CN111533546A - 一种高频应用电介质材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高频低损耗的电介质材料,其包括以下质量百分比的组分:45‑60wt%的CBSZA玻璃粉和45‑55wt%的分子筛;其中,CBSZA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%、Na2O 0‑5%;所述分子筛是CHA结构的分子筛。由该电介质材料制备得到的陶瓷片在10‑70GHz频段,具有介电常数k=4.0‑6.0,介电损耗为0.002‑0.004。

Description

一种高频应用电介质材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及电子陶瓷材料技术领域,一种高频应用的电子陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
在5G高频通信应用中,具有高品质因数(Q)的介电材料能够有效降低能量损失率,对于高频应用的Q>1000的非常高的Q值的介电材料的具有非常大的需求。但是高Q的结晶氧化物材料,具有高的烧结温度,一般在高于1000℃的高温下烧结。
在微波和高频通讯领域,低介电常数k材料具有较低的信号损耗或较低的延迟,能够减少导线之间的串扰。一般要求介电常数K≤6,优选<4。
常见的高Q值、低K值的氧化物陶瓷材料,如二氧化硅(K=3.8)、LiAlSiO4(K=4.8)、Al2O3·SiO2(K=5.3),NaAlSi3O8(K=5.5),Mg2P2O7(K=6.1),堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2)(K=6.2)和2ZnO·SiO2(K=6.6),但是这类材料具有非常高的烧结温度(≥高于1000℃),不能与银电极共烧。
目前常用的低温共烧陶瓷(LTCC)材料,K=4-12。现有技术中,通常向低介电常数陶瓷材料中添加低软化温度的玻璃,形成玻璃陶瓷材料,以降低烧结温度,例如Ferro-L8M、杜邦951和9k7产品,其烧结温度可低于1100℃、950℃或900℃,该温度低于电气组件中存在的银导体的熔化温度,从而能够与银电极共烧。
然而,这种低软化温度玻璃的添加也降低了这些低K材料的Q值,或者增加它们的介电常数;并且如果没有玻璃的添加量不足,则仍然难以将烧结温度降低到合适的范围,例如烧结温度仍然保持在高于1100℃或者高于950℃。
因此,根据添加玻璃的量,这些玻璃陶瓷材料可能仍然具有大于6的介电常数、较低的Q值,或者具有高于950℃或甚至高于1000℃或甚至高于1100℃的较高的烧结温度。由此,难以生产出在高频下具有高Q值、小于6的K值和低于900℃的烧结温度的材料。
因此,需要开发用于高频应用的改进的具有低K值、高Q值及低烧结温度的介电组合物。
为了能够达到低介电、高Q值和低温烧结的特性,选取合适的低介电特性的氧化物材料非常重要,如:二氧化硅(K~3.8)、β-锂霞石(LiAlSiO4)(K~4.8)、硅线石(Al2O3·SiO2)(K~5.3)、钠长石(NaAlSi3O8)(K~5.5)、磷酸镁(Mg2P2O7)(K~6.1)、磷酸铝(AlPO4)(K~6.1)、堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2)(K~6.2)和硅锌矿(2ZnO·SiO2)(K~6.6)等。美国US2004167007A1、U.S.Pat.No.4980323和U.S.Pat.No.5064790提出了包含沸石分子筛和玻璃相的介电陶瓷材料,分别选取了钾,铯或铷交换的沸石制备高密度白云石基陶瓷,SiO2/Al2O3~3.5-7.5和Mg交换的沸石,SiO2/Al2O3≤3.0,都能得到介电常数低于6的LTCC低温烧结材料。
发明内容
本发明针对毫米波频段(10-70GHz)天线模组设计对LTCC材料特定的应用需求,提出了一种在10-70GHz10-70GHz具有介电常数4.0-6.0、介电损耗0.002-0.004的电介质材料及其制备方法。所述电子陶瓷材料满足在10-70GHz频段低介电常数K、低介电损耗和高品质因子的技术要求。
本发明提供了一种高频低损耗的电介质材料,其包括以下质量百分比的组分:45-60wt%的CBSZA玻璃粉和45-55wt%的铵交换的CHA型分子筛;其中所述CBSZA玻璃粉至少包括以下组分:CaO、B2O3、BaO、SiO2、ZnO、Al2O3、Na2O。
其中,CBSZA玻璃粉包括以下质量百分比的组分:SiO2 45-60%、B2O3 8-30%、Al2O35-20%、CaO 10-30%、BaO 5-10%、ZnO 5-15%、Na2O 0-5%。
其中,分子筛是CHA结构的分子筛,硅铝比以质量比计为10-35,优选15-25。
其中,CBSZA玻璃粉的比表面积为0.2-2.0m2/g。
本发明还提供了上述电介质材料的制备方法,包括:向CBSZA玻璃粉中添加分子筛粉体,经研磨分散,得到所述电介质材料。
本发明所述制备电介质材料的方法具体包括步骤:
(1)制备CBSZA玻璃粉:
按照配方称取CBSZA玻璃粉的原料,将其混合均匀后,熔融保温一段时间,然后淬火、球磨、干燥、过筛,得到所述玻璃粉;
(2)制备电介质材料:
称取电介质组分,所述组分包括质量百分比为45-60wt%的CBSZA玻璃粉和45-55wt%的分子筛,将电介质组分混合均匀,砂磨分散,干燥过筛得到所述电介质材料。
其中,上述步骤(1)中,的熔融温度为1200-1400℃,保温1.5-3h;优选熔融温度为1250-1350℃,保温1.5-2.5h。
其中,上述步骤(1)中,干燥温度为120-150℃。
本发明还提供了由上述电介质材料制备得到的陶瓷片。
本发明又提供了由上述电介质材料制备陶瓷片的方法,包括:向得到电介质材料中加入质量百分比1-2%的PVA,干压成型,烧结,保温,得到陶瓷片。
其中,制备陶瓷片时,烧结温度为850-900℃,保温1.5-2.5h。
对上述制备得到的陶瓷片进行高频性能测试。
其中,10GHz下介电性能的测试是按照企业标准Q/0500SGC002-2020微波波段固态电介质材料介电特性测试方法-分离式介质谐振腔法(室温)的测试方法进行的,24GHz、37GHz、60GHz和70GHz下介电性能的测试是按照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)进行的。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 Perturbation Methods),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》。
测试结果表明,所制备得到的陶瓷片在10-70GHz频段,具有介电常数k=4.0-6.0,介电损耗为0.002-0.004。
相比于现有技术,本发明具有以下优点:
由于具有CHA结构的SSZ-13分子筛,有AlO4和SiO4四面体通过氧原子收尾相连,有序排列的八元环结构的椭球笼和三维交叉孔道结构,CHA-13分子筛具有低K特性,加之八元环孔状结构,能够在形成玻璃陶瓷时,有效的降低介电常数和介电损耗。所以本发明的电介质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:
按照表1所示的CBSZA玻璃粉各组分配方,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的CBSZA玻璃粉。
按照表1所示的CBSZA玻璃粉和分子筛粉体的比例,称取相应的玻璃粉和分子筛粉体,进行干式混合均匀,然后将混合均匀的电介质组分进行砂磨分散处理,干燥过筛,得到对应的实施例1-9的电介质材料。
向得到的电介质材料中,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的陶瓷片。
对比例:分子筛采用ZSM-5型分子筛,硅铝比以质量比计为50,其余同实施例1。
对上述陶瓷片进行高频性能测试。测试结果见表2。
经测试,实施例1-9的陶瓷片在10-70GHz频段,具有介电常数K=4.0-6.0,介电损耗为0.002-0.004。而对比例中与实施例相同的玻璃和分子筛比例和配方,选取不同类型的分子筛,得到的玻璃陶瓷材料的介电损耗和损耗明显高于实施例1的性能。
Figure BDA0002477011120000061
Figure BDA0002477011120000071
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 (10)

1.一种高频低损耗的电介质材料,其包括以下质量百分比的组分:45-60wt%的CBSZA玻璃粉和45-55wt%的分子筛;
其中,CBSZA玻璃粉包括以下质量百分比的组分:SiO2 45-60%、B2O38-30%、Al2O3 5-20%、CaO 10-30%、BaO 5-10%、ZnO 5-15%、Na2O 0-5%;
其中,所述分子筛是CHA结构的分子筛。
2.如权利要求1所述的高频低损耗的电介质材料,其中,所述CHA结构的分子筛的硅铝比以质量比计为10-35。
3.如权利要求1所述的高频低损耗的电介质材料,其中,CBSZA玻璃粉的比表面积为0.2-2.0m2/g。
4.一种如权利要求1-3任一所述的高频低损耗的电介质材料的制备方法,包括:向CBSZA玻璃粉中添加分子筛粉体,经研磨分散,得到所述电介质材料。
5.如权利要求4所述的高频低损耗的电介质材料的制备方法,包括步骤:
(1)制备CBSZA玻璃粉:
按照配方称取CBSZA玻璃粉的原料,将其混合均匀后,熔融保温一段时间,然后淬火、球磨、干燥、过筛,得到所述玻璃粉;
(2)制备电介质材料:
称取电介质组分,所述组分包括质量百分比为45-60wt%的CBSZA玻璃粉和45-55wt%的分子筛,将电介质组分混合均匀,砂磨分散,干燥过筛得到所述电介质材料。
6.如权利要求5所述的高频低损耗的电介质材料的制备方法,其中,所述步骤(1)中,熔融温度为1200-1400℃,保温1.5-3h。
7.如权利要求5所述的高频低损耗的电介质材料的制备方法,其中,所述步骤(1)中,干燥温度为120-150℃。
8.一种由权利要求1-3任一所述的高频低损耗的电介质材料制备得到的陶瓷片。
9.如权利要求8所述的陶瓷片的制备方法,包括:向权利要求1-3任一所述的电介质材料中加入质量百分比1-2%的PVA,干压成型,烧结,保温,得到陶瓷片。
10.如权利要求9所述的陶瓷片的制备方法,其中,烧结温度为850-900℃。
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