CN102167581A - Li2O-NiO-TiO2三元体系低温烧结微波介质陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了Li₂O-NiO-TiO₂三元体系低温烧结微波介质陶瓷材料及其制备方法，该介电陶瓷化学组成式为：Li₂O-NiO-3TiO₂+xwt％M，其中，0.5≤x≤2，M为BaCu(B₂O₅)或ZnB₂O₄玻璃相。将纯度≥99％的Li₂CO₃、NiO和TiO₂为主要原料，先按摩尔比Li₂CO₃∶NiO∶TiO₂＝1∶1∶3预先煅烧合成主粉体，然后在主粉体中加入一定量的BaCu(B₂O₅)或ZnB₂O₄玻璃相来降低其烧结温度，从而获得烧结温度，介电常数与Q×f高，谐振频率温度系数小的LTCC微波介质材料。本发明制备的低温烧结微波介质材料，其烧结温度低(≤900℃)，微波性能优异，可用于谐振器、微波天线、滤波器等微波器件的制造。

Description

Li2O-NiO-TiO2三元体系低温烧结微波介质陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明属于电子陶瓷及其制造领域，涉及一种新型LTCC微波介质陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

信息技术的迅猛发展要求电子元件必须微型化、集成化和高频化，这就要求必须将多个无源器件封装集成在一个功能模块里面，在众多的封装技术中，低温共烧陶瓷(Low Temperature Cofired Ceramic，简称LTCC)技术以其高封装密度、高数字响应及RF特性，越来越受到人们的重视。LTCC技术的应用都要求微波介质陶瓷材料能与高电导率的金属电极Cu、Ag共烧。然而大多数的微波介质材料因其高的烧结温度，故无法与Cu、Ag共烧，因此，降低材料的烧结温度，开发出能与Ag或Cu共烧的微波介质陶瓷材料就显得至关重要。

降低微波介质陶瓷材料烧结温度的方法主要有：(1)加入低熔点的烧结助剂，(2)化学方法制备超细粉体，(3)寻找固有烧结温度低的材料体系(≤1100℃)。第一种方法最为简单，而且成本低，便于工业化生产，但是这种方法降低烧结温度的程度有限(不容易获得烧结温度低于900℃的介质陶瓷)，而且高掺杂量的烧结助剂会不同程度地恶化材料的微波介电性能。第二种方法制备工艺复杂，对绝大多数材料而言，烧结温度降低的程度有限，很难满足实际的需要。相比前面两种方法而言，开发出固有烧结温度低(≤1100℃)、性能优异的材料体系，通过掺杂少量的烧结助剂以实现材料的低温烧结，随着移动通讯的迅猛发展，这种方法越来越受到人们的重视。

发明内容

本发明的目的是提供一种烧结温度低、微波性能优异的Li₂O-NiO-TiO₂三元体系低温烧结微波介质陶瓷材料及其制备方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

1.Li₂O-NiO-TiO₂三元体系低温烧结微波介质陶瓷材料，该介电陶瓷化学组成式为：Li₂O-NiO-3TiO₂+xwt％M，其中，0.5≤x≤2，M为BaCu(B₂O₅)或ZnB₂O₄玻璃相。

2.Li₂O-NiO-TiO₂三元体系低温烧结微波介质陶瓷材料的制备方法，按照以下步骤进行：

1)首先将纯度≥99％的Li₂CO₃、NiO、TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶NiO∶TiO₂＝1∶1∶3配制成主粉体。

2)然后将配制好的主粉体混合均匀，按主粉体与纯度≥99.9％酒精的重量比为1∶1向主粉体中加入酒精，采用湿磨法混合4～8小时。取出后在120～140℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，得到块状主粉体后以5℃/min的升温速率将压制的块状主粉体由室温升至850℃～950℃并在此温度下保温2～6h，得到烧块；烧块粉碎、研磨后在压块并于1000℃～1050℃进行二次烧结，得到合成主粉体烧块。

3)将合成主粉体烧块粉碎，按Li₂O-NiO-3TiO₂+xwt％M加入BaCu(B₂O₅)或ZnB₂O₄玻璃相，其中0.5≤x≤2；按照主粉体与纯度≥99.9％酒精的重量比为1∶1加入酒精，放入尼龙罐中球磨4～8h，取出在120℃～140℃温度下烘干，经造粒后压制成小圆柱(直径为10～13mm，厚度为5～7mm)，在500℃～600℃条件下排胶4～6h，随炉冷却，然后在850℃～900℃下烧结2～4h，即可得到Li₂O-NiO-TiO₂三元体系低温烧结微波介质陶瓷。

本发明的有益效果是：按本发明制备的微波介质陶瓷，其烧结温度低(≤900℃)，高频介电常数达到24～28，Q×f值高达11000-15000GHz，及谐振频率温度系数(τ_f)良好，可用于谐振器、微波天线、滤波器等LTCC微波器件的制造。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

微波介质陶瓷材料Li₂O-NiO-3TiO₂+0.5wt％BaCu(B₂O₅)的制备

1)首先将纯度≥99％的Li₂CO₃、NiO、TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶NiO∶TiO₂＝1∶1∶3配制成主粉体。

2)然后将配制好的主粉体混合均匀，按主粉体与纯度≥99.9％酒精的重量比为1∶1向主粉体中加入酒精，采用湿磨法混合4h。取出后在120～140℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，得到块状主粉体后以5℃/min的升温速率将压制的块状主粉体由室温升至850℃～950℃并在此温度下保温2h，得到烧块；烧块粉碎、研磨后在压块并于1000℃～1050℃进行二次烧结，得到合成主粉体烧块。

3)将合成主粉体烧块粉碎，向主粉体中加入0.5wt％的BaCu(B₂O₅)，按照主粉体与纯度≥99.9％酒精的重量比为1∶1加入酒精，放入尼龙罐中球磨4h，取出在120℃～140℃温度下烘干，造粒后压制成直径为10mm厚度为5mm的小圆柱，在500℃～600℃条件下排胶4h，随炉冷却，然后在900℃下烧结2h，即可得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为：ε_r＝24.6，Q×f＝11400GHz，τ_f＝27ppm/℃。

实施例2

微波介质陶瓷材料Li₂O-NiO-3TiO₂+1.5wt％BaCu(B₂O₅)的制备

1)首先将纯度≥99％的Li₂CO₃、NiO、TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶NiO∶TiO₂＝1∶1∶3配制成主粉体。

2)然后将配制好的主粉体混合均匀，按主粉体与纯度≥99.9％酒精的重量比为1∶1向主粉体中加入酒精，采用湿磨法混合6h。取出后在120～140℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，得到块状主粉体后以5℃/min的升温速率将压制的块状主粉体由室温升至850℃～950℃并在此温度下保温4h，得到烧块；烧块粉碎、研磨后在压块并于1000℃～1050℃进行二次烧结，得到合成主粉体烧块。

3)将合成主粉体烧块粉碎，向主粉体中加入1.5wt％的BaCu(B₂O₅)，按照主粉体与纯度≥99.9％酒精的重量比为1∶1加入酒精，放入尼龙罐中球磨4h，取出在120℃～140℃温度下烘干，造粒后压制成直径为12mm厚度为6mm的小圆柱，在500℃～600℃条件下排胶6h，随炉冷却，然后在900℃下烧结3h，即可得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为：ε_r＝28.6，Q×f＝14700GHz，τ_f＝20ppm/℃。

实施例3

微波介质陶瓷材料Li₂O-NiO-3TiO₂+2wt％BaCu(B₂O₅)的制备

1)首先将纯度≥99％的Li₂CO₃、NiO、TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶NiO∶TiO₂＝1∶1∶3配制成主粉体。

2)然后将配制好的主粉体混合均匀，按主粉体与纯度≥99.9％酒精的重量比为1∶1向主粉体中加入酒精，采用湿磨法混合8h。取出后在120～140℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，得到块状主粉体后以5℃/min的升温速率将压制的块状主粉体由室温升至850℃～950℃并在此温度下保温6h，得到烧块；烧块粉碎、研磨后在压块并于1000℃～1050℃进行二次烧结，得到合成主粉体烧块。

3)将合成主粉体烧块粉碎，向主粉体中加入2wt％的BaCu(B₂O₅)，按照主粉体与纯度≥99.9％酒精的重量比为1∶1加入酒精，放入尼龙罐中球磨8h，取出在120℃～140℃温度下烘干，造粒后压制成直径为13mm厚度为7mm的小圆柱，在500℃～600℃条件下排胶6h，随炉冷却，然后在850℃下烧结4h，即可得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为：ε_r＝28.2，Q×f＝14400GHz，τ_f＝17ppm/℃。

实施例4

微波介质陶瓷材料Li₂O-NiO-3TiO₂+0.5wt％ZnB₂O₄的制备

1)首先将纯度≥99％的Li₂CO₃、NiO、TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶NiO∶TiO₂＝1∶1∶3配制成主粉体。

2)然后将配制好的主粉体混合均匀，按主粉体与纯度≥99.9％酒精的重量比为1∶1向主粉体中加入酒精，采用湿磨法混合2h。取出后在120～140℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，得到块状主粉体后以5℃/min的升温速率将压制的块状主粉体由室温升至850℃～950℃并在此温度下保温2h，得到烧块；烧块粉碎、研磨后在压块并于1000℃～1050℃进行二次烧结，得到合成主粉体烧块。

3)将合成主粉体烧块粉碎，向主粉体中加入0.5wt％的ZnB₂O₄玻璃相，按照主粉体与纯度≥99.9％酒精的重量比为1∶1加入酒精，放入尼龙罐中球磨4h，取出在120℃～140℃温度下烘干，造粒后压制成直径为10mm厚度为5mm的小圆柱，在500℃～600℃条件下排胶6h，随炉冷却，然后在850℃下烧结2h，即可得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为：ε_r＝25.1，Q×f＝12800GHz，τ_f＝24ppm/℃。

实施例5

微波介质陶瓷材料Li₂O-NiO-3TiO₂+1.5wt％ZnB₂O₄的制备

1)首先将纯度≥99％的Li₂CO₃、NiO、TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶NiO∶TiO₂＝1∶1∶3配制成主粉体。

2)然后将配制好的主粉体混合均匀，按主粉体与纯度≥99.9％酒精的重量比为1∶1向主粉体中加入酒精，采用湿磨法混合6h。取出后在120～140℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，得到块状主粉体后以5℃/min的升温速率将压制的块状主粉体由室温升至850℃～950℃并在此温度下保温4h，得到烧块；烧块粉碎、研磨后在压块并于1000℃～1050℃进行二次烧结，得到合成主粉体烧块。

3)将合成主粉体烧块粉碎，向主粉体中加入1.5wt％的ZnB₂O₄玻璃相，按照主粉体与纯度≥99.9％酒精的重量比为1∶1加入酒精，放入尼龙罐中球磨6h，取出在120℃～140℃温度下烘干，造粒后压制成直径为10mm厚度为5mm的小圆柱，在500℃～600℃条件下排胶6h，随炉冷却，然后在900℃下烧结3h，即可得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为：ε_r＝25.4，Q×f＝14800GHz，τ_f＝20ppm/℃。

实施例6

微波介质陶瓷材料Li₂O-NiO-3TiO₂+2wt％ZnB₂O₄的制备

1)首先将纯度≥99％的Li₂CO₃、NiO、TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶NiO∶TiO₂＝1∶1∶3配制成主粉体。

2)然后将配制好的主粉体混合均匀，按主粉体与纯度≥99.9％酒精的重量比为1∶1向主粉体中加入酒精，采用湿磨法混合8h。取出后在120～140℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，得到块状主粉体后以5℃/min的升温速率将压制的块状主粉体由室温升至850℃～950℃并在此温度下保温6h，得到烧块；烧块粉碎、研磨后在压块并于1000℃～1050℃进行二次烧结，得到合成主粉体烧块。

3)将合成主粉体烧块粉碎，向主粉体中加入2wt％的ZnB₂O₄玻璃相，按照主粉体与纯度≥99.9％酒精的重量比为1∶1加入酒精，放入尼龙罐中球磨8h，取出在120℃～140℃温度下烘干，造粒后压制成直径为13mm厚度为7mm的小圆柱，在500℃～600℃条件下排胶4h，随炉冷却，然后在850℃下烧结4h，即可得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波性能为：ε_r＝27.4，Q×f＝6500GHz，τ_f＝18ppm/℃。

需要指出的是，按照本发明的技术方案，上述实施例还可以举出许多，根据申请人大量的实验结果证明，在本发明的权利要求书所提出的范围，均可以达到本发明的目的。

Claims (2)

1.Li₂O-NiO-TiO₂三元体系低温烧结微波介质陶瓷材料，其特征在于，介电陶瓷化学组成式为：Li₂O-NiO-3TiO₂+xwt％M，其中，0.5≤x≤2，M为BaCu(B₂O₅)或ZnB₂O₄玻璃相。

2.如权利要求1所述的Li₂O-NiO-TiO₂三元体系低温烧结微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

1)首先将纯度≥99％的Li₂CO₃、NiO、TiO₂按摩尔比Li₂CO₃∶NiO∶TiO₂＝1∶1∶3配制成主粉体；

2)然后将配制好的主粉体混合均匀，按主粉体与纯度≥99.9％酒精的重量比为1∶1向主粉体中加入酒精，采用湿磨法混合4～8小时，取出后在120～140℃下烘干，以80目的筛网过筛，过筛后压制成块状，然后以5℃/min的升温速率将压制的块状主粉体由室温升至850℃～950℃并在此温度下保温2～6h，得到烧块；烧块粉碎、研磨后在压块并于1000℃～1050℃进行二次烧结，得到合成主粉体烧块；

3)将合成主粉体烧块粉碎，按Li₂O-NiO-3TiO₂+xwt％M加入BaCu(B₂O₅)或ZnB₂O₄玻璃相，其中0.5≤x≤2；按照主粉体与纯度≥99.9％酒精的重量比为1∶1加入酒精，放入尼龙罐中球磨4～8h，取出在120℃～140℃温度下烘干，经造粒后压制成小圆柱(直径为10～13mm，厚度为5～7mm)，在500℃～600℃条件下排胶4～6h，随炉冷却，然后在850℃～900℃下烧结2～4h，即可得到Li₂O-NiO-TiO₂三元体系低温烧结微波介质陶瓷。