本發(fā)明主要的技術(shù)領(lǐng)域是低溫共燒陶瓷技術(shù)制造出微波介電陶瓷材料及其制造方法。
背景技術(shù):
一般低溫共燒陶瓷(Low temperature co-fired ceramic,LTCC)方法,包括有陶瓷加低熔點氧化物如氧化硼(B2O3)或五氧化二釩(V2O5)為主,依靠低熔點氧化物先產(chǎn)生熔融而降低燒結(jié)溫度。另一種方法則是陶瓷加玻璃產(chǎn)生液相燒結(jié)反應(yīng)降低燒結(jié)溫度。
由于Ba5Nb4O15在高溫1380℃燒結(jié)時,Srivastave,A.M.在《J.Solid State Chem》1997年134卷發(fā)表,可獲得介電常數(shù)εr=41、品質(zhì)因子Q×f=57000GHz和頻率溫度系數(shù)τf=50ppm/℃的微波介電特性,然而,由于燒結(jié)溫度過高,因此電極材料需要用到銀鈀電極。
為了達(dá)到在低溫下能夠跟銀共燒,Kim.D.W.等人在《Journal of the European Ceramic Society》2003年23卷發(fā)表利用B2O3添加進(jìn)入(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6后,可降低燒結(jié)溫度至900℃,并且品質(zhì)因子Q×f=28000GHz,同時溫度頻率系數(shù)接近于零。
然而,若添加B2O3等低熔點氧化物,由于B2O3容易與水、甲醇、乙醇以及常用的粘結(jié)劑如PVA(聚乙烯醇)和PVB(聚乙烯醇縮丁醛)等反應(yīng),產(chǎn)生出凝膠作用,造成在積層陶瓷電容(Multi-layer Ceramic Capacitor,MLCC)工藝中,薄帶制造過程粉體分散不均而使得燒結(jié)密度變化大。另外B2O3在水跟酒精中的溶解度大,容易在工藝后段粉體過濾干燥階段,因B2O3成分流失,導(dǎo)致B2O3降低,從而導(dǎo)致燒結(jié)密度降低與介電特性損耗。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
為克服前述現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷,本發(fā)明的一目的即是提供一種高穩(wěn)定性、符合低溫共燒陶瓷工藝溫度、燒結(jié)致密的低溫?zé)Y(jié)微波介電陶瓷材料。
本發(fā)明的另一目的是提供一種軟性電低溫?zé)Y(jié)微波介電陶瓷材料的制造方法,以 制造出本發(fā)明的低溫?zé)Y(jié)微波介電陶瓷材料。
為達(dá)到上述目的,本發(fā)明提供了一種低溫?zé)Y(jié)微波介電陶瓷材料,其是由ywt%[(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6]陶瓷材料與z wt%CuO-B2O3-SiO2玻璃材料所組成,所采用的技術(shù)是將CuO-B2O3-SiO2粉末混合并且在1250-1450℃熔融后,得到CuO-B2O3-SiO2玻璃,則CuO-B2O3-SiO2玻璃具有高穩(wěn)定性,不會與水、甲醇、乙醇、PVA和PVB反應(yīng),并且不會溶解在水和酒精之中,且可與陶瓷粉體達(dá)到有效燒結(jié)致密的效果。
本發(fā)明在制造低溫?zé)Y(jié)微波介電陶瓷材料時,其步驟包括制備CuO-B2O3-SiO2玻璃材料、制備Ba5Nb4O15材料、制備BaNb2O6材料、將制備好的所述Ba5Nb4O15、BaNb2O6和CuO-B2O3-SiO2玻璃材料進(jìn)行濕式混合,并予以燒結(jié)。本發(fā)明較佳實施例中,Ba5Nb4O15、BaNb2O6和CuO-B2O3-SiO2玻璃材料是在室溫下添加如水、酒精、分散劑等進(jìn)行濕式混合,材料比例x范圍介于0≤x≤0.3、1%≤z≤15%、y+z=100%,混合2小時之后過濾干燥。
其中,所述Ba5Nb4O15、BaNb2O6和CuO-B2O3-SiO2玻璃材料混合后的燒結(jié)溫度為大于等于700℃且小于等于1050℃。
其中,所述Ba5Nb4O15、BaNb2O6和CuO-B2O3-SiO2玻璃材料混合后的燒結(jié)是在大氣氣氛條件中與貴金屬電極(銀)共燒。
其中,所述Ba5Nb4O15、BaNb2O6和CuO-B2O3-SiO2玻璃材料混合后的燒結(jié)是在氮氫氣氛條件中與卑金屬(Base metal)電極(銅)共燒。該卑金屬電極材料為銅。
其中,所述CuO-B2O3-SiO2玻璃材料是以5-15wt%CuO、30-75wt%B2O3和0-10wt%SiO2的粉末混合后,于1250-1450℃下熔融2-10小時而得到的。
其中,所述Ba5Nb4O15的材料是依照其化學(xué)劑量比稱取BaO和Nb2O5的材料,并且在900℃至1200℃下進(jìn)行4-10小時的煅燒,得到產(chǎn)物后再進(jìn)行磨粉。
其中,所述BaNb2O6的材料是依照其化學(xué)劑量比稱取BaO和Nb2O5的材料,并且在900℃至1200℃下進(jìn)行4-10小時的煅燒,得到產(chǎn)物后再進(jìn)行磨粉。
本發(fā)明于低溫?zé)Y(jié)(燒結(jié)溫度為大于等于700℃且小于等于1050℃),燒結(jié)時間0.5-4小時,具有介電常數(shù)范圍于36-43,并有低介電損耗、高品質(zhì)因子、低溫度頻率系數(shù)與低電容系數(shù)等優(yōu)異特性,且材料可在大氣氣氛條件時與貴金屬電極(銀),以及在氮氫氣氛條件時與卑金屬電極(銅)共燒。
在效果方面,本發(fā)明利用CuO-B2O3-SiO2玻璃材料添加進(jìn)入(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷粉體后,由于CuO-B2O3-SiO2玻璃材料具有高穩(wěn)定性,不會與水、酒精跟粘結(jié)劑等高分子材料產(chǎn)生反應(yīng),因此不會有凝膠作用發(fā)生。另外,本發(fā)明的玻璃系統(tǒng)只與(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷粉體產(chǎn)生液相燒結(jié)特性,使得材料系統(tǒng)符合低溫共燒陶瓷工藝溫度,可在范圍700-1050℃溫度條件時燒結(jié)致密,并且不與Ba5Nb4O15和BaNb2O6產(chǎn)生二次相的反應(yīng),因此本發(fā)明的系統(tǒng)可有效地在大氣氣氛環(huán)境與貴金屬電極(銀)共燒,以及在還原氣氛條件與卑電極(銅)共燒,并且應(yīng)用在微波介電元件上。
具體實施方式
本發(fā)明所采用的具體實施例,將通過以下的實施例作進(jìn)一步的說明。
本發(fā)明采用比例5-15wt%CuO、30-75wt%B2O3和0-10wt%SiO2的粉末混合后,于溫度1250-1450℃下熔融2-10小時而得到CuO-B2O3-SiO2玻璃材料,其中所述wt%定義為重量百分比。
本發(fā)明制備了Ba5Nb4O15的材料,依照其化學(xué)劑量比稱取BaO和Nb2O5的材料,并且在900℃至1200℃下進(jìn)行4-10小時的煅燒,得到產(chǎn)物后再進(jìn)行磨粉。
本發(fā)明制備BaNb2O6的材料,依照其化學(xué)劑量比稱取BaO和Nb2O5的材料,并且在900℃至1200℃下進(jìn)行4-10小時的煅燒,得到產(chǎn)物后再進(jìn)行磨粉。
本發(fā)明的低溫?zé)Y(jié)微波介電陶瓷材料是由y wt%[(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6]+zwt%CuO-B2O3-SiO2玻璃材料所組成。將Ba5Nb4O15、BaNb2O6和CuO-B2O3-SiO2玻璃材料在室溫下混合,并添加如水、酒精、分散劑等進(jìn)行濕式混合,材料比例x范圍介于0≤x≤0.3、1%≤z≤15%、y+z=100%,混合2小時之后過濾干燥?;旌虾蟛牧嫌诘蜏?zé)Y(jié)(燒結(jié)溫度為大于等于700℃且小于等于1050℃),并可與銀共燒,燒結(jié)時間0.5-4小時,具有介電常數(shù)范圍于36-43,且同時具有高品質(zhì)因子和接近零的溫度頻率系數(shù)的微波介電材料。
本發(fā)明新發(fā)明的材料主要為(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料混合CuO-B2O3-SiO2玻璃材料,而國內(nèi)外文獻(xiàn)期刊與專利搜索后,只有利用陶瓷材料混合低熔點陶瓷材料,并無利用陶瓷材料混合玻璃材料的相關(guān)技術(shù)申請。由于玻璃材料具有高穩(wěn)定性,不易水解于水或酒精中,且不易與粘結(jié)劑等起反應(yīng)作用,另外在材料燒結(jié)時,玻璃材料只具有產(chǎn)生液相燒結(jié)作用,使陶瓷材料易于低溫下燒結(jié)致密,并且玻 璃材料也不與陶瓷材料反應(yīng)產(chǎn)生其他二次相出現(xiàn),因此本發(fā)明具有高創(chuàng)新性。
此外,根據(jù)不同的陶瓷材料成分與不同的玻璃材料成份混合燒結(jié)后,分成比較例與實施例,各自的介電性質(zhì)如下:
(一)當(dāng)(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料混合CuO-B2O3-SiO2玻璃材料于750℃燒結(jié),結(jié)果如表1,
表1:(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料混合CuO-B2O3-SiO2玻璃材料于750℃的燒結(jié)特性
而其比較例與實施例如下:
比較例1
當(dāng)(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料混合0wt%或0.5wt%(以陶瓷材料的總質(zhì)量為100%計算)的CuO-B2O3-SiO2玻璃材料于750℃燒結(jié)時,可發(fā)現(xiàn)燒結(jié)不致密,介電常數(shù)因陶瓷孔隙多而介電常數(shù)值無法提高只達(dá)到25或31,另外品質(zhì)因子也因為孔隙多導(dǎo)致高頻下的微波訊號在孔隙中產(chǎn)生損耗,因此品質(zhì)因子低,只達(dá)到2657和6833GHz。
實施例1
當(dāng)(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料在x等于0時,混合1wt%至10wt%的CuO-B2O3-SiO2玻璃材料于750℃燒結(jié)時,可發(fā)現(xiàn)陶瓷經(jīng)燒結(jié)后達(dá)到致密,介電常數(shù)值范圍為37-43、品質(zhì)因子為19533GHz至24788GHz、溫度頻率系數(shù)為44至48ppm/℃、溫度電容系數(shù)為-81至-90ppm/℃、絕緣阻抗達(dá)9.7×1011至3.3×1012Ω,材料并適用于與銀共燒跟與銅共燒。
實施例2
當(dāng)(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料在x等于0.05時,混合1wt%至10wt%的CuO-B2O3-SiO2玻璃材料于750℃燒結(jié)時,可發(fā)現(xiàn)陶瓷經(jīng)燒結(jié)后達(dá)到致密,介電常數(shù)值范圍為37-40、品質(zhì)因子為22131GHz至24786GHz、溫度頻率系數(shù)為31至35ppm/℃、溫度電容系數(shù)為-63至-69ppm/℃、絕緣阻抗達(dá)2.3×1012至6.5×1012Ω,材料并適用于與銀共燒跟與銅共燒。
實施例3
當(dāng)(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料在x等于0.1時,混合1wt%至10wt%的CuO-B2O3-SiO2玻璃材料于750℃燒結(jié)時,可發(fā)現(xiàn)陶瓷經(jīng)燒結(jié)后達(dá)到致密,介電常數(shù)值范圍為36-38、品質(zhì)因子為18473GHz至24357GHz、溫度頻率系數(shù)為11至13ppm/℃、溫度電容系數(shù)為-28至-31ppm/℃、絕緣阻抗達(dá)1.7×1012至3.3×1012Ω,材料并適用于與銀共燒跟與銅共燒。
實施例4
當(dāng)(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料在x等于0.15時,混合1wt%至10wt%的CuO-B2O3-SiO2玻璃材料于750℃燒結(jié)時,可發(fā)現(xiàn)陶瓷經(jīng)燒結(jié)后達(dá)到致密,介電常數(shù)值范圍為37-39、品質(zhì)因子為19442GHz至23578GHz、溫度頻率系數(shù)為-2至3ppm/℃、 溫度電容系數(shù)為-2至1ppm/℃、絕緣阻抗達(dá)2.1×1012至4.1×1012Ω,材料并適用于與銀共燒跟與銅共燒。
實施例5
當(dāng)(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料在x等于0.2時,混合1wt%至10wt%的CuO-B2O3-SiO2玻璃材料于750℃燒結(jié)時,可發(fā)現(xiàn)陶瓷經(jīng)燒結(jié)后達(dá)到致密,介電常數(shù)值范圍為36-40、品質(zhì)因子為20335GHz至26324GHz、溫度頻率系數(shù)為-12至-16ppm/℃、溫度電容系數(shù)為25至31ppm/℃、絕緣阻抗達(dá)2.3×1012至4.1×1012Ω,材料并適用于與銀共燒和與銅共燒。
實施例6
當(dāng)(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料在x等于0.3時,混合1wt%至10wt%的CuO-B2O3-SiO2玻璃材料于750℃燒結(jié)時,可發(fā)現(xiàn)陶瓷經(jīng)燒結(jié)后達(dá)到致密,介電常數(shù)值范圍為36-38、品質(zhì)因子為18482GHz至25165GHz、溫度頻率系數(shù)為-21至-26ppm/℃、溫度電容系數(shù)為41至43ppm/℃、絕緣阻抗達(dá)3.2×1012至5.1×1012Ω,材料并適用于與銀共燒跟與銅共燒。
(二)(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料混合CuO-B2O3-SiO2玻璃材料于900℃的燒結(jié)特性,結(jié)果如表2,
表2:(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料混合CuO-B2O3-SiO2玻璃材料于900℃的燒結(jié)特性
而其比較例與實施例如下:
比較例2
當(dāng)(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料混合0wt%或0.5wt%的CuO-B2O3-SiO2玻璃材料于900℃燒結(jié)時,可發(fā)現(xiàn)燒結(jié)不致密,介電常數(shù)因陶瓷孔隙多而介電常數(shù)值無法提高只達(dá)到28或33,另外品質(zhì)因子也因為孔隙多導(dǎo)致高頻下的微波訊號在孔隙中產(chǎn)生損耗,因此品質(zhì)因子低,只達(dá)到3430和8900GHz。
實施例7
當(dāng)(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料在x等于0時,混合1wt%至10wt%的CuO-B2O3-SiO2玻璃材料于900℃燒結(jié)時,可發(fā)現(xiàn)陶瓷經(jīng)燒結(jié)后達(dá)到致密,介電常數(shù)值范圍為38-43、品質(zhì)因子為18642GHz至27763GHz、溫度頻率系數(shù)為45至49ppm/℃、溫度電容系數(shù)為-83至-91ppm/℃、絕緣阻抗達(dá)9.8×1011至3.1×1012Ω,材料并適用于與銀共燒跟與銅共燒。
實施例8
當(dāng)(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料在x等于0.05時,混合1wt%至10wt%的CuO-B2O3-SiO2玻璃材料于900℃燒結(jié)時,可發(fā)現(xiàn)陶瓷經(jīng)燒結(jié)后達(dá)到致密,介電常數(shù)值范圍為38-41、品質(zhì)因子為17624GHz至25321GHz、溫度頻率系數(shù)為32至36ppm/℃、溫度電容系數(shù)為-64至-67ppm/℃、絕緣阻抗達(dá)2.7×1012至6.2×1012Ω,材料并適用于與銀共燒跟與銅共燒。
實施例9
當(dāng)(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料在x等于0.1時,混合1wt%至10wt%的CuO-B2O3-SiO2玻璃材料于900℃燒結(jié)時,可發(fā)現(xiàn)陶瓷經(jīng)燒結(jié)后達(dá)到致密,介電常數(shù)值范圍為39-40、品質(zhì)因子為19899GHz至26431GHz、溫度頻率系數(shù)為11至14ppm/℃、溫度電容系數(shù)為-28至-32ppm/℃、絕緣阻抗達(dá)1.8×1012至3.5×1012Ω,材料并適用于與銀共燒跟與銅共燒。
實施例10
當(dāng)(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料在x等于0.15時,混合1wt%至10wt%的CuO-B2O3-SiO2玻璃材料于900℃燒結(jié)時,可發(fā)現(xiàn)陶瓷經(jīng)燒結(jié)后達(dá)到致密,介電常數(shù)值范圍為38-39、品質(zhì)因子為18732GHz至22232GHz、溫度頻率系數(shù)為3至-1ppm/℃、溫度電容系數(shù)為1至-5ppm/℃、絕緣阻抗達(dá)1.5×1012至4.3×1012Ω,材料并適用于與銀共燒跟與銅共燒。
實施例11
當(dāng)(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料在x等于0.2時,混合1wt%至10wt%的CuO-B2O3-SiO2玻璃材料于900℃燒結(jié)時,可發(fā)現(xiàn)陶瓷經(jīng)燒結(jié)后達(dá)到致密,介電常數(shù)值范圍為37-39、品質(zhì)因子為19232GHz至27312GHz、溫度頻率系數(shù)為-13至-17ppm/℃、溫度電容系數(shù)為27至32ppm/℃、絕緣阻抗達(dá)2.2×1012至5.7×1012Ω,材料并適用于與銀共燒跟與銅共燒。
實施例12
當(dāng)(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料在x等于0.3時,混合1wt%至10wt%的CuO-B2O3-SiO2玻璃材料于900℃燒結(jié)時,可發(fā)現(xiàn)陶瓷經(jīng)燒結(jié)后達(dá)到致密,介電常數(shù)值范圍為36-38、品質(zhì)因子為18768GHz至26321GHz、溫度頻率系數(shù)為-21至-24ppm/℃、溫度電容系數(shù)為42至45ppm/℃、絕緣阻抗達(dá)3.6×1012至5.3×1012Ω,材料并適用于與銀共燒跟與銅共燒。
(三)(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料混合CuO-B2O3-SiO2玻璃材料于1040℃的燒結(jié)特性,結(jié)果如表3,
表3:(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料混合CuO-B2O3-SiO2玻璃材料于1040℃的燒結(jié)特性
而其比較例與實施例如下:
比較例3
當(dāng)(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料混合0wt%或0.5wt%的CuO-B2O3-SiO2玻璃材料于1040℃燒結(jié)時,可發(fā)現(xiàn)燒結(jié)不致密,介電常數(shù)因陶瓷孔隙多而介電常數(shù)值 無法提高只達(dá)到29或32,另外品質(zhì)因子也因為孔隙多導(dǎo)致高頻下的微波訊號在孔隙中產(chǎn)生損耗,因此品質(zhì)因子低,只達(dá)到3512和8989GHz。
實施例13
當(dāng)(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料在x等于0時,混合1wt%至10wt%的CuO-B2O3-SiO2玻璃材料于1040℃燒結(jié)時,可發(fā)現(xiàn)陶瓷經(jīng)燒結(jié)后達(dá)到致密,介電常數(shù)值范圍為39-42、品質(zhì)因子為19563GHz至27865GHz、溫度頻率系數(shù)為44至48ppm/℃、溫度電容系數(shù)為-82至-92ppm/℃、絕緣阻抗達(dá)1.2×1012至3.2×1012Ω,材料并適用于與銀共燒跟與銅共燒。
實施例14
當(dāng)(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料在x等于0.05時,混合1wt%至10wt%的CuO-B2O3-SiO2玻璃材料于1040℃燒結(jié)時,可發(fā)現(xiàn)陶瓷經(jīng)燒結(jié)后達(dá)到致密,介電常數(shù)值范圍為37-40、品質(zhì)因子為22312GHz至25365GHz、溫度頻率系數(shù)為33至35ppm/℃、溫度電容系數(shù)為-63至-66ppm/℃、絕緣阻抗達(dá)2.8×1012至6.1×1012Ω,材料并適用于與銀共燒跟與銅共燒。
實施例15
當(dāng)(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料在x等于0.1時,混合1wt%至10wt%的CuO-B2O3-SiO2玻璃材料于1040℃燒結(jié)時,可發(fā)現(xiàn)陶瓷經(jīng)燒結(jié)后達(dá)到致密,介電常數(shù)值范圍為39-41、品質(zhì)因子為20761GHz至26842GHz、溫度頻率系數(shù)為12至15ppm/℃、溫度電容系數(shù)為-25至-32ppm/℃、絕緣阻抗達(dá)2.1×1012至3.7×1012Ω,材料并適用于與銀共燒跟與銅共燒。
實施例16
當(dāng)(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料在x等于0.15時,混合1wt%至10wt%的CuO-B2O3-SiO2玻璃材料于1040℃燒結(jié)時,可發(fā)現(xiàn)陶瓷經(jīng)燒結(jié)后達(dá)到致密,介電常數(shù)值范圍為39-40、品質(zhì)因子為19638GHz至23476GHz、溫度頻率系數(shù)為3至-2ppm/℃、溫度電容系數(shù)為2至-2ppm/℃、絕緣阻抗達(dá)1.9×1012至3.5×1012Ω,材料并適用于與銀共燒跟與銅共燒。
實施例17
當(dāng)(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料在x等于0.2時,混合1wt%至10wt%的CuO-B2O3-SiO2玻璃材料于1040℃燒結(jié)時,可發(fā)現(xiàn)陶瓷經(jīng)燒結(jié)后達(dá)到致密,介電常 數(shù)值范圍為37-38、品質(zhì)因子為19431GHz至21543GHz、溫度頻率系數(shù)為-14至-18ppm/℃、溫度電容系數(shù)為25至32ppm/℃、絕緣阻抗達(dá)2.6×1012至4.9×1012Ω,材料并適用于與銀共燒跟與銅共燒。
實施例18
當(dāng)(1-x)Ba5Nb4O15-xBaNb2O6陶瓷材料在x等于0.3時,混合1wt%至10wt%的CuO-B2O3-SiO2玻璃材料于1040℃燒結(jié)時,可發(fā)現(xiàn)陶瓷經(jīng)燒結(jié)后達(dá)到致密,介電常數(shù)值范圍為36-38、品質(zhì)因子為19567GHz至25358GHz、溫度頻率系數(shù)為-20至-22ppm/℃、溫度電容系數(shù)為43至46ppm/℃、絕緣阻抗達(dá)3.3×1012至5.2×1012Ω,材料并適用于與銀共燒跟與銅共燒。