CN113242844B - 具有高q值的ltcc介电组合物和装置 - Google Patents
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Abstract
LTCC器件由介电组合物制成，所述介电组合物包含前体材料的混合物，所述前体材料的混合物在烧制时形成具有锌‑锂‑钛氧化物或硅‑锶‑铜氧化物主体的介电材料。
Description
技术领域
本发明涉及介电组合物，并且更具体地涉及基于锌-锂-钛氧化物和硅-锶-铜氧化物的介电组合物，其表现出K＝5-50的介电常数，在GHz频率下具有非常高的Q值，并且可用于使用贵金属金属化的低温共烧陶瓷(LTCC)应用中。
背景技术
用于无线应用的LTCC系统中的现有技术材料使用介电常数范围为K＝4-50且在1MHz的测量频率下具有500-1,000的Q值的电介质。特定的应用和装置结构决定了所需的特定介电常数和Q值。对于高频应用，需要高介电常数、高Q值的材料。这通常通过将高KCaTiO3与低K材料结合以获得特定性能来实现。然而，CaTiO3在GHz频率下的低Q值通常具有降低所述陶瓷的Q值的不期望的效果。另外，CaTiO3的高烧结温度对于LTCC技术具有抑制性。
发明内容
本发明涉及介电组合物，并且更具体地涉及基于锌-锂-钛氧化物和硅-锶-铜氧化物的介电组合物，其表现出K＝5-50的介电常数，例如，约5至约30，且在GHz高频下具有非常高的Q值，并且其可用于使用贵金属金属化的低温共烧陶瓷(LTCC)应用中。Q值＝1/Df，其中Df是介电损耗角正切(dielectric loss tangent)。Qf值是用于描述通常在GHz范围内的频率的电介质的品质的参数。Qf可以被表示为Qf＝Q×f，其中测量频率f(以GHz为单位)乘以该频率下的Q值。对于高频应用，对在＞5GHz下具有大于1000的非常高的Q值的高介电常数材料的需求日益增长。
概括地说，本发明的陶瓷材料包括主体(host)，该主体通过混合适量的ZnO、Li2O和TiO2，或者适量的SiO2、SrO和CuO，并在水介质中将这些材料一起研磨到粒径D50在约0.2至约5.0微米的范围内来制备。干燥该浆料并在约800至1200℃下煅烧约1至5小时以形成包括ZnO、Li2O和TiO2的主体材料，或者SiO2、SrO和CuO的主体材料。然后将所得主体材料机械粉碎并与助熔剂(fluxing agent)混合，并再次在水介质中研磨至粒径D50在约0.2至约5.0微米的范围内。或者，粒径D50在约0.5至约1.0微米的范围内。将研磨的陶瓷粉末干燥并粉碎以产生细碎的粉末。所得粉末可被压制成圆柱形粒料并在约775至约925℃的温度下烧制。在一个实例中，粒料可在约800至约910℃的温度下烧制。烧制进行约1至约200分钟的时间。
本发明的一个实施方案是一种包含前体材料的混合物的组合物，所述前体材料的混合物在烧制时形成无铅无镉的锌-锂-钛氧化物主体材料，并且可单独或与其它氧化物组合形成介电材料。
本发明的一个实施方案是一种包含前体材料的混合物的组合物，所述前体材料的混合物在烧制时形成无铅无镉的硅-锶-铜氧化物主体材料，并且可以单独地或与其它氧化物组合形成介电材料。
在优选的实施方案中，主体材料不含铅。在可选的优选实施方案中，主体材料不包含镉。在更优选的实施方案中，主体材料不包含铅和镉。
在优选的实施方案中，主体材料包含(i)40-65wt％(重量百分含量)的TiO2，(ii)30-60wt％的ZnO，和(iii)0.1-15wt％的Li2O。
在另一个实施方案中，主体材料包含(i)40-65wt％的TiO2，(ii)30-60wt％的ZnO，(iii)0.1-15wt％的Li2O，(iv)0-5wt％的MnO2，和(v)0-5wt％的NiO。
在另一个优选实施方案中，主体材料包含(i)45-75wt％的SiO2，(ii)15-35wt％的SrO，和(iii)10-30wt％的CuO。
本发明的实施方案可以包括多于一种的主体或本文其它地方公开的主体的选择。
本发明的介电材料可以包含80-99.6wt％的任何至少一种本文公开的主体材料，以及不超过括号内所示值的量的任何或所有下述助熔剂和掺杂剂：SiO2(4wt％)；CaCO3(4wt％)；B2O3(4wt％)；Li2CO3(4wt％)；LiF(4wt％)；BaCO3(8wt％)；硼酸锌(8wt％)；和CuO(3wt％)。
在另一实施方案中，助熔剂和掺杂剂可包括：0.3-8wt％的硼酸锌，0.1-4wt％的B2O3，0-4wt％的SiO2，0-4wt％的BaCO3，0-4wt％的CaCO3，0-4wt％的Li2CO3，0-4wt％的LiF，0-3wt％的CuO，或前述任何物质的氧化物等价物。
在又一实施方案中，助熔剂和掺杂剂可包括：0.3-8wt％的硼酸锌，0.1-4wt％的B2O3，0-4wt％的SiO2，0-4wt％的BaCO3，0-4wt％的CaCO3，0-4wt％的Li2CO3，0.1-4wt％的LiF，0.1-3wt％的CuO，或前述任何物质的氧化物等价物。
在又一实施方案中，助熔剂和掺杂剂可包括；0-8wt％的硼酸锌，0.1-4wt％的B2O3，0-4wt％的SiO2，0-4wt％的BaCO3，0-4wt％的CaCO3，0-4wt％的Li2CO3，0-4wt％的LiF，0-3wt％的CuO，或前述任何物质的氧化物等价物。
在又一个实施方案中，助熔剂和掺杂剂可包括；0.1-8wt％的硼酸锌，0.1-4wt％的B2O3，0-4wt％的SiO2，0-4wt％的BaCO3，0-4wt％的CaCO3，0-4wt％的Li2CO3，0-4wt％的LiF，0-3wt％的CuO，或前述任何物质的氧化物等价物。
在又一实施方案中，助熔剂和掺杂剂可包括：0-8wt％的硼酸锌，0.1-4wt％的B2O3，0-4wt％的SiO2，0-4wt％的BaCO3，0-4wt％的CaCO3，0-4wt％的Li2CO3，0-4wt％的LiF，0.1-3wt％的CuO，或前述任何物质的氧化物等价物。
本发明的介电材料不包含任何形式的铅和任何形式的镉。
本发明的一个实施方案是包含前体的混合物的无铅无镉组合物，所述前体的混合物在烧制时形成无铅无镉介电材料，所述无铅无镉介电材料包含：(a)35-65wt％的TiO2，(b)25-55wt％的ZnO，(c)0.1-15wt％的Li2O，(d)0.1-5wt％的B2O3，(e)0-4wt％的SiO2，(f)0-6wt％的BaO，(g)0-4wt％的CaO，(h)0-4wt％的LiF，(i)0-3wt％的CuO，不含铅和镉。
本发明的另一个实施方案是包含前体的混合物的无铅无镉组合物，该前体的混合物在烧制时形成无铅无镉介电材料，所述无铅无镉介电材料包含：(a)35-65wt％的TiO2，(b)25-55wt％的ZnO，(c)0.1-15wt％的Li2O，(d)0.1-5wt％的B2O3，(e)0-7wt％的SiO2，(f)0-6wt％的BaO，(g)0-6wt％的CaO，(h)0-5wt％的LiF，(i)0-5wt％的CuO，不含铅和镉。
本发明的另一个实施方案是包含前体的混合物的无铅无镉组合物，该前体的混合物在烧制时形成无铅无镉介电材料，所述无铅无镉介电材料包含：(a)45-75wt％的SiO2，(b)15-35wt％的SrO，(c)10-30wt％的CuO，(d)0.1-5wt％的B2O3，(e)0-4wt％的CaO，(f)0-4wt％的Li2O，(g)0-8wt％的ZnO，(g)0-4wt％的LiF，不含铅和镉。
本发明的又一个实施方案是包含前体的混合物的无铅无镉组合物，该前体的混合物在烧制时形成无铅无镉介电材料，所述无铅无镉介电材料包含：(a)45-75wt％的SiO2，(b)15-35wt％的SrO，(c)10-30wt％的CuO，(d)0.1-5wt％的B2O3，(e)0-6wt％的CaO，(f)0-3wt％的Li2O，(g)0-8wt％的ZnO，(g)0-5wt％的LiF，不含铅和镉。
在本发明的另一个实施方案中，无铅无镉组合物包含前体的混合物，该前体的混合物在烧制时形成无铅无镉介电材料，所述无铅无镉介电材料包含：(a)47-54wt％的TiO2，(b)33-51wt％的ZnO，(c)0.5-10wt％的Li2O，(d)0.91-1.8wt％的B2O3，(e)0.04-0.2wt％的SiO2，(f)0-0.6wt％的BaO，(g)0-0.4wt％的CaO，(h)0.1-4wt％的LiF，(i)0.1-3wt％的CuO，不含铅和镉。
在本发明的又一实施方案中，无铅无镉组合物包含前体的混合物，该前体的混合物在烧制时形成无铅无镉介电材料，所述无铅无镉介电材料包含：(a)50-56wt％的SiO2，(b)22-24wt％的ZnO，(c)17-19wt％的CuO，(d)0.4-2.2wt％的B2O3，(e)0-0.4wt％的CaO，(f)0-6.5wt％的ZnO，(g)0.1-3wt％的Li2O，(h)0-5wt％的LiF，不含铅和镉。
在本发明的又一个实施方案中，无铅无镉组合物包含前体的混合物，该前体的混合物在烧制时形成无铅无镉介电材料，所述无铅无镉介电材料包含：(a)20-31wt％的TiO2，(b)16-25wt％的ZnO，(c)9-15wt％的SrO，(d)22-34wt％的SiO2，(e)7.6-11.5wt％的CuO，(f)2.1-3.2wt％的Li2O，(g)1-1.1wt％的B2O3，(h)0.1-0.3wt％的CaO，(i)0.5-0.9wt％的LiF，不含铅和镉。
对于本发明的任何实施方案，由零界定的材料范围被认为提供了对在下端处由0.01％或0.1％界定的类似范围的支持。
对于以零重量百分比为界的每个组成范围，该范围被认为还教导了具有0.01wt％或0.1wt％的下限的范围。例如60-90wt％的Ag+Pd+Pt+Au的教导是指任何或所有指定组分可以在所述范围内存在于组合物中。
在另一个实施方案中，本发明涉及无铅无镉的介电组合物，其在烧制前包含本文其它地方公开的任何主体材料。
在另一个实施方案中，本发明涉及一种电气或电子元件，其在烧制之前包含本文公开的任何介电糊剂(dielectric paste)，以及导电糊剂，所述导电糊剂包含：(a)60-90wt％的Ag+Pd+Pt+Au，(b)1-10wt％的选自由过渡金属的硅化物、碳化物、氮化物和硼化物组成的组的添加剂，(c)0.5-10wt％的至少一种玻璃料，和(d)10-40wt％的有机部分。该电气或电子元件可以是高Q谐振器、带通滤波器、无线封装系统及其组合。
在另一个实施方案中，本发明涉及一种形成电子元件的方法，包括：将本文公开的任何介电糊剂施加到基底；以及在足以烧结介电材料的温度下烧制基底。
在另一个实施方案中，本发明涉及一种形成电子元件的方法，包括将本文公开的任何介电材料的颗粒施加到基底上，并在足以烧结介电材料的温度下烧制基底。
在另一个实施方案中，本发明的方法包括形成电子元件，该方法包括：
(a1)将本文公开的任何介电组合物施加到基底，或
(a2)将包含本文所公开的任何介电组合物的带材施加到基底，或
(a3)压实本文公开的任何介电组合物的多个颗粒以形成整体式复合基底；以及
(b)在足以烧结所述介电材料的温度下烧制所述基底。
应当理解，本文的每个数值(百分比、温度等)被假定前面有“约”。在本文的任何实施方案中，介电材料可包含不同的相，例如以任何比，例如1∶99至99∶1的晶相和非晶相，(晶相：非晶相)以mol％(摩尔百分含量)或wt％表示。其它比包括10∶90、20∶80、30∶70、40∶60、50∶50、60∶40、70∶30、80∶20和90∶10以及其间的所有值。在一个实施方案中，介电糊剂包括10-30wt％的结晶介电材料和70-90wt％的非结晶介电材料。
本发明的前述和其它特征将在下文中更全面地描述，并且在权利要求中特别指出，下面的描述详细地阐述了本发明的某些说明性实施方案，然而，这些实施方案仅指示了可以采用本发明的原理的各种方式中的一些。
具体实施方式
LTCC(低温共烧陶瓷)是一种多层玻璃陶瓷基底技术，该技术在相对低的烧制温度(低于1000℃)下与低电阻金属导体(例如Ag、Au、Pt或Pd或它们的组合)共烧。有时它被称为“玻璃陶瓷”，因为它的主要组合物可以由玻璃和氧化铝或其它陶瓷填料组成。一些LTCC制剂是再结晶玻璃。本文的玻璃可以以玻璃料的形式提供，其可以原位形成或加入到组合物中。在一些情况下，可以使用诸如镍及其合金的基底金属(base metal)，理想地在非氧化气氛中，例如10-12至10-8个大气压的氧分压。“基底金属”是除金、银、钯和铂之外的任何金属。合金金属可包括Mn、Cr、Co和Al。
切割由介电材料的浆料铸造的带材，并且形成被称为通孔(vias)的孔，以实现层之间的电连接。用导电膏填充通孔。然后印刷电路图案，以及根据需要的共烧电阻器。多层印刷基底被堆叠。对该堆叠施加热和压力以将各层粘合在一起。然后进行低温(＜1000℃)烧制。烧制的堆叠被锯成最终尺寸，并且根据需要完成烧制后处理。
可用于汽车应用的多层结构可具有约5个陶瓷层，例如3-7个陶瓷层或4-6个陶瓷层。在RF应用中，结构可以具有10-25个陶瓷层。作为布线基底，可以使用5-8层陶瓷层。
介电原材料
本发明的陶瓷材料包括主体，该主体通过混合适量的ZnO、Li2O和TiO2，或者适量的SiO2、SrO和CuO，在水介质中将这些材料一起研磨到粒径D50在约0.2至约5.0微米的范围内来制备。干燥该浆料并在约800至1200℃下煅烧约1至5小时以形成包括ZnO、Li2O和TiO2的主体材料，或者SiO2、SrO和CuO的主体材料。然后将所得主体材料机械粉碎并与助熔剂混合，并再次在水介质中研磨至粒径D50在约0.2至约5.0微米的范围内。在另一个实施例中，粒径D50在约0.5至约1.0微米的范围内。
所得的主体材料经过煅烧，部分地，以除去主体材料中的挥发性杂质，从而潜在地促进后续工艺中的固态反应。在高温(在约800至1200℃)下煅烧可能导致颗粒之间的结块。将研磨的陶瓷粉末干燥并粉碎以产生细碎的粉末。
在煅烧和粉碎之后，可将主体材料与助熔剂混合。所得粉末可被压制成圆柱形粒料并在约775至约925℃的温度下烧制。在一个实例中，粒料可在约800至约910℃的温度下烧制。烧制进行约1至约200分钟的时间。
本发明的一个实施方案是一种包含前体材料的混合物的组合物，所述前体材料的混合物在烧制时形成无铅无镉的锌-锂-钛氧化物主体材料，并且可单独或与其它氧化物组合形成介电材料。
本发明的一个实施方案是一种包含前体材料的混合物的组合物，所述前体材料的混合物在烧制时形成无铅无镉的硅-锶-铜氧化物主体材料，并且可以单独地或与其它氧化物组合形成介电材料。
在优选的实施方案中，主体材料不含铅。在可选的优选实施方案中，主体材料不包含镉。在更优选的实施方案中，主体材料不包含铅和镉。
在优选的实施方案中，主体材料包含(i)40-65wt％的TiO2，(ii)30-60wt％的ZnO，和(iii)0.1-15wt％的Li2O。
在另一个实施方案中，主体材料包含(i)40-65wt％的TiO2，(ii)30-60wt％的ZnO，(iii)0.1-15wt％的Li2O，(iv)0-5wt％的MnO2，和(v)0-5wt％的NiO。
在另一个优选实施方案中，主体材料包含(i)45-75wt％的SiO2，(ii)15-35wt％的SrO，和(iii)10-30wt％的CuO。
本发明的实施方案可以包括多于一种的主体或本文其它地方公开的主体的选择。
本发明的介电材料可以包含80-99.6wt％的任何至少一种本文公开的主体材料，以及不超过括号内所示值的量的任何或所有下述助熔剂和掺杂剂：SiO2(4wt％)；CaCO3(4wt％)；B2O3(4wt％)；Li2CO3(4wt％)；LiF(4wt％)；BaCO3(8wt％)；硼酸锌(8wt％)；和CuO(3wt％)。
在另一实施方案中，助熔剂和掺杂剂可包括：0.3-8wt％的硼酸锌，0.1-4wt％的B2O3，0-4wt％的SiO2，0-4wt％的BaCO3，0-4wt％的CaCO3，0-4wt％的Li2CO3，0-4wt％的LiF，0-3wt％的CuO，或前述任何物质的氧化物等价物。
在又一实施方案中，助熔剂和掺杂剂可包括：0.3-8wt％的硼酸锌，0.1-4wt％的B2O3，0-4wt％的SiO2，0-4wt％的BaCO3，0-4wt％的CaCO3，0-4wt％的Li2CO3，0.1-4wt％的LiF，0.1-3wt％的CuO，或前述任何物质的氧化物等价物。
在又一实施方案中，助熔剂和掺杂剂可包括：0.3-8wt％的硼酸锌，0.1-4wt％的B2O3，0-4wt％的SiO2，0-4wt％的BaCO3，0-4wt％的CaCO3，0-4wt％的Li2CO3，0.2-3.5wt％的LiF，0.2-2.5wt％的CuO，或前述任何物质的氧化物等价物。
在又一实施方案中，助熔剂和掺杂剂可包括：0-8wt％的硼酸锌，0.1-4wt％的B2O3，0-4wt％的SiO2，0-4wt％的BaCO3，0-4wt％的CaCO3，0-4wt％的Li2CO3，0-4wt％的LiF，0-3wt％的CuO，或前述任何物质的氧化物等价物。
在又一实施方案中，助熔剂和掺杂剂可包括：0-8wt％的硼酸锌，0.1-4wt％的B2O3，0-4wt％的SiO2，0-4wt％的CaCO3，0-4wt％的Li2CO3，0-4wt％的LiF，0-3wt％的CuO，或前述任何物质的氧化物等价物。
在又一个实施方案中，助熔剂和掺杂剂可包括：0.1-8wt％的硼酸锌，0.1-4wt％的B2O3，0-4wt％的SiO2，0-4wt％的BaCO3，0-4wt％的CaCO3，0-4wt％的Li2CO3，0-4wt％的LiF，0-3wt％的CuO，或前述任何物质的氧化物等价物。
在又一实施方案中，助熔剂和掺杂剂可包括：0-8wt％的硼酸锌，0.1-4wt％的B2O3，0-4wt％的SiO2，0-4wt％的BaCO3，0-4wt％的CaCO3，0-4wt％的Li2CO3，0-4wt％的LiF，0.1-3wt％的CuO，或前述任何物质的氧化物等价物。
在又一实施方案中，助熔剂和掺杂剂可包括：0-8wt％的硼酸锌，0.1-4wt％的B2O3，0-4wt％的SiO2，0-4wt％的CaCO3，0-4wt％的Li2CO3，0-4wt％的LiF，0.1-3wt％的CuO，或前述任何物质的氧化物等价物。
在又一实施方案中，助熔剂和掺杂剂可包括：0-8wt％的硼酸锌，0.1-4wt％的B2O3，0-4wt％的SiO2，0-4wt％的BaCO3，0-4wt％的CaCO3，0-4wt％的Li2CO3，0-4wt％的LiF，0.1-3wt％的CuO，或前述任何物质的氧化物等价物。
在又一个实施方案中，助熔剂和掺杂剂可包括：0-8wt％的硼酸锌，0.2-3.5wt％的B2O3，0-4wt％的SiO2，0-4wt％的CaCO3，0-4wt％的Li2CO3，0-4wt％的LiF，0.2-2.5wt％的CuO，或前述任何物质的氧化物等价物。
本发明的介电组合物不含任何形式的铅和任何形式的镉。
本发明的另一个实施方案是包含前体的混合物的无铅无镉组合物，该前体的混合物在烧制时形成无铅无镉介电材料，所述无铅无镉介电材料包含：(a)35-65wt％的TiO2，(b)25-55wt％的ZnO，(c)0.1-15wt％的Li2O，(d)0.1-5wt％的B2O3，(e)0-7wt％的SiO2，(f)0-6wt％的BaO，(g)0-6wt％的CaO，(h)0-5wt％的LiF，(i)0-5wt％的CuO，不含铅和镉。
本发明的另一个实施方案是包含前体的混合物的无铅无镉组合物，该前体的混合物在烧制时形成无铅无镉介电材料，所述无铅无镉介电材料包含：(a)45-75wt％的SiO2，(b)15-35wt％的SrO，(c)10-30wt％的CuO，(d)0.1-5wt％的B2O3，(e)0-4wt％的CaO，(f)0-4wt％的Li2O，(g)0-8wt％的ZnO，(g)0-4wt％的LiF，不含铅和镉。
本发明的又一个实施方案是包含前体的混合物的无铅无镉组合物，该前体的混合物在烧制时形成无铅无镉介电材料，所述无铅无镉介电材料包含：(a)45-75wt％的SiO2，(b)15-35wt％的SrO，(c)10-30wt％的CuO，(d)0.1-5wt％的B2O3，(e)0-6wt％的CaO，(f)0-3wt％的Li2O，(g)0-8wt％的ZnO，(g)0-5wt％的LiF，不含铅和镉。
在本发明的另一个实施方案中，无铅无镉组合物包含前体的混合物，该前体的混合物在烧制时形成无铅无镉介电材料，所述无铅无镉介电材料包含：(a)47-54wt％的TiO2，(b)33-51wt％的ZnO，(c)0.5-10wt％的Li2O，(d)0.91-1.8wt％的B2O3，(e)0.04-0.2wt％的SiO2，(f)0-0.6wt％的BaO，(g)0-0.4wt％的CaO，(h)0.1-4wt％的LiF，(i)0.1-3wt％的CuO，不含铅和镉。
在本发明的又一个实施方案中，无铅无镉组合物包含前体的混合物，该前体的混合物在烧制时形成无铅无镉介电材料，所述无铅无镉介电材料包含：(a)47-54wt％的TiO2，(b)33-51wt％的ZnO，(c)0.5-10wt％的Li2O，(d)0.1-3wt％的B2O3，(e)0-0.3wt％的SiO2，(f)0-0.6wt％的BaO，(g)0-0.4wt％的CaO，(h)0.1-4wt％的LiF，(i)0.1-3wt％的CuO，不含铅和镉。
在本发明的又一个实施方案中，无铅无镉组合物包含前体的混合物，该前体的混合物在烧制时形成无铅无镉介电材料，所述无铅无镉介电材料包含：(a)50-56wt％的SiO2，(b)22-24wt％的ZnO，(c)17-19wt％的CuO，(d)0.4-2.2wt％的B2O3，(e)0-0.4wt％的CaO，(f)0-6.5wt％的ZnO，(g)0.2-3wt％的Li2O，(h)0-5wt％的LiF，不含铅和镉。
在本发明的又一个实施方案中，无铅无镉组合物包含前体的混合物，该前体的混合物在烧制时形成无铅无镉介电材料，所述无铅无镉介电材料包含：(a)20-31wt％的TiO2，(b)16-25wt％的ZnO，(c)9-15wt％的SrO，(d)22-34wt％的SiO2，(e)6-12wt％的CuO，(f)2-4wt％的Li2O，(g)0.7-2wt％的B2O3，(h)0.1-0.5wt％的CaO，(i)0.2-1wt％的LiF，不含铅和镉。
介电糊剂。如本文所公开的，用于形成介电层的糊剂可通过将有机载体与介电原材料混合而获得。如上文所述的，同样有用的是在烧制时转化为这些氧化物和复合氧化物的前体化合物(碳酸盐、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐)。通过选择含有这些氧化物的化合物或这些氧化物的前体，并以适当的比例将它们混合，获得介电材料。确定介电原材料中这些化合物的比例，以便在烧制后，可以获得所需的介电层组成。介电原材料(如本文其它地方所公开的)通常以粉末形式使用，其平均粒径为约0.1至约3微米，更优选约1微米或更小。
有机载体。本文的糊剂包括有机物部分。有机物部分是或包括有机载体，有机载体是在有机溶剂中的粘合剂或在水中的粘合剂。本文所用粘合剂的选择不是严格的；常规的粘合剂如乙基纤维素、聚乙烯丁醇、乙基纤维素和羟丙基纤维素及其组合与溶剂一起是合适的。有机溶剂也不是严格的，并且可以根据具体的应用方法(即印刷或压片)从常规的有机溶剂中选择，例如丁基卡必醇、丙酮、甲苯、乙醇、二甘醇丁基醚；2，2，4-三甲基戊二醇单异丁酸酯α-松油醇；β-松油醇；γ松油醇；十三醇；二甘醇乙醚/>二甘醇丁醚(Butyl/>)和丙二醇；以及它们的共混物，以/>商标出售的产品可从位于美国田纳西州金斯波特的伊士曼化学公司(Eastman Chemical Company，Kingsport，TN)获得；以/>和/>商标出售的产品可从位于美国米德兰的陶氏化学公司(Dow Chemical Co.，Midland，MI)获得。
对本发明的介电糊剂的有机物部分没有特别的限制。在一个实施方案中，本发明的介电糊剂包含约10wt％至约40wt％的有机载体；在另一个实施方案中，为约10wt％至约30wt％。通常，糊剂包含约1至5wt％的粘合剂和约10至50wt％的有机溶剂，余量为介电组分(即，作为固体部分的介电材料)。在一个实施方案中，本发明的介电糊剂包含在其他地方公开的从约60至90wt％的固体部分，以及在本段落和前面的段落中描述的从约10wt％至约40wt％的有机物部分。如果需要，本发明的糊剂可以含有最多约10wt％的其它添加剂，例如分散剂、增塑剂、介电化合物和绝缘化合物。
填料。为了使不同介电组合物的带层之间的膨胀失配(expansion mismatch)最小化，可将填料如堇青石、氧化铝、锆石、熔融二氧化硅、硅铝酸盐以及它们的组合以1-30wt％，优选地2-20wt％，更优选地2-15wt％的量加入到一种或多种本文的介电糊剂中。
烧制。然后在气氛中烧制介电堆叠(两层或更多层)，该气氛根据形成内部电极层的糊剂中的导体类型来确定。当内部电极层由基底金属导体如镍和镍合金形成时，烧制气氛可具有约10-12至约10-8atm的氧分压。应当避免在低于约10-12atm的分压下烧制，因为在如此低的压力下，导体可能被异常地烧结，并可能变得与介电层断开。在氧分压高于约10-8atm时，内部电极层可能被氧化。最优选的氧分压为约10-11至约10-9atm。也可以在环境空气中烧制本文公开的介电组合物。然而，还原气氛(H2、N2或H2/N2)会不期望地将来自介电糊剂的Bi2O3还原成金属铋。
本文公开的LTCC组合物和装置的应用包括带通滤波器(高通或低通)、用于电信的无线发射器和接收器，包括蜂窝应用、功率放大器模块(PAM)、RF前端模块(FEM)、WiMAX2模块、LTE高级模块、传输控制单元(TCU)、电子动力转向(EPS)、发动机管理系统(EMS)、多种传感器模块、雷达模块、压力传感器、相机模块、小轮廓调谐器模块、用于装置和元件的薄型模块以及IC测试板。带通滤波器包含两个主要部分，一个是电容器，另一个是电感器。低K材料有利于设计电感器，但不适合于设计电容器，因为需要更大的有效区域来产生足够的电容。高K材料将导致相反的结果。本发明人发现低K(4-8)/中K(10-100)的LTCC材料可被共烧并制成单一元件；低K材料可以用于设计电感器区域，高K材料可以用于设计电容器区域以具有优化的性能。
实施例
提供以下实施例以说明本发明的优选方面，并且不意图限制本发明的范围。
将适量的ZnO、Li2CO3和TiO2，或者适量的SiO2、SrCO3和CuO混合，然后在水介质中一起研磨至粒径D50在约0.2-5.0微米的范围内。将该浆料干燥并在约800-1250℃煅烧约1-10小时以形成主体材料。煅烧后，然后将所得主体材料机械粉碎，并根据本文所述的制剂与助熔剂和掺杂剂混合，并再次在水介质中研磨至粒径D50在约0.2至约5.0微米的范围内。或者，粒径D50在约0.5至约1.0微米的范围内。将研磨的颗粒干燥并粉碎以产生细碎的粉末。然后将所得粉末压制成圆柱形粒料，并在约800-910℃的温度下烧制。例如，粒料可以在约850-900℃的温度下烧制约15-60分钟。烧制(烧结)后的粒料具有表1中所列的组成。
表1.焙烧后颗粒的重量％组成。
| 制剂 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| TiO2 | 47.266 | 50.895 | 53.437 | 48.475 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 20.358 | 25.447 | 30.537 |
| ZnO | 50.351 | 41.109 | 40.840 | 43.490 | 0.000 | 6.051 | 3.229 | 16.444 | 20.555 | 24.665 |
| SrO | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 23.910 | 22.029 | 23.077 | 14.346 | 11.955 | 9.564 |
| SiO2 | 0.000 | 0.000 | 0.123 | 0.052 | 55.584 | 51.098 | 53.529 | 33.351 | 27.792 | 22.234 |
| CuO | 0.654 | 0.652 | 0.246 | 0.509 | 18.576 | 17.476 | 18.362 | 11.407 | 9.614 | 7.822 |
| Li2O | 0.567 | 4.760 | 4.024 | 5.146 | 0.621 | 0.000 | 0.000 | 2.276 | 2.690 | 3.104 |
| B2O3 | 1.203 | 1.190 | 0.943 | 1.779 | 0.929 | 2.113 | 0.417 | 1.033 | 1.060 | 1.086 |
| BaO | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.549 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 0.000 |
| CaO | 0.000 | 0.000 | 0.386 | 0.000 | 0.380 | 0.000 | 0.000 | 0.228 | 0.190 | 0.152 |
| LiF | 0.000 | 1.394 | 0.000 | 0.000 | 0.000 | 1.233 | 1.386 | 0.557 | 0.697 | 0.836 |
下表给出了表1中列出的制剂的性质和性能数据。
表2.烧制后的制剂1-10的K、Q和Qf数据。
发现制剂1-10在烧制后的介电常数(K)在约5.15至约23.28的范围内。使用谐振腔技术测量介电常数(K)和Q值。当在约9GHz或更高频率下测量时，烧制后的制剂1-10测量的Q值在约873至约2706的范围内。
本领域技术人员将容易地想到另外的优点和修改。因此，本发明在其更广泛的方面不限于本文所示和所述的具体细节和说明性实例。因此，在不背离由所附权利要求及其等同物限定的本发明总体构思的精神或范围的情况下，可以进行各种修改。
本发明由以下项目进一步限定。
项目1、一种无铅无镉的组合物，所述无铅无镉组合物包含：
(a)80-99.6wt％的煅烧的主体材料，所述主体材料包含：
i)40-65wt％的TiO2，
ii)30-60wt％的ZnO，
iii)0.1-15wt％的Li2O，
iv)0-5wt％的MnO2，
v)0-5wt％的NiO，
vi)不含铅，且
vii)不含镉，
和
(b)0.3-8wt％的硼酸锌，
(c)0.1-4wt％的B2O3，
(d)0-4wt％的SiO2，
(e)0-4wt％的BaCO3，
(f)0-4wt％的CaCO3，
(g)0-4wt％的Li2CO3，
(h)0-4wt％的LiF和
(i)0-3wt％的CuO，
或前述任何物质的氧化物等价物，不含铅和镉。
项目2、根据项目1所述的无铅无镉组合物，其中，LiF的含量为0.1-4wt％，CuO的含量为0.1-3wt％。
项目3、根据项目1所述的无铅无镉组合物，其中，LiF的含量为0.2-3.5wt％，CuO的含量为0.2-2.5wt％。
项目4、一种无铅无镉组合物，所述无铅无镉组合物包含：
(a)80-99.9wt％的煅烧的主体材料，所述主体材料包含：
i)45-75wt％的SiO2，
ii)15-35wt％的SrO，
iii)10-30wt％的CuO，
iv)不含铅，且
v)不含镉，
和
(b)0-8wt％的硼酸锌，
(c)0.1-4wt％的B2O3，
(d)0-4wt％的SiO2，
(e)0-4wt％的CaCO3，
(f)0-4wt％的Li2CO3，
(g)0-4wt％的LiF和
(h)0-3wt％的CuO，
或前述任何物质的氧化物等价物，不含铅和镉。
项目5、根据项目4所述的无铅无镉组合物，其中，CuO的含量为0.1-3wt％。
项目6、根据项目4所述的无铅无镉组合物，其中，B2O3的含量为0.2-3.5wt％，CuO的含量为0.2-2.5wt％。
项目7、一种无铅无镉组合物，所述无铅无镉组合物包含：
(a)80-99.8wt％的项目1和项目4中任一项的主体材料的任意组合，
和
(b)0.1-8wt％的硼酸锌，
(c)0.1-4wt％的B2O3，
(d)0-4wt％的SiO2，
(e)0-4wt％的CaCO3，
(f)0-4wt％的BaCO3，
(g)0-4wt％的Li2CO3，
(h)0-4wt％的LiF，和
(i)0-3wt％的CuO，
或前述任何物质的氧化物等价物，不含铅和镉。
项目8、一种无铅无镉组合物，所述无铅无镉组合物包含前体的混合物，所述前体的混合物在烧制时形成无铅无镉介电材料，所述无铅无镉电介质材料包含：
(a)35-65wt％的TiO2，
(b)25-55wt％的ZnO，
(c)0.1-15wt％的Li2O，
(d)0.1-5wt％的B2O3，
(e)0-7wt％的SiO2，
(f)0-6wt％的BaO，
(g)0-6wt％的CaO，
(h)0-5wt％的LiF，和
(i)0-5wt％的CuO，
不含铅和镉。
项目9、根据项目8所述的无铅无镉组合物，其中：
TiO2的含量为47-54wt％，
ZnO的含量为33-51wt％，
Li2O的含量为0.5-10wt％，
B2O3的含量为0.1-3wt％，
SiO2的含量为0-0.3wt％，
BaO的含量为0-0.6wt％，
CaO的含量为0-0.4wt％，
LiF的含量为0.1-4wt％，且
CuO的含量为0.1-3wt％。
项目10、一种无铅无镉组合物，所述无铅无镉组合物包含前体的混合物，所述前体的混合物在烧制时形成无铅无镉介电材料，所述无铅无镉介电材料包含：
(a)45-75wt％的SiO2，
(b)15-35wt％的SrO，
(c)10-30wt％的CuO，
(d)0.1-5wt％的B2O3，
(e)0-6wt％的CaO，
(f)0-8wt％的ZnO，
(g)0-3wt％的Li2O，和
(h)0-5wt％的LiF，
不含铅和镉。
项目11、根据项目10所述的无铅无镉组合物，其中：
SiO2的含量为50-56wt％，
SrO的含量为22-24wt％，
CuO的含量为17-19wt％，
B2O3的含量为0.4-2.2wt％，
CaO的含量为0-0.4wt％，
ZnO含量为0-6.5wt％，
Li2O的含量为0.2-3wt％，且
LiF的含量为0-5wt％。
项目12、一种无铅无镉组合物，所述无铅无镉组合物包含前体的混合物，所述前体的混合物在烧制时形成无铅无镉介电材料，所述无铅无镉介电材料包含：
(a)20-31wt％的TiO2，
(b)16-25wt％的ZnO，
(c)9-15wt％的SrO，
(d)22-34wt％的SiO2，
(e)6-12wt％的CuO，
(f)2-4wt％的Li2O，
(g)0.7-2wt％的B2O3，
(h)0.1-0.5wt％的CaO，和
(i)0.2-1wt％的LiF，
不含铅和镉。
项目13、一种无铅无镉组合物，所述无铅无镉组合物包含前体的混合物，所述前体的混合物在烧制时形成包含项目8-12的任意组合的无铅无镉介电材料。
项目14、根据项目1-11中任一项所述的无铅无镉组合物，其中，在烧制后，当在大于5GHz下测量时，所述介电材料表现出至少800的Q值。
项目15、根据项目1至13中任一项所述的无铅无镉组合物，其中，在烧制后，所述介电材料表现出5至50的介电常数K。
项目16、根据项目1、4和7中任一项所述的无铅无镉组合物，其中，所述煅烧过的主体材料的粒径D50在0.2至0.5微米范围内。
项目17、一种电气或电子元件，所述电气或电子元件在烧制之前包含项目1-16中任一项所述的无铅无镉组合物以及导电糊剂，所述导电糊剂包含：
a.60-90wt％的Ag+Pd+Pt+Au，
b.1-10wt％的选自由过渡金属的硅化物、碳化物、氮化物和硼化物组成的组的添加剂，
c.0.5-10wt％的至少一种玻璃料，和
d.10-40wt％的有机部分。
项目18、根据项目17所述的电气或电子元件，其中所述电气或电子元件选自由高Q谐振器、电磁干扰滤波器、带通滤波器、无线封装系统及其组合组成的组。
项目19、一种形成电子元件的方法，包括：
(a1)将项目1-13中任一项所述的组合物施加到基底上，或
(a2)将包含项目1-13中任一项所述的组合物的带材施加到基底，或
(a3)压实项目1-13中任一项所述的组合物的多个颗粒以形成整体式复合基底；以及
(b)在足以烧结所述组合物的温度下烧制所述基底。
项目20、根据项目19所述的方法，其中所述烧制在约800℃至约910℃的温度下进行。
本发明还提供了下列项目。
1、一种无铅无镉组合物，所述无铅无镉组合物包含：
(a)80-99.6wt％的煅烧的主体材料，所述主体材料包含：
i)40-65wt％的TiO2，
ii)30-60wt％的ZnO，
iii)0.1-15wt％的Li2O，
iv)0-5wt％的MnO2，
v)0-5wt％的NiO，
vi)不含铅，且
vii)不含镉，
以及
(b)0.3-8wt％的硼酸锌，
(c)0.1-4wt％的B2O3，
(d)0-4wt％的SiO2，
(e)0-4wt％的BaCO3，
(f)0-4wt％的CaCO3，
(g)0-4wt％的Li2CO3，
(h)0-4wt％的LiF和
(i)0-3wt％的CuO；
或前述任何物质的氧化物等价物，不含铅和镉。
2、根据项目1所述的无铅无镉组合物，其中，LiF的含量为0.1-4wt％，CuO的含量为0.1-3wt％。
3、根据项目1所述的无铅无镉组合物，其中，LiF的含量为0.2-3.5wt％，CuO的含量为0.2-2.5wt％。
4、一种无铅无镉组合物，所述无铅无镉组合物包含：
(a)80-99.9wt％的煅烧的主体材料，所述主体材料包含：
i)45-75wt％的SiO2，
ii)15-35wt％的SrO，
iii)10-30wt％的CuO，
iv)不含铅，且
v)不含镉，
以及
(b)0-8wt％的硼酸锌，
(c)0.1-4wt％的B2O3，
(d)0-4wt％的SiO2，
(e)0-4wt％的CaCO3，
(f)0-4wt％的Li2CO3，
(g)0-4wt％的LiF和
(h)0-3wt％的CuO；
或前述任何物质的氧化物等价物，不含铅和镉。
5、根据项目4所述的无铅无镉组合物，其中，CuO的含量为0.1-3wt％。
6、根据项目4所述的无铅无镉组合物，其中，B2O3的含量为0.2-3.5wt％，以及CuO的含量为0.2-2.5wt％。
7、根据项目4所述的无铅无镉组合物，其中，所述主体材料的含量为80-99.8wt％，以及硼酸锌的含量为0.1-8wt％。
8、一种无铅无镉组合物，所述无铅无镉组合物包含混合物，所述混合物在烧制时形成无铅无镉介电材料，所述介电材料包含：
(a)35-65wt％的TiO2，
(b)25-55wt％的ZnO，
(c)0.1-15wt％的Li2O，
(d)0.1-5wt％的B2O3，
(e)0-7wt％的SiO2，
(f)0-6wt％的BaO，
(g)0-6wt％的CaO，
(h)0-5wt％的LiF，
(i)0-5wt％的CuO，以及
不含铅和镉。
9、根据项目8所述的无铅无镉介电材料，其中：
TiO2的含量为47-54wt％，
ZnO的含量为33-51wt％，
Li2O的含量为0.5-10wt％，
B2O3的含量为0.1-3wt％，
SiO2的含量为0-0.3wt％，
BaO的含量为0-0.6wt％，
CaO的含量为0-0.4wt％，
LiF的含量为0.1-4wt％，以及
CuO的含量为0.1-3wt％。
10、一种无铅无镉组合物，所述无铅无镉组合物包含混合物，所述混合物在烧制时形成无铅无镉介电材料，所述介电材料包含：
(a)45-75wt％的SiO2，
(b)15-35wt％的SrO，
(c)10-30wt％的CuO，
(d)0.1-5wt％的B2O3，
(e)0-6wt％的CaO，
(f)0-8wt％的ZnO，
(g)0-3wt％的Li2O，
(h)0-5wt％的LiF，以及
不含铅和镉。
11、根据项目10所述的无铅无镉组合物，其中：
SiO2的含量为50-56wt％，
SrO的含量为22-24wt％，
CuO的含量为17-19wt％，
B2O3的含量为0.4-2.2wt％，
CaO的含量为0-0.4wt％，
ZnO含量为0-6.5wt％，
Li2O的含量为0.2-3wt％，以及
LiF的含量为0-5wt％。
12、一种无铅无镉组合物，所述无铅无镉组合物包含混合物，所述混合物在烧制时形成无铅无镉介电材料，所述介电材料包含：
(a)20-31wt％的TiO2，
(b)16-25wt％的ZnO，
(c)9-15wt％的SrO，
(d)22-34wt％的SiO2，
(e)6-12wt％的CuO，
(f)2-4wt％的Li2O，
(g)0.7-2wt％的B2O3，
(h)0.1-0.5wt％的CaO，以及
(i)0.2-1wt％的LiF，
不含铅和镉。
13、根据项目12所述的无铅无镉组合物，其中，在烧制后，当在大于5GHz下测量时，所述介电材料表现出至少800的Q值。
14、根据项目12所述的无铅无镉组合物，其中，在烧制后，所述介电材料表现出5至50的介电常数K。
15、根据项目1所述的无铅无镉组合物，其中，所述煅烧过的主体材料的粒径D50在0.2至0.5微米范围内。
16、一种电气或电子元件，所述电气或电子元件在烧制之前包含项目1所述的无铅无镉组合物以及导电糊剂，所述导电糊剂包含：
a.60-90wt％的Ag+Pd+Pt+Au，
b.1-10wt％的选自由过渡金属的硅化物、碳化物、氮化物和硼化物组成的组的添加剂，
c.0.5-10wt％的至少一种玻璃料，和
d.10-40wt％的有机部分。
17、根据项目16所述的电气或电子元件，其中，所述电气或电子元件选自由高Q谐振器、电磁干扰滤波器、带通滤波器、无线封装系统及其组合组成的组。
18、一种形成电子元件的方法，包括：
(a1)将项目1所述的组合物施加到基底上，或
(a2)将包含项目1所述的组合物的带材施加到基底，或
(a3)压实项目1所述的组合物的多个颗粒以形成整体式复合基底；以及
(b)在足以烧结所述组合物的温度下烧制所述基底。
19、根据项目18所述的方法，其中，所述烧制在约800℃至约910℃的温度下进行。
Claims (15)
1.一种无铅无镉组合物，所述无铅无镉组合物包含：
(a)80-99.9wt％的煅烧的主体材料，所述主体材料包含：
ⅰ)45-75wt％的SiO2，
ⅱ)15-35wt％的SrO，
ⅲ)10-30wt％的CuO，
ⅳ)不含铅，且
ⅴ)不含镉，
以及
(b)0-8wt％的硼酸锌，
(c)0.1-4wt％的B2O3，
(d)0.01-4wt％的SiO2，
(e)0.01-4wt％的CaCO3，
(f)0.01-4wt％的Li2CO3，
(g)0.01-4wt％的LiF和
(h)0.01-3wt％的CuO；
或前述任何物质的氧化物等价物，不含铅和镉。
2.根据权利要求1所述的无铅无镉组合物，其中，CuO的含量为0.1-3wt％。
3.根据权利要求1所述的无铅无镉组合物，其中，硼酸锌的含量为0.1-8wt％。
4.根据权利要求1所述的无铅无镉组合物，其中，B2O3的含量为0.2-3.5wt％，以及CuO的含量为0.2-2.5wt％。
5.根据权利要求1所述的无铅无镉组合物，其中，所述主体材料的含量为80-99.8wt％，以及硼酸锌的含量为0.1-8wt％。
6.一种无铅无镉组合物，所述无铅无镉组合物包含混合物，所述混合物在烧制时形成无铅无镉介电材料，所述介电材料包含：
(a)45-75wt％的SiO2，
(b)15-35wt％的SrO，
(c)10-30wt％的CuO，
(d)0.1-5wt％的B2O3，
(e)0-6wt％的CaO，
(f)0-8wt％的ZnO，
(g)0-3wt％的Li2O，
(h)0-5wt％的LiF，以及
不含铅和镉。
7.根据权利要求6所述的无铅无镉组合物，包括：
SiO2的含量为50-56wt％，
SrO的含量为22-24wt％，
CuO的含量为17-19wt％，
B2O3的含量为0.4-2.2wt％，
CaO的含量为0.01-0.4wt％，
ZnO含量为0.01-6.5wt％，
Li2O的含量为0.2-3wt％，以及
LiF的含量为0.01-5wt％。
8.一种无铅无镉组合物，所述无铅无镉组合物包含混合物，所述混合物在烧制时形成无铅无镉介电材料，所述介电材料包含：
(a)20-31wt％的TiO2，
(b)16-25wt％的ZnO，
(c)9-15wt％的SrO，
(d)22-34wt％的SiO2，
(e)6-12wt％的CuO，
(f)2-4wt％的Li2O，
(g)0.7-2wt％的B2O3，
(h)0.1-0.5wt％的CaO，以及
(i)0.2-1wt％的LiF，
不含铅和镉。
9.根据权利要求6所述的无铅无镉组合物，其中，在烧制后，当在大于5GHz下测量时，所述介电材料表现出至少800的Q值。
10.根据权利要求6所述的无铅无镉组合物，其中，在烧制后，所述介电材料表现出5至50的介电常数K。
11.根据权利要求1所述的无铅无镉组合物，其中，煅烧过的主体材料的粒径D50在0.2至0.5微米范围内。
12.一种电气或电子元件，所述电气或电子元件在烧制之前包含权利要求1或6所述的无铅无镉组合物以及导电糊剂，所述导电糊剂包含：
a.60-90wt％的Ag+Pd+Pt+Au，
b.1-10wt％的选自由过渡金属的硅化物、碳化物、氮化物和硼化物组成的组的添加剂，
c.0.5-10wt％的至少一种玻璃料，和
d.10-40wt％的有机部分。
13.根据权利要求12所述的电气或电子元件，其中，所述电气或电子元件选自由高Q谐振器、电磁干扰滤波器、带通滤波器、无线封装系统及其组合组成的组。
14.一种形成电子元件的方法，包括：
(a1)将权利要求1或6所述的组合物施加到基底上，或
(a2)将包含权利要求1或6所述的组合物的带材施加到基底，或
(a3)压实权利要求1或6所述的组合物的多个颗粒以形成整体式复合基底；以及
(b)在足以烧结所述组合物的温度下烧制所述基底。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述烧制在800℃至910℃的温度下进行。
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