CN102582143A - 低温磁瓷共烧复合基材及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及低温磁瓷共烧复合基材和微波领域,特别涉及一种低温磁瓷共烧复合基材,包括介质层,其由介质粉料加入流延载体经制浆流延而成;磁性层,其由铁氧体材料加入流延载体制浆流延而成;以及过渡层,其由介质粉料以及铁氧体材料加入流延载体制浆流延而成;所述介质层、磁性层以及过渡层进行共烧;所述过渡层位于所述介质层和磁性层之间;所述介质层为外层;同时也提供了一种低温磁瓷共烧复合基材的制备方法。本发明的有益效果是:通过采用低温烧结微波铁氧体复合基板的TR组件,重量可减轻50-60%,体积可减小50~70%;有利于组件的低成本、批量化生产;同时提高了产品的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及低温磁瓷共烧复合基材和微波领域,特别涉及一种低温磁瓷共烧复合基材及制备方法。
背景技术
目前常用的T/R组件一般采用单一的LTCC(Low temperature Co-fired Ceramic)基板材料,该基板材料可以集成滤波、阻抗匹配、天线、驱动、放大等RF功能,而起着微波信号切换与传输功能的微波铁氧体环形器、隔离器是以传统分立器件的形式集成。而LTCC不含磁性材料,无法在基板内集成环形器、隔离器等微波非互易传输功能,只能采取元器件单位调试研制,再由整机进行组装集成的方式。因磁性器件的特殊性,不可避免的在再次装调过程中,会因各种因数导致磁性能偏差,同时磁性器件级联过程中的相互干扰以及器件的联接缺损也不容忽视,这些将使T/R组件的可靠性和一致性较差。
发明内容
为了解决现有技术中的问题,本发明提供了一种低温磁瓷共烧复合基材及制备方法,采用LTCC/LTCF(Low temperature Co-fired Ceramic/Ferrite )低温共烧陶瓷/铁氧体技术制备而成,解决目前T/R组件可靠性和一致性较差的问题。
本发明解决现有技术问题所采用的技术方案是:设计和制造一种低温磁瓷共烧复合基材, 包括
介质层,其由介质粉料加入流延载体经制浆流延而成;磁性层,其由铁氧体材料加入流延载体制浆流延而成;以及过渡层,其由介质粉料以及铁氧体材料加入流延载体制浆流延而成;所述介质层、磁性层以及过渡层进行共烧;所述过渡层位于所述介质层和磁性层之间;所述介质层为外层。
作为本发明的进一步改进: 所述介质粉料由Al2O3陶瓷颗粒填充于硼硅酸盐玻璃网络间或者Al2O3、TiO2颗粒填充在碱性硅酸盐玻璃网络中结晶形成。
作为本发明的进一步改进:所述介质层由选自Al2O3、SiO2、TiO2、B2O3、BaO、CaO、SrO、K2O的材料组成。
作为本发明的进一步改进:所述铁氧体材料为通过溶胶凝胶法获得的铁氧体材料;所述溶胶凝胶法具体为:将酸性水溶液,用氨水调节PH值至5~7,含铁Fe和锂Li的原材料和络合剂经加热搅拌制成溶胶,自燃或烘干制成干粉,再热处理,除去有机物,获得锂Li系铁氧体材料。
作为本发明的进一步改进:所述铁氧体材料为通过氧化物精细制粉法获得的铁氧体材料;所述氧化物精细制粉法具体为:将含铁F2和锂Li的原材料加入10wt% ~20wt%的胶合剂造粒,以100MPa的压力成型成圆环、圆片和/或圆棒状样品,并在820℃~910℃下进行烧结得到锂Li系铁氧体材料;所述胶合剂为浓度为8%的聚乙烯醇水溶液。
本发明同时提出了一种:低温磁瓷共烧复合基材制备方法,包括以下步骤:(A)对低温烧结磁性层粉料、低温烧结介质层粉料以及过渡层粉料分别进行制备,所述过渡层粉料由磁性层粉料和介质层粉料组成;(B)磁性层、介质层以及过渡层粉料生瓷片制浆流延。
作为本发明的进一步改进:所述步骤(A)中,所述对低温烧结磁性层粉料进行制备具体为:所述磁性层粉料为通过溶胶凝胶法获得的磁性层粉料;所述溶胶凝胶法具体为:将酸性水溶液,用氨水调节PH值至5~7,含铁Fe和锂Li的原材料和络合剂经加热搅拌制成溶胶,自燃或烘干制成干粉,再热处理,除去有机物,获得磁性层粉料。
作为本发明的进一步改进:所述步骤(A)中,所述对低温烧结介质层粉料进行制备具体为:将Al2O3陶瓷颗粒填充于硼硅酸盐玻璃网络间或者Al2O3、TiO2颗粒填充在碱性硅酸盐玻璃网络中结晶形成;所述过渡层粉料为将介质层粉料与磁性层粉料按照一定配比并掺杂低熔点氧化物构成。
作为本发明的进一步改进:所述步骤(A)中,所述对低温烧结磁性层粉料进行制备具体为:所述磁性层粉料为通过氧化物精细制粉法获得的磁性层粉料;所述氧化物精细制粉法具体为:将含铁F2和锂Li的原材料加入10wt% ~20wt%的胶合剂造粒,以100MPa的压力成型成圆环、圆片和/或圆棒状样品,并在820℃~910℃下进行烧结得到锂Li系铁氧体材料;所述胶合剂为浓度为8%的聚乙烯醇水溶液。
作为本发明的进一步改进:所述步骤(B)中,将磁性层粉料与溶剂混合球磨12-14小时,然后加入粘结剂球磨混合1-3小时,加入增塑剂后再次球磨混合12-16小时;将得到的浆料过滤浆料,浆料经真空消泡后,测量浆料的粘度,并将得到的浆料在流延机上进行流延实验;将介质层粉料与溶剂混合球磨12-14小时,然后加入粘结剂球磨混合1-3小时,加入增塑剂后再次球磨混合12-16小时;将得到的浆料过滤浆料,浆料经真空消泡后,测量浆料的粘度,并将得到的浆料在流延机上进行流延实验;将过渡层粉料与溶剂混合球磨12-14小时,然后加入粘结剂球磨混合1-3小时,加入增塑剂后再次球磨混合12-16小时;将得到的浆料过滤浆料,浆料经真空消泡后,测量浆料的粘度,并将得到的浆料在流延机上进行流延实验。
作为本发明的进一步改进:所述溶剂采用混合溶剂体系,包括乙醇、丁醇、丙酮、三氯乙烯、甲苯和/或二甲苯;所述粘结剂包括纤维素醚、乙基纤维素、聚乙烯醋酸酯、聚乙烯醇、聚丁缩醛和/或聚甲基丙稀酸。
本发明的有益效果是:通过采用低温烧结微波铁氧体复合基板的TR组件,重量可减轻50-60%,体积可减小50~70%;有利于组件的低成本 、批量化生产;同时提高了产品的稳定性和可靠性。
附图说明
图1是本发明低温磁瓷共烧复合基材制备方法的制备流程图。
图2是本发明低温磁瓷共烧复合基材结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
一种低温磁瓷共烧复合基材, 包括
介质层,其由介质粉料加入流延载体经制浆流延而成;磁性层,其由铁氧体材料加入流延载体制浆流延而成;以及过渡层,其由介质粉料以及铁氧体材料加入流延载体制浆流延而成;所述介质层、磁性层以及过渡层进行共烧;所述过渡层位于所述介质层和磁性层之间;所述介质层为外层。
所述介质粉料由Al2O3陶瓷颗粒填充于硼硅酸盐玻璃网络间或者Al2O3、TiO2颗粒填充在碱性硅酸盐玻璃网络中结晶形成。
所述介质层由选自Al2O3、SiO2、TiO2、B2O3、BaO、CaO、SrO、K2O的材料组成,也可以从含有上述成份的材料中提取。
所述铁氧体材料为通过溶胶凝胶法获得的铁氧体材料;所述溶胶凝胶法具体为:将酸性水溶液,用氨水调节PH值至5~7,含铁Fe和锂Li的原材料和络合剂经加热搅拌制成溶胶,自燃或烘干制成干粉,再热处理,除去有机物,获得锂Li系铁氧体材料。
所述铁氧体材料为通过氧化物精细制粉法获得的铁氧体材料;所述氧化物精细制粉法具体为:将含铁F2和锂Li的原材料加入10wt% ~20wt%的胶合剂造粒,以100MPa的压力成型成圆环、圆片和/或圆棒状样品,并在820℃~910℃下进行烧结得到锂Li系铁氧体材料;所述胶合剂为浓度为8%的聚乙烯醇水溶液。
本发明同时提出了一种低温磁瓷共烧复合基材制备方法,包括以下步骤:A对低温烧结磁性层粉料、低温烧结介质层粉料以及过渡层粉料分别进行制备,所述过渡层粉料由磁性层粉料和介质层粉料组成;B磁性层、介质层以及过渡层粉料生瓷片制浆流延。
所述步骤A中,所述对低温烧结磁性层粉料进行制备具体为:所述磁性层粉料为通过溶胶凝胶法获得的磁性层粉料;所述溶胶凝胶法具体为:将酸性水溶液,用氨水调节PH值至5~7,含铁Fe和锂Li的原材料和络合剂经加热搅拌制成溶胶,自燃或烘干制成干粉,再热处理,除去有机物,获得磁性层粉料。
所述步骤A中,所述对低温烧结介质层粉料进行制备具体为:将Al2O3陶瓷颗粒填充于硼硅酸盐玻璃网络间或者Al2O3、TiO2颗粒填充在碱性硅酸盐玻璃网络中结晶形成;所述过渡层粉料为将介质层粉料与磁性层粉料按照一定配比并掺杂低熔点氧化物构成。
所述步骤A中,所述对低温烧结磁性层粉料进行制备具体为:所述磁性层粉料为通过氧化物精细制粉法获得的磁性层粉料;所述氧化物精细制粉法具体为:将含铁F2和锂Li的原材料加入10wt% ~20wt%的胶合剂造粒,以100MPa的压力成型成圆环、圆片和/或圆棒状样品,并在820℃~910℃下进行烧结得到锂Li系铁氧体材料;所述胶合剂为浓度为8%的聚乙烯醇水溶液。
所述步骤B中,将磁性层粉料与溶剂混合球磨12-14小时,然后加入粘结剂球磨混合1-3小时,加入增塑剂后再次球磨混合12-16小时;将得到的浆料过滤浆料,浆料经真空消泡后,测量浆料的粘度,并将得到的浆料在流延机上进行流延实验;将介质层粉料与溶剂混合球磨12-14小时,然后加入粘结剂球磨混合1-3小时,加入增塑剂后再次球磨混合12-16小时;将得到的浆料过滤浆料,浆料经真空消泡后,测量浆料的粘度,并将得到的浆料在流延机上进行流延实验;将过渡层粉料与溶剂混合球磨12-14小时,然后加入粘结剂球磨混合1-3小时,加入增塑剂后再次球磨混合12-16小时;将得到的浆料过滤浆料,浆料经真空消泡后,测量浆料的粘度,并将得到的浆料在流延机上进行流延实验。
所述溶剂采用混合溶剂体系,包括乙醇、丁醇、丙酮、三氯乙烯、甲苯和/或二甲苯;所述粘结剂包括纤维素醚、乙基纤维素、聚乙烯醋酸酯、聚乙烯醇、聚丁缩醛和/或聚甲基丙稀酸。
在一种低温磁瓷共烧复合基材的组成中,介质层材料以具有以下特性的介质粉料加入流延载体经制浆流延而成,厚度50-150um,介质粉料成份由Al2O3陶瓷颗粒填充于硼硅酸盐玻璃网络间或者Al2O3、TiO2颗粒填充在碱性硅酸盐玻璃网络中结晶形成,其主要成分范围如下:
Al2O3 | SiO2 | TiO2 | B2O3 | BaO | CaO | SrO | K2O | 其他 |
35-50 | 15-30 | 5-10 | 2-8 | 1-5 | 3-10 | 2-6 | 1-3 | 0-2 |
其最终可在850-900度之间烧结致密化,介电常数6-9.1之间。
低温磁瓷共烧复合基板材料磁性层材料由以下特性的铁氧体材料加入流延载体制浆流延而成,生瓷带厚度50-150um,其常用微波铁氧体材料有钇铁石榴石(YIG)系、Li系铁氧体和NiZn铁氧体等三个主要品种。以上微波铁氧体粉料经过高能球磨或者掺杂低熔点氧化物改性的方法降低其烧结温度,达到其低温烧结的目的。
Li系铁氧体通过晶粒细化也可有相当好的高功率特性,且共振线宽也比较窄,也为适合于作隔离器、环行器用材料,Ms= 250-420KA/m。
其主要分子式如下:
(LiFe)(1-x)/2ZnxFe1.95Mn0.05O4 ,其中0≤x≤0.6 1)
(LiFe)(1-x-y)/2ZnxMgyFe1.95Mn0.05O4 ,其中0≤x≤0.6, 0≤y≤0.60 2)
(LiFe)(1-x+y)/2ZnxTiyFe2.45-x/2-3y/2Mn0.05O4 ,其中0≤x≤0.6, 0≤y≤0.6 3)
对磁性层材料进行制备时,通常采用溶胶凝胶法和氧化物精细制粉法来进行制备。
溶胶凝胶法具体为:以Li(NO3)、Zn(NO3)2·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O、Mg(NO3)2·6H2O、Mn(NO3)2和钛酸丁酯等为原材料,以柠檬酸、聚乙烯醇为络合剂,按上述2)条中分子式制备的LiZn、LiMgZn、LiTiZn系铁氧体。将酸性水溶液,用氨水调节PH值至5~7,经加热搅拌制成溶胶,自燃或烘干制成干粉,再热处理,除去有机物,便可获得Li系铁氧体纳米材料。为降低烧结温度在粉料中加入Bi作助熔剂。
氧化物精细制粉法具体为:以Li2CO3,ZnO,Fe2O3,TiO2及Mn(CO3)2为原材料,用普通陶瓷工艺制备。
球磨工艺由普通球磨和精细球磨所组成,为降低烧结温度在球磨时加入Bi2O3助熔剂。为制备参数测量用烧结样品,将粉料加入10wt% ~20wt%的胶合剂(浓度为8%的聚乙烯醇水溶液)造粒,以100MPa的压力成型成圆环、圆片和圆棒状样品,在820℃~910℃下进行烧结。
氧化物法低温烧结LiZn铁氧体的x射线谱,一般在500℃和600℃是尖晶石相Li铁氧体和Fe3O4大量形成、Fe2O3原材料相急剧减少的温度,因此看出Li铁氧体相在600℃开始形成至700℃基本上完成固相反应。
为了获得Ms低饱和磁化强度材料,对Li铁氧体进行了不同Zn2+、Ti4+离子代换,可以调整LiZn铁氧体的MS值。如饱和磁化强度Ms(kA/m)为414±5%时,烧结温度Ts(℃)≤900,铁磁共振线宽ΔH(kA/m)≤24,居里温度Tc(℃)≥450,介电损耗tgδε(10-4)≤8。
Ti离子材料掺杂改性会影响材料的磁性能,如Ms等,在低温烧结LiZn铁氧体的基础上,掺杂Ti离子改性,有利于调节材料的Ms系列化,有利于实现低Ms值材料实现,Ti离子掺杂改性在一定程度上可以调节材料的热膨胀系数,介质材料中掺杂SiO2、Al2O3等调节介质烧结收缩特性,增加10%左右的SiO2可以调节介质的收缩率5-8%,并能调节收缩发生的时间。
如图1所示,为复合基材结构一典型的三明治结构图,上下面一般为介质层材料,在介质层一般形成传输、匹配、滤波、开关、放大及驱动等功能,在中心铁氧体磁性材料层形成微波传输非互易功能,如微波传输环形、移相功能,为了保障磁性层与介质层结合紧密,在共烧过程中无开裂、翘曲现象,需要在介质层与磁性层之间增加3-5过渡层材料,总层数20-50层。
过渡层材料由低温磁瓷共烧复合基板材料介质层粉料与磁性层粉料按照一定配比并掺杂一定Bi2O3、B2O3等低熔点氧化物构成粉料经制浆流延成生瓷带,厚度50-150um。其掺杂配比根据其磁性材料层与介质材料层的烧结匹配情况,如烧结收缩率差异,热膨胀系数差异及热膨胀发生温度等具体情况采取梯度掺杂方式,即靠近介质材料层配比中多些介质成分,靠近磁性材料层中配比多些磁性成份。
在对磁性层、介质层以及过渡层粉料生瓷片制浆流延时,可采用非水系的有机溶剂系统。它主要包括:溶剂、增塑剂、分散剂、粘结剂、除泡剂等。此外还有调整性能的少量添加剂:如均化剂、控流剂、润湿剂。粘结剂的作用是提供为形成基板坯体足够的结合力。粘结剂的选择主要依据在基板中所起的作用、热分解行为和与溶剂的相互作用,粘结剂对生坯片性能有重要的影响:含量过低,生坯片不致密,也易分层;含量太高,排胶过程有机物分解不完全或残余有机物过多。增塑剂的作用是增加流延基板的可塑性和减少坯体的弯曲变形性能,以备后续工艺(如打孔)等。它插入线性高分子(粘结剂)之间,增大其间距,以降低粘度。溶剂的作用是溶解粘结剂、增塑剂和添加剂,分散陶瓷颗粒,提供浆料合适粘度,形成均匀生坯带。可选用溶解性能好的复合溶剂。溶剂采用混合溶剂体系,主要有乙醇、丁醇、丙酮、三氯乙烯、甲苯、二甲苯等。分散剂菲鱼油、磷酸脂、芳基磺酸中选取。粘结剂有纤维素醚、乙基纤维素、聚乙烯醋酸酯、聚乙烯醇、聚丁缩醛、聚甲基丙稀酸等。增塑剂将从甘油、邻苯二甲酸二丁酯、聚乙二醇、三乙烯乙二醇等中选取。
对磁性层、介质层以及过渡层粉料生瓷片分别制浆流延时,步骤均为烘料-配料-混合球-过筛-真空消-流延的方式,将粉料,溶剂,分散剂,粘结剂,增塑剂分别进行烘烤,然后将其按一定组分进行配料,如采用500:250-400:3-15:40-60:20-35的质量配比,将配料进行混合球处理过筛并进行真空消处理后,并将得到的浆料在CAM-M1型流延机上进行流延实验,根据流延厚度要求,合理设置烘干温度30-70度、刀口宽度以及走带速度0.3-0.6m/min等。
由于低温烧结LiZn微波铁氧体的烧结温度一般在870-930℃,而一般商用的介质材料采用传统烧结工艺曲线其烧结致密化温度一般在850-875℃,比铁氧体烧结致密化温度低30-50℃,一方面要实现磁瓷异质材料的良好匹配共烧,一种途径是进一步改进配方降低铁氧体的烧结致密化温度,另一种途径就是通过调整排胶、烧结工艺曲线提高介质材料的烧结致密化温度,使两种材料的烧结致密化温度尽可能接近。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种低温磁瓷共烧复合基材,其特征在于:包括介质层,其由介质粉料加入流延载体经制浆流延而成;磁性层,其由铁氧体材料加入流延载体制浆流延而成;以及过渡层,其由介质粉料以及铁氧体材料加入流延载体制浆流延而成;所述介质层、磁性层以及过渡层进行共烧;所述过渡层位于所述介质层和磁性层之间;所述介质层为外层。
2.根据权利要求1所述低温磁瓷共烧复合基材,其特征在于:所述介质粉料由Al2O3陶瓷颗粒填充于硼硅酸盐玻璃网络间或者Al2O3、TiO2颗粒填充在碱性硅酸盐玻璃网络中结晶形成。
3.根据权利要求1所述低温磁瓷共烧复合基材,其特征在于:所述介质层由选自Al2O3、SiO2、TiO2、B2O3、BaO、CaO、SrO、K2O的材料组成。
4.根据权利要求1所述低温磁瓷共烧复合基材,其特征在于:所述铁氧体材料为通过溶胶凝胶法获得的铁氧体材料;所述溶胶凝胶法具体为:将酸性水溶液,用氨水调节PH值至5~7,含铁Fe和锂Li的原材料和络合剂经加热搅拌制成溶胶,自燃或烘干制成干粉,再热处理,除去有机物,获得锂Li系铁氧体材料。
5.根据权利要求1所述低温磁瓷共烧复合基材,其特征在于:所述铁氧体材料为通过氧化物精细制粉法获得的铁氧体材料;所述氧化物精细制粉法具体为:将含铁F2和锂Li的原材料加入10wt% ~20wt%的胶合剂造粒,以100MPa的压力成型成圆环、圆片和/或圆棒状样品,并在820℃~910℃下进行烧结得到锂Li系铁氧体材料;所述胶合剂为浓度为8%的聚乙烯醇水溶液。
6.一种低温磁瓷共烧复合基材制备方法,其特征在于:包括以下步骤:(A)对低温烧结磁性层粉料、低温烧结介质层粉料以及过渡层粉料分别进行制备,所述过渡层粉料由磁性层粉料和介质层粉料组成;(B)磁性层、介质层以及过渡层粉料生瓷片制浆流延。
7.根据权利要求6所述低温磁瓷共烧复合基材制备方法,其特征在于:所述步骤(A)中,所述对低温烧结磁性层粉料进行制备具体为:所述磁性层粉料为通过溶胶凝胶法获得的磁性层粉料;所述溶胶凝胶法具体为:将酸性水溶液,用氨水调节PH值至5~7,含铁Fe和锂Li的原材料和络合剂经加热搅拌制成溶胶,自燃或烘干制成干粉,再热处理,除去有机物,获得磁性层粉料。
8.根据权利要求6所述低温磁瓷共烧复合基材制备方法,其特征在于:所述步骤(A)中,所述对低温烧结介质层粉料进行制备具体为:将Al2O3陶瓷颗粒填充于硼硅酸盐玻璃网络间或者Al2O3、TiO2颗粒填充在碱性硅酸盐玻璃网络中结晶形成;所述过渡层粉料为将介质层粉料与磁性层粉料按照一定配比并掺杂低熔点氧化物构成。
9.根据权利要求6所述低温磁瓷共烧复合基材制备方法,其特征在于:所述步骤(A)中,所述对低温烧结磁性层粉料进行制备具体为:所述磁性层粉料为通过氧化物精细制粉法获得的磁性层粉料;所述氧化物精细制粉法具体为:将含铁F2和锂Li的原材料加入10wt% ~20wt%的胶合剂造粒,以100MPa的压力成型成圆环、圆片和/或圆棒状样品,并在820℃~910℃下进行烧结得到锂Li系铁氧体材料;所述胶合剂为浓度为8%的聚乙烯醇水溶液。
10.根据权利要求6所述低温磁瓷共烧复合基材制备方法,其特征在于:所述步骤(B)中,将磁性层粉料与溶剂混合球磨12-14小时,然后加入粘结剂球磨混合1-3小时,加入增塑剂后再次球磨混合12-16小时;将得到的浆料过滤浆料,浆料经真空消泡后,测量浆料的粘度,并将得到的浆料在流延机上进行流延实验;将介质层粉料与溶剂混合球磨12-14小时,然后加入粘结剂球磨混合1-3小时,加入增塑剂后再次球磨混合12-16小时;将得到的浆料过滤浆料,浆料经真空消泡后,测量浆料的粘度,并将得到的浆料在流延机上进行流延实验;将过渡层粉料与溶剂混合球磨12-14小时,然后加入粘结剂球磨混合1-3小时,加入增塑剂后再次球磨混合12-16小时;将得到的浆料过滤浆料,浆料经真空消泡后,测量浆料的粘度,并将得到的浆料在流延机上进行流延实验。
11.根据权利要求10所述低温磁瓷共烧复合基材制备方法,其特征在于:所述溶剂采用混合溶剂体系,包括乙醇、丁醇、丙酮、三氯乙烯、甲苯和/或二甲苯;所述粘结剂包括纤维素醚、乙基纤维素、聚乙烯醋酸酯、聚乙烯醇、聚丁缩醛和/或聚甲基丙稀酸。
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