DE2700333C3 - Glass-ceramic material of the basic system SiO2 -Al2 O3 -MgO- TiO2 with dielectric properties that come close to those of aluminum oxide ceramics and process for its production - Google Patents
Glass-ceramic material of the basic system SiO2 -Al2 O3 -MgO- TiO2 with dielectric properties that come close to those of aluminum oxide ceramics and process for its productionInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Technologie zur Herstellung von ginskeramischem Material, insbesondere von Material, das in der Elektronentechnik, beispielsweise als Grundplatten für Integrierschaltungen in Höchstfrequenzapparaturen verwendet wird.The present invention relates to technology for the manufacture of gin-ceramic Material, especially material used in electronics, for example as base plates for Integrating circuits used in high frequency equipment.
Die Vervollkommnung und Mikrominiaturisierung von Geräten der Elektronentechnik erfordert die Verwendung von Materialien mit erhöhter Dielektrizitätskonstante (etwa um 10) und einem geringen dielektrischen Verlustfaktor bei einer Frequenz von 1010Hz.The perfection and microminiaturization of electronic engineering devices requires the use of materials with an increased dielectric constant (around 10) and a low dielectric loss factor at a frequency of 10 10 Hz.
Es ist ein glaskeramisches Material der Zusammensetzung SiO2, AI2O3, MgO, TiO2 bekannt, welches einen geringen dielektrischen Verlustfaktor aufweist. Seine Dielektrizitätskonstante ist aber ebenfalls nicht hoch (5,5 bis 7,5). Sie wird dadurch begrenzt, daß das Titandioxid nicht in Form von Rutil (ε «80 bis 100), sondern im wesentlichen in Form von festen Lösungen von Titanaten des Magnesiums und des Aluminiums ausgeschieden wird.A glass-ceramic material with the composition SiO 2 , Al2O3, MgO, TiO 2 is known, which has a low dielectric loss factor. However, its dielectric constant is also not high (5.5 to 7.5). It is limited by the fact that the titanium dioxide is not precipitated in the form of rutile (ε «80 to 100), but essentially in the form of solid solutions of titanates of magnesium and aluminum.
Als Grundplatten von Dünnschichtmikroschaltungen in Geräten der Elektronentechnik verwendet man glaskristallines Material, welches SiO2, Al2O3, CaO, MgO und TiO2 enthält. Dieses Material kann jedoch im Höchstfrequenzbereich infoige großer Verluste in diesem Frequenzbereich (40 bis 45 · 10 -■♦) nich« eingesetzt werden. Glass-crystalline material containing SiO 2 , Al 2 O 3 , CaO, MgO and TiO 2 is used as the base plate of thin-film microcircuits in electronic technology devices. However, this material cannot be used in the high frequency range, with any large losses in this frequency range (40 to 45 · 10 - ■ ♦).
Für die genannten Ziele verwendet man Materialien auf der Basis von Alumoxidkeramik (mit einem Gehall an Al2O3 von 96 bis 99,5%), die bei genügend hohen Werten der Dielektrizitätskonstante niedrige dielektrische Verluste aufweisen. Jedoch sind Unterlagen aus den genannten Materialien, die eine hohe Güte der Oberflächenbearbeitung (Rauheit der Oberfläche 0,05 μπι) aufweisen, sehr teuer. Ihre Kosten übersteigen 5- bis 6mal die Kosten analoger Erzeugnisse aus glaskristallinen Materialien.For the purposes mentioned, materials based on alumina ceramics (with an Al 2 O 3 content of 96 to 99.5%) are used, which have low dielectric losses with sufficiently high values of the dielectric constant. However, documents made of the materials mentioned, which have a high quality of surface processing (roughness of the surface 0.05 μm), are very expensive. Their cost is 5 to 6 times higher than the cost of analog products made from glass-crystalline materials.
Es ist ein Verfahren zur Herstellung eines glaskeramischen Materials bekannt, welches darin besteht, daß man ein Ausgangsglas auf die maximale Kristallisationstempera tür erhitzt und anschließend bei dieser Temperatur hält. Dabei sind die für jedes Material notwendigen Erhitzungsgeschwindigkeiten und Temperaturmaterial spezifisch.A method for producing a glass-ceramic material is known, which consists in that a starting glass is heated to the maximum crystallization temperature and then at this temperature holds. Here are the heating rates and temperature material necessary for each material specific.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden und ein neues glaskeramisches Material zu entwickeln, welches dielektrische Eigenschaften der Alumoxidkeramik nahekommen sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses glaskeramischen Materials mit den erforderlichen Eigenschaften zu entwickeln.The purpose of the present invention is to avoid the disadvantages mentioned and a new one To develop glass-ceramic material, which has dielectric properties close to that of aluminum oxide ceramics and a method for producing this glass-ceramic material with the necessary Develop properties.
Der vorliegenden Erfindung wurde die technische Aufgabe zugrunde gelegt, eine solche Zusammensetzung, solche Zusätze und solche Kristallisationsbedingungen anzugeben, die es möglich machen, ein glaskeramisrhes Material mit den obengenannten Eigenschaften zu erhalten.The present invention was based on the technical problem of providing such a composition, to indicate such additives and such crystallization conditions that make it possible To obtain glass-ceramic material with the above properties.
Zur Lösung der genannten Aufgabe wird erfindungsgemäß ein glaskeramisches Material mit dielektrischen Eigenschaften, die den Eigenschaften der Alumoxidkeramik (Dielektrizitätskonstante 10 und dielektrischer Verlustfaktor 3 bis 5 · lO^4 bei einer Frequenz von 1010Hz) nahekommen, vorgeschlagen, welches die Oxide SiO2, AI2O3, MgO, TiO2 enthält, dem 14,0 bis 17,0 Gewichtsprozent mindestens einer der Seltenen Erdoxide CeO2, La2O3, Pr2Oj, Nd2O3 zugesetzt sind.According to the invention, a glass-ceramic material with dielectric properties which approximate the properties of aluminum oxide ceramics (dielectric constant 10 and dielectric loss factor 3 to 5 · 10 ^ 4 at a frequency of 10 10 Hz) is proposed to solve the stated problem, which is the oxides SiO 2 , Al 2 O 3 , MgO, TiO 2 , to which 14.0 to 17.0 percent by weight of at least one of the rare earth oxides CeO 2 , La 2 O 3 , Pr 2 Oj, Nd 2 O 3 are added.
Eine solche technische Lösung ermöglicht es, ein glaskeramisches Material mit einem gegenüber den Materialien, die die gleichen Komponenten, jedoch keinen Zusatz an Oxiden Seltener Erden enthalten, höheren Wert der Dielektrizitätskonstante zu erhalten. Das ist dadurch bedingt, daß Zusätze von Oxiden Seltener Erden die Bildung von Magnesiumalumotitanaten verhindern, indem sie Perrierit bilden.Such a technical solution makes it possible to use a glass-ceramic material with an opposite Materials that contain the same components, but no addition of rare earth oxides, to obtain a higher dielectric constant value. This is due to the fact that additions of oxides Rarely earths, prevent the formation of magnesium aluminotitanates by forming perrierite.
Die nach der Ausscheidung des Perrierits zurückbleibende Menge Titandioxid kristallisiert in Form von Rutil.The amount of titanium dioxide remaining after the perrierite has been precipitated crystallizes in the form of Rutile.
Nach einer anderen Variante der vorliegenden Erfindung wird ein glaskristallines Material gemäß dem Anspruch 2 vorgeschlagen.According to another variant of the present invention, a glass-crystalline material according to the Claim 2 proposed.
Dieses hat eine Dielektrizitätskonstante von 10 und einen dielektrischen Verlustfaktor von 3 bis 5 · 10-4 bei einer Frequenz von 10'° Hz.This has a dielectric constant of 10 and a dielectric loss factor of 3. to 5 x 10- 4 at a frequency of 10 '° Hz.
Die Zugabe von Lanthanoxiden und Oxiden anderer Seltener Erden zum Glas macht es möglich, die technologischen Eigenschaften des Ausgangsglases durch die Erhöhung seiner Transparenz zu verbessern, wodurch es möglich wird, die Qualität von Glashalbzeu-The addition of lanthanum oxides and oxides of other rare earths to the glass makes it possible for the to improve the technological properties of the original glass by increasing its transparency, which makes it possible to improve the quality of semi-finished glass
gen bereits beim Formen zu kontrollieren und entsprechend den Anteil an Ausschuß bei den Fertigerzeugnissen zu verringern.gen to control already during the molding and accordingly the proportion of rejects in the Finished products decrease.
Durch die Erfindung wird es möglich, durch die Verwendung eines Naturrohstoffes, welcher verschiedene Oxide Seltener Erden ungefähr in folgendem Verhältnis enthält:The invention makes it possible, through the use of a natural raw material, which different Contains rare earth oxides approximately in the following proportions:
CeO2 : La2O3: Nd2O3 : Pr2O3= 1:0,5 :0,25 :0,25 bis 0,12,CeO 2 : La 2 O 3 : Nd 2 O 3 : Pr 2 O 3 = 1: 0.5: 0.25: 0.25 to 0.12,
einen wirtschaftlichen Vorteil zu erzielen.to achieve an economic advantage.
Ferner wird nach der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines glaskeramischen Materials vorgeschlagen, welches in der Erhitzung des Ausgangsglases auf die maximale Kristallisationstemperatur und im Halten bei dieser Temperatur besteht, dadurch gekennzeichnet, daß man die Erhitzung mit einer Geschwindigkeit von 60 bis 300°C/Stunden auf eine Temperatur von 12000C durchführt und die Erzeugnisse bei dieser Temperatur während 3 bis 6 Stunden hält.Furthermore, according to the present invention, a method for producing a glass-ceramic material is proposed which consists in heating the starting glass to the maximum crystallization temperature and maintaining it at this temperature, characterized in that the heating is carried out at a rate of 60 to 300 ° C / Carries out hours to a temperature of 1200 0 C and keeps the products at this temperature for 3 to 6 hours.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert.The present invention is explained in more detail below with the aid of examples.
Sitall (glaskeramisches Material) erhält man wie folgt: Glas der entsprechenden Ausgangszusammensetzung schmilzt man in öfen von 1,5 bis 5,0 Tonnen Fassungsvermögen bei maximalen Temperaturen von 1520 bis 15500C. Man verwendet technische Materialien, die einen Gesamtgehalt von Alkalioxiden im Glas von höchstens 0,1 Gew.-% gewährleisten. Die Oxide Seltener Erden gibt man entweder als solche oder durch einen Rohstoff, der die Elemente in dem genannten Verhältnis enthält, zu. Das Formen von Halbzeugen für Unterlagen erfolgt von Hand oder im mechanisierten Verfahren auf einer Maschine zum horizontalen Walzen bei Strahlspeisung der Maschine.Sitall (glass ceramic material) is obtained as follows: Glass of the corresponding starting composition is melted in ovens with a capacity of 1.5 to 5.0 tons at maximum temperatures of 1520 to 1550 ° C. Technical materials are used which have a total content of alkali oxides in the glass of at most 0.1% by weight. The oxides of rare earths are added either as such or through a raw material that contains the elements in the stated ratio. The shaping of semi-finished products for documents is done by hand or in a mechanized process on a machine for horizontal rolling with jet feeding of the machine.
Die Kristallisation erfolgt in Durchlaufofen mit einer maximalen Temperatur von 1200°C bei einer Fördergeschwindigkeit der Halbzeuge von 200 mm/Stunden. Das erhaltene Sitall weist folgende Eigenschaften auf (Tabelle).The crystallization takes place in a continuous furnace with a maximum temperature of 1200 ° C at a conveyor speed of semi-finished products of 200 mm / hour. The resulting Sitall has the following properties (Tabel).
Die Phasenzusammensetzung des Sitalls ist durch Cordierit, Rutil und eine in der Struktur dem Mineral Perrierit ähnliche Verbindung vertreten. Alle Seltenen Erdoxide ersetzen einander isomorph in dieser Verbindung. Die Größe der Kristalle beträgt weniger als 1 μπι. Nachstehend werden konkrete Zusammensetzungen von Sitallen angeführten Gewichtsprozent):The phase composition of the sitall is by cordierite, rutile and one in structure the mineral Perrierite represented a compound. All rare earth oxides replace each other isomorphically in this compound. The size of the crystals is less than 1 μm. The following are the specific compositions of Sitallen (weight percentages):
Nr. 1number 1
Nr. 2No. 2
Nr. 3No. 3
Nr. 4No. 4
Abweichungen des Gehalts an jedem Oxid — außer Magnesiumoxid — dürfen ±0,5% und die Schwankungen des Gehaltes an MgO 0,3% nicht übersteigen.Deviations in the content of each oxide - except magnesium oxide - may be ± 0.5% and the fluctuations the content of MgO does not exceed 0.3%.
Die Veränderung des Gehaltes an Siliziumoxid (SiO2), Aluminiumoxid (Al2O3), Magnesiumoxid (MgO) hat eine Veränderung der Cordieritmenge zur Folge. Deshalb ruft eine Steigerung des Gehaltes an diesen Oxiden über die genannten Grenzen hinaus eine Senkung der Dielektrizitätskonstante (ε) und umgekehrt ihre Verringerung eine Steigerung der Dielektrizitätskonstante (ε) im Vergleich mit dem Nennwert hervor.The change in the content of silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), magnesium oxide (MgO) results in a change in the amount of cordierite. Therefore, an increase in the content of these oxides beyond the stated limits causes a decrease in the dielectric constant (ε) and, conversely, a decrease in the dielectric constant (ε) causes an increase in the dielectric constant (ε) in comparison with the nominal value.
Die Abweichungen des Gehalts an Seltenen Erdoxiden von den genannten Werten führt zu einer Umverteilung der Mengen der Verbindung mit Perrierit- und Rutilstruktur und entsprechend zur Steigerung oder Verringerung der Dielektrizitätskonstante ε. Sitallerzeugnisse, die auf der Basis von Glas enthalten werden, dessen Zusammensetzung in den genannten Grenzen liegt und die unter den oben anfgeführten Bedingungen kristallisieren, weisen eine hellgelbe Farbe auf. Das Fehlen von gelben Schattierungen oder eine sehr dunkle Farbe der Erzeugnisproben zeugt von einer nicht sachgemäßen Durchführung der Wärmebehandlung, im ersten Fall von ungenügendem Brennen, im zweiten Fall von zu starkem Brennen.The deviations of the content of rare earth oxides from the values mentioned leads to a Redistribution of the amounts of the compound with perrierite and rutile structure and accordingly to increase or reduction of the dielectric constant ε. All products containing on the basis of glass whose composition is within the stated limits and those below those listed above Conditions crystallize, have a light yellow color. The absence of shades of yellow or one the very dark color of the product samples indicates that the heat treatment was not carried out properly, in the first case of insufficient burning, in the second case of excessive burning.
Die Richtigkeit der Durchführung der Wärmebehandlung wird anhand der Veränderung der Farbe im Vergleich mit einem Vergleichsmuster und periodisch durch Röntgenphasenanalyse visuell kontrolliert. Das Material ist porenlos, weist eine Wasseraufnahme gleich Null auf, läßt sich gut bearbeiten und bis zur 14. Rauheitsklasse polieren (seine Rauheit übersteigt 0,05 μίτι nicht). Erzeugnisse aus diesem Material (Unterlagen und Stäbe) lassen sich leicht nach verschiedenen Methoden, u. a. mit Ultraschall perforieren und im Einbrennverfahren oder durch Vakuumaufdampfung metallisieren. Das Material weist eine hohe Homogenität auf: Die Abweichungen der Größe t über die Oberfläche einer Unterlage mit den Abmessungen 60 χ 48 mm, 90 χ 60 mm, 150 χ 48 mm übersteigen 0,5% nicht. Auf der Grundlage dieser Erzeugnisse (Unterlagen und Stäbe) wurde eine Elementbasis für Höchstfrequenz-Baugruppen geschaffen, die in verschiedenen Typen von Funkeinrichtungen (Verzweiger, Mehrkanalleistungsteiler und anderen Geräten) eingesetzt werden.The correctness of carrying out the heat treatment is visually checked on the basis of the change in color in comparison with a reference sample and periodically by means of X-ray phase analysis. The material is pore-free, has zero water absorption, is easy to work with and can be polished up to the 14th roughness class (its roughness does not exceed 0.05 μm). Products made from this material (supports and rods) can easily be perforated using various methods, including ultrasound, and metallized using the baking process or vacuum vapor deposition. The material has a high degree of homogeneity: the deviations in size t over the surface of a base with the dimensions 60 48 mm, 90 60 mm, 150 48 mm do not exceed 0.5%. On the basis of these products (documents and rods), an element base was created for high-frequency assemblies that are used in various types of radio equipment (splitters, multi-channel power splitters and other devices).
Claims (3)
SiOj-AIiO3- MgO-TiO2,1. Glass-ceramic material of the basic system
SiOj-AliO 3 - MgO-TiO 2 ,
von 1010 Hz,dielectric loss factor tg δ at a frequency 3 to 5 - 10— *
from 10 10 Hz,
Al2O3
MgO
TiO2 SiO 2
Al 2 O 3
MgO
TiO 2
La2O3
Pr2O3 und/oder Nd2O3 CeO 2
La 2 O 3
Pr 2 O 3 and / or Nd 2 O 3
3,0-3,9
3,0-4,67.0-8.5
3.0-3.9
3.0-4.6
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19772700333 DE2700333C3 (en) | 1977-01-05 | 1977-01-05 | Glass-ceramic material of the basic system SiO2 -Al2 O3 -MgO- TiO2 with dielectric properties that come close to those of aluminum oxide ceramics and process for its production |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE2700333A1 DE2700333A1 (en) | 1978-07-06 |
| DE2700333B2 DE2700333B2 (en) | 1979-08-09 |
| DE2700333C3 true DE2700333C3 (en) | 1980-05-22 |
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ID=5998181
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19772700333 Expired DE2700333C3 (en) | 1977-01-05 | 1977-01-05 | Glass-ceramic material of the basic system SiO2 -Al2 O3 -MgO- TiO2 with dielectric properties that come close to those of aluminum oxide ceramics and process for its production |
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1977
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| Publication number | Publication date |
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| DE2700333B2 (en) | 1979-08-09 |
| DE2700333A1 (en) | 1978-07-06 |
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