CN111470776B - 一种高频低损耗玻璃陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种在20‑60GHz高频频段内具有低损耗和低介电常数的玻璃陶瓷材料，由以下质量百分比的各组分制备而成：45‑60wt％的CBB‑SAA玻璃粉和45‑55wt％的纳米陶瓷粉；其中，所述CBB‑SAA玻璃粉包括以下质量百分比的组分：SiO245‑60％、B2O38‑30％、Al2O35‑20％、CaO 10‑30％、BaO 5‑10％、ZnO 5‑15％、TiO21‑10％、ZrO20‑10％、Na2O 0‑5％、Li2O 0‑5％、Nb2O50‑2％、In2O30‑2％、La2O30‑5％、Yb2O30‑5％；其中，所述CBB‑SAA玻璃粉中，In2O3、La2O3、Yb2O3三种成分的含量之和大于0。该玻璃陶瓷材料制备得到的陶瓷片在高频段具有低介电常数和低介电损耗。

Description

一种高频低损耗玻璃陶瓷材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及电子陶瓷技术领域，尤其是一种高频低损耗玻璃陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
近年来，5G通信技术和低轨道卫星通信技术产生了对微波和毫米波频段的具有高频低损耗特性的电子元器件的巨大需求。低损耗和低介电常数的低温共烧陶瓷(LTCC)成为研究的热点。目前商用的LTCC的材料体系主要有玻璃陶瓷体系和微晶玻璃体系。玻璃陶瓷体系是通过在结晶型玻璃网络结构中引入陶瓷材料(Al2O3和SiO2)形成新的配方体系，典型的商用材料如Ferro-L8M、杜邦951和9k7产品，主要应用于天线和模组基板。微晶玻璃体系是采用部分结晶玻璃产生低K值和高品质因子，典型的材料如Ferro的A6M中CaO-B2O3-SiO2(CBS)在毫米波频段具有低损耗和零温度谐振频率特性。因此低损耗、零温度谐振频率特性的玻璃陶瓷和微晶玻璃材料在高频频段具有非常大应用潜力。
目前，商用的LTCC材料体系中，不同的企业根据不同的高频器件的设计要求开发出大量的LTCC配方体系材料，在微波和毫米波频段(≤20GHz)，具有低温烧结特性，低介电常数和低损耗特性的LTCC材料报道的比较多，然而，在特定的高频毫米波20-43.5GHz频段，此类特性的材料报道的比较少。随着5G毫米波技术的发展，毫米波基站和终端天线模组已经成为天线设计的趋势。毫米波天线模组的设计提出了对高频电子陶瓷材料的在介电常数、损耗、品质因数、温度谐振频率等特定的技术要求。
为了解决上述技术问题，提出了本发明的高频低损耗电子陶瓷材料及其制备方法。
发明内容
本发明针对毫米波频段(20-60GHz)天线模组设计对LTCC材料特定的应用需求，提出了一种在20-43.5GHz介电常数6.0-7.0，损耗值0.002-0.003的电子陶瓷材料及其制备方法，其可以满足在20-60GHz频段低介电常数、低损耗和高品质因子的技术要求。
本发明提供了一种低损耗的玻璃陶瓷材料，由以下质量百分比的各组分制备而成：45-60wt％的CBB-SAA玻璃粉和45-55wt％的纳米陶瓷粉；
其中，所述CBB-SAA玻璃粉包括以下质量百分比的组分：SiO2 45-60％、B2O3 8-30％、Al2O3 5-20％、CaO 10-30％、BaO 5-10％、ZnO 5-15％、TiO2 1-10％、ZrO2 0-10％、Na2O 0-5％、Li2O 0-5％、Nb2O5 0-2％、In2O3 0-2％、La2O3 0-5％、Yb2O3 0-5％；
其中，所述CBB-SAA玻璃粉中，In2O3、La2O3、Yb2O3三种成分的含量之和大于0；
其中，所述CBB-SAA玻璃粉的比表面积为0.2-0.5m2/g；
其中，所述纳米陶瓷粉包括以下质量百分比的组分：α-Al2O370-90wt％，金红石相TiO2 10-30wt％；
其中，所述α-Al2O3具有100-300nm的平均粒径，所述金红石相TiO2具有100-300nm的平均粒径；
其中，所述α-Al2O3和金红石相TiO2均是采用水热工艺制备的纳米粉体。纳米α-Al2O3和金红石相TiO2能够在形成玻璃陶瓷时，玻璃的作用不仅仅是充当粘合剂粘住陶瓷粒子，而纳米陶瓷填料可以在相同的添加比例下，有效降低烧温。在这种反应系统的类型下，微结构、相组成和最终性质全部由烧结条件决定。
本发明还提供了上述玻璃陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备CBB-SAA玻璃粉：按配方称取相应的原料，将其混合均匀后熔融、保温、淬火，对淬火得到的玻璃块进行球磨，之后干燥过筛，得到所述CBB-SAA玻璃粉；
(2)制备所述纳米陶瓷粉；
(3)称取45-60wt％的CBB-SAA玻璃粉和45-55wt％的纳米陶瓷粉，干式混合均匀，然后将混合均匀的玻璃陶瓷粉进行砂磨分散处理，干燥过筛得到玻璃陶瓷粉。
其中，步骤(1)中，熔融温度为1200-1400℃，保温时间为1.5-3h；优选，熔融温度为1250-1350℃，保温时间为1.5-2.5h。
其中，步骤(1)中，玻璃粉的干燥温度为120-150℃。
本发明还提供了由上述玻璃陶瓷材料制备得到的陶瓷片。
本发明还提供了所述陶瓷片的制备方法，包括：向得到的玻璃陶瓷粉中加入质量百分比1-2wt％的PVA，干压成型，然后在850-900℃烧结，保温1.5-2.5h，得到所述陶瓷片。
其中，所述陶瓷片在20-43.5GHz频段，具有介电常数k＝6.0-7.0，介电损耗为0.002-0.003。介电常数k的测试方法为将该材料制备成表面平整的薄片，按照Q/0500SGC企业标准测试方法(毫米波频段材料介电特性测试方法—开放式半球面电磁波谐振腔法)进行测量。
相比于现有技术，本发明具有以下优点：
稀土元素对玻璃陶瓷的介电常数和介电损耗产生影响，稀土元素的变价特性能够有效的改变玻璃陶瓷极化特性，介电常数和介电损耗随着稀土元素的种类和添加量的变化而变化。由于本发明在制备的LTCC配方粉材料体系中引入In2O3、La2O3、Yb2O3中至少一种氧化物，这三种都是正三价元素，使得LTCC玻璃体系的玻璃网状结构参数发生变化，降低了极化偶极子和位移极化的数量，从而降低其软化点温度和介电常数。本发明的玻璃陶瓷材料所制备得到的陶瓷片在高频段具有低介电常数和低介电损耗。
具体实施方式
以下结合实施例进一步说明本发明。
实施例1-9和对比例：
按照表1所示的玻璃陶瓷各组分配方，将原材料精确称量，干式混合均匀，在1300℃熔融，保温1.5h后，将熔融后的玻璃倒入干式淬取机中进行快速降温淬取，将淬取得到的玻璃块，加入2-3倍玻璃质量的纯水和3-5倍质量的氧化铝研磨球进行球磨分散，干燥过筛，得到实施例1-9和对比例的玻璃粉。
按照表1所示的玻璃粉和纳米陶瓷粉的比例，称取相应的玻璃粉和纳米陶瓷粉，进行干式混合均匀，然后将混合均匀的玻璃陶瓷粉进行砂磨分散处理，干燥过筛，得到对应的实施例1-9的CBB-SAA玻璃陶瓷粉和对比例的玻璃陶瓷粉。
向得到的玻璃陶瓷粉中，加入质量百分比2％的PVA，干压成型，然后在900℃烧结，保温2h，得到实施例1-9和对比例的陶瓷片
对上述陶瓷片进行高频性能测试。测试前，首先将该材料制备成表面平整的薄片，然后采用经本公司长期研究开发的进阶型法布里-珀罗微扰法(简称AFPPM法)进行测试。进阶型法布里-珀罗微扰法：传统的法布里-珀罗微扰法在样品测试厚度上具有限制，无法满足市场上常见厚度的样品的测试，为解决此问题，根据电磁理论基础对法布里-珀罗微扰法进行改进，使其可以测试样品的厚度范围扩大，可应用到更多的市场上标准尺寸的基板材料，这种方法我们称之为进阶型法布里-珀罗微扰法(AdvancedFabry Perot PerturbationMethods)，简称AFPPM法。具体的测试过程详见企业标准Q/0500SGC 003.1-2020《毫米波频段材料介电性能测试方法第1部分：20-70GHz介电性能常温测试方法》。测试结果见表2
经测试，实施例1-9的陶瓷片在20-60GHz高频段具有6.0-7.0的低介电常数和0.002-0.003的低介电损耗，而对比例的陶瓷片的介电常数和介电损耗分别高于上述范围。
Figure BDA0002472269630000061
Figure BDA0002472269630000071
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种在20-60GHz高频频段内具有低损耗和低介电常数的玻璃陶瓷材料，由以下质量百分比的各组分制备而成：45-50wt％的CBB-SAA玻璃粉和50-55wt％的纳米陶瓷粉；
其中，所述CBB-SAA玻璃粉包括以下质量百分比的组分：SiO245-60％、B2O3 8-30％、Al2O3 5-20％、CaO 10-30％、BaO 5-10％、ZnO5-15％、TiO2 1-10％、ZrO2 0-10％、Na2O 0-5％、Li2O 0-5％、Nb2O5 0-2％、In2O3 0.05-2％、La2O3 0.05-5％、Yb2O3 0.05-5％；
其中，所述CBB-SAA玻璃粉中，In2O3、La2O3、Yb2O3三种成分的含量之和大于0；
其中，所述纳米陶瓷粉包括以下质量百分比的组分：α-Al2O370-90wt％，金红石相TiO210-30wt％。
2.如权利要求1所述的玻璃陶瓷材料，其中，所述CBB-SAA玻璃粉的比表面积为0.2-0.5m2/g。
3.如权利要求1所述的玻璃陶瓷材料，其中，所述α-Al2O3具有100-300nm的平均粒径，所述金红石相TiO2具有100-300nm的平均粒径。
4.如权利要求1-3任一所述的玻璃陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备CBB-SAA玻璃粉：按配方称取相应的原料，将其混合均匀后熔融、保温、淬火，对淬火得到的玻璃块进行球磨，之后干燥过筛，得到所述CBB-SAA玻璃粉；
(2)制备所述纳米陶瓷粉；
(3)称取45-50wt％的CBB-SAA玻璃粉和50-55wt％的纳米陶瓷粉，干式混合均匀，然后将混合均匀的玻璃陶瓷粉进行砂磨分散处理，干燥过筛得到玻璃陶瓷粉。
5.如权利要求4所述的玻璃陶瓷材料的制备方法，其中，步骤(1)中，熔融温度为1200-1400℃，保温时间为1.5-3h。
6.如权利要求4所述的玻璃陶瓷材料的制备方法，其中，步骤(1)中，玻璃粉的干燥温度为120-150℃。
7.一种由权利要求1-3任一所述的玻璃陶瓷材料制备得到的陶瓷片。
8.一种如权利要求7所述的陶瓷片的制备方法，包括：向得到的玻璃陶瓷粉中加入质量百分比1-2wt％的PVA，干压成型，然后在850-900℃烧结，保温1.5-2.5h，得到所述陶瓷片。
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