CN103288438B - 一种低温共烧陶瓷基板材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用作基板材料的低温共烧陶瓷。该陶瓷基板材料的原料配方组成为ZnO、H₃BO₃、CaCO₃和TiO₂，烧结后陶瓷基板材料的主晶相为3ZnO·B₂O₃，次晶相为CaB₂O₄和Zn₂TiO₄。该陶瓷基板材料的制备方法为：先由H₃BO₃与ZnO预烧合成3ZnO·B₂O₃粉体，再由CaCO₃与TiO₂预烧合成CaTiO₃粉体。然后将合成好的3ZnO·B₂O₃粉体和CaTiO₃粉体混合，其中CaTiO₃质量占总质量的百分比为3％～12％，即得到低温共烧陶瓷基板材料粉料。该粉料经加入去离子水进行球磨、烘干、造粒和烧结可得到性能优异的陶瓷基板材料。该材料体系的优选烧结温度为840～880℃，优选烧结温度范围内的微波介电性能为：介电常数ε_r＝7～8.1；Q×f＝11000～22600GHz，且能与Ag共烧，满足低温共烧陶瓷基板材料的性能要求。

Description

一种低温共烧陶瓷基板材料

技术领域

本发明属于电子基板材料领域，具体涉及一种低温共烧陶瓷基板材料。

背景技术

低温共烧陶瓷材料作为低温共烧技术中的关键基础材料，其性能要求比普通的微波介质陶瓷更为严格，例如主要有：(1)具有良好的微波介电性能：具有能适应多种用途的系列化的介电常数(2～2000)，而作为基板材料，通常要求材料具有低介电常数，以缩短信号在芯片之间传播的延迟时间；具有高品质因数，以保证优良的选频特性和降低高频下的插入损耗；具有近零的谐振频率温度系数，以保证器件的热稳定性。(2)在工艺方面则需要较低的烧结温度，一般低于900℃，以实现与一些电极材料的低温共烧。(曾群，霍良，周永恒，材料导报：综述篇，2010，24(5))。

专利文献CN102432280A公开了主晶相为3ZnO·B₂O₃的锌硼陶瓷基板材料及其制备方法的发明，但该材料体系950～1000℃的烧结温度较高。由于应用在LTCC技术中的陶瓷材料体系要内置金属电极，故陶瓷材料体系与金属电极材料两者间必须具有良好的化学兼容性，以Ag电极为例，其熔点为961℃，这就要求LTCC陶瓷材料的最佳烧结温度低于该熔点，并能在在其烧结温度范围内与Ag共烧。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低温共烧陶瓷的基板材料，该材料体系能在低温下烧结并呈现出良好的微波介电性能。

本发明提供的一种低温共烧陶瓷基板材料，其特征在于：该陶瓷基板材料由硼酸锌3ZnO·B₂O₃粉料与少量钛酸钙CaTiO₃粉料混合烧结而成，CaTiO₃质量占CaTiO₃与3ZnO·B₂O₃两者总质量的百分比为3％～12％，烧成陶瓷后该基板材料的主晶相为3ZnO·B₂O₃，次晶相为CaB₂O₄和Zn₂TiO₄。

3ZnO·B₂O₃粉料由H₃BO₃与ZnO预烧合成，其中，H₃BO₃的摩尔比百分比含量为38.272％～47.09％；CaTiO₃粉料由CaCO₃与TiO₂预烧合成，其中，CaCO₃的摩尔比百分比含量为47.368％～57％。

本发明在已公开的主晶相为3ZnO·B₂O₃的锌硼陶瓷基板材料的发明基础上加入一定量的CaO与TiO₂，由于在烧结过程中CaO-ZnO-B₂O₃玻璃相的产生，本发明成功地将该陶瓷材料体系的烧结温度降至840～880℃，得到了性能优异的陶瓷基板材料。具体而言，本发明的低温共烧陶瓷基板具有以下优点：

(1)本发明的基板材料具有优良的介电性能，介电常数低

(ε_r＝7～8.1)，微波频率下的介电品质因子高(Q×f＝11000～22600GHz)，可以满足电路对基板材料的介电性能要求。

(2)本发明采用的原料均采用价格低廉的氧化物，工艺简单，大幅度降低了产品的成本。

(3)发挥了LTCC(低温共烧陶瓷)技术的优点，可以与高电导率的金属Ag实现共烧，大幅度降低了电路系统运行时的损耗。

具体实施方式

下面结合实例对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的低温共烧陶瓷基板材料的制备方法包括下述步骤：

第1步将ZnO与H₃BO₃在干燥环境下均匀混合；

第2步将混合料在室温下以1.5～3℃/分钟升温至680～750℃，保温1～2小时；

第3步将CaCO₃与TiO₂放入球磨罐并加入去离子水进行球磨，球磨时间为2～3小时，然后烘干；

第4步将烘干后的混合料以3～5℃/分钟升温至1280～1320℃，保温2～3小时；

第5步将两种预烧后的料放入球磨罐并加入去离子水进行球磨，球磨时间为2～3小时，然后烘干；

第6步采用质量分数为6～8％聚乙烯醇溶液作为粘结剂，粘结剂的加入量为待造粒混合料质量的8～10％，造粒；

第7步压片，在820～900℃(优选为840～880℃)下烧结60～120分钟。

实例1：

3ZnO·B₂O₃与CaTiO₃的复合粉体的制备：

1.将H₃BO₃与ZnO按表1中的配比配料，总质量为400克，在玛瑙研钵中研磨约1小时至混合均匀，盛于500ml的刚玉坩埚中。

2.将装有均匀混合的氧化物的刚玉坩埚放入罩式炉中，以3℃/分钟的速度从室温升至750℃，保温1小时。预烧好的料用研钵磨成粉末状。

3.将CaCO₃与TiO₂按表1中的配比配料，总质量40克，在装有玛瑙球的球磨罐中加入适量去离子水球磨2小时，出料后于110℃下烘干，并用60目筛盘过筛。

4.将步骤3中过筛后的粉料放入100ml的刚玉坩埚中置于罩式炉中，以5℃/分钟的速度升至1320℃，保温2小时。预烧好的料用研钵磨成粉末状。

5.将经过步骤2的锌硼粉料400克均装于4个玛瑙球磨罐中，4个球磨罐中依次加入经过步骤4的钛酸钙粉料，分别加入量为3wt％、6wt％、9wt％、12wt％，然后加入适量去离子水球磨2小时，出料后于110℃下烘干。

6.按照传统电子陶瓷制备工艺，采用质量分数为5％的聚乙烯醇(PVA)的溶液作为粘合剂，造粒，过60目筛。

7.在50MPa压力下，干压法制成直径为25mm，高度为14～17mm的圆柱体。

8.采用常规烧结法，在空气气氛下，以3℃/分钟的速率从室温升至550℃，保温30分钟，将材料的PVA全部排出。然后以5℃/分钟的速率升至840～860℃，保温1小时，然后随炉温冷却至室温，得到烧结后的陶瓷样品。

实例2～20

各实例的原料和配方如表1所示，其制备方法与实例1相同。

上述实验样品的介电性能采用Agilent E5701C型网络分析仪测量，结果如表2所示。

(备注：CT即CaTiO₃，wt％为所占混合粉料总质量的百分比。每个实例下又分为四个小实例，每个小实例之间的不同之处在于CT所占的质量百分比分别为3％、6％、9％和12％。)

每个实例下CT所占的质量比在6～12wt％范围内的在本发明的保护范围内。

烧结温度为820℃时该材料体系的晶相主要为3ZnO·B₂O₃并已有少量玻璃相刚开始出现，烧结温度为860℃时该材料体系的晶相主要为3ZnO·B₂O₃，有少量CaB₂O₄、Zn₂TiO₄和CaO-ZnO-B₂O₃玻璃相，烧结温度为900℃时该材料体系的晶相主要为3ZnO·B₂O₃，有少量Zn₂TiO₄与CaO-ZnO-B₂O₃玻璃相。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

表1基板原料配方

表2实验样品的介电性能

Claims (1)

1.一种低温共烧陶瓷基板材料的制备方法，其特征在于：该陶瓷基板材料由硼酸锌3ZnO·B₂O₃粉料与钛酸钙CaTiO₃粉料混合烧结而成，CaTiO₃质量占CaTiO₃与3ZnO·B₂O₃两者总质量的百分比为3％～12％，烧成陶瓷后该基板材料的主晶相为3ZnO·B₂O₃，次晶相为CaB₂O₄和Zn₂TiO₄；其制备过程为：

第1步将ZnO与H₃BO₃在干燥环境下均匀混合；H₃BO₃的摩尔比百分比含量为38.272％～47.09％；

第2步将混合料在室温下以1.5～3℃/分钟升温至680～750℃，保温1～2小时；

第3步将CaCO₃与TiO₂放入球磨罐并加入去离子水进行球磨，球磨时间为2～3小时，然后烘干；其中，CaCO₃的摩尔比百分比含量为47.368％～57％；

第4步将烘干后的混合料以3～5℃/分钟升温至1280～1320℃，保温2～3小时；

第5步将两种预烧后的料放入球磨罐并加入去离子水进行球磨，球磨时间为2～3小时，然后烘干；

第6步采用质量分数为6～8％聚乙烯醇溶液作为粘结剂，粘结剂的加入量为待造粒混合料质量的8～10％，造粒；

第7步压片，在840～880℃下烧结60～120分钟；

所得到的材料具有下列微波介电性能：介电常数ε_r＝7～8.1；Q×f＝11000～22600GHz，且能与Ag共烧。