CN113461413B - 一种ltcc陶瓷材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LTCC陶瓷材料及其制备方法与应用。本发明的LTCC陶瓷材料包括如下质量分数计的组分：30‑40％的KBS玻璃粉、60‑70％的球形SiO2。通过添加球形SiO2，有效降低LTCC陶瓷介电常数，使得材料介电常数低至3.7，介电损耗低至0.2％；球形SiO2的球形度≥98％，且以三种粒径SiO2级配，提高了材料的烧结致密性，使得烧结陶瓷体气孔率低至0.09％。本发明的LTCC陶瓷材料具有超低介电常数，损耗较低，且致密性良好，适用于高频通讯及射频领域。

Description

一种LTCC陶瓷材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及电子陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种LTCC陶瓷材料及其制备方法与应用。
背景技术
随着5G通讯及万物互联时代的到来，高频应用成为趋势。为减少信号传输损耗，加快信号传输速率，低介电常数LTCC陶瓷材料受到越来越多的关注。现用途较为广泛的低介瓷粉多采用玻璃+Al2O3体系材料，由于Al2O3介电常数偏高(9～11)，现有材料体系介电常数一般高于5.0，进一步的降低瓷粉介电常数较为困难。采用增加体系中玻璃比例的方法虽然可以有效降低介电常数，但玻璃的过多添加，导致烧结陶瓷中存在较多的气孔，极大降低了陶瓷的可靠性。在先前的专利CN201910155188X中，公开了一种材料，在玻璃+Al2O3体系中添加SiO2的方式来降低介电常数并提高致密度，但此方法中介电常数最低只能达到4.3，气孔率最低只能达到0.11％，难以进一步降低。尚在开发的有机-无机复合物陶瓷材料介电常数可低至4以下，但有机聚合物耐温度特性较差，且与目前LTCC集成工艺不匹配，无法满足高密度集成需求。为此，急需开发出符合传统LTCC工艺的超低介电常数且致密性良好的陶瓷材料。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种LTCC陶瓷材料，具有超低介电常数和良好致密性，损耗较低。
本发明的另一目的在于提供上述LTCC陶瓷材料的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述LTCC陶瓷材料的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种LTCC陶瓷材料，包括如下质量分数的组分：30-40％的KBS玻璃粉、60-70％的球形SiO2。
所述球形SiO2的球形度优选为大于98％。
所述球形SiO2优选为三种中位粒径(D50)二氧化硅的混合粉体：D50为0.1-0.2μm的SiO2(S1)、D50为0.8-1.1μm的SiO2(S2)、D50为2.0-2.4μm的SiO2(S3)。
所述混合粉体中S1、S2以及S3的比例分别为5-15wt％、55-75wt％、20-35wt％。
上述LTCC陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将KBS玻璃粉、球形SiO2混合，球磨，烘干，得到LTCC瓷粉；
(2)步骤(1)中所述LTCC瓷粉中添加聚乙烯醇(PVA)溶液进行造粒，压制成圆片，烧结，保温，即得到LTCC陶瓷材料。
步骤(1)中所述球磨优选为行星球磨。
步骤(1)中所述球磨的时间优选为1-4h；更优选为2h。
步骤(1)中所述球磨的媒介优选为去离子水。
步骤(1)中所述烘干优选为90-150℃烘干10-20h；更优选为120℃烘干12h。
步骤(2)中所述PVA溶液的用量优选为所述LTCC瓷粉质量的7-10％。
步骤(2)中所述PVA溶液的浓度为5-8wt％。
步骤(2)中所述烧结的温度优选为850-900℃。
步骤(2)中所述保温为850-900℃保温0.5-3h。
步骤(1)中所述KBS玻璃粉的制备方法为：
(a)将SiO2、H3BO3、K2CO3、Na2CO3、CaCO3、BaCO3混合，球磨，烘干，玻璃液均化，淬火；
(b)将步骤(1)中淬火后的玻璃球磨，得到玻璃浆料，烘干，得到KBS玻璃粉。
步骤(a)中所述SiO2、H3BO3、K2CO3、Na2CO3、CaCO3、BaCO3的质量比为50-65：30-45：1-4：0-0.5：0.1-0.8：0.1-0.7；优选为55-58：40-43：1.3-1.6：0-0.2：0.1-0.3：0.1-0.3；更优选为56.9：41.1：1.5：0.1：0.2：0.2。
步骤(a)中所述球磨优选为行星球磨4h。
步骤(a)中所述玻璃液均化的条件优选为1300℃均化2h。
步骤(a)中所述淬火优选为采用去离子水。
步骤(a)和(b)中所述球磨的媒介优选为去离子水。
步骤(a)和(b)中所述烘干优选为100℃下烘干12h。
步骤(b)中所述球磨优选为行星球磨12h。
步骤(b)中所述球磨的介质优选为氧化锆球。
上述LTCC陶瓷材料在制备微波介质器件中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过添加球形SiO2，有效降低LTCC陶瓷介电常数，使得材料介电常数低至3.7，介电损耗低至0.2％。本发明的球形SiO2的球形度≥98％，且以三种粒径SiO2级配，提高了材料的烧结致密性，使得烧结陶瓷体气孔率低至0.09％。本发明的LTCC陶瓷材料具有超低介电常数，损耗较低，且致密性良好，适用于高频通讯及射频领域领域。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
1、按照配比称取原料：SiO2(56.9wt％)，H3BO3(41.1wt％)，K2CO3(1.5wt％)，Na2CO3(0.1wt％)、CaCO3(0.2wt％)、BaCO3(0.2wt％)。采用玛瑙球磨罐，以去离子水为媒介，行星球磨4h，出料，100℃下烘干12h，得到原料粉；
2、将烘干的原料粉装在铂金坩埚中，置于高温炉中，在1300℃下保温2h，使得玻璃液均化，将玻璃液高温取出，于去离子水中淬火；
3、将上述淬火后的玻璃置于玛瑙球磨罐中，以氧化锆球为介质，去离子水为媒介，行星球磨12h，得到玻璃浆料，将玻璃浆料于100℃下烘干12h，得到K-B-Si(KBS)玻璃粉；
4、以表1所示配比称取KBS玻璃粉、球形SiO2，其中，球形SiO2含量为60-70wt％，球形度大于98％。球形SiO2为三种不同中位粒径(D50)二氧化硅的混合粉体：D50为0.1-0.2μm的SiO2(S1)占总体SiO2比例为5-15wt％，D50为0.8-1.1μm的SiO2(S2)占总体SiO2比例为55-75wt％，D50为2.0-2.4μm的SiO2(S3)占总体SiO2比例为20-35wt％，将称取的原料置于玛瑙球磨罐中，以去离子水为媒介，行星球磨2h，使得粉体混合均匀，再在120℃烘干，得到LTCC瓷粉；
5、在上述LTCC瓷粉中添加7wt％的PVA溶液(浓度为8wt％)，造粒并压制成圆片，在875℃烧结，保温1h，得到LTCC陶瓷圆片。
在所得LTCC陶瓷圆片上涂敷Ag电极，烧银后进行性能测试。介电常数和介电损耗采用精密电容测试仪(HP 4286A)测试得到；气孔率采用静水力学称重法，按照《中华人民共和国轻工业行业标准：QB/T 1642-2012》测试计算得到。
表1给出了几个组分的实施例、对比例及所得陶瓷的介电性能，其中对比例1中SiO2含量为75wt％，超过了规定的70wt％的上限，导致烧结后瓷体开裂；对比例2中S1占总体SiO2比例为2wt％，低于要求的5-15wt％的下限，对比例3中S2占总体SiO2比例为50wt％，低于要求的55-75wt％的下限，对比例4中S3占总体SiO2比例的40wt％，超过了要求的20-35wt％的上限，导致烧结后瓷体气孔率≥1.0％，无法满足LTCC陶瓷应用。
表1具体实施例及所得样品介电性能和气孔率
Figure BDA0003145380290000051
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种LTCC陶瓷材料，其特征在于包括如下质量分数计的组分：30-40％的KBS玻璃粉、60-70％的球形SiO2；
所述球形SiO2的球形度大于98％；
所述球形SiO2为三种D50二氧化硅的混合粉体：D50为0.1-0.2μm的SiO2S1、D50为0.8-1.1μm的SiO2 S2、D50为2.0-2.4μm的SiO2 S3；
所述混合粉体中S1、S2以及S3的用量分别为5-15wt％、55-75wt％、20-35wt％；
所述KBS玻璃粉的组分为SiO2、H3BO3、K2CO3、Na2CO3、CaCO3、BaCO3，质量比为50-65：30-45：1-4：0-0.5：0.1-0.8：0.1-0.7。
2.权利要求1所述LTCC陶瓷材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将KBS玻璃粉、球形SiO2混合，球磨，烘干，得到LTCC瓷粉；
(2)步骤(1)中所述LTCC瓷粉中添加PVA溶液进行造粒，压制成圆片，烧结，保温，即得到LTCC陶瓷材料。
3.根据权利要求2所述LTCC陶瓷材料的制备方法，其特征在于，
步骤(1)中所述球磨的时间为1-4h；
步骤(1)中所述球磨的媒介为去离子水；
步骤(1)中所述球磨为行星球磨；
步骤(1)中所述烘干为90-150℃烘干10-20h；
步骤(2)中所述PVA溶液的用量为所述LTCC瓷粉质量的7-10％；
步骤(2)中所述PVA溶液的浓度为5-8wt％；
步骤(2)中所述烧结的温度为850-900℃；
步骤(2)中所述保温为850-900℃保温0.5-3h。
4.根据权利要求3所述LTCC陶瓷材料的制备方法，其特征在于，
步骤(1)中所述球磨的时间为2h；
步骤(1)中所述烘干为120℃烘干12h。
5.根据权利要求2所述LTCC陶瓷材料的制备方法，其特征在于，
步骤(1)中所述KBS玻璃粉的制备方法为：
(a)将SiO2、H3BO3、K2CO3、Na2CO3、CaCO3、BaCO3混合，球磨，烘干，玻璃液均化，淬火；
(b)将步骤(1)中淬火后的玻璃球磨，得到玻璃浆料，烘干，得到KBS玻璃粉。
6.根据权利要求5所述LTCC陶瓷材料的制备方法，其特征在于，
步骤(a)中所述球磨为行星球磨4h；
步骤(a)中所述玻璃液均化的条件为1300℃均化2h；
步骤(a)中所述淬火为采用去离子水；
步骤(a)和(b)中所述球磨的媒介为去离子水；
步骤(a)和(b)中所述烘干为100℃下烘干12h；
步骤(b)中所述球磨为行星球磨12h；
步骤(b)中所述球磨的介质为氧化锆球。
7.根据权利要求5所述LTCC陶瓷材料的制备方法，其特征在于，
步骤(a)中所述SiO2、H3BO3、K2CO3、Na2CO3、CaCO3、BaCO3的质量比为55-58：40-43：1.3-1.6：0-0.2：0.1-0.3：0.1-0.3。
8.权利要求1所述LTCC陶瓷材料在制备微波介质器件中的应用。
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