專利名稱：一種鉬基低溫燒結微波介質陶瓷材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電子陶瓷技術領域，涉及一種微波介質陶瓷材料及其制備方法，具體涉及一種鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料及其制備方法。
背景技術：
隨著現代信息技術的飛速發(fā)展，對電子產品的小型化、便攜化、多功能、高可靠和低成本等方面提出了越來越高的要求。低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-firedCeramics, LTCC)技術是近年來興起的一種令人矚目的多學科交叉的整合組件技術，因其優(yōu)異的電子、熱機械特性已成為未來電子元件集成化、模組化的首選方式。它采用厚膜材料，根據預先設計的結構，將電極材料、基板、電子器件等一次燒成，是一種用于實現高集成、高性能的電子封裝技術。LTCC是今后電子元器件生產的一個必然趨勢。該技術是將低溫燒結陶瓷粉體制成厚度精確且致密的生瓷帶，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導體漿料印刷等工藝制備出所需要的電路圖形，并將多個無源元件埋人其中，然后疊層，在900° C以下燒結，制成三維網絡的無源集成組件，也可制成內置無源元件的三維電路基板，在其表面可貼裝IC和有源器件，制成無源/有源集成的功能模塊。微波介質陶瓷作為LTCC技術的關鍵基礎材料之一，應具備以下性能:(I)燒結溫度低于1000° C ; (2)介電常數Sr在2 2000之間變化；(3)品質因數Q值較高，一般需滿足Q>1000，以保證優(yōu)良的選頻特性和降低器件在高頻下的插入損耗；(4)諧振頻率溫度系數TCF近于零；(5)具有較好的熱穩(wěn)定性；(6)陶瓷與金屬電極(Cu/Ag)無界面反應，且二者的燒結收縮匹配；(7)陶瓷材料配方應有利于工藝流程。除此之外，還要求材料物理和化學穩(wěn)定性高、力學性能好、熱導率高、熱擴散性好、熱膨脹系數小和局部缺陷盡可能少等。微波介質陶瓷普遍具有較高的燒結溫度O 1000 ° C)，例如Zn0-Nb205、Bi (Nb, Ta, Sb) O 4, BaO-TiO2-Nb2O5' Li2O-Nb2O5-TiO2, (Zr, Sn) TiO4 以及(A1A2) (B1B2) O3 復合鈣鈦礦結構體系。為了將其應用于LTCC領域，首先需要降低燒結溫度，具體方法可以歸結為兩大類:1、改善前驅粉體方法；2、添加燒結助劑。第一種方法制備成本高，第二種方法容易惡化基體材料的性能。近年來，一種更為有效的研究途徑越來越受到科研工作者的關注，即尋找本身具有低燒溫度(〈800° C)的材料體系。研究較多集中在富含TeO2的二元或者多元體系，例如 Bi203_Te02>TiOg-TeO2>CaO-Te02>BaO-Te02>Zr02-Te02>MgO-Te02 和 BaO-TiO2-TeO2等等。BaTe4O9陶瓷自從報道以來就吸引了很多關注，它的燒結溫度為550° C，介電常數為17.5，Qf值為54，700GHz, TCF為-90ppm/° C，且它不跟Al電極發(fā)生反應。但是TeO2本身價格非常高，且有劇毒，這些缺點限制了其在工業(yè)中的推廣。因此，如果能開發(fā)出性能類似于TeO2、價格和環(huán)境友好度更具優(yōu)勢的體系，可能會給LTCC工業(yè)帶來巨大影響。綜上所述，隨著電子線路日益微型化、集成化和高頻化的快速發(fā)展，具有低燒結溫度的微波介質陶瓷材料始終是當前的研究熱點與重點，在實現LTCC技術的眾多方法中，研發(fā)具備本征低燒接溫度的微波介質陶瓷材料的方法從本質上解決了微波介質陶瓷材料低溫燒結的瓶頸，有望促進LTCC工業(yè)技術的進一步改革。

發(fā)明內容
為了克服上述現有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料及其制備方法，該陶瓷材料是一種不需要添加任何助燒劑就可以在低溫下燒結的、可應用于LTCC技術的陶瓷材料。本發(fā)明是通過以下技術方案來實現:鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料，該陶瓷材料的組成表達式為=Bi1^3(MoxVh)O4,其中 0.02 ≤ X≤0.95。所述的陶瓷中，Bi3+離子占據A位，V5+和Mo6+構成的復合離子占據B位。所述陶瓷材料的微波介電常數ε r=24.5 74，諧振頻率溫度系數TCF=_380 +135ppm/。C，高品質因數 Qf=7200 10700GHz。鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟:I)將原料Bi203、MoO3和V2O5按組成通式Biw3(MoJh)O4混合，其中
0.02 ≤ X ≤0.95 ;2)將混合后的原 料充分球磨,球磨后烘干、過篩并壓制成塊狀體,然后在600 700°C下保溫4 10h，得到樣品燒塊；3)將樣品燒塊粉碎，充分球磨后烘干，然后在600 700°C下保溫4 10h，得到二次樣品燒塊；4)將二次樣品燒塊粉碎，充分球磨后烘干、造粒、過篩，將過篩后的粉末壓制成型，在620 840°C下燒結2 5h，得到鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料。所述的球磨為每次球磨4 6h,烘干的溫度為100 160°C。步驟2)所述的過篩為過200目的篩網，步驟4)所述的過篩為雙層過篩:過60目與120目的篩網。步驟4)所述的燒結是在空氣氛圍下的燒結。步驟4)所述的壓制成型是壓制成圓柱狀。與現有技術相比，本發(fā)明具有以下有益的技術效果:本發(fā)明的一種鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料，以低熔點的氧化物Bi203、MoO3和V2O5作為主元，使得在低溫下燒結這種介質陶瓷材料成為可能。本發(fā)明根據晶體化學原理和電介質有關理論，以ABO4結構為基礎，采用Bi3+離子占據A位，使用高價態(tài)的V5+和Mo6+構成的復合離子占據B位，在沒有添加任何燒結助劑的前提下，可以在較低的溫度范圍(620 8400C)內燒結出致密的且具備優(yōu)良微波介電性能的新型功能陶瓷，這類陶瓷可以作為射頻多層陶瓷電容器、片式微波介質諧振器或濾波器、低溫共燒陶瓷系統(tǒng)(LTCC)、陶瓷天線、多芯片組件(MCM)等介質材料使用。本發(fā)明的鑰基低溫燒結微波介質陶瓷，具有以下特點:相對介電常數可調(24.5 74)，微波性能良好(Qf=7200GHz 10700GHz)，燒結溫度較低(620 840°C )，諧振頻率溫度系數可調(-380 +135ppm/°C)，化學組成及制備工藝簡單。本發(fā)明采用了簡單有效的固相反應燒結的方法，首先是選取合適比例的配方，選取合適的初始氧化物，通過一次球磨使得氧化物混合均勻，通過保溫燒結過程使得氧化物進行初步的反應，通過二次球磨細化反應物的顆粒尺寸，通過二次保溫燒結使得樣品物相保持均一性，再通過第三次球磨的方法細化顆粒尺寸，最后通過燒結過程得到所需要的陶瓷樣品。通過這樣一種簡單有效的制備方法，得到的陶瓷樣品的介電常數隨成分在24.5 74之間變化，Qf分布在7200GHz 10700GHz，諧振頻率溫度系數在TCF在-380 +135ppm/°C之間可調，燒結溫度620 840°C，使之適用于LTCC技術的需要，擴大其應用范圍。
具體實施例方式下面結合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。本發(fā)明所提供的鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料的組成表達式為=Biw3 (MoxVh)O4，其中0.02≤X≤0.95，以ABO4結構為基礎，采用Bi3+離子占據A位，使用高價態(tài)的V5+和Mo6+構成的復合離子占據B位。所述的鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料具體制備方法是:將原料Bi203、Mo03和V2O5按組成通式Biw3 (MoxV1J O4混合，其中0.02≤x≤0.95 ;混合后的材料充分球磨4 6小時，磨細后烘干、過篩、壓塊，然后經600 700°C保溫4 10小時；將保溫后的塊體粉碎后進行二次球磨，磨細后烘干、過篩、壓塊，經600 700°C保溫4 10小時，將塊體粉碎后再次進行球磨，磨細烘干后造粒，經60目與120目篩網雙層過篩，得到所需瓷料；將瓷料按需要壓制成型，然后在620 840°C下燒結2 5小時成瓷，得到鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料。實施例1一種鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟:I)將分析純度的原料Bi203、Mo03和V2O5按組成Bia 99333 (Moatl2Va98)O4混合后，充分球磨5小時后，在120°C下烘干，過200目篩后壓塊，然后經700°C保溫4小時，得到樣品燒塊；2)將樣品燒塊粉碎后，二次球磨5小時后，在120°C下烘干，過200目篩后壓塊，經700°C再次保溫4小時后，得到二次樣品燒塊；3)將二次樣品燒塊粉碎后，充分球磨5小時后，在120°C下烘干后造粒，再經60目與120目篩網雙層過篩，得到所需瓷料粉末，將瓷料粉末按需要壓制成型(圓柱狀)，然后在780 840°C空氣下燒結2小時后成瓷，得到鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料。該組陶瓷材料的性能達到如下指標:780 840°C空氣中燒結成瓷，微波下的介電性能ε ^71.4 (4.9GHz)，品質因子Q=1700, Qf=8330GHz，微波下的諧振頻率溫度系數 TCF=_245ppm/°C (25 85°C )。實施例2一種鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟:I)將分析純度的原料Bi203、Mo03和V2O5按組成Bia98(Moatl6Va94)O4混合后，充分球磨4小時，在150°C下烘干，過200目篩后壓塊，然后經700°C保溫6小時，得到樣品燒塊；2)將樣品燒塊粉碎后，二次球磨4小時后，在150°C下烘干、過200目篩后壓塊，經700°C再次保溫6小時，得到二次樣品燒塊；3)將二次樣品燒塊粉碎后，充分球磨4小時后，在150°C下烘干后造粒，再經60目與120目篩網雙層過篩，得到所需瓷料粉末，將瓷料粉末按需要壓制成型(圓柱狀)，然后在780 840°C空氣下燒結2小時后成瓷，得到鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料。該組陶瓷材料的性能達到如下指標:780 840°C空氣中燒結成瓷， 微波下的介電性能ε r=74 (5.45GHz)，品質因子Q=1500, Qf=8180GHz，微波下的諧振頻率溫度系數 TCF=_238ppm/°C (25 85°C )。實施例3一種鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟:I)將分析純度的原料Bi203、MoO3和V2O5按組成Bia 96667 (MoaiVa9)O4混合后，充分球磨6小時，然后在100°C下烘干，過200目篩后壓塊，然后經700°C保溫5小時，得到樣品燒塊；2)將樣品燒塊粉碎后，二次球磨6小時，然后在100°C下烘干，過200目篩后壓塊，經700°C再次保溫6小時，得到二次樣品燒塊；3)將二次樣品燒塊粉碎后，充分球磨6小時后，在100°C下烘干后造粒，經60目與120目篩網雙層過篩，得到所需瓷料粉末，將瓷料粉末按需要壓制成型(圓柱狀)，然后在780 840°C空氣下燒結2小時后成瓷，得到鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料。該組陶瓷材料的性能達到如下指標:780 840°C空氣中燒結成瓷，微波下的介電性能ε r=71.8 (4.88GHz)，品質因子Q=1870, Qf=9130GHz，微波下的諧振頻率溫度系數 TCF=+135ppm/°C (25 85°C)。實施例4一種鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟:I)將分析純度的原料Bi203、Mo03和V2O5按組成Bia 88333 (Moa35Va65)O4混合后，充分球磨5小時，在160°C下烘干，過200目篩后壓塊，然后經630°C保溫8小時，得到樣品燒塊；2)將樣品燒塊粉碎后，二次球磨5小時后，在160°C下烘干，過200目篩后壓塊，經630°C再次保溫6小時，得到二次樣品燒塊；3)將二次樣品燒塊粉碎后，充分球磨5小時后，在160°C下烘干后造粒，再經60目與120目篩網雙層過篩，得到所需瓷料粉末，將瓷料粉末按需要壓制成型(圓柱狀)，然后在660 700°C空氣下燒結4個小時后成瓷，得到鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料。該組陶瓷材料的性能達到如下指標:660 700°C空氣中燒結成瓷，微波下的介電性能ε ^59.5 (5.63GHz)，品質因子Q=1700, Qf=9570GHz，微波下的諧振頻率溫度系數 TCF=+124ppm/°C (25 85°C )。實施例5I)將分析純度的原料Bi203、Mo03和V2O5按組成Bia7 (Moa9Vtl.^ O4混合后，充分球磨6小時，然后在140°C下烘干，過篩200目篩后壓塊，然后經600°C保溫10小時，得到樣品燒塊；2)將樣品燒塊粉碎后，二次球磨6小時后，在150°C下烘干、過200目篩后壓塊，經600°C再次保溫10小時后，得到二次樣品燒塊；3)將二次樣品燒塊粉碎后，充分球磨6小時后，在140°C下烘干后造粒，再經60目與120目篩網雙層過篩，得到所需瓷料粉末，將瓷料粉末按需要壓制成型(圓柱狀)，然后在620 640°C空氣下燒結5小時后成瓷，得到鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料。該組陶瓷材料的性能達到如下指標:620 640°C空氣中燒結成瓷，微波下的介電性能ε ^24.7 (8.0GHz)，品質因子Q=900, Qf=7200GHz，微波下的諧振頻率溫度系數 TCF=_380ppm/°C (25 85°C )。實施例6一種鑰 基低溫燒結微波介質陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟:I)將分析純度的原料Bi203、Mo03和V2O5按組成Bia 68333 (Moa95Vatl5)O4混合后，充分球磨5個小時，在150°C下烘干，過200目篩后壓塊，然后經600°C保溫10小時，得到樣品燒塊；2)將樣品燒塊粉碎后，二次球磨5小時后，在150°C下烘干、過200目篩后壓塊，經600°C再次保溫10小時后，得到二次樣品燒塊；3)將二次樣品燒塊粉碎后，充分球磨6小時后，在150°C下烘干后造粒，經60目與120目篩網雙層過篩，得到所需瓷料粉末，將瓷料粉末按需要壓制成型(圓柱狀)，然后在620 640°C空氣下燒結4小時后成瓷，得到鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料。該組陶瓷材料的性能達到如下指標:620 640°C空氣中燒結成瓷，微波下的介電性能ε ^24.5 (8.5GHz)，品質因子Q=1260, Qf=10700GHz，微波下的諧振頻率溫度系數 TCF=_279ppm/°C (25 85°C )。以上內容是結合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施方式
僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明由所提交的權利要求書確定專利保護范圍。
權利要求
1.一種鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料，其特征在于，該陶瓷材料的組成表達式為:Biw3(MoxVh)O4,其中 0.02 彡 X 彡 0.95。
2.根據權利要求1所述的一種鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料，其特征在于，所述的陶瓷中，Bi3+離子占據A位，V5+和Mo6+構成的復合離子占據B位。
3.根據權利要求1所述的一種鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料，其特征在于，所述陶瓷材料的微波介電常數ε r=24.5 74，諧振頻率溫度系數TCF=_380 +135ppm/° C，高品質因數 Qf=7200 10700GHz。
4.一種如權利要求1所述的鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:1)將原料Bi2O3^MoO3 和 V2O5 按組成通式 Biw3 (MoxVh) O4 混合，其中 0.02 ^ x ^ 0.95 ； 2)將混合后的原料充分球磨，球磨后烘干、過篩并壓制成塊狀體，然后在600 700°C下保溫4 10h，得到樣品燒塊； 3)將樣品燒塊粉碎，充分球磨后烘干，然后在600 700°C下保溫4 10h，得到二次樣品燒塊； 4)將二次樣品燒塊粉碎，充分球磨后烘干、造粒、過篩，將過篩后的粉末壓制成型，在620 840°C下燒結2 5h，得到鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料。
5.根據權利要求4所述的一種鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述的球磨為每次球磨4 6h，烘干的溫度為100 160°C。
6.根據權利要求4所述的一種鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料的制備方法，其特征在于，步驟2)所述的過篩為過200目的篩網，步驟4)所述的過篩為雙層過篩:過60目與120目的篩網。
7.根據權利要求4所述的一種鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料的制備方法，其特征在于，步驟4)所述的燒結是在空氣氛圍下的燒結。
8.根據權利要求4所述的一種鑰基低溫燒結微波介質陶瓷材料的制備方法，其特征在于，步驟4)所述的壓制成型是壓制成圓柱狀。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鉬基低溫燒結微波介質陶瓷材料及其制備方法，該陶瓷材料組成表達式為Bi1-x/3(MoxV1-x)O4，其中0.02≤x≤0.95。本發(fā)明的鉬基低溫燒結微波介質陶瓷，具有以下特點相對介電常數可調(24.5～74)，微波性能良好(Qf=7200GHz～10700GHz)，燒結溫度較低(620～840℃)，諧振頻率溫度系數可調(-380～+135ppm/℃)，化學組成簡單。本發(fā)明采用了固相反應燒結的方法，工藝操作簡單，環(huán)境友好，適合工業(yè)化生產。
文檔編號H01B3/12GK103232240SQ20131014114
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月22日 優(yōu)先權日2013年4月22日
發(fā)明者周迪, 龐利霞, 郭靖, 姚熹 申請人:西安交通大學