CN102249664A - 一种钾基钒基低温烧结微波介质陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钾基钒基低温烧结微波介质陶瓷材料及其制备方法。以ABO₄这种典型的白钨矿结构为基础，选取低价态K⁺离子和Bi³⁺联合占据A位，高价态的Mo⁶⁺和V⁵⁺复合阳离子占据B位，通过固相反应烧结法，得到了一系列可以在800^oC以下温度范围内烧结，在微波频段下具有高介电常数（34≤ε_r≤80）、谐振频率温度系数可调（-260ppm/^oC≤TCF≤+117ppm/^oC）且微波介电损耗低（高品质因数Qf值，4,000GHz≤Qf≤9,700GHz）的陶瓷材料。其具体结构表达式为：(K_0.5xBi_1-0.5x)(Mo_xV_1-x)O₄,式中0.05≤x≤0.99。

Description

一种钾基钒基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备技术领域，特别涉及一种钾基钒基低温烧结微波介质陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

　   低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic LTCC）技术是近年发展起来的令人瞩目的整合组件技术，已经成为无源集成的主流技术，成为无源元件领域的发展方向和新的元件产业的经济增长点。利用LTCC制备片式无源集成器件和模块具有许多优点，首先，陶瓷材料具有优良的高频高Q特性；第二，使用电导率高的金属材料作为导体材料，有利于提高电路系统的品质因子；第三，可适应大电流及耐高温特性要求，并具备比普通PCB电路基板优良的热传导性；第四，可将无源组件埋入多层电路基板中，有利于提高电路的组装密度；第五，具有较好的温度特性，如较小的热膨胀系数、较小的介电常数温度系数，可以制作层数极高的电路基板，可以制作线宽小于50μm的细线结构。另外，非连续式的生产工艺允许对生坯基板进行检查，从而提高成品率，降低生产成本。

    具有优良介电性能的微波介质瓷粉是利用LTCC技术制备片式无源集成器件和模块中最重要的原材料，而目前LTCC行业面临的问题也主要是原材料的问题，特别是缺乏适用于LTCC技术的具有优良微波介电性能的高介微波介质瓷粉。因此，研究开发频率系列化（要求介电常数系列化）且烧结温度低的微波介质陶瓷材料已成为目前LTCC技术发展应用的关键点之一。

发明内容

本发明提供一种钾基钒基低温烧结微波介质陶瓷材料及其制备方法，以克服现有技术存在的高介LTCC微波介质材料体系匮乏的不足。

为克服现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案是：一种钾基钒基低温烧结微波介质陶瓷材料，其结构表达式为：(K_0.5xBi_1-0.5x)(Mo_xV_1-x)O₄, 式中0.05≤x≤0.99。

上述钾基钒基低温烧结微波介质陶瓷材料的制备方法，依次包括下述步骤：

1）将化学原料MoO₃、V₂O₅、Bi₂O₃和K₂CO₃按配方通式(K_0.5xBi_1-0.5x)(Mo_xV_1-x)O₄配料, 式中0.05≤x≤0.99；

2）将配制后的化学原料混合，放入尼龙罐中，加入锆球和酒精球磨4.5个小时充分混合磨细，取出后在200^oC下快速烘干，过筛150目后压制成块状；

3）压制的块体经650^oC预烧6个小时即可得到样品烧块；

4）将样品烧块粉碎，并经过5个小时的二次球磨，充分混合磨细、200^oC下烘干、造粒，造粒后经80目与120目筛网双层过筛，得到所需粉末；

5）将粉末按需要压制成型，在650^oC~800^oC下烧结2个小时成瓷，即可得到钾基钒基低温烧结微波介质陶瓷材料。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、性能优良：本发明提供的陶瓷材料，烧结后的相对介电常数为34~80，低的低频介电损耗（tanδ<3×10^-4，1MHz），良好的微波介电性能（4,000 GHz≤Qf≤9,700 GHz），谐振频率温度系数可调（-260 ppm/^oC≤TCF≤+117 ppm/^oC），本发明的第二个目的是提供上述钾基钒基低温烧结微波介质陶瓷材料的制备方法。

2、本发明的钾基钒基低温烧结微波介质陶瓷材料具有以下特点：相对介电常数高（34~80），低频下介电损耗小（tanδ<3×10^-4，1MHz），微波性能良好（4,000 GHz<Qf<9,700 GHz），烧结温度低（650^oC~780^oC），谐振频率温度系数可调（-260 ppm/^oC≤TCF≤+117 ppm/^oC），化学组成及制备工艺简单。

得到的陶瓷样品的介电常数随成分在34~80之间变化，Qf分布在4,000 GHz≤Qf≤9,700 GHz，谐振频率温度系数在TCF在-260 ppm/^oC~+117 ppm/^oC之间可调，烧结温度650^oC~780^oC；配方(K_0.04Bi_0.96)(Mo_0.08V_0.92)O₄满足了介电常数高、介电损耗小、谐振频率温度系数近零、烧结温度低的应用要求。

3、使用方便：本发明提供的陶瓷材料，在没有添加任何烧结助剂的前提下，可以在非常低的温度范围（650^oC~780^oC）内烧结出致密的且有着优良微波介电性能的新型功能陶瓷，其最低烧结温度低至650^oC。

4、制备工艺简单：本发明采用了简单有效的固相反应烧结法来实现上述发明目的。首先是选取合适比例的配方，选取合适的初始氧化物以及碳酸盐，通过一次球磨使得原料混合均匀，通过预烧结过程使得原料进行初步的反应，再通过二次球磨细化反应物的颗粒尺寸，最后通过烧结过程得到所需要的陶瓷样品。

5、应用范围广：适用于LTCC技术的需要，可以作为射频多层陶瓷电容器、片式微波介质谐振器或滤波器、低温共烧陶瓷（LTCC）系统、陶瓷基板、多芯片组件（MCM）等介质材料使用。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的内容作进一步详细说明。

本发明提供的一种钾基钒基低温烧结微波介质陶瓷材料，其结构表达式为：(K_0.5xBi_1-0.5x)(Mo_xV_1-x)O₄, 式中0.05≤x≤0.99。

本发明提供的钾基钒基低温烧结微波介质陶瓷材料，其主要特点是以低熔点氧化物K₂CO₃和V₂O₅作为主元，根据晶体化学原理和电介质有关理论，以ABO₄这种典型的白钨矿结构为基础，使用K⁺和Bi³⁺离子联合占据A位，使用高价态的Mo⁶⁺和V⁵⁺离子联合占据B位。

实施例1：

一种钾基钒基低温烧结微波介质陶瓷材料的制备方法，依次包括下述步骤：

1）将分析纯度的化学原料MoO₃、V₂O₅、Bi₂O₃和K₂CO₃按配方 (K_0.025Bi_0.975)(Mo_0.05V_0.95)O₄配料。

2）将配制后的化学原料混合，放入尼龙罐中，加入锆球和酒精球磨4.5个小时，充分混合磨细后，取出原料并在200^oC下快速烘干，过150目筛后压制成块状；

3）压制的块体经650^oC预烧6个小时即可得到样品烧块；

4）将样品烧块粉碎，并经过5个小时的二次球磨，充分混合磨细、200^oC下烘干、造粒，造粒后经80目与120目筛网双层过筛，得到所需瓷料的二次颗粒；

5）将瓷料的二次颗粒按需要压制成型，在650^oC~800^oC下烧结2个小时成瓷，即可得到钾基钒基低温烧结微波介质陶瓷材料。

该组陶瓷材料的性能达到如下指标：

700^oC~780^oC空气中烧结成瓷，微波下的介电性能ε_r=71（5.27GHz），品质因子Q=1,800，Qf=9,500 GHz，微波下的谐振频率温度系数TCF=-248ppm/^oC（25^oC~85^oC）。

实施例2：

一种钾基钒基低温烧结微波介质陶瓷材料，由下述制备方法制得：

与实施例1不同的地方是：1）将分析纯度的化学原料MoO₃、V₂O₅、Bi₂O₃和K₂CO₃按配方 (K_0.04Bi_0.96)(Mo_0.08V_0.92)O₄配料。其它步骤同实施例1。

该组陶瓷材料的性能达到如下指标：

700^oC~780^oC空气中烧结成瓷，微波下的介电性能ε_r=80（3.75 GHz），品质因子Q=2,590，Qf=9,700 GHz，微波下的谐振频率温度系数TCF=+30ppm/^oC（25^oC~85^oC）。

实施例3：

一种钾基钒基低温烧结微波介质陶瓷材料，由下述制备方法制得：

与实施例1不同的地方是：1）将分析纯度的化学原料MoO₃、V₂O₅、Bi₂O₃和K₂CO₃按配方 (K_0.2Bi_0.8)(Mo_0.4V_0.6)O₄配料。其它步骤同实施例1。

该组陶瓷材料的性能达到如下指标：

650^oC~700^oC空气中烧结成瓷，微波下的介电性能ε_r=50（5.3 GHz），品质因子Q=1,000，Qf=5,300 GHz，微波下的谐振频率温度系数TCF=+61ppm/^oC（25^oC~85^oC）。

实施例4：

与实施例1不同的地方是：1）将分析纯度的化学原料MoO₃、V₂O₅、Bi₂O₃和K₂CO₃按配方 (K_0.495Bi_0.505)(Mo_0.99V_0.01)O₄配料。其它步骤同实施例1。

该组陶瓷材料的性能达到如下指标：

650^oC~700^oC空气中烧结成瓷，微波下的介电性能ε_r=34（6.9 GHz），品质因子Q=580，Qf=4,000 GHz，微波下的谐振频率温度系数TCF=+117ppm/^oC（25^oC~85^oC）。

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)

1.一种钾基钒基低温烧结微波介质陶瓷材料，其特征在于，该陶瓷材料结构表达式为：(K_0.5xBi_1-0.5x)(Mo_xV_1-x)O₄, 式中0.05≤x≤0.99。

2.实现权利要求1所述的钾基钒基低温烧结微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：

1）将化学原料MoO₃、V₂O₅、Bi₂O₃和K₂CO₃按配方通式(K_0.5xBi_1-0.5x)(Mo_xV_1-x)O₄配料, 式中0.05≤x≤0.99；

2）将配制后的化学原料混合，放入尼龙罐中，加入锆球和酒精球磨4.5个小时，充分混合磨细，取出后在200^oC下快速烘干，过筛150目后压制成块状；

3）压制的块体经650^oC预烧6个小时即可得到样品烧块；

4）将样品烧块粉碎，并经过5个小时的二次球磨，充分混合磨细、200^oC下烘干、造粒，造粒后经80目与120目筛网双层过筛，得到所需粉末；

5）将粉末按需要压制成型，在650^oC~780^oC下烧结2个小时成瓷，即可得到钾基钒基低温烧结微波介质陶瓷材料。