CN102531558A - 一种低温烧结微波介质陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子陶瓷材料领域，尤其涉及一种ZnO-SiO₂系低温烧结微波介质陶瓷材料及其制备方法。一种低温烧结微波介质陶瓷材料，该陶瓷材料的原料组成为：Zn_XSiO_{（ 2+X ）}+awt%Li₂CO₃+bwt%Bi₂O₃+cwt%CuO，其中：1.5≤X≤2，0＜a≤12，0＜b≤5，0＜c≤3；a，b，c分别为Li₂CO₃，Bi₂O₃，CuO占Zn_XSiO_{（ 2+X ）}的质量分数。本发明可得到介电常数低（εr=5~8），品质因数高（Qf＞25000GHz）的低温烧结微波介质陶瓷材料，利用本发明提供的低温烧结微波介质陶瓷可采用高电导率金属Ag作为多层微波器件的内电极，应用于制备滤波器、巴伦、耦合器等各种新型片式多层微波器件。具有工艺简单、原料价格低廉，可大大降低片式多层陶瓷器件的制备成本的特点。

Description

一种低温烧结微波介质陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及电子陶瓷材料领域，尤其涉及一种ZnO-SiO₂系低温烧结微波介质陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

采用低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-firing Ceramic, 简称LTCC）技术制作的片式电子元器件具有小型化、集成度高、高频性能和可靠性好等特点。近三十年来，随着现代无线通信和移动通讯的迅猛发展，LTCC技术取得了长足的发展。LTCC技术需要微波介质陶瓷与高电导率低熔点的金属Ag、Cu、Au内电极实现共烧，通常微波介质陶瓷的烧结温度在1300^oC左右，而目前普遍采用的Ag电极金属熔点为960^oC，因此一般要求低温烧结微波介质陶瓷的烧结温度在900^oC以下。

ZnO-SiO₂系具有优良的微波介电性能，Guo Y P等在《Journal of European Ceramic Society》2006年26卷1827-1830页发表的“Characterization and dielectric behavior of willemite and TiO₂-doped willemite ceramics at millimeter-wave frequency” 一文报道了Zn₂SiO₄微波介质陶瓷的介电性能：介电常数εr 6.6， 品质因数Qf值为219,000 GHz，但烧结温度较高（1280-1340^oC）。

为降低该陶瓷体系烧结温度，邹佳丽等在《Japanese Journal of Applied Physics》2006年45卷5A期4143-4145页发表的“A New System of Low Temperature Sintering ZnO-SiO₂ Dielectric Ceramics”一文中报道了以Li₂CO₃-Bi₂O₃作为助剂降低ZnO-SiO₂陶瓷烧结温度的技术方案，5wt%Li₂CO₃-4wt% Bi₂O₃可使ZnO-SiO₂陶瓷烧结温度降低至910^oC，获得较为优异的介电性能：εr =6.65，Qf值为33000 GHz，但要满足LTCC产品制造方面的应用要求，烧结温度需进一步降低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，选定特定的降温助剂，本发明的一个目的是提供一种低介电常数、高Qf值且能与银电极共烧的低温烧结微波介质陶瓷材料。本发明的另外一个目的是提供上述的低温烧结微波介质陶瓷材料制备方法。

为了实现上述第一个目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种低温烧结微波介质陶瓷材料，该陶瓷材料的原料组成为：

Zn_XSiO_（2+X） + a wt%Li₂CO₃ + b wt%Bi₂O₃ + c wt%CuO，

其中：1.5≤X≤2，0＜a≤12，0＜b≤5，0＜c≤3；

a，b，c分别为Li₂CO₃，Bi₂O₃，CuO占Zn_XSiO_（2+X）的质量分数。

作为优选，上述的技术方案中：4≤a≤10，1≤b≤5，0.5≤c≤2.5。

作为再优选，上述的技术方案中：4≤a≤7，1≤b≤3，0.5≤c≤1.5。

为了实现上述第二个目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种制备上述的低温烧结微波介质陶瓷材料的制备方法，该制备方法包括：

1）首先将分析纯氧化锌ZnO、二氧化硅SiO₂按Zn_XSiO_（2+X），配制成主粉体；

2）将步骤1）配制好的主粉体混合均匀，在主粉体中加入氧化锆球和去离子水，采用湿法球磨混合4～8小时，取出过250目筛网后在120～150℃下烘干，以40目的筛网过筛，过筛后在1150～1250℃大气气氛中预烧4～6小时；

3）将步骤2）制成的主体粉、烧结助剂Li₂CO₃ 、Bi₂O₃ 、CuO按比例进行球磨混合一定时间得到细粉；

4）将上述细粉加入5wt%聚乙烯醇粘合剂造粒，在4～6MPa压力下压制成圆片，在850～900℃，大气气氛中烧结2～4小时，即可得到所述的低温烧结微波介质陶瓷材料。

作为进一步改进，上述的步骤2）中主粉体、氧化锆球、去离子水的重量比为1：3～5：1.5～3，在卧式球磨机中混合成均匀混合物。

作为进一步改进，上述的步骤4）中在5MPa压力下压制成直径20mm，厚度10～11mm的圆片。

本发明的低温烧结微波介质陶瓷技术方案是以ZnO-SiO₂系统为主成分，采用Bi₂O₃、Li₂CO₃和CuO作为烧结助剂，降低体系烧结温度，并改善微波介电性能。采用上述配方及工艺组成的本发明，可得到介电常数低（εr=5~8），品质因数高（Qf ＞25000GHz）的低温烧结微波介质陶瓷材料，利用本发明提供的低温烧结微波介质陶瓷可采用高电导率金属Ag作为多层微波器件的内电极，应用于制备滤波器、巴伦、耦合器等各种新型片式多层微波器件。本发明提供的低温烧结微波介质陶瓷工艺简单、原料价格低廉，可大大降低片式多层陶瓷器件的制备成本。因此，本发明在产业化应用上有极大的价值。

具体实施方式

以下结合发明人给出的具体实施例对本发明做进一步的说明。本发明各实施例的ZnO-SiO₂体系低温烧结微波介质陶瓷材料的配方如表1所示。

表1

制备方法如下：

1、首先将分析纯氧化锌ZnO、二氧化硅SiO₂按表1中的配方，配制成主粉体。再按照主粉体、氧化锆球、去离子水重量比为1：4：2在卧式球磨机中混合成均匀混合物，将混合物取出过120目筛网后在120℃下烘干，再将干粉粉碎成均匀细粉，以40目的筛网过筛，过筛后在1250℃大气气氛中预烧4小时。

2、将上述主体粉和烧结助剂Li₂CO₃、Bi₂O₃、CuO按表1中的配方进行球磨混合得到细粉。

3、将上述细粉加入5wt%聚乙烯醇（PVA）粘合剂造粒，在5MPa压力下压制成直径20mm，厚度10~11mm的圆片，在850~900^oC，大气气氛中烧结3小时。采用Agilent 8719ET网络分析仪，根据Hakki-Coleman方法测定介电常数ε_r及品质因数Qf，结果如下表2所示：

表2

上述实施例阐明了本发明的技术构思及特点，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变化和修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低温烧结微波介质陶瓷材料，其特征在于该陶瓷材料的原料组成为：

Zn_XSiO_（2+X） + a wt%Li₂CO₃ + b wt%Bi₂O₃ + c wt%CuO，

其中：1.5≤X≤2，0＜a≤12，0＜b≤5，0＜c≤3；

a，b，c分别为Li₂CO₃，Bi₂O₃，CuO占Zn_XSiO_（2+X）的质量分数。

2.根据权利要求1所述的一种低温烧结微波介质陶瓷材料，其特征在于：4≤a≤10，1≤b≤5，0.5≤c≤2.5。

3.根据权利要求1所述的一种低温烧结微波介质陶瓷材料，其特征在于：4≤a≤7，1≤b≤3，0.5≤c≤1.5。

4.一种制备权利要求1～3任意一项权利要求所述的低温烧结微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于该制备方法包括：

1）首先将分析纯氧化锌ZnO、二氧化硅SiO₂按Zn_XSiO_（2+X），配制成主粉体；

2）将步骤1）配制好的主粉体混合均匀，在主粉体中加入氧化锆球和去离子水，采用湿法球磨混合4～8小时，取出过250目筛网后在120～150℃下烘干，以40目的筛网过筛，过筛后在1150～1250℃大气气氛中预烧4～6小时；

3）将步骤2）制成的主体粉、烧结助剂Li₂CO₃ 、Bi₂O₃ 、CuO按比例进行球磨混合一定时间得到细粉；

4）将上述细粉加入5wt%聚乙烯醇粘合剂造粒，在4～6MPa压力下压制成圆片，在850～900℃，大气气氛中烧结2～4小时，即可得到所述的低温烧结微波介质陶瓷材料。

5.根据权利要求4所述的低温烧结微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于：步骤2）中主粉体、氧化锆球、去离子水的重量比为1：3～5：1.5～3，在卧式球磨机中混合成均匀混合物。

6.根据权利要求4所述的低温烧结微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于：步骤4）中在5MPa压力下压制成直径20mm，厚度10～11mm的圆片。