專利名稱：玻璃陶瓷物質(zhì)和玻璃陶瓷物質(zhì)的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種玻璃陶瓷物質(zhì)，它至少有一種具有鋇、鈦和至少一種稀土金屬Rek的氧化陶瓷以及至少一種玻璃材料，這種玻璃材料具有至少一種帶有硼的氧化物、至少一種帶有硅的氧化物和至少一種帶有至少一種二價(jià)金屬M(fèi)e2+的氧化物。除了玻璃陶瓷物質(zhì)之外還涉及了玻璃陶瓷物質(zhì)的應(yīng)用。
所述種類的一種玻璃陶瓷物質(zhì)從US 5 264 403中就已經(jīng)知道了。已知的玻璃陶瓷物質(zhì)的氧化陶瓷由氧化鋇(BaO)、二氧化鈦(TiO2)、一種稀土金屬的三氧化物(Rek2O3)以及有時(shí)還有三氧化鉍(Bi2O3)制成。稀土金屬Rek例如是釹。玻璃陶瓷的玻璃材料由三氧化硼(B2O3)、二氧化硅和氧化鋅(ZnO)組成。氧化陶瓷的陶瓷成分在玻璃陶瓷物質(zhì)里例如達(dá)到90％，而玻璃材料的玻璃成分為10％。
這種玻璃陶瓷物質(zhì)的壓實(shí)發(fā)生在大約950℃的燒結(jié)溫度時(shí)。因此該玻璃陶瓷物質(zhì)適合應(yīng)用在LTCC(低溫共同燒制陶瓷)工藝方法里。LTCC工藝方法例如已在D.L.Wilcox et al，Proc.1997 ISAM，Philadelphia，17頁(yè)至23頁(yè)中進(jìn)行了說(shuō)明。LTCC-工藝方法是一種陶瓷的多層工藝法，其中一種無(wú)源的電氣構(gòu)件可以集成在一種陶瓷的多層體的體積里。該無(wú)源電氣構(gòu)件例如是一種導(dǎo)電線路、一個(gè)線圈、一個(gè)電感或一個(gè)電容。集成的方法例如是使一種對(duì)應(yīng)于該元件的金屬構(gòu)造印刷在一個(gè)或多個(gè)陶瓷未加工的薄膜上；這些印刷過(guò)的陶瓷未加工的薄膜上下堆迭成一個(gè)組合物并使組合物燒結(jié)。由于應(yīng)用的陶瓷的未加工薄膜具有低燒結(jié)的玻璃陶瓷物質(zhì)，因而低熔化的高導(dǎo)電能力的基本金屬M(fèi)eO如銀或銅能夠燒結(jié)在與陶瓷未加工薄膜的組合物里。在這種情況下借助于LTCC工藝方法集成的元件的功能能力很大程度上取決于所應(yīng)用的玻璃陶瓷的一種介電材料性能。這樣一種材料性能例如為介電常數(shù)(εr)、品質(zhì)因素(Q)和頻率的溫度歷程(Tkf)。
在已知的玻璃陶瓷物質(zhì)中玻璃含量相對(duì)較低，因而玻璃陶瓷物質(zhì)的壓實(shí)就通過(guò)反應(yīng)的液相燒結(jié)來(lái)進(jìn)行。燒結(jié)時(shí)液態(tài)玻璃相(玻璃熔化物)由玻璃材料形成。當(dāng)溫度較高時(shí)氧化陶瓷就溶解在玻璃熔化物里，直到達(dá)到一個(gè)飽和濃度，并且產(chǎn)生重新析出。通過(guò)氧化陶瓷的溶解和再析出可以使氧化陶瓷的成分發(fā)生變化，并因而也使玻璃相的成分或者說(shuō)玻璃材料的玻璃相的成分發(fā)生變化。在冷卻時(shí)另外還從玻璃熔化物里產(chǎn)生一種結(jié)晶。在這種情況下例如在冷卻之后在玻璃相里氧化陶瓷的成分保持不變。如果由于壓實(shí)而使氧化陶瓷的成分和玻璃材料的成分發(fā)生的變化，那么就難于確定壓實(shí)的玻璃陶瓷物的材料性能并因而難于保證借助于LTCC-工藝方法集成的構(gòu)件的功能能力。
本發(fā)明的任務(wù)是給出一種具有氧化陶瓷的玻璃陶瓷物質(zhì)，其成分在燒結(jié)時(shí)基本保持不變。
為解決此項(xiàng)任務(wù)，提供了一種玻璃陶瓷物質(zhì)，它至少具有一種氧化陶瓷和至少一種玻璃材料，其中氧化陶瓷具有鋇、鈦和至少一種稀土金屬Rek；而玻璃材料則具有至少一種帶有硼的氧化物、至少一種帶有硅的氧化物和至少一種帶有至少一種二價(jià)金屬M(fèi)e2+的氧化物。該玻璃陶瓷物質(zhì)的特征在于，玻璃材料至少具有一種帶有鉍的氧化物。
該玻璃陶瓷物質(zhì)是一種玻璃陶瓷的化合物，并與其狀態(tài)無(wú)關(guān)。該玻璃陶瓷物質(zhì)可以作為陶瓷坯體出現(xiàn)。若是一種陶瓷坯體，例如一種未加工的薄膜，那么氧化陶瓷的粉末和玻璃材料的粉末就可以借助于一種有機(jī)膠結(jié)物相互連接起來(lái)。也可以考慮，使該玻璃陶瓷物質(zhì)作為氧化陶瓷的玻璃材料和粉末混合物。此外該玻璃陶瓷物質(zhì)也可以作為被燒結(jié)的陶瓷體。例如一種在一個(gè)燒結(jié)過(guò)程中制成的陶瓷多層物體由玻璃陶瓷物質(zhì)制成。這種陶瓷多層物體可以供給另外一個(gè)燒結(jié)過(guò)程。
該氧化陶瓷可以作為單一的相存在。但它也可以包括有多個(gè)相。例如可以考慮使這種氧化陶瓷由具有一種各自不同成分的相組成。該氧化陶瓷因而是各種不同的氧化陶瓷的混合物。也可以考慮存在有氧化陶瓷的一種或多種初始化合物，它們?cè)跓Y(jié)時(shí)才轉(zhuǎn)變成真正的氧化陶瓷。
該玻璃材料同樣也可以是一種單一的相。例如是一種由三氧化硼、二氧化硅、氧化鋅和三氧化鉍所組成的玻璃熔化物。也可以考慮使這種玻璃材料由多個(gè)相組成。例如該玻璃材料由給定的氧化物的一種粉末混合物組成。在燒結(jié)時(shí)由這些氧化物形成一種共同的玻璃熔化物。也可以考慮使該玻璃材料是玻璃熔化物的一種結(jié)晶產(chǎn)品。這意味著，這種玻璃材料例如在燒結(jié)之后不僅能作為玻璃熔化物出現(xiàn)，也可以以結(jié)晶形式出現(xiàn)。
本發(fā)明的基本構(gòu)思在于，將一種氧化鉍、尤其是三氧化鉍使用在這種玻璃材料里。其優(yōu)點(diǎn)在于該玻璃材料的軟化溫度T軟化可以降低。玻璃轉(zhuǎn)變點(diǎn)越低，則燒結(jié)溫度，也就是說(shuō)相應(yīng)的玻璃陶瓷物質(zhì)的熔融溫度就越低。在熔融溫度時(shí)玻璃陶瓷物質(zhì)就可以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到幾乎完全的壓實(shí)。
另外，三氧化鉍在玻璃熔化物里在燒結(jié)時(shí)以特別有利的方式(例如通過(guò)較低的熔融溫度)對(duì)于氧化陶瓷的溶解和再分離產(chǎn)生影響。氧化陶瓷的單一組成部分幾乎沒(méi)有分離出來(lái)。氧化陶瓷的成分并不改變或者改變很微小，并因此可以很好地預(yù)先調(diào)定。
眾所周知，在氧化陶瓷里存在的鉍當(dāng)溫度升高時(shí)就與元素銀起反應(yīng)。當(dāng)在LTCC工藝方法里應(yīng)用一種含有鉍的氧化陶瓷時(shí)，同時(shí)又應(yīng)用了銀作為有導(dǎo)電能力的材料，那么就會(huì)產(chǎn)生一種不希望的反應(yīng)，這種反應(yīng)會(huì)損害待制造元件的功能能力。若在玻璃材料中含有三氧化鉍，那么熔融溫度就降低。燒結(jié)可以在較低溫度下進(jìn)行。因而鉍或者三氧化鉍和元素銀之間的反應(yīng)就遏制住了。另外若玻璃成分相對(duì)較低，而鉍含量也相對(duì)較少，那么在鉍和銀之間就不會(huì)產(chǎn)生顯著的反應(yīng)。
在一種特別的技術(shù)方案中氧化陶瓷具有一種BaRek2Ti4O12結(jié)構(gòu)形式的化合物。所述化合物的氧化陶瓷稱為微波陶瓷，因?yàn)槠洳牧闲阅?介電常數(shù)、品質(zhì)因素、Tkf值)很好地適合應(yīng)用在微波技術(shù)里。
這種玻璃材料尤其具有至少一種氧化物，它具有至少一種稀土金屬Reg。稀土金屬Res例如作為三氧化物Reg2O3出現(xiàn)。用稀土金屬Reg的氧化物可以使玻璃材料的介電常數(shù)匹配于氧化陶瓷的介電常數(shù)，而該玻璃材料的介電常數(shù)是整個(gè)玻璃陶瓷物質(zhì)的介電常數(shù)。因而具有介電常數(shù)為20至80或者更高的一種玻璃陶瓷物質(zhì)是能獲得的。
稀土金屬Rek和/或稀土金屬Reg特別選自鑭和/或釹和/或釤。也可以考慮其它的鑭系或者錒系元素。稀土金屬Rek和Reg可以是同一的，但也可以是不同的稀土金屬。
在一種特殊的技術(shù)方案里該氧化陶瓷具有二價(jià)金屬M(fèi)e2+。二價(jià)金屬M(fèi)e2+尤其選自鈹、鎂、鈣、鍶、鋇、銅和/或鋅。二價(jià)金屬M(fèi)e2+可以作為自身的氧化物相存在。二價(jià)金屬M(fèi)e2+尤其是氧化陶瓷的一種摻雜物。在這種氧化陶瓷里二價(jià)金屬M(fèi)e2+大大降低了氧化陶瓷的燒結(jié)溫度。此外可以對(duì)氧化陶瓷的介電的材料性能加以控制。例如化合物BaRek2Ti4O12的氧化陶瓷摻雜有鋅。二價(jià)金屬M(fèi)e2+可以如鉍的氧化物那樣使氧化陶瓷在燒結(jié)時(shí)遏制其單一組成成分分離出來(lái)。已經(jīng)表明，若氧化陶瓷摻雜有在玻璃材料里也有的二價(jià)金屬M(fèi)e2+的話，那是特別有利的。此處尤其提到將鋅作為二價(jià)金屬M(fèi)e2+。鋅對(duì)于反應(yīng)作用的液相燒結(jié)有特別有利的影響，并對(duì)同時(shí)產(chǎn)生的溶化過(guò)程和再分離過(guò)程具有特別有利的影響。
在另一種設(shè)計(jì)方案中，該玻璃材料除了有作為四價(jià)金屬的硅的氧化物之外至少具備一種至少另外一種四價(jià)金屬M(fèi)e4+的氧化物。除了二氧化硅之外該玻璃材料具有至少另一種四價(jià)金屬的二氧化物。這些其它的四價(jià)金屬M(fèi)e4+尤其以鍺和/或錫和/或鈦和/或鋯等類族中選出，除了二氧化硅之外所列舉的四價(jià)金屬的氧化物都支持這種玻璃材料的玻璃性。這意味著借助于這些氧化物，此外如也有上述所列二價(jià)金屬M(fèi)e2+的氧化物那樣，可以控制玻璃材料的粘度-溫度特性。例如可以調(diào)節(jié)玻璃材料的軟化溫度T軟化。同樣也可以影響玻璃材料的結(jié)晶。
在一種特別的技術(shù)方案中100體積百分比的玻璃陶瓷由氧化陶瓷的一種陶瓷成分和玻璃材料的一種玻璃成分組成，這種陶瓷成分由位于包括70體積百分比至包括95體積百分比之間的范圍里選出；而這種玻璃成分由包括30體積百分比至包括5體積百分比之間的范圍內(nèi)選取。若玻璃陶瓷進(jìn)行燒結(jié)，那就出現(xiàn)上面所述的反應(yīng)作用的液相燒結(jié)。對(duì)于特別有利的溶解特性和再析出的特性來(lái)說(shuō)，如特別存在的那樣，若二價(jià)金屬存在于氧化陶瓷里和玻璃材料里，那就可能使玻璃成分也低于5體積百分比。
這種氧化陶瓷和/或玻璃材料特別具有一種粉末，其顆粒大小為中等(D50-值)，此值是由位于包括0.1μm和包括1.5μm之間的范圍內(nèi)選出的。中等顆粒大小也稱為半值顆粒大小。為了保證很小的玻璃含量而不限制溶解性能和再析出性能，具有所指出顆粒大小的粉末是特別有利的。粉末具有大的，對(duì)于反應(yīng)的液相燒結(jié)必要的反應(yīng)表面。
通常為了降低燒結(jié)溫度和提高玻璃陶瓷物質(zhì)的介電常數(shù)向玻璃材料里添加了氧化鉛(PbO)。對(duì)于本發(fā)明，氧化鉛含量和/或氧化鎘含量在玻璃陶瓷物質(zhì)里和/或在氧化陶瓷里和/或玻璃材料里最大達(dá)到0.1％，尤其是最大達(dá)1ppm。從環(huán)境觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)氧化鉛和氧化鎘的含量最好幾乎為零。這對(duì)于本發(fā)明可以基本上不限制玻璃陶瓷物質(zhì)的材料性能。
在一種特別的設(shè)計(jì)方案中陶瓷物質(zhì)的熔融溫度最大為950℃，尤其為最大910℃或890℃。在這種情況下尤其是一種玻璃陶瓷物質(zhì)可達(dá)到的介電常數(shù)是由包括20至包括80的范圍內(nèi)選擇的；可達(dá)到的品質(zhì)因素是由包括800至包括5000的范圍內(nèi)選擇的，以及可達(dá)到的Tkf值是由包括-20ppm/K至包括+20ppm/K的范圍內(nèi)選擇的。該玻璃陶瓷物質(zhì)以這些材料性能非常適合應(yīng)用于微波技術(shù)。
按照本發(fā)明的第二個(gè)觀點(diǎn)給出了一種陶瓷體，它具有以前所述的玻璃陶瓷物質(zhì)。這種陶瓷體尤其具有至少一種基本金屬M(fèi)eO，它由金和/或銀和/或銅等類族里選擇。該陶瓷體最好是一種陶瓷的多層物體。為制造這種陶瓷體應(yīng)用了前面所述的玻璃陶瓷物質(zhì)。由于使用了含有鉍的玻璃材料，玻璃陶瓷物質(zhì)的已經(jīng)可以在890℃以下進(jìn)行熔融燒結(jié)。在一個(gè)焙燒過(guò)程中存在有基本金屬銀，這就不會(huì)產(chǎn)生干擾作用的交叉擴(kuò)散。尤其是按此方式可以制造一種陶瓷體，其形式為一種陶瓷的多層物體。玻璃陶瓷物質(zhì)特別應(yīng)用在LTCC工藝方法里的陶瓷的新薄膜里。因而可向LTCC工藝方法提供，對(duì)于制造微波技術(shù)的構(gòu)件具有優(yōu)良的材料性能的玻璃陶瓷物質(zhì)。
總結(jié)起來(lái)使用本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn)·氧化陶瓷的成分在玻璃陶瓷物質(zhì)進(jìn)行燒結(jié)時(shí)基本保持不變。因而玻璃陶瓷物質(zhì)的材料性能可以按規(guī)定預(yù)先調(diào)定。
·在低于910℃溫度以及其至低于890℃時(shí)就可以使玻璃陶瓷物質(zhì)幾乎完全壓實(shí)(熔融燒結(jié))。
·由于對(duì)氧化陶瓷和玻璃材料適當(dāng)?shù)丶尤肓?氧化物的)添加物，使玻璃陶瓷物質(zhì)的燒結(jié)特性和玻璃陶瓷物質(zhì)的材料性能可以有目標(biāo)地并且?guī)缀跞我獾卣{(diào)節(jié)。因而在保持低的熔融溫度下例如可以在一個(gè)各自較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)介電常數(shù)、品質(zhì)因素和Tkf值。
·不使用氧化鉛和/或氧化鎘就可以獲得壓實(shí)。
以下根據(jù)一個(gè)實(shí)施例和附圖
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述。附圖表示一種具有玻璃陶瓷物質(zhì)以多層結(jié)構(gòu)形式的一個(gè)陶瓷體的概略的，不成比例的橫斷面。
按照實(shí)施例玻璃陶瓷物質(zhì)11是一種由一種氧化陶瓷和一種玻璃材料的粉末組成的粉末。氧化陶瓷的化合物結(jié)構(gòu)形式為BaRek2Ti4O12。稀土金屬Rek是釹。氧化陶瓷作為添加物具有一種二價(jià)金屬M(fèi)e2+，其形式為鋅。為了制造氧化陶瓷，要用大約1％重量比的氧化鋅添加入相應(yīng)量的氧化鋇、二氧化鈦和三氧化釹，并煅燒或燒結(jié)，并接著磨碎成相應(yīng)的粉末。
這種玻璃材料具有硼、鉍、硅和鋅。該玻璃材料的特點(diǎn)為以下成分27.5摩爾百分比的三氧化硼、34.8摩爾百分比的氧化鉍、32.5摩爾百分比的氧化鋅和6摩爾百分比的二氧化硅。
100體積百分比的玻璃陶瓷物質(zhì)由90體積百分比的陶瓷材料和10體積百分比的玻璃材料組成。陶瓷材料和玻璃材料具有0.8μm的D50值。這種玻璃陶瓷物質(zhì)的熔融溫度為900℃。玻璃陶瓷物質(zhì)的介電常數(shù)為64，品質(zhì)因素820，Tkf值為4ppm/K。
使用所介紹的玻璃陶瓷物質(zhì)11，以便借助于LTCC工藝方法在一種陶瓷的多層物體1的體積里集成一種無(wú)源的電氣元件6和7。按這種方式制成的陶瓷多層物體1具有陶瓷層3和4，這些陶瓷層由具有玻璃陶瓷物質(zhì)11的陶瓷坯薄膜制成。陶瓷層2和5具有一個(gè)與玻璃陶瓷物質(zhì)11不同的另外的玻璃陶瓷物質(zhì)12。電子構(gòu)件的具有導(dǎo)電能力的材料是以銀的形式的基本金屬M(fèi)eO。
權(quán)利要求
1.玻璃陶瓷物質(zhì)，具有至少一種氧化陶瓷和至少一種玻璃材料，其中氧化陶瓷具有鋇、鈦和至少一種稀土金屬Rek；而玻璃材料具有至少一種硼的氧化物，至少一種硅的氧化物和至少一種含至少一種二價(jià)金屬M(fèi)e2+的氧化物，其特征在于，該玻璃材料至少具有一種鉍的氧化物。
2.按權(quán)利要求1所述的玻璃陶瓷材料，其中氧化陶瓷具有一種BaRek2Ti4O12結(jié)構(gòu)形式的化合物。
3.按權(quán)利要求1或2所述的玻璃陶瓷物質(zhì)，其中玻璃材料至少具有一種帶有至少一種稀土金屬Reg的氧化物。
4.按權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所述的玻璃陶瓷物質(zhì)，其中稀土金屬Rek和/或稀土金屬Reg選自鑭和/或釹和/或釤。
5.按權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的玻璃陶瓷物質(zhì)，其中氧化陶瓷具有二價(jià)的金屬M(fèi)e2+。
6.按權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的玻璃陶瓷物質(zhì)，其中二價(jià)金屬M(fèi)e2+選自鈹、鎂、鈣、鍶、鋇、銅和/或鋅。
7.按權(quán)利要求1至6中任意一項(xiàng)所述的玻璃陶瓷物質(zhì)，其中玻璃材料除了有作為四價(jià)金屬的硅的氧化物之外至少具有一種有至少另一種四價(jià)金屬M(fèi)e4+的氧化物。
8.按權(quán)利要求7所述的玻璃陶瓷物質(zhì)，其中其它的四價(jià)金屬M(fèi)e4+選自鍺鎘和/或錫和/或鈦和/或鋯。
9.按權(quán)利要求1至8中任意一項(xiàng)所述的玻璃陶瓷物質(zhì)，其中100體積百分比的玻璃陶瓷物質(zhì)由一種選自包括70體積百分比至包括95體積百分比之間的范圍的氧化陶瓷的陶瓷成分和一種選自包括30體積百分比至包括5體積百分比之間的范圍里的玻璃材料的玻璃成分所組成。
10.按權(quán)利要求1至9中任意一項(xiàng)所述的玻璃陶瓷物質(zhì)，其中氧化陶瓷和/或玻璃材料具有一種中等顆粒大小的粉末，其顆粒大小由包括0.1μm和包括1.5μm之間的范圍內(nèi)選擇。
11.按權(quán)利要求1至10中任意一項(xiàng)所述的玻璃陶瓷物質(zhì)，其中在玻璃陶瓷物質(zhì)里和/或在氧化陶瓷里和/或玻璃材料里鉛氧化物含量和/或鎘氧化物含量最大為0.1％，特別是最大為1ppm。
12.按權(quán)利要求1至11中任意一項(xiàng)所述的玻璃陶瓷物質(zhì)，其熔融溫度最大為950℃，特別是最大為890℃。
13.按權(quán)利要求12所述的玻璃陶瓷物質(zhì)，其介電常數(shù)由包括20至包括80之間的范圍內(nèi)選擇；其品質(zhì)因素由包括800至包括5000之間的范圍內(nèi)選出；其Tkf值由包括-20ppm/k至包括+20ppm/k之間的范圍內(nèi)選出。
14.具有一種按權(quán)利要求1至13中任意一項(xiàng)所述的玻璃陶瓷物質(zhì)的陶瓷體。
15.按權(quán)利要求14所述的陶瓷體，它至少有一種基本金屬M(fèi)eO，該金屬選自金和/或銀和/或銅。
16.按權(quán)利要求13或14所述的陶瓷體，其中陶瓷體是一種陶瓷的多層物體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種玻璃陶瓷物質(zhì)，它至少有一種具有鋇、鈦和至少一種稀土金屬Rek的氧化陶瓷以及至少一種玻璃材料，這種玻璃材料具有至少一種硼的氧化物、至少一種硅的氧化物和至少一種含至少一種二價(jià)金屬M(fèi)e2+的氧化物。該玻璃陶瓷物質(zhì)的特征在于，玻璃材料至少具有一種鉍的氧化物。鉍的氧化物特別是三氧化鉍。氧化陶瓷尤其是一種組成形式為BaRek
文檔編號(hào)H01G4/12GK1662463SQ01818257
公開日2005年8月31日 申請(qǐng)日期2001年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月1日
發(fā)明者W·A·施勒, M·格梅納特, U·弗里茨, M·埃貝爾斯坦, G·普羅伊, W·維爾辛, O·德爾諾夫賽克, C·莫德斯 申請(qǐng)人:W·C·賀利氏股份有限兩合公司