專利名稱：一種發(fā)黃光的低溫共燒陶瓷材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電子陶瓷材料及發(fā)光材料領域，涉及一種發(fā)黃光的低溫共燒陶瓷材料及其制備方法。該陶瓷材料可用于白光LED領域。
背景技術：
作為新一代固體照明光源，白光發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)比傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈具有更高的使用壽命、發(fā)光效率、綠色環(huán)保性和可靠性。目前，實現(xiàn)白光LED最常用方法是將藍光LED (InGaN)和被藍光激發(fā)時發(fā)射出黃光的釔鋁石榴石熒光粉 (YAG:Ce3+)組合起來，而InGaN / YAG:Ce3+白光LED遇到了顯色性和發(fā)光效率的困難。據(jù)文獻1 (半導體技術，2008，33(4): 281-285)報道，LED的光學特性必須通過封裝來實現(xiàn)， 而解決上述困難的重要途徑之一是改善LED的封裝技術。國內外研究者開始關注改善LED 的封裝技術及黃色熒光粉的熒光發(fā)光特性。在LED 的封裝技術中，低溫共燒陶瓷 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 技術得到了廣泛的應用。LTCC是一類用于實現(xiàn)高集成度、高性能的電子封裝材料。Lamina Ceramics公司自行研制了低溫共燒陶瓷基板(LTCC-M)，并開發(fā)了相應的LED封裝技術。鈣硼硅系微晶玻璃能夠作為LTCC基板材料，美國的Ferro公司生產(chǎn)的A6系列產(chǎn)品，就是屬于 CBS系列的微晶玻璃，由于其性能優(yōu)良，為國內外各單位用來制備最終產(chǎn)品。如果能將發(fā)光材料與作為封裝材料的LTCC陶瓷材料一體化，將簡化LED封裝工藝，從而提高發(fā)光效率。但目前國內外未見相關報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種燒結溫度低，介電常數(shù)可控，介質損耗低，機械強度高同時具有優(yōu)良的黃色發(fā)光性能的低溫共燒陶瓷材料及其制備方法。本發(fā)明的技術方案是一種發(fā)黃光的低溫共燒陶瓷材料，該陶瓷材料的各組分的摩爾百分比為
CaO 15 20% ；
SiO2 60 70% ；
B2O3 10 25% ；
激活劑離子1 9% ；
電荷補償劑離子1 9%。本發(fā)明的另一目的是提供一種發(fā)黃光的低溫共燒陶瓷材料的制備方法，具體包括以下步驟
步驟1 將占摩爾百分比為60 70%的Si (OC2H5)Jgj入以體積比為1:1的分析純乙醇中，加入穩(wěn)定劑乙酸，攪拌制得有機溶液；
步驟2 再將占摩爾百分比為15-20%的CaC03、、占摩爾百分比為1_9%的激活劑離子所對應量的含有Tb的氧化物或含有Tb與Ce 二者氧化物混合物、占摩爾百分比為1-9%的電荷補償劑離子所對應量的含有Li、K、Na中一種的碳酸鹽放入燒杯中，加入水=HNO3的體積比=1 1的混合溶液中溶解至澄清，制得無機溶液；
步驟3 然后將步驟2制備得到的無機溶液緩慢倒入步驟1制備得到的有機溶液中，采用硝酸做催化劑并用硝酸調整溶液PH值到2 3，在80°C的水浴中攪拌2小時制得凝膠；
步驟4 將步驟3制好的凝膠放入烘箱中，在溫度為95°C烘干后再放入馬弗爐中 700°C預燒3h，粉碎后過80目篩，加入占摩爾百分比為15-20% B2O3所對應量的H3BO3，球磨 4小時、干燥、然后加PVA造粒、在溫度為825°C下在還原氣氛中燒結保溫3小時后得到摻雜稀土離子的發(fā)黃光的低溫共燒陶瓷材料。本發(fā)明通過改變體系的燒結溫度和激活劑添加量來改善和控制材料的燒結收縮率、介電常數(shù)及發(fā)光強度等性能。本發(fā)明可以較好的實現(xiàn)LTCC工藝，同時在藍光的激發(fā)下可以很好的發(fā)出黃光，可用于白光LED照明領域。本發(fā)明具有以下優(yōu)點
1)發(fā)光強度好，提高了發(fā)光效率。該體系材料在460nm 490nm波長的藍光激發(fā)下可以發(fā)出約541nm左右的黃光，可以很好的與藍光LED發(fā)出的光組合成白光；
2)在制備LTCC基板的過程中加入稀土發(fā)光離子，使LTCC基板在發(fā)光芯片的激發(fā)下發(fā)光，預計可應用在LED燈的制作中，將
制備熒光粉及熒光粉涂敷的工序合二為一，從而可簡化制作工藝。3)燒結溫度低，燒結范圍寬(800 950°C)；
4)介電常數(shù)、燒結收縮率可控。通過控制體系的燒結溫度，從而控制燒結收縮率在 13 20%之間變化，介電常數(shù)在3 7 (IMHz)之間變化；介質損耗低(< 0. 002)；
5)強度和熱物理性能適當，三點彎曲強度>140Mpa；熱膨脹系數(shù)在4 Tppm·!^之間 (20 360°C)，數(shù)值上較接近Si芯片或GaAs芯片的熱膨脹系數(shù)；
6)制備工藝先進，采用Sol-Gel，起始反應活性高、各組份相互混合時均勻性好、合成溫度低、節(jié)省能源等，制得的玻璃粉加入粘接劑后可直接燒結；
7)不僅可以應用于白光LED領域，也可以應用于LTCC基板材料、微電子封裝材料領域。


圖1為實施例1樣品CaO-B2O3-SiO2 5% Tb3+在483nm光激發(fā)下的發(fā)射光譜圖。圖2為實施例1樣品CaO-B2O3-SiO2 5% Tb3+的激發(fā)光譜圖。
具體實施例方式
下面結合具體實施例對本發(fā)明的技術方案做進一步說明。實施例一
1)按照以下比例稱取分析純占摩爾百分比為60%Si (OC2H5) 4、摩爾百分比為15%的CaCO3 、摩爾百分比為15%的B2O3所對應量的H3BO3、摩爾百分比5%的含有Tb的所對應量的Tb4O7 和摩爾百分比為5%的含有K所對應量的K2C03。首先將分析純乙醇倒入Si (OC2H5)4中(正硅酸乙酯乙醇的體積比=1:1)，并加入穩(wěn)定劑乙酸，室溫下攪拌，制得有機溶液。2)將CaCO3，Tb4O7和K2CO3粉末放入燒杯中并加入HNO3溶液(水=HNO3的體積比 =1:1)使其溶解至澄清，制得無機溶液。
3)將無機溶液緩慢倒入有機溶液中，采用硝酸做催化劑并用硝酸調整溶液PH值使其為3，在80°C的水浴中攪拌2小時制得凝膠；
4)將步驟3)制備好的凝膠放入烘箱中95°C烘干后再放入馬弗爐中于700°C預燒3h， 粉碎后過80目蹄，加入H3BO3，球磨4小時后干燥，然后加PVA造粒、壓片、825°C下在還原氣氛中燒結保溫3小時后得到摻雜Tb3+的發(fā)光低溫共燒陶瓷材料。5)將燒結后的樣品直接進行熒光測試；被銀、燒銀后進行介電性能測試。得到的樣品其性能指標如下
最大藍光激發(fā)波長和最大發(fā)射波長分別是483nm和541nm。介電常數(shù)ε r (IMHz)為3. 7，介電損耗系數(shù)tan δ (IMHz)為0. 0015，徑向收縮率為19. 6%，密度2. 95g/cm3，熱膨脹系數(shù)(20 360°C)為4. 9ppm/K，三點彎曲強度為146MPa。實施例二
1)按照以下比例稱取分析純占摩爾百分比為65%Si (OC2H5) 4、摩爾百分比為15%的CaCO3 、摩爾百分比為13%的B2O3的所對應量的H3BO3、摩爾百分比2. 5%的含有Tb、Ce的所對應量的Tb4O7和&02和摩爾百分比為3. 5%含有K所對應量的K2C03。首先將一定量的分析純乙醇倒入Si (OC2H5)4中(正硅酸乙酯乙醇的體積比=1:1)，并加入穩(wěn)定劑乙酸，室溫下攪拌，制得有機溶液。2)將CaCO3，Tb4O7, CeO2和K2CO3粉末放入燒杯中并加入HNO3溶液(水=HNO3的體積比=1:1)使其溶解至澄清，制得無機溶液。3)將無機溶液緩慢倒入有機溶液中，采用硝酸做催化劑并用硝酸調整溶液pH值使其為2，在80°C的水浴中攪拌2小時制得凝膠；
4)將步驟3)制備好的凝膠放入烘箱中95°C烘干后再放入馬弗爐中于700°C預燒3h， 粉碎后過80目蹄，加入H3BO3，球磨4小時后干燥，然后加PVA造粒、壓片、825°C下在還原氣氛中燒結保溫3小時后得到摻雜Tb3+、Ce3=的發(fā)光低溫共燒陶瓷材料。5)將燒結后的樣品直接進行熒光測試，得到的樣品的發(fā)光性能指標如下 最大藍光激發(fā)波長和最大發(fā)射波長分別是483nm和541nm。實施例三
1)按照以下比例稱取分析純占摩爾百分比為70%Si (OC2H5)4、摩爾百分比為18%CaC03、 摩爾百分比為10%的B2O3的所對應量的H3BO3、摩爾百分比1%的含有Tb的所對應量的 Tb4O7和摩爾百分比為1%的含有Na所對應量的Na2CO3 。首先將一定量的分析純乙醇倒入Si (OC2H5)4中(正硅酸乙酯乙醇的體積比=1:1)，并加入穩(wěn)定劑乙酸，室溫下攪拌，制得有機溶液。2)再將CaCO3，Tb4O7,和Na2CO3粉末放入燒杯中并加入HNO3溶液(水=HNO3的體積比=1 1)使其溶解至澄清，制得無機溶液。3)將無機溶液緩慢倒入有機溶液中，采用硝酸做催化劑并用硝酸調整溶液pH值使其為2. 5，在80°C的水浴中攪拌2小時制得凝膠；
4)將步驟3)制備好的凝膠放入烘箱中95°C烘干后再放入馬弗爐中于700°C預燒3h， 粉碎后過80目蹄，加入H3BO3，球磨4小時后干燥，然后加PVA造粒、壓片、825°C下在還原氣氛中燒結保溫3小時后得到摻雜Tb3+的發(fā)黃光低溫共燒陶瓷材料。5)將燒結后的樣品直接進行熒光測試，得到的樣品的發(fā)光性能指標如下最大藍光激發(fā)波長和最大發(fā)射波長分別是483nm和541nm。
權利要求
1.一種發(fā)黃光的低溫共燒陶瓷材料，其特征在于，該陶瓷材料的各組分的其摩爾百分比為CaO 15 20% ；SiO2 60 70% ；B2O3 10 25% ；激活劑離子1 9% ；電荷補償劑離子1 9%。
2.一種發(fā)黃光的低溫共燒陶瓷材料的制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟 步驟1 將占摩爾百分比為60 70%的Si (OC2H5)Jgj入以體積比為1:1的分析純乙醇中，加入穩(wěn)定劑乙酸，攪拌制得有機溶液；步驟2 再將占摩爾百分比為15-20%的CaC03、、占摩爾百分比為1_9%的激活劑離子所對應量的含有Tb的氧化物或含有Tb與Ce 二者氧化物混合物、占摩爾百分比為1-9%的電荷補償劑離子所對應量的含有Li、K、Na中一種的碳酸鹽放入燒杯中，加入水=HNO3的體積比=1 1的混合溶液中溶解至澄清，制得無機溶液；步驟3 然后將步驟2制備得到的無機溶液緩慢倒入步驟1制備得到的有機溶液中，采用硝酸做催化劑并用硝酸調整溶液PH值到2 3，在80°C的水浴中攪拌2小時制得凝膠；步驟4 將步驟3制好的凝膠放入烘箱中，在溫度為95°C烘干后再放入馬弗爐中 700°C預燒3h，粉碎后過80目篩，加入占摩爾百分比為15-20% B2O3所對應量的H3BO3，球磨 4小時、干燥、然后加PVA造粒、在溫度為825°C下在還原氣氛中燒結保溫3小時后得到摻雜稀土離子的發(fā)黃光的低溫共燒陶瓷材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用Sol-Gel合成的鈣硼硅系發(fā)黃光的低溫共燒陶瓷材料及其制備方法，其中摻雜的激活劑為Ce3+、Tb3+的一種或兩種。該材料的各組分的摩爾百分比為15～20%的CaO、60～70%的SiO2、10～25%的B2O3、1～9%的激活劑離子和1～9%的電荷補償劑離子。本發(fā)明具有以下優(yōu)點發(fā)光強度好，在460nm～490nm波長的藍光激發(fā)下可以發(fā)出541nm左右的黃光。該材料制成的LTCC基板可在發(fā)光芯片的激發(fā)下發(fā)光，預計可應用在LED燈的制作中，可簡化制作工藝。故可應用于白光LED、LTCC基板材料、微電子封裝材料領域。燒結溫度低且范圍寬，燒結收縮率可控。介電常數(shù)在3～7(1MHz)之間可調，介電損耗在0.002以下。機械強度高，熱性能良好。
文檔編號C04B35/622GK102320822SQ20111023549
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月16日 優(yōu)先權日2011年8月16日
發(fā)明者劉世香, 劉丹, 周濟, 周花蕾, 常志東, 李文軍, 車平 申請人:北京科技大學