璃相，則是將各種低熔點(diǎn)氧化物按玻璃相配比配料混合后加熱到一定溫度熔化后淬火(Li20-ZnO-B203玻璃相的淬火溫度為IOO(TC，ZnO-B203-Si02玻璃相的淬火溫度為IIO(TC)，然后通過(guò)高能球磨粉碎而得。下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述實(shí)施例1:1)首先將化學(xué)原料8&(:03，1102和吣205按摩爾比8&(:03:Ti02:Nb205=2:3:2配制成主粉體；2)然后將配制好的主粉體混合均勻，按照主粉體與酒精的質(zhì)量比為1:l向主粉體中加入酒精，采用濕磨法混合4小時(shí)，磨細(xì)后在13(TC下烘干，以80目的篩網(wǎng)過(guò)篩，過(guò)篩后壓制成塊狀，然后以5°C/min的升溫速率將壓制的塊狀原料由室溫升至115(TC并在此溫度下保溫4h，制成燒塊；3)將上述制成的燒塊粉碎，進(jìn)行4小時(shí)的二次球磨，放入烘爐內(nèi)烘干后加入重量百分比為2%的1^20-2!10-8203(1^20:Zn0:B203=2:3:2.5)玻璃相，配成粉料，按照粉料與酒精的質(zhì)量比為i:i向粉料中加入酒精，放入尼龍罐中球磨4小時(shí)后取出，放入烘爐內(nèi)在13(TC下烘干，造粒后壓制成小圓片，于55(TC排膠，隨爐冷卻后得到瓷料，再將瓷料在95(TC下燒結(jié)2h即可得到低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料。該材料的微波性能為、=33.4，QXf=21300GHz，tf=-6.lppm/。C。實(shí)施例2:1)首先將化學(xué)原料BaC03，Ti02和Nb20s按摩爾比BaC03:Ti02:Nb205=2:3:2配制成主粉體；2)然后將配制好的主粉體混合均勻，按照主粉體與酒精的質(zhì)量比為1:l向主粉體中加入酒精，采用濕磨法混合4小時(shí)，磨細(xì)后在13(TC下烘干，以80目的篩網(wǎng)過(guò)篩，過(guò)篩后壓制成塊狀，然后以5°C/min的升溫速率將壓制的塊狀原料由室溫升至115(TC并在此溫度下保溫4h，制成燒塊；3)將上述制成的燒塊粉碎，進(jìn)行4小時(shí)的二次球磨，放入烘爐內(nèi)烘干后加入重量百分比為3%的1^20-2!10-8203(1^20:ZnO:B203=2:3:2.5)玻璃相，配成粉料，按照粉料與酒精的質(zhì)量比為i:i向粉料中加入酒精，放入尼龍罐中球磨4小時(shí)后取出，放入烘爐內(nèi)在13(TC下烘干，造粒后壓制成小圓片，于55(TC排膠，隨爐冷卻后得到瓷料，再將瓷料在90(TC下燒結(jié)2h即可得到低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料。該材料的微波性能為、=31.5，QXf=18450GHz，tf=-5.9ppm/。C。實(shí)施例3:1)首先將化學(xué)原料BaC03，Ti02和Nb20s按摩爾比BaC03:Ti02:Nb205=2:3:2配制成主粉體；2)然后將配制好的主粉體混合均勻，按照主粉體與酒精的質(zhì)量比為1:l向主粉體中加入酒精，采用濕磨法混合4小時(shí)，磨細(xì)后在135t:下烘干，以80目的篩網(wǎng)過(guò)篩，過(guò)篩后壓制成塊狀，然后以5°C/min的升溫速率將壓制的塊狀原料由室溫升至115(TC并在此溫度下保溫4h，制成燒塊；3)將上述制成的燒塊粉碎，進(jìn)行4小時(shí)的二次球磨，放入烘爐內(nèi)烘干后加入重量百分比為5%的1^20-2!10-8203(1^20:ZnO:B203=2:3:2.5)玻璃相，配成粉料，按照粉料與酒精的質(zhì)量比為i:i向粉料中加入酒精，放入尼龍罐中球磨4小時(shí)后取出，放入烘爐內(nèi)在135t:下烘干，造粒后壓制成小圓片，于55(TC排膠，隨爐冷卻后得到瓷料，再將瓷料在90(TC下燒結(jié)2h即可得到低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料。該材料的微波性能為、=32.4，QXf=15000GHz，tf二-5卯m廣C。該降溫后的配方能與Ag粉很好地實(shí)現(xiàn)共燒匹配(如圖1)，說(shuō)明該配方是一個(gè)很好的LTCC被選材料。實(shí)施例4:1)首先將化學(xué)原料8&(:03，1102和吣205按摩爾比8&(:03:Ti02:Nb205=2:3:2配制成主粉體；2)然后將配制好的主粉體混合均勻，按照主粉體與酒精的質(zhì)量比為1:l向主粉體中加入酒精，采用濕磨法混合4小時(shí)，磨細(xì)后在135t:下烘干，以80目的篩網(wǎng)過(guò)篩，過(guò)篩后壓制成塊狀，然后以5°C/min的升溫速率將壓制的塊狀原料由室溫升至115(TC并在此溫度下保溫4h，制成燒塊；3)將上述制成的燒塊粉碎，進(jìn)行4小時(shí)的二次球磨，放入烘爐內(nèi)烘干后加入重量百分比為2%的1^20-2!10-8203(1^20:ZnO:B203=3:3:2)玻璃相，配成粉料，按照粉料與酒精的質(zhì)量比為i:i向粉料中加入酒精，放入尼龍罐中球磨4小時(shí)后取出，放入烘爐內(nèi)在135t:下烘干，造粒后壓制成小圓片，于55(TC排膠，隨爐冷卻后得到瓷料，再將瓷料在90(TC下燒結(jié)2h即可得到低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料。該材料的微波性能為er=33.2，QXf=16000GHz，tf=-6.36ppm/°C。實(shí)施例5:1)首先將化學(xué)原料8&(:03，1102和吣205按摩爾比8&(:03:Ti02:Nb205=2:3:2配制成主粉體；2)然后將配制好的主粉體混合均勻，按照主粉體與酒精的質(zhì)量比為1:l向主粉體中加入酒精，采用濕磨法混合4小時(shí)，磨細(xì)后在135t:下烘干，以80目的篩網(wǎng)過(guò)篩，過(guò)篩后壓制成塊狀，然后以5°C/min的升溫速率將壓制的塊狀原料由室溫升至115(TC并在此溫度下保溫4h，制成燒塊；3)將上述制成的燒塊粉碎，進(jìn)行4小時(shí)的二次球磨，放入烘爐內(nèi)烘干后加入重量百分比為3%的1^20-2!10-8203(1^20:ZnO:B203=3:3:2)玻璃相，配成粉料，按照粉料與酒精的質(zhì)量比為l:1向粉料中加入酒精，放入尼龍罐中球磨4小時(shí)后取出，放入烘爐內(nèi)在135t:下烘干，造粒后壓制成小圓片，于55(TC排膠，隨爐冷卻后得到瓷料，再將瓷料在90(TC下燒結(jié)2h即可得到低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料。該材料的微波性能為er=32.9，QXf=15260GHz，tf=-9.27卯m廣C。該降溫后的配方能與Ag粉很好地實(shí)現(xiàn)共燒匹配(如圖2)，說(shuō)明該配方是一個(gè)很好的LTCC被選材料。實(shí)施例6:1)首先將化學(xué)原料8&(:03，1102和吣205按摩爾比8&(:03:Ti02:Nb205=2:3:2配制成主粉體；2)然后將配制好的主粉體混合均勻，按照主粉體與酒精的質(zhì)量比為1:l向主粉體中加入酒精，采用濕磨法混合4小時(shí)，磨細(xì)后在135t:下烘干，以80目的篩網(wǎng)過(guò)篩，過(guò)篩后壓制成塊狀，然后以5°C/min的升溫速率將壓制的塊狀原料由室溫升至115(TC并在此溫度下保溫4h，制成燒塊；3)將上述制成的燒塊粉碎，進(jìn)行4小時(shí)的二次球磨，放入烘爐內(nèi)烘干后加入重量百分比為5%的1^20-2!10-8203(1^20:ZnO:B203=3:3:2)玻璃相，配成粉料，按照粉料與酒精的質(zhì)量比為i:i向粉料中加入酒精，放入尼龍罐中球磨4小時(shí)后取出，放入烘爐內(nèi)在135t:下烘干，造粒后壓制成小圓片，于55(TC排膠，隨爐冷卻后得到瓷料，再將瓷料在90(TC下燒結(jié)2h即可得到低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料。該材料的微波性能為er=31.7，QXf=13300GHz，tf=-10.28ppm/°C。實(shí)施例7:1)首先將化學(xué)原料BaC03，Ti02和Nb20s按摩爾比BaC03:Ti02:Nb205=2:3:2配制成主粉體；2)然后將配制好的主粉體混合均勻，按照主粉體與酒精的質(zhì)量比為1:l向主粉體中加入酒精，采用濕磨法混合4小時(shí)，磨細(xì)后在14(TC下烘干，以80目的篩網(wǎng)過(guò)篩，過(guò)篩后壓制成塊狀，然后以5°C/min的升溫速率將壓制的塊狀原料由室溫升至115(TC并在此溫度下保溫4h，制成燒塊；3)將上述制成的燒塊粉碎，進(jìn)行4小時(shí)的二次球磨，放入烘爐內(nèi)烘干后加入重量百分比為2%的ZnO-B203-Si02(ZnO:B203:Si02=40:35:25)玻璃相，配成粉料，按照粉料與酒精的質(zhì)量比為i:i向粉料中加入酒精，放入尼龍罐中球磨4小時(shí)后取出，放入烘爐內(nèi)在14(TC下烘干，造粒后壓制成小圓片，于55(TC排膠，隨爐冷卻后得到瓷料，再將瓷料在95(TC下燒結(jié)2h即可得到低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料。該材料的微波性能為、=34.3，QXf=14500GHz，tf=-8ppm/°C。實(shí)施例81)首先將化學(xué)原料BaC03，Ti02和Nb20s按摩爾比BaC03:Ti02:Nb205=2:3:2配制成主粉體；2)然后將配制好的主粉體混合均勻，按照主粉體與酒精的質(zhì)量比為1:l向主粉體中加入酒精，采用濕磨法混合4小時(shí)，磨細(xì)后在14(TC下烘干，以80目的篩網(wǎng)過(guò)篩，過(guò)篩后壓制成塊狀，然后以5°C/min的升溫速率將壓制的塊狀原料由室溫升至115(TC并在此溫度下保溫4h，制成燒塊；3)將上述制成的燒塊粉碎，進(jìn)行4小時(shí)的二次球磨，放入烘爐內(nèi)烘干后加入重量百分比為3%的ZnO-B203-Si02(ZnO:B203:Si02=40:35:25)玻璃相，配成粉料，按照粉料與酒精的質(zhì)量比為i:i向粉料中加入酒精，放入尼龍罐中球磨4小時(shí)后取出，放入烘爐內(nèi)在14(TC下烘干，造粒后壓制成小圓片，于60(TC排膠，隨爐冷卻后得到瓷料，再將瓷料在90(TC下燒結(jié)2h即可得到低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料。該材料的微波性能為、=29.8，QXf=12560GHz，tf=-10ppm/°C。實(shí)施例91)首先將化學(xué)原料8&(:03，1102和吣205按摩爾比8&(:03:Ti02:Nb205=2:3:2配制成主粉體；2)然后將配制好的主粉體混合均勻，按照主粉體與酒精的質(zhì)量比為1:l向主粉體中加入酒精，采用濕磨法混合4小時(shí)，磨細(xì)后在14(TC下烘干，以80目的篩網(wǎng)過(guò)篩，過(guò)篩后壓制成塊狀，然后以5°C/min的升溫速率將壓制的塊狀原料由室溫升至115(TC并在此溫度下保溫4h，制成燒塊；3)將上述制成的燒塊粉碎，進(jìn)行4小時(shí)的二次球磨，放入烘爐內(nèi)烘干后加入重量百分比為5%的ZnO-B203-Si02(ZnO:B203:Si02=40:35:25)玻璃相，配成粉料，按照粉料與酒精的質(zhì)量比為i:i向粉料中加入酒精，放入尼龍罐中球磨4小時(shí)后取出，放入烘爐內(nèi)在14(TC下烘干，造粒后壓制成小圓片，于60(TC排膠，隨爐冷卻后得到瓷料，再將瓷料在90(TC下燒結(jié)2h即可得到低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料。該材料的微波性能為、=30.2，QXf=11500GHz，tf=-15卯m/t:。該降溫后的配方能與Ag粉很好地實(shí)現(xiàn)共燒匹配(如圖3)，說(shuō)明該配方是一個(gè)很好的LTCC被選材料。需要指出的是，按照本發(fā)明的技術(shù)方案，上述實(shí)施例還可以舉出許多，根據(jù)申請(qǐng)人大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在本發(fā)明的權(quán)利要求書(shū)所提出的范圍，均可以達(dá)到本發(fā)明的目的。權(quán)利要求一種低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料，其特征在于所述微波介質(zhì)陶瓷材料由重量百分比為95～98％的Ba2Ti3Nb4O18和重量百分比為2～5％的玻璃相組成。2.如權(quán)利要求1所述的微波介質(zhì)陶瓷材料的制備方法，其特征在于具體步驟為(1)首先將83(1)3、1102和恥205按83(1)3:Ti02:Nb205=2:3:2配制成主粉體；(2)然后將配制好的主粉體混合均勻，按照主粉體與酒精的重量比為i:i向主粉體中加入酒精，采用濕磨法混合48小時(shí)，取出后在12014(TC下烘干，以80目的篩網(wǎng)過(guò)篩，過(guò)篩后壓制成塊狀，然后以58°C/min的升溫速率將壓制的塊狀主粉體由室溫升至1000°C120(TC并在此溫度下保溫26h，制成燒塊，即合成主晶相；(3)將上述制成的燒塊粉碎，進(jìn)行45小時(shí)的二次球磨，烘干后加入重量百分比為25%的玻璃相，配成粉料，按照粉料與酒精的重量比為1:l向粉料中加入酒精，球磨48小時(shí)后取出，放入烘箱內(nèi)在12014(TC下烘干，造粒后壓制成小圓片，而后置于爐子內(nèi)于50060(TC排膠，隨爐冷卻后得到生坯，再將生坯在85095(TC下燒結(jié)24h即可得到低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種BaO-TiO2-Nb2O5三元體系低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料及制備方法。重量百分比為95～98％的Ba2Ti3Nb4O18和重量百分比為2～5％的玻璃相，通過(guò)傳統(tǒng)的固相燒結(jié)，即可得到本發(fā)明材料。本發(fā)明材料其燒結(jié)溫度低(可在900℃以下燒結(jié)成瓷)，能與銀電極實(shí)現(xiàn)共燒兼容；在900℃燒結(jié)具有較好的微波介電性能εr＝29～37，Q×f＞12000GHz，τf＝-15～18ppm/℃；材料工藝穩(wěn)定，重復(fù)性好。本發(fā)明材料是極具應(yīng)用前景的低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料，可用于低溫共燒陶瓷系統(tǒng)(LTCC)、多層介質(zhì)諧振器、微波天線、濾波器等微波器件的制造。文檔編號(hào)C04B35/622GK101781116SQ20101004561公開(kāi)日2010年7月21日申請(qǐng)日期2010年1月2日優(yōu)先權(quán)日2010年1月2日發(fā)明者周煥福,方亮,陳秀麗申請(qǐng)人:桂林理工大學(xué)