CN102674829A

CN102674829A - 低温共烧锂镁钛微波介质陶瓷材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102674829A
Application number: CN2012101510286A
Authority: CN
Inventors: 陈国华; 包燕; 侯美珍; 秦杰
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2012-05-16
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2032-05-16
Also published as: CN102674829B

Abstract

本发明公开了一种低温共烧锂镁钛微波介质陶瓷材料及其制备方法，该材料包括主要粉料Li₂MgTi₃O₈和低熔点LMB玻璃粉，玻璃粉以粉末形式加入到Li₂MgTi₃O₈粉体中，然后在球磨机中混匀、干燥、造粒、烧结制成。材料的配比是以Li₂MgTi₃O₈粉体为基准，按照玻璃粉占Li₂MgTi₃O₈质量的0.5～3wt%进行配料。通过传统固相反应合成法，即可得到本发明材料。本发明制备的低温共烧微波介质陶瓷，其烧结温度低（875℃左右），微波介电性能优异：介电常数（ε_r）大，品质因数（Q×f）高，谐振频率温度系数τ_f近于零，与Ag电极共烧良好，可以采用高导电率、低成本的纯银作为电极材料，可极大地降低器件的制造成本，可用于低温共烧陶瓷（LTCC）系统、多层介质谐振器、微波天线、滤波器等微波器件的制造。

Description

低温共烧锂镁钛微波介质陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明属于电子信息材料及其制造领域，涉及一种微波介质陶瓷材料，特别是一种低温共烧锂镁钛微波介质陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

随着电子信息技术不断向高频化和数字化方向发展，对元器件的微型化、集成化和模块化的要求日益迫切，低温共烧陶瓷LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramics）因其优异的电学、机械、热学及工艺特性以及高可靠性，已经成为电子器件模块化的主要技术之一。LTCC系统的烧结温度低，可用导电率高的贱金属（如Ag、Cu等）作为多层布线的导体材料，从而可提高组装密度和信号传输速度，并可一次烧成“独石结构”微波电子器件，因此广泛用于高速高密度互连多元陶瓷组件（MCM）之中。利用LTCC共烧技术制造的具有独石结构的微波器件，具有介电损耗低、成本低、可靠性高及与集成电路（IC）热匹配好等特点，因此有着极广的应用前景。因此，降低材料的烧结温度（≤925℃），使其能够与Ag或Cu共烧是目前微波介质陶瓷研究的主要方向。

大多数商用的微波介质材料虽然具有优异的微波介电性能，但是其烧结温度一般超过1200 ℃，因此必须降低材料的烧结温度以满足LTCC工艺的要求。降低微波介质材料烧结温度的主要有：添加低熔点氧化物或低熔点玻璃；引入化学合成方法；使用超细粉作原料。化学合成方法和超细粉作原料将会导致工艺过程复杂，制造成本和周期较长。相比较而言，添加适量的低熔点氧化物或低熔点玻璃，工艺简单，成本低廉，易于材料批量化生产，并且不会恶化材料的微波介电性能。世界著名的几大制造商（杜邦、IBM、Ferro、Hereus）均采用过添加低熔点玻璃来降低材料的烧结温度到900 ℃附近，以便能够与Ag电极共烧。

例如：公开号为：CN101786875A，名称为《低温烧结尖晶石结构微波介质材料及其制备方法》的中国发明专利，公开了一种在900℃烧结的添加低熔点物质的Li₂MgTi₃O₈陶瓷材料（低熔点物质为B₂O₃、BaCu(B₂O₅)和V₂O₅中的一种）。但该材料的综合性能还不够好，尤其是品质因数Q×f偏低（6600GHz≤Q×f≤40000GHz），而且添加物B₂O₃和V₂O₅在流延制备生带有不利影响。

综上所述，随着微波通讯技术的迅猛发展，对微波元器件的便携式、微型化提出了新的要求。用高介电常数微波材料制造的微波谐振器可极大减小器件尺寸，但进一步微型化的出路在于MCM的发展。在制造MCM用多层电路基板时，LTCC技术具有独特的技术优势，因此与LTCC技术相适应的多层介质器件和相关材料得到了业界广泛的重视和研究开发。适用于LTCC技术、微波性能优异、能与Ag电极共烧良好、化学组成和制备工艺简单、成本低廉的新型微波介质陶瓷材料是一类极具产业化应用前景的新材料。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中LTCC的不足，提供一种低温共烧锂镁钛微波介质材料及其制备方法。该低温烧结微波介质陶瓷材料是在Li₂MgTi₃O₈中通过添加少量低熔点玻璃，其烧结温度可降到875 ℃左右，同时具有更加优秀的微波介电性能。

实现本发明目的的技术方案是：

一种低温共烧锂镁钛微波介质陶瓷材料，它由主成分Li₂MgTi₃O₈及低熔点玻璃粉组成，玻璃粉以粉末形式加入到Li₂MgTi₃O₈主粉体中，然后在球磨机中混匀、干燥、造粒、烧结制成。按照配方：Li₂MgTi₃O₈+玻璃粉进行配料，其中：玻璃粉占Li₂MgTi₃O₈质量的0.5～3wt%。低熔点玻璃为LMB（Li₂O-MgO-B₂O₃）玻璃。

一种低温共烧锂镁钛微波介质陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）合成Li₂MgTi₃O₈，备用；

（2）制备LMB玻璃粉，备用；

（3）取一定量合成的Li₂MgTi₃O₈粉体，按照玻璃粉占Li₂ZnTi₃O₈质量的0.5～3wt%进行配料；

（4）将上述主成分Li₂MgTi₃O₈和玻璃粉装入塑料瓶中，加入适量无水乙醇溶液，混合球磨16～24h，烘干，过100目筛得到陶瓷粉体；

（5）然后在粉体中加入5%聚乙烯醇水溶液，混合、烘干，过50目筛造粒；

（6）将造粒后的粉体压制成圆柱样品，在850～925℃温度下烧结4h即得到可用于低温共烧的微波介质陶瓷材料。

步骤（1）所述的Li₂MgTi₃O₈是以Li₂CO₃（纯度≥97.5%）、(MgCO₃)₄Mg(OH)₂·5HO₂和TiO₂（纯度≥99%）为反应物原料，按照摩尔比Li₂CO₃：MgO：TiO₂=1：1：3称料，将配好的料以无水酒精为介质，球磨混合24 h，烘干后过筛，然后在900℃保温4 h合成。

步骤（2）所述的LMB玻璃粉是以Li₂CO₃（纯度≥97.5%）、(MgCO₃)₄Mg(OH)₂·5HO₂和H₃BO₃（纯度≥99%）为原料，按照aLi₂O+ bMgO +cB₂O₃进行配料，其中按摩尔百分比计a=35～20%，b=10～20%，c=60～50%。将配合料在950℃温度下保温1h，然后倒入冷水中形成玻璃渣，经过球磨得到D₅₀=5～7 μm的LMB玻璃粉末，玻璃软化点为485～510 ℃。

本发明以Li₂MgTi₃O₈为主要成分，添加自制的低熔点玻璃作为烧结助剂，成功地将微波介质陶瓷材料的烧结温度降到875 ℃左右，同时具有优异的微波性能，从而使得该材料能够与Ag电极共烧。该低温共烧微波介质陶瓷材料的化学组成和制备工艺比较简单，成本低廉，性能稳定可靠，可广泛用于LTCC系统、多层介质谐振器、微波天线、滤波器等微波器件的制造。

附图说明

图1是本发明实施例1的与Ag电极共烧的XRD谱图；

图2为本发明实施例1的与Ag电极共烧的SEM图。

具体实施方式

本发明一种低温共烧锂镁钛微波介质陶瓷材料的制备方法，可通过下列非限定性实施例得到更加清楚的描述。

实施例1

一种低温共烧锂镁钛微波介质陶瓷材料的制备方法，其组成中添加LMB玻璃粉。

1）合成Li₂MgTi₃O₈：以Li₂CO₃（纯度＞97.5%）、(MgCO₃)₄Mg(OH)₂·5HO₂和TiO₂（纯度≥99%）为原料，按照摩尔比Li₂CO₃：MgO：TiO₂=1：1：3称料，将配好的料以无水酒精为介质，球磨混合24 h，烘干后过筛，然后在900℃保温4 h合成Li₂MgTi₃O₈主粉体。

2）制备LMB玻璃粉：以Li₂CO₃（纯度≥97.5%）、(MgCO₃)₄Mg(OH)₂·5HO₂和H₃BO₃（纯度≥99%）为原料，按照aLi₂O+ bMgO +cB₂O₃进行配料，其中按摩尔百分比计a=30%，b=10%，c=60%。将配合料在950℃温度下保温1h，然后倒入冷水中形成玻璃渣，经过球磨得到D₅₀=5μm的LMB玻璃粉末，玻璃软化点为497 ℃。

3）取一定量合成的Li₂MgTi₃O₈粉体，按照LMB玻璃粉占Li₂MgTi₃O₈质量的1wt%进行配料。将上述主成分Li₂MgTi₃O₈和玻璃粉倒入塑料瓶中，加入无水乙醇溶剂，混合球磨24 h，烘干，过100目筛得到陶瓷粉体，随后在粉体中加入5%聚乙烯醇水溶液，混合、烘干，过50目筛造粒。造粒后的粉体在100MPa压力下压制成直径11mm，厚度5mm的圆片样品。圆片样品在500 ℃保温2小时排胶，然后在875℃温度下烧结4h即得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波介电性能为：ε _r=26，Q×f=49406GHz，τ_f=3.2ppm/℃

实施例2

1）合成Li₂MgTi₃O₈：以Li₂CO₃（纯度≥97.5%）、(MgCO₃)₄Mg(OH)₂·5HO₂和TiO₂（纯度≥99%）为原料，按照摩尔比Li₂CO₃：MgO：TiO₂=1：1：3称料，将配好的料以无水酒精为介质，球磨混合24 h，烘干后过筛，然后在900℃保温4 h合成Li₂MgTi₃O₈主粉体。

3）取一定量合成的Li₂MgTi₃O₈粉体，按照LMB玻璃粉占Li₂MgTi₃O₈质量的1.5wt%进行配料。将上述主成分Li₂MgTi₃O₈和玻璃粉倒入塑料瓶中，加入无水乙醇溶剂，混合球磨24 h，烘干，过100目筛得到陶瓷粉体，随后在粉体中加入5%聚乙烯醇水溶液，混合、烘干，过50目筛造粒。造粒后的粉体在100MPa压力下压制成直径11mm，厚度5mm的圆片样品。圆片样品在500 ℃保温2小时排胶，然后在875℃温度下烧结4h即得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波介电性能为：ε _r=25.9，Q×f=43403GHz，τ_f=0 ppm/℃

实施例3

3）取一定量合成的Li₂MgTi₃O₈粉体，按照LMB玻璃粉占Li₂MgTi₃O₈质量的2.5wt%进行配料。将上述主成分Li₂MgTi₃O₈和玻璃粉倒入塑料瓶中，加入无水乙醇溶剂，混合球磨24 h，烘干，过100目筛得到陶瓷粉体，随后在粉体中加入5%聚乙烯醇水溶液，混合、烘干，过50目筛造粒。造粒后的粉体在100MPa压力下压制成直径11mm，厚度5mm的圆片样品。圆片样品在500 ℃保温2小时排胶，然后在875℃温度下烧结4h即得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波介电性能为：ε _r=25.6，Q×f=39907GHz，τ_f=-3.9ppm/℃

实施例4

2）制备LMB玻璃粉：以Li₂CO₃（纯度≥97.5%）、(MgCO₃)₄Mg(OH)₂·5HO₂和H₃BO₃（纯度≥99%）为原料，按照aLi₂O+ bMgO +cB₂O₃进行配料，其中按摩尔百分比计a=30%，b=15%，c=55%。将配合料在950℃温度下保温1h，然后倒入冷水中形成玻璃渣，经过球磨得到D₅₀=6μm的LMB玻璃粉末，玻璃软化点为500 ℃。

3）取一定量合成的Li₂MgTi₃O₈粉体，按照LMB玻璃粉占Li₂MgTi₃O₈质量的0.5wt%进行配料。将上述主成分Li₂MgTi₃O₈和玻璃粉倒入塑料瓶中，加入无水乙醇溶剂，混合球磨18 h，烘干，过100目筛得到陶瓷粉体，随后在粉体中加入5%聚乙烯醇水溶液，混合、烘干，过50目筛造粒。造粒后的粉体在100MPa压力下压制成直径11mm，厚度5mm的圆片样品。圆片样品在500 ℃保温2小时排胶，然后在900℃温度下烧结4h即得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波介电性能为：ε _r=25.8，Q×f=46606GHz，τ_f=1.6 ppm/℃

实施例5

2）制备LMB玻璃粉：以Li₂CO₃（纯度≥97.5%）、(MgCO₃)₄Mg(OH)₂·5HO₂和H₃BO₃（纯度≥99%）为原料，按照aLi₂O+ bMgO +cB₂O₃进行配料，其中按摩尔百分比计a=30%，b=20%，c=50%。将配合料在950℃温度下保温1h，然后倒入冷水中形成玻璃渣，经过球磨得到D₅₀=6μm的LMB玻璃粉末，玻璃软化点为510 ℃。

3）取一定量合成的Li₂MgTi₃O₈粉体，按照LMB玻璃粉占Li₂MgTi₃O₈质量的0.5wt%进行配料。将上述主成分Li₂MgTi₃O₈和玻璃粉倒入塑料瓶中，加入无水乙醇溶剂，混合球磨18 h，烘干，过100目筛得到陶瓷粉体，随后在粉体中加入5%聚乙烯醇水溶液，混合、烘干，过50目筛造粒。造粒后的粉体在100MPa压力下压制成直径11mm，厚度5mm的圆片样品。圆片样品在500 ℃保温2小时排胶，然后在925℃温度下烧结4h即得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波介电性能为：ε _r=26.4，Q×f=35924GHz，τ_f=1.1ppm/℃

实施例6

2）制备LMB玻璃粉：以Li₂CO₃（纯度＞97.5%）、(MgCO₃)₄Mg(OH)₂·5HO₂和H₃BO₃（纯度≥99%）为原料，按照aLi₂O+ bMgO +cB₂O₃进行配料，其中按摩尔百分比计a=30%，b=20%，c=50%。将配合料在950℃温度下保温1h，然后倒入冷水中形成玻璃渣，经过球磨得到D₅₀=6μm的LMB玻璃粉末，玻璃软化点为510 ℃。

3）取一定量合成的Li₂MgTi₃O₈粉体，按照LMB玻璃粉占Li₂MgTi₃O₈质量的1.5wt%进行配料。将上述主成分Li₂MgTi₃O₈和玻璃粉倒入塑料瓶中，加入无水乙醇溶剂，混合球磨18 h，烘干，过100目筛得到陶瓷粉体，随后在粉体中加入5%聚乙烯醇水溶液，混合、烘干，过50目筛造粒。造粒后的粉体在100MPa压力下压制成直径11mm，厚度5mm的圆片样品。圆片样品在500 ℃保温2小时排胶，然后在900℃温度下烧结4h即得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波介电性能为：ε _r=26.2，Q×f=45765GHz，τ_f=0.8ppm/℃

上述所述实施例中所用的TiO₂粉体为市售分析纯化学试剂，其纯度大于99.0%，晶体结构为金红石型结构。

实施例7

3）取一定量合成的Li₂MgTi₃O₈粉体，按照LMB玻璃粉占Li₂MgTi₃O₈质量的0.5wt%进行配料。将上述主成分Li₂MgTi₃O₈和玻璃粉倒入塑料瓶中，加入无水乙醇溶剂，混合球磨16 h，烘干，过100目筛得到陶瓷粉体，随后在粉体中加入5%聚乙烯醇水溶液，混合、烘干，过50目筛造粒。造粒后的粉体在100MPa压力下压制成直径11mm，厚度5mm的圆片样品。圆片样品在500 ℃保温2小时排胶，然后在875℃温度下烧结4h即得到微波介质陶瓷材料。该材料的微波介电性能为：ε _r=25.6，Q×f=37579GHz，τ_f=4.0 ppm/℃

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很多，根据申请人大量的实验结果证实，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

1.一种低温共烧锂镁钛微波介质陶瓷材料，其特征是：它是在主要成分Li₂MgTi₃O₈中加入低熔点玻璃粉，按照配方：Li₂MgTi₃O₈+玻璃粉进行配料，其中：玻璃粉占Li₂MgTi₃O₈质量的0.5～3wt%，经在球磨机中混匀、干燥、造粒、烧结制成。

2.根据权利要求1所述的陶瓷材料，其特征是：所述的低熔点玻璃为LMB玻璃。

3.权利要求1所述低温共烧锂镁钛微波介质陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）合成Li₂MgTi₃O₈，备用；

（2）制备LMS玻璃粉，备用；

（3）取一定量合成的Li₂MgTi₃O₈粉体，按照玻璃粉占Li₂MgTi₃O₈质量的0.5～3wt%进行配料；

（4）将上述主要成分Li₂MgTi₃O₈和玻璃粉装入塑料瓶中，加入适量无水乙醇溶液，混合球磨16～24h，烘干，过100目筛得到陶瓷粉体；

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是：步骤（1）所述的Li₂MgTi₃O₈是以纯度≥97.5%的Li₂CO₃、纯度≥99%的(MgCO₃)₄Mg(OH)₂·5HO₂和TiO₂为反应物原料，按照摩尔比Li₂CO₃︰MgO︰TiO₂=1︰1︰3称料，将配好的料以无水酒精为介质，球磨混合24 h，烘干后过筛，然后在900℃保温4 h合成。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是：步骤（2）所述的LMB玻璃粉是以纯度≥97.5%的Li₂CO₃、纯度≥99%的(MgCO₃)₄Mg(OH)₂·5HO₂和H₃BO₃为原料，按照aLi₂O+ bZnO +cB₂O₃进行配料，其中按重量百分比计a=30～20%，b=10～20%，c=60～50%；将配合料在950℃温度下保温1h，然后倒入冷水中形成玻璃渣，经过球磨得到D₅₀=5～7 μm的LMB玻璃粉末，玻璃软化点为485～510 ℃。

6.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征是：所述的TiO₂粉体的纯度≥99.0%，晶体结构为金红石型结构。