專利名稱：一種介電常數(shù)可調(diào)的低溫共燒玻璃陶瓷復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子陶瓷材料領(lǐng)域，具體涉及一種介電常數(shù)可調(diào)的低溫共燒玻璃陶瓷 復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，在半導(dǎo)體技術(shù)飛速發(fā)展的帶動(dòng)下，電子元器件不斷向小型化、集成化和高 頻化方向發(fā)展，其對(duì)無(wú)源集成技術(shù)以及主要介質(zhì)材料提出了更高的要求。在眾多電子材料 中，低溫共燒陶瓷LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)材料，以其低的燒結(jié)溫度(不 超過(guò)900°C )，高集成度以及與Ag、Cu等金屬電極良好的共燒特性成為無(wú)源集成介質(zhì)材料的
一個(gè)重要發(fā)展方向。低溫共燒陶瓷被廣泛應(yīng)用于無(wú)源集成電子器件之中，如多層陶瓷基板，諧振器，濾 波器以及介質(zhì)移相器等等。不同用途的低溫共燒陶瓷材料，對(duì)其性能(特別是介電性能) 的要求也不盡相同。因此，實(shí)現(xiàn)低溫共燒陶瓷介電常數(shù)的系列化具有重要意義。另一方面，對(duì)于無(wú)源集成模塊，往往要求具有不同介電常數(shù)的低溫共燒陶瓷器件 同時(shí)共燒。這就要求不同介電常數(shù)的陶瓷材料具有盡可能相同或相近的燒結(jié)特性。而具有 相同基方材料、不同介電常數(shù)的材料是實(shí)現(xiàn)這種異質(zhì)共燒的主要途徑。但遺憾的是，常見(jiàn)的低溫共燒陶瓷體系，如Ca0-B203-Si02系，Ba0-Ti02_Si02-B203 系以及(Mg，Ca)Ti03、Ba0-Nd203-Ti02等玻璃陶瓷復(fù)合體系，其介電常數(shù)相對(duì)比較單一或者 即便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)介電常數(shù)的調(diào)控，但其可調(diào)節(jié)范圍通常比較窄。因此，為了迎合當(dāng)今電子器 件多功能化，模塊化以及微型化的發(fā)展趨勢(shì)，尋找介電常數(shù)系列化(4-2000)、并且具有低燒 結(jié)溫度的新型介質(zhì)材料具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有燒結(jié)溫度低、介電常數(shù)可調(diào)和介電損耗低的玻璃陶 瓷復(fù)合材料及其制備方法。本發(fā)明所提供的介電常數(shù)可調(diào)的低溫共燒玻璃陶瓷復(fù)合材料，由下述質(zhì)量百分含 量的原料制成BaxSr1_xTi03, x = 0. 3-10. 5 20%含氟硅鋁酸鹽玻璃80 99. 5%;其中，所述含氟硅鋁酸鹽玻璃由下述質(zhì)量百分含量的原料制成Si02 30-70%, A1F3 -.20-50% ；CaF2:5_30%。本發(fā)明所提供的一種介電常數(shù)可調(diào)的低溫共燒玻璃陶瓷復(fù)合材料的制備方法，包 括以下步驟按照上述配比分別稱取BaxSri_xTi03(X = 0. 3-1)粉體以及含氟硅鋁酸鹽玻璃 粉料，混合后置于球磨罐中，加入混合物質(zhì)量1-2倍的無(wú)水乙醇或水，球磨20-28小時(shí)，出料 烘干后過(guò)80-100目篩，即得到低溫共燒玻璃陶瓷復(fù)合材料。
上述BaJivJiC^ (x = 0. 3-1)粉體可采用傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法制得以BaC03， SrC03以及Ti02為原料，按照分子式中Ba/Sr/Ti的摩爾比配料，將原料混合后置于球磨罐 中，加入混合物質(zhì)量1-2倍的無(wú)水乙醇或水，球磨20-28小時(shí)，出料烘干后在1150-1250°C 預(yù)燒3-5小時(shí)，研磨后在1300-1450 °C燒結(jié)4-6小時(shí)，再研磨后過(guò)80-100目篩，即得到 BaxSr1_xTi03(x = 0. 3-1)陶瓷粉體。上述含氟硅鋁酸鹽玻璃粉料可以通過(guò)下述方法進(jìn)行制備以Si02, A1F3和CaF2為 原料，根據(jù)前述的質(zhì)量比配料，將原料混合后置于球磨罐中，加入混合物質(zhì)量1-2倍的無(wú)水 乙醇或水，球磨20-28小時(shí)后烘干。將得到的混合粉體在1300-1400°C熔制成液態(tài)玻璃， 淬火、干燥、粉碎后，再將得到的玻璃粉置于球磨罐中，加入玻璃粉質(zhì)量1.5倍的水，球磨 20-28小時(shí)，干燥后即得到含氟硅鋁酸鹽玻璃粉料。本發(fā)明所制備的低溫共燒玻璃陶瓷材料使用方便，向其中添加適量粘結(jié)劑(如 聚乙烯醇)后，采用干壓或者流延的方式制成坯片，在750 850°C空氣環(huán)境下燒結(jié)，保溫 2 4小時(shí)即可使用。本發(fā)明通過(guò)改變體系中各組分的配比，來(lái)改善和控制材料的介電常數(shù)和介電損 耗，同時(shí)利用玻璃粉料的液相燒結(jié)機(jī)制有效地降低了材料體系的燒結(jié)溫度，得到了一種介 電常數(shù)連續(xù)可調(diào)的低溫共燒玻璃陶瓷復(fù)合材料。本發(fā)明可以較好的實(shí)現(xiàn)LTCC工藝，該體系 材料可用于LTCC電子器件材料或其他電子封裝材料。本發(fā)明所制備的低溫共燒玻璃陶瓷材料具有以下優(yōu)點(diǎn)1)燒結(jié)溫度低，燒結(jié)溫度在750 850°C之間，能夠與金屬電極共燒，無(wú)需保護(hù)氣 氛，基本滿足LTCC技術(shù)工藝的要求；2)介電常數(shù)連續(xù)可調(diào)，介電損耗低，通過(guò)控制體系中各組分的配比，控制燒結(jié)過(guò)程 中陶瓷相的含量，從而控制燒結(jié)后材料的介電常數(shù)在8 50(lGHz)之間連續(xù)變化，可以得 到介電常數(shù)系列化的材料體系；同時(shí)在介電常數(shù)連續(xù)變化的區(qū)間內(nèi)，材料均具有較低的介 電損耗系數(shù)；3)制備工藝簡(jiǎn)單，采用傳統(tǒng)的玻璃熔融方法和固相反應(yīng)法制備初始原料，將兩種 初始原料機(jī)械混合后即可得到所述的低溫共燒玻璃陶瓷復(fù)合粉體，工藝簡(jiǎn)單易行，成本低 廉；4)可以應(yīng)用于LTCC電子材料，由于其介電常數(shù)連續(xù)可調(diào)，材料應(yīng)用面廣泛。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明，但本發(fā)明并不局限于此。下述實(shí)施例中所述實(shí)驗(yàn)方法，如無(wú)特殊說(shuō)明，均為常規(guī)方法；所述試劑和材料，如 無(wú)特殊說(shuō)明，均可從商業(yè)途徑獲得。實(shí)施例1-7、低溫共燒陶瓷粉體的制備及其介電性能測(cè)試1) BaxSr1_xTi03 (x = 0. 3-1)粉體的制備按照BaxSri_xTi03分子式中各組分的化學(xué)計(jì)量比，分別稱取相應(yīng)重量的BaC03、 SrC03以及Ti02，置于球磨罐中，加入無(wú)水乙醇或水，球磨24小時(shí)后烘干，在1200°C預(yù)燒4小 時(shí)，研磨后在1300-1450°C燒結(jié)4-6小時(shí)，研磨后過(guò)100目篩，即可得到BajivJiC^陶瓷粉 體。制備中稱量的BaC03、SrC03和Ti02的質(zhì)量，燒結(jié)溫度，保溫時(shí)間以及獲得的相應(yīng)產(chǎn)物如表1所示°表1 2)含氟硅鋁酸鹽玻璃粉體的制備將Si02，AlFjnCaF2按配方稱重后置于球磨罐中，加入無(wú)水乙醇或水球磨24小時(shí)， 烘干后將得到的粉體在1300-1400°C融化成液態(tài)玻璃，淬火，干燥，粉碎后再球磨24小時(shí)， 得到含氟硅鋁酸鹽玻璃粉體。制備中各組分原料質(zhì)量及熔融溫度如表2所示。表2 3)低溫共燒陶瓷粉體制備按照表3所示配方中各組分的配比稱取BaxSri_xTi03陶瓷粉料和含氟硅鋁酸鹽玻 璃粉，將實(shí)施例中各配方粉料分別放入球磨罐中，加入混合物質(zhì)量1. 5倍的無(wú)水乙醇或水， 球磨24小時(shí)，出料后烘干，過(guò)100目篩。表 3 4)介電性能測(cè)試采用5wt%的聚乙烯醇(PVA)作為粘接劑，對(duì)實(shí)施例1-7制備的低溫共燒玻璃陶瓷 粉體進(jìn)行造粒，造粒后在80MPa壓力下壓制成直徑20mm，高度1_1. 5mm的生坯片。樣品在空 氣氣氛下，分別在表3所示的燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間下燒結(jié)，得到低溫共燒玻璃陶瓷樣品。測(cè) 量樣品燒結(jié)收縮率。將樣品的上下表面被銀電極后，采用AgilentE4991A阻抗分析儀測(cè)量 樣品的介電常數(shù)￡，介電損耗tanS。樣品的性能參數(shù)見(jiàn)表4。表 4 由表4的性能測(cè)試結(jié)果可以看出，該類(lèi)低溫共燒玻璃陶瓷復(fù)合材料的介電常數(shù)可 以通過(guò)控制BaxSri_xTi03(x = 0. 3-1)中Ba/Sr的比例以及復(fù)合材料中各組分的配比來(lái)進(jìn)行 調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍可以覆蓋整個(gè)8-50(lGHz)區(qū)間，同時(shí)可獲得低的介電損耗(彡0.002)以及 適當(dāng)?shù)臒Y(jié)收縮率，可以滿足低溫共燒用電子器件材料以及電子封裝材料的要求。
權(quán)利要求
一種介電常數(shù)可調(diào)的低溫共燒玻璃陶瓷復(fù)合材料，其特征在于所述低溫共燒玻璃陶瓷復(fù)合材料由下述質(zhì)量百分含量的原料制成BaxSr1-xTiO3，x＝0.3-1 0.5～20％含氟硅鋁酸鹽玻璃80～99.5％；其中，所述含氟硅鋁酸鹽玻璃由下述質(zhì)量百分含量的原料制成SiO230-70％，AlF320-50％；CaF25-30％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫共燒玻璃陶瓷復(fù)合材料，其特征在于所述含氟硅鋁酸 鹽玻璃來(lái)自于含氟硅鋁酸鹽玻璃粉料；所述含氟硅鋁酸鹽玻璃粉料的制備方法包括以下步 驟以Si02，A1F3和CaF2為原料，按照權(quán)利要求1中所述各原料的配比配料，將原料混合后 置于球磨罐中，加入所述原料質(zhì)量1-2倍的無(wú)水乙醇或水，球磨20-28小時(shí)后烘干；將得到 的混合粉體在1300-140(TC熔制成液態(tài)玻璃，淬火、干燥、粉碎后得到玻璃粉；再將所述玻 璃粉置于球磨罐中，加入玻璃粉質(zhì)量1-2倍的水，球磨20-28小時(shí)，干燥后即得到含氟硅鋁 酸鹽玻璃粉料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低溫共燒玻璃陶瓷復(fù)合材料，其特征在于所述 BaxSr1_xTi03來(lái)自于BajivJiC^粉體，所述BajivJiC^粉體采用固相反應(yīng)法進(jìn)行制備。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低溫共燒玻璃陶瓷復(fù)合材料，其特征在于所述BaxSri_xTi03 粉體的制備方法包括以下步驟以BaC03、SrC03以及Ti02為原料，按照分子式中Ba/Sr/Ti 的摩爾比配料，將原料混合后置于球磨罐中，加入所述原料質(zhì)量1-2倍的無(wú)水乙醇或水，球 磨20-28小時(shí)，出料烘干后在1150-1250°C預(yù)燒3_5小時(shí)，研磨后在1300-1450°C燒結(jié)4_6 小時(shí)，再研磨后過(guò)80-100目篩即得到BaxSri_xTi03粉體。
5.制備權(quán)利要求1-4中任一所述低溫共燒玻璃陶瓷復(fù)合材料的方法，包括以下步驟 按照權(quán)利要求1中所述配比分別稱取BaxSri_xTi03粉料以及含氟硅鋁酸鹽玻璃粉料，混合 后置于球磨罐中，加入混合物質(zhì)量1-2倍的無(wú)水乙醇或水，球磨20-28小時(shí)，出料烘干后過(guò) 80-100目篩，即得到低溫共燒玻璃陶瓷復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種介電常數(shù)可調(diào)的低溫共燒玻璃陶瓷復(fù)合材料及其制備方法。該復(fù)合材料由下述質(zhì)量百分含量的原料制成BaxSr1-xTiO3(x＝0.3-1)0.5～20％，含氟硅鋁酸鹽玻璃80～99.5％；其中，所述含氟硅鋁酸鹽玻璃由下述質(zhì)量百分含量的原料制成SiO230-70％，AlF320-50％；CaF25-30％。將上述組分按比例混合后，加入乙醇或水，球磨24小時(shí)，干燥后得到該低溫共燒玻璃陶瓷粉料。本發(fā)明低溫共燒玻璃陶瓷復(fù)合材料具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)低的燒結(jié)溫度(750-850℃)，燒結(jié)收縮率在8-15％；(2)介電常數(shù)在8-50(1GHz)范圍內(nèi)可調(diào)，介電損耗在0.002以下并具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，適用于低溫共燒陶瓷材料和電子封裝材料。
文檔編號(hào)C03C10/16GK101857375SQ20101017405
公開(kāi)日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月11日
發(fā)明者周濟(jì), 李勃, 李龍土, 王睿 申請(qǐng)人:清華大學(xué)