CN103951403B - 非磁性材料与NiCuZn铁氧体材料低温匹配共烧方法 - Google Patents

非磁性材料与NiCuZn铁氧体材料低温匹配共烧方法 Download PDF

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Abstract

本发明适用于电子元器件生产制造技术领域，公开了一种非磁性材料与NiCuZn铁氧体材料低温匹配共烧方法，包括以下步骤，步骤1：制备NiCuZn铁氧体材料，制备与所述NiCuZn铁氧体具有相同尖晶石结构的非磁性材料；步骤2：对所述NiCuZn铁氧体材料和所述非磁性材料采用LTCC烧结工艺，经流延，湿法成型，印刷，等静压，切割，排胶，烧结，涂银和电镀工艺制作出所需要的电子元器件。本发明在无需引入第三种材料或改变浆料配方的情况下，实现了异相材料的匹配共烧；同时非磁性材料对铁氧体材料的电磁性能影响不大，可作为一种有效的气隙层材料。具有简便、可操作性好、价格低廉、效果显著等特点，可广泛应用与LTCC技术中制作各种电子元器件。

Description

非磁性材料与 NiCuZn 铁氧体材料低温匹配共烧方法
技术领域
本发明属于电子元器件生产制造技术领域，尤其涉及一种非磁性材料与NiCuZn铁氧体材料低温匹配共烧方法。
背景技术
LTCC（low temperature co-fire ceramics，低温共烧陶瓷）技术是近年来兴起的一种的片式器件与整合组件的新技术。它是将低温烧结（一般在900℃以下）的陶瓷或者铁氧体粉料通过流延方式制成厚膜料带，然后通过成型、印刷、等静压、切割后，在900℃下烧结，最后经封端和电镀，制成三维空间互不干扰的高密度电子器件。由于LTCC技术能够提供优良的元件精度、可以实现高密度的三维多层布线和无源元件的片式集成，特别适合高性能电子元器件的集成片式化开发，提高性能和功能密度，实现小型化，因此成为当前国际上实现高性能核心元器件与高频化封装的重要途径与发展的重点方向。
近年来，通过异相材料低温烧结采用LTCC工艺制备各种电子元器件的方法受到了广泛关注，它有利于电子元器件向超小型化、高频化、集成化及多功能化的方向发展。然而，现有技术中，异相材料烧结过程中，由于不同材料的烧结收缩特性不匹配，常常会引入大量的共烧缺陷和应力，导致共烧体收缩率不匹配，出现开裂、分层等现象，从而严重影响电子元器件的质量。为了解决这种不匹配共烧现象，目前文献报告的解决就方法有：1，制备缓冲层：即在异相材料的界面处制备缓冲层，用以减小应力造成的界面弯曲甚至开裂；2，采用中间过渡层：即在异相材料的界面处加入第三种材料作为中间过渡层，也可以减小界面失配现象；3，加入共烧助剂：通过在铁氧体加入玻璃等助剂材料调节烧结过程中的致密化特性，从而减小或消除应力。
以上方法，1和2无法从根本上解决烧结不匹配带来的影响，同时由于引入了中间层或缓冲层材料，对电子器件的性能也带来不可预计的影响。第3种方法对解决不匹配现象有较好效果，但也加入了共烧助剂，使制作工艺复杂化，生产成本高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种非磁性材料与NiCuZn铁氧体材料低温匹配共烧方法，其生产方法简便有效、可操作性好、产品匹配效果明显。
本发明的技术方案是：一种非磁性材料与NiCuZn铁氧体材料低温匹配共烧方法，包括以下步骤，
步骤1：制备NiCuZn铁氧体材料，制备与所述NiCuZn铁氧体具有相同尖晶石结构的非磁性材料；
步骤2：对所述NiCuZn铁氧体材料和所述非磁性材料采用LTCC烧结工艺，经流延，湿法成型，印刷，等静压，切割，排胶，烧结，涂银和电镀工艺制作出所需要的电子元器件。
可选地，于所述非磁性材料中，加入Bi2O3进行LTCC烧结。
可选地，加入所述Bi2O3的含量为1wt%。
可选地，制备非磁性材料包括以下步骤，采用ZnO、 CuO和 Fe2O3，按(ZnO)0.9(CuO)0.1(Fe2O3)0.95中摩尔比混合进行球磨。
可选地，球磨时采用行星球磨机，所述ZnO、 CuO和 Fe2O3粉料、钢球、去离子水的比例为1：2：2.5，然后进行烘干。
可选地，采用LTCC烧结工艺过程包括如下步骤：称取相同质量的上述非磁性材料和NiCuZn铁氧体粉料，配制两份相同的有机溶剂系统；分别将所述非磁性材料和NiCuZn铁氧体粉料加入以上配制的有机溶剂系统中，得到非磁性材料浆料和NiCuZn铁氧体浆料。
可选地，所述有机溶剂包括溶剂、增塑剂、粘结剂和分散剂，所述溶剂为醋酸正丙酯和异丁醇的混合物；所述溶剂、增塑剂、粘结剂和分散剂的质量比为90：3：5：2.5。
可选地，所述非磁性材料浆料和NiCuZn铁氧体浆料分别进行流延，膜厚为30μm，得到非磁性材料膜片和NiCuZn铁氧体膜片。
可选地，所述非磁性材料膜片和NiCuZn铁氧体膜片进行交替重叠，在5MPa下保压5min，制成多层产品，多层产品在900℃烧结4h。
本发明提出的用于LTCC工艺中实现异相材料匹配共烧的方法，针对NiCuZn铁氧体材料，提出非磁性材料与NiCuZn铁氧体材料低温匹配共烧方法，即制备非磁性的尖晶石铁氧体材料，实现与NiCuZn铁氧体的低温匹配共烧。该方法无需加入第三种材料，也无需特殊的烧结助剂，从材料改性的角度实现了铁氧体和非磁性材料的异相匹配共烧，从根本克服了目前所使用的中间层或缓冲层方法所带来的影响，简化了工艺，又保证了铁氧体材料的电磁参数不受影响，生产成本低、生产效率高。本方法简便有效、可操作性好、匹配效果明显，可广泛应用于LTCC电子元器件的制造领域中。
附图说明
图1 是本发明提供的非磁性材料和NiCuZn铁氧体材料低温匹配共烧方法的工艺流程示意图；
图2 是非磁性材料和NiCuZn铁氧体经造粒，分别压制成单环结构烧结后测得的外径收缩率对比图；
图3 是非磁性材料和NiCuZn铁氧体经造粒，压制成双环结构烧结分别为870℃、890℃、910℃后的外观图；
图4 是非磁性材料和NiCuZn铁氧体制备浆料后，流延成膜，交替叠层压制后，在900℃下烧结的异相材料断面显微图片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的1、一种非磁性材料与NiCuZn铁氧体材料低温匹配共烧方法，包括以下步骤：步骤1：制备NiCuZn铁氧体材料，制备与所述NiCuZn铁氧体具有相同尖晶石结构的非磁性材料；步骤2：对所述NiCuZn铁氧体材料和所述非磁性材料采用LTCC烧结工艺，经流延，湿法成型，印刷，等静压，切割，排胶，烧结，涂银和电镀工艺制作出所需要的电子元器件。图1 是本发明提供的非磁性材料和NiCuZn铁氧体材料低温匹配共烧方法的工艺流程示意图。
步骤1中，基于NiCuZn铁氧体材料的主体配方，去掉铁氧体中的磁性部分，具体做法可以是是去掉NiO成分，以ZnO替代，即CuZn铁氧体，同为尖晶石结构，配方为(ZnO)0.9(CuO)0.1(Fe2O3)0.95，其晶格常数与NiCuZn铁氧体相近。CuZn铁氧体中由于Zn2+的自旋磁矩等于零，从而晶格内没有足够浓度的磁性离子使另一次晶格的自旋保持平行排列，不能满足亚铁磁性条件，所以可视为非磁性材料，且具有与所述NiCuZn铁氧体具有相同尖晶石结构。
通过基于NiCuZn铁氧体基体材料，提供一种铁氧体和非磁性材料的低温匹配共烧方法。在NiCuZn铁氧体材料的主体配方基础上，制备与NiCuZn铁氧体具有相同尖晶石结构的非磁性材料，从而实现匹配共烧。本发明提出的用于LTCC工艺中实现异相材料匹配共烧的方法，针对NiCuZn铁氧体材料，提出一种新的匹配共烧材料的制备方法，即制备非磁性的尖晶石铁氧体材料，实现与NiCuZn铁氧体的低温匹配共烧。该方法无需制备缓冲层、无需中间过渡层，无需加入第三种材料，也无需特殊的烧结助剂，从材料改性的角度实现了铁氧体和非磁性材料的异相匹配共烧，从根本克服了目前所使用的中间层或缓冲层方法所带来的影响，简化了工艺，生产成本低且生产效率高，又保证了铁氧体材料的电磁参数不受影响。本方法简便有效、可操作性好、匹配效果明显，可广泛应用于LTCC电子元器件的制造领域中。
具体地，于所述非磁性材料中，加入Bi2O3进行LTCC烧结，以保证非磁性材料的低温烧结。
具体地，加入所述Bi2O3的含量可以为1wt%。
具体地，在制备非磁性材料时可以包括以下步骤，采用ZnO、 CuO和 Fe2O3，按(ZnO)0.9(CuO)0.1(Fe2O3)0.95中摩尔比混合进行球磨。具体应用中即制备(ZnO)0.9(CuO)0.1(Fe2O3)0.95非磁性材料100g，再加入1wt%的Bi2O3。其中ZnO、 CuO和 Fe2O3均为工业级纯度。
具体地，球磨时采用行星球磨机，所述ZnO、 CuO和 Fe2O3粉料、钢球、去离子水的质量比例为1：2：2.5，球磨时间可为4小时，然后进行烘干。
具体地，采用LTCC烧结工艺过程包括如下步骤：称取相同质量的上述非磁性材料和NiCuZn铁氧体粉料，配制两份相同的有机溶剂系统；分别将所述非磁性材料和NiCuZn铁氧体粉料加入以上配制的有机溶剂系统中，球磨时间为6小时，得到非磁性材料浆料和NiCuZn铁氧体浆料。
具体地，所述有机溶剂包括溶剂、增塑剂、粘结剂和分散剂，所述溶剂为醋酸正丙酯和异丁醇的混合物；所述溶剂、增塑剂、粘结剂和分散剂的质量比为90：3：5：2.5。具体应用中，分别称取100g非磁性材料和100gNiCuZn铁氧体粉料。配制2份相同的有机溶剂系统：取溶剂（醋酸正丙酯和异丁醇的混合物）90g，增塑剂3g，粘结剂5.0g，分散剂2.5g后，球磨6h；分别将非磁性材料和NiCuZn铁氧体粉料加入以上配制的溶剂系统中，球磨6h。
具体地，所述非磁性材料浆料和NiCuZn铁氧体浆料分别进行流延，膜厚为30μm（微米），得到非磁性材料膜片和NiCuZn铁氧体膜片。
具体地，所述非磁性材料膜片和NiCuZn铁氧体膜片进行交替重叠，在5MPa下保压5min，制成多层产品，多层产品在900℃烧结4h。在显微镜下观察多层样品中断面结构，如图4所示，多层结构的致密性好，两种材料的收缩率一致，样品不存在翘曲和开裂现象，界面未出现变形和缺陷。
制备(ZnO)0.9(CuO)0.1(Fe2O3)0.95非磁性材料100g，再加入1wt%的Bi2O3。其中ZnO、 CuO和 Fe2O3均为工业级纯度，按照上述分子式所规定的摩尔比混合后球磨。球磨采用行星球磨机，粉料、钢球、去离子水的比例为1：2：2.5。球磨时间为4小时，烘干后，非磁性材料制备完毕，待用。
对上述方式制备的非磁性材料，进行造粒，压制标环，在900℃下烧结。用Agilent4991A测试，测试得1MHz下，非磁性材料的磁导率<2，由此验证其非磁性特性。
将NiCuZn铁氧体材料和上述制备的非磁性材料分别造粒，压制标环，在870℃、890℃、910℃烧结4h后，测试收缩率，如图2所示，两种材料的收缩率差别很小。
将两种材料压制成双环结构，在870℃、890℃、910℃烧结4h，如图3所示，可知非磁性材料和NiCuZn铁氧体材料共烧后，由于同为尖晶石结构，材料的晶格结构和常数相近，烧结过程中收缩一致，可以达到良好的匹配共烧效果。
图2 是非磁性材料和NiCuZn铁氧体经造粒，分别压制成单环结构烧结后测得的外径收缩率对比。烧结温度分布为870℃、890℃、910℃，二者在900℃的收缩率很接近。
图3 是非磁性材料和NiCuZn铁氧体经造粒，压制成双环结构烧结后的外观图。烧结温度分布为870℃、890℃、910℃，底部为非磁性材料，顶部为NiCuZn铁氧体。由图可知，共烧后的匹配效果良好。图4 是非磁性材料和NiCuZn铁氧体制备浆料后，流延成膜，交替叠层压制后，在900℃下烧结的异相材料断面显微图片，显示材料界面无变形和缺陷，异相材料无开裂或翘曲。
本发明提供的一种非磁性材料与NiCuZn铁氧体材料低温匹配共烧方法，该方法涉及非磁性材料与NiCuZn铁氧体的低温匹配共烧方法（LTCC技术），主要是一种LTCC技术中异相材料控制收缩率，实现匹配烧结的方法。本发明为了实现与NiCuZn铁氧体材料的匹配烧结，通过对NiCuZn铁氧体材料主体配方的研究，制备非磁性材料，使非磁性材料和铁氧体材料的晶格结构相近，从而实现了在共烧过程中的匹配烧结。本发明在无需引入第三种材料或改变浆料配方的情况下，实现了异相材料的匹配共烧；同时非磁性材料对铁氧体材料的电磁性能影响不大，可作为一种有效的气隙层材料。本发明具有简便、可操作性好、价格低廉、效果显著等特点，可广泛应用与LTCC技术中制作各种电子元器件。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非磁性材料与NiCuZn铁氧体材料低温匹配共烧方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤1：制备NiCuZn铁氧体材料，制备与所述NiCuZn铁氧体具有相同尖晶石结构的非磁性材料；具体地，基于NiCuZn铁氧体材料的主体配方，去掉铁氧体中的NiO成分，以ZnO替代，即CuZn铁氧体，配方为(ZnO)0.9(CuO)0.1(Fe2O3)0.95；
步骤2：对所述NiCuZn铁氧体材料和所述非磁性材料采用LTCC烧结工艺，经流延，湿法成型，印刷，等静压，切割，排胶，烧结，涂银和电镀工艺制作出所需要的电子元器件。
2.如权利要求1所述的非磁性材料与NiCuZn铁氧体材料低温匹配共烧方法，其特征在于，于所述非磁性材料中，加入Bi2O3进行LTCC烧结。
3.如权利要求2所述的非磁性材料与NiCuZn铁氧体材料低温匹配共烧方法，其特征在于，加入所述Bi2O3的含量为1wt％。
4.如权利要求1所述的非磁性材料与NiCuZn铁氧体材料低温匹配共烧方法，其特征在于，制备非磁性材料包括以下步骤，采用ZnO、CuO和Fe2O3，按(ZnO)0.9(CuO)0.1(Fe2O3)0.95中摩尔比混合进行球磨。
5.如权利要求4所述的非磁性材料与NiCuZn铁氧体材料低温匹配共烧方法，其特征在于，球磨时采用行星球磨机，所述ZnO、CuO和Fe2O3粉料、钢球、去离子水的比例为1：2：2.5，然后进行烘干。
6.如权利要求1至5中任一项所述的非磁性材料与NiCuZn铁氧体材料低温匹配共烧方法，其特征在于，采用LTCC烧结工艺过程包括如下步骤：称取相同质量的上述非磁性材料和NiCuZn铁氧体粉料，配制两份相同的有机溶剂系统；分别将所述非磁性材料和NiCuZn铁氧体粉料加入以上配制的有机溶剂系统中，得到非磁性材料浆料和NiCuZn铁氧体浆料。
7.如权利要求6所述的非磁性材料与NiCuZn铁氧体材料低温匹配共烧方法，其特征在于，所述有机溶剂系统包括溶剂、增塑剂、粘结剂和分散剂，所述溶剂为醋酸正丙酯和异丁醇的混合物；所述溶剂、增塑剂、粘结剂和分散剂的质量比为90：3：5：2.5。
8.如权利要求6所述的非磁性材料与NiCuZn铁氧体材料低温匹配共烧方法，其特征在于，所述非磁性材料浆料和NiCuZn铁氧体浆料分别进行流延，膜厚为30μm，得到非磁性材料膜片和NiCuZn铁氧体膜片。
9.如权利要求8所述的非磁性材料与NiCuZn铁氧体材料低温匹配共烧方法，其特征在于，所述非磁性材料膜片和NiCuZn铁氧体膜片进行交替重叠，在5MPa下保压5min，制成多层产品，多层产品在900℃烧结4h。
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