SI9600232A

SI9600232A - Mikrovalovna dielektrična keramika na osnovi oksidov srebra, nioba in tantala.

Info

Publication number: SI9600232A
Application number: SI9600232A
Authority: SI
Inventors: Matjaž VALANT; Danilo Suvorov
Original assignee: Inštitut JOŽEF STEFAN
Priority date: 1996-07-19
Filing date: 1996-07-19
Publication date: 1998-02-28
Also published as: WO1998003446A1

Abstract

Mikrovalovno dielektrično keramiko na osnovi oksidov srebra, nioba in tantala, z dodatki (V2O5, Li2O, WO3, Mn2O3 in Bi2O3) označeno s tem, da so sestave v naslednjih molskih deležih: x(Ag2O)=45-55 mol%, x(Nb2O5)=22-28 mol%, x(Ta2O5)=22-28 mol%, x(V2O5)=0-10 mol%, x(Li2O)=O-10 mol%, x(WO3)=O-10 mol%, x(Mn2O3)=O-10 mol% in x(Bi2O3)=O-10 mol% izdelujemo po klasičnem postopku priprave keramičnih materialov. Izhodne surovine za pripravo mikrovalovne keramike, t.j. oksid srebra (Ag2O), nioba (Nb2O5), tantala (Ta2O5) in morebitnih dodatkov zmešamo v ustreznem razmerju ter kalciniramo 1-10 ur pri temperaturi 1000 stopinj Celzija do 1150 stopinj Celzija. Kalciniran prah nato oblikujemo z znanimi postopki v izdelke, ki jih nato sintramo 5-10 ur pri temperaturi 1150-1250 stopinj Celzija v O2 atmosferi. Dielektričnost je od 250-380, ob tem pa je mogoče koeficient resonančne frekvence tauf uravnavati v zahtevanem področju na plus-minus 1 ppm/K natančno izključno s spreminjanjem vrednosti oksidov. Dielektrične izgube v keramiki, ki je predmet izuma, so glede na zelo visoko dielektričnost, nizke. Faktor kvalitete pri delovni frekvenci 1 GHz znaša 500-700, pri delovni frekvenci 0.5 GHz pa 1000-1400.ŕ

Description

Prijavitelj:

Institut Jožef Stefan Jamova 39, Ljubljana

Izumitelji:

dr. Matjaž Valant dr. Danilo Suvorov

Mikrovalovna dielektrična keramika na osnovi oksidov srebra, nioba in tantala

PREDMET IZUMA

Predmet izuma je mikrovalovna keramika na osnovi oksidov srebra, nioba in tantala. Izum spada v področje kemije in se nanaša na novo vrsto mikrovalovne dielektrične keramike.

Po mednarodni patentni klasifikaciji je uvrščen v razred H01P-07/10 in dodatno v C04B 35/40.

STANJE TEHNIKE

Mikrovalovni keramični materiali v elektronski industriji se uporabljajo kot dielektrični resonatorji, mikrovalovni filtri, substrati za mikrovalovna vezja, itd. Te komponente se nadalje vgrajujejo v brezžično telekomunikacijsko opremo, satelitske antene, radarske sisteme, mikrovalovne pečice itd.

Poleg primerne dielektričnosti (k¹), ki je odvisna od načina uporabe in delovnega frekvenčnega območja, mora imeti material tudi zahtevano temperaturno stabilnost resonančne frekvence (r_f) ter čim višji faktor kvalitete (Q x f). Faktor kvalitete opisuje delež energijskih izgub v materialu pri resonančni frekvenci. Višji ko je, manjši je delež izgub, hkrati pa je mikrovalovna komponenta bolj selektivna.

-2Dosegljive mikrovalovne materiale lahko po njihovi dielektričnosti razdelimo v tri razrede, kot je opisano v K. VVakino, T. Nishikawa, Y. Ishikawa, N. Tamura, Br. Ceram. Trans. J.,89, (2), 1990, str 39-43. V razredu dielektričnosti K= 80-90 se nahajajo predvsem materiali na osnovi BaO, TiO₂ in oksidov redkozemeljskih elementov, kot je opisano v K. VVakino, T. Minai, H. Tamura, J. Am Ceram. Soc., 67, str 278-281. Faktorji kvalitete (Q x f), ki jih dosegajo ti materiali, so okoli 5000. Naslednji razred zajema področje dielektričnosti od 30 do 40. Najpogosteje uporabljen material v tem področju je (Zr,Sn)TiO₄ , kot je opisano v G. VVolfram, E. Gobel, Mater. Res. Buli., 16, (11), 1981, str. 1455-1463. V tem področju so faktorji kvalitete materialov z višjimi dielektričnimi konstantami okoli 40000, z nižjimi pa do 100000. V razredu, ki zajema materiale z dielektričnostmi pod 30, se dosegajo faktorji kvalitete nad 200000, kotjeopisano v H. Tamura, Y Sakabe, K. VVakino, J. Am. Ceram. Soc., 67,1984, C-5961.

Med komercialno dostopnimi mikrovalovnimi materiali imajo najvišjo dielektričnostjo materiali izdelani iz oksidov barija, titana ter neodima. Za uravnavanje temperaturnega koeficienta resonančne frekvence (x_f) se uporabljajo dodatki kot na primer Pb ali Bi oksid oz. titanat, dokončno pa se r_f uravna z delno zamenjavo redkih zemelj. Takšna komercialna mikrovalovna keramika ima dielektričnost od 85-90 ter faktor kvalitete okoli 5000 (patenti: J62183608-A , J02239150-A, J01234358-A, J57080604-A).

Zaradi vse večje težnje po miniaturizaciji, predvsem v frekvenčnem območju do 1 GHz, se pojavlja potreba po materialu z višjo dielektrično konstanto. Takšen material bo omogočil izdelavo elektronskih keramičnih komponent manjših dimenzij, ki so primernejše za sodobna mikrovalovna vezja.

Naloga in cilj izuma je izdelati mikrovalovno keramiko z dielektričnostjo nad 250, faktorjem kvalitete višjim od 500 pri delovni frekvenci (0.1 - 1.5GHz) ter temperaturnim koeficientom resonančne frekvence r_f, ki ga bo mogoče v intervalu med -50 ter +50 ppm/K kontrolirati na 1 ppm/K natančno. Po izumu je naloga rešena z mikrovalovno dielektrično keramiko na osnovi oksidov srebra, nioba in tantala, pri čemer so le-ti zastopani v naslednjih molskih deležih:

x(Ag₂O) =45-55 mol%, x(Nb₂O₅) = 22-28 mol% in x(Ta₂O₅) =22-28 mol%.

-3Mikrovalovna dielektrična keramika na osnovi oksidov srebra, nioba in tantala, ki je predmet izuma, lahko vsebuje še dodatke v naslednjih molskih deležih: x(V₂O₅) = 0 -10 mol%, x(Li₂O) = 0-10 mol%, x(W0₃) = 0 -10 mol%, x(Mn₂O₃) = 0-10 mol% in x(Bi₂O₃) = 0-10 mol%.

Pri raziskavah mikrovalovnih materialov na osnovi srebra, nioba in tanatala smo ugotovili, da ima keramike s sestavo x(Ag₂O) = 45 - 55 mol%, x(Nb₂O5) =22-28 mol% in x(Ta₂O₅) = 22-28 mol% dielektričnost od 250-380 ob tem pa je mogoče η uravnavati v zahtevanem področju na ±1 ppm/K natančno izključno s spreminjanjem vsebnosti oksidov. Dielektrične izgube v keramiki, ki je predmet izuma, so glede na zelo visoko dielektričnost, nizke. Faktor kvalitete pri delovni frekvenci 1GHz znaša 500-700, pri delovni frekvenci 0.5GHz pa 1000-1400. Dodatki (V₂O₅, Li₂O, WO₃, Mn₂O₃, Bi₂O₃) keramiki zvišajo faktor kvalitete oziroma znižajo temperaturo sintranja. Mikrovalovne dielektrične lastnosti za posamezne sestave so navedene v izvedbenih primerih in zaključni tabeli.

Izhodne surovine, t.j. oksid srebra (Ag₂O), nioba (Nb₂O₅), tantala (Ta₂O₅) in morebitnih dodatkov zmešamo v ustreznem razmerju. Mešanici osnovnih oksidov dodamo etanol v masnem deležu 30-40% ter zmes homogeniziramo. Po homogenizaciji suspenzijo osušimo s sušenjem 0.5 do 1 uro pri 90°C do 100°C ter prah stisnemo v kolute, ki jih kalciniramo 1-10 ur pri temperaturi 1000°C do 1150°C. Kalciniran prah nato zmeljemo v ZrO₂ mlinu z ZrO₂ mlevnimi telesi do velikosti delcev 1-2//m, ga posušimo ter oblikujemo z znanimi postopki v izdelke, ki jih nato sintramo 5-10 ur pri temperaturi 1150-1250°C v O₂ atmosferi. Sintrana keramika je enofazna, velikost zrn je približno 5gm, delež poroznosti pa ne presega 3%.

IZVEDBENI PRIMERI:

Izvedbeni primer 1 :

Zmes oksidov srebra, nioba in tantala s sestavo x(Ag₂0)=50.0mol%, x(Nb₂O₅)=26mol% in x(Ta₂O₅)=24mol% (sestava E1) kalciniramo 10 ur pri temperaturi 1050°C. Po mletju kalcinat stisnemo v kolute, ki jih sintramo 10 ur pri temperaturi 1200° C v kisikovi atmosferi. Dielektričnost

-4takšne keramike znaša 375, je -70 ppm/K. Faktor kvalitete, merjen pri 1 GHz, znaša 500, merjen pri 0.5GHz pa 1000.

Izvedbeni primer 2:

Zmes oksidov srebra, nioba in tantala s sestavo x(Ag₂0)=50.0mol%, x(Nb₂O₅)=25.4mol% in x(Ta₂O₅)=24.6mol% (sestava E2) kalciniramo 10 ur pri temperaturi 1050°C. Po mletju kalcinat stisnemo v kolute, kijih sintramo 10 ur pri temperaturi 1200° C v kisikovi atmosferi. Dielektričnost takšne keramike znaša 378, je 0±1 ppm/K. Faktor kvalitete, merjen pri 1 GHz, znaša 500, merjen pri 0.5GHz pa 1000.

Izvedbeni primer 3:

Zmes oksidov srebra, nioba in tantala s sestavo x(Ag₂0)=50.0mol%, x(Nb₂O₅)=24mol% in x(Ta₂O₅)=26mol% (sestava E3) kalciniramo 10 ur pri temperaturi 1050°C. Po mletju kalcinat stisnemo v kolute, ki jih sintramo 10 ur pri temperaturi 1200° C v kisikovi atmosferi. Dielektričnost takšne keramike znaša 377, r_f je 80 ppm/K. Faktor kvalitete, merjen pri 1 GHz, znaša 500, merjen pri 0.5GHz pa 1000.

Izvedbeni primer 4:

Zmes oksidov srebra, nioba in tantala s sestavo x(Ag₂0)=50.0mol%, x(Nb₂O₅)=23.0mol% x(Ta₂O5)=24.0mol% in x(V₂O₅)=6.0mol% (sestava E4) kalciniramo 10 ur pri temperaturi 1000°C. Po mletju kalcinat stisnemo v kolute, ki jih sintramo 10 ur pri temperaturi 1200° C v kisikovi atmosferi. Dielektričnost takšne keramike znaša 250, r_f je 0±1 ppm/K. Faktor kvalitete, merjen pri 1 GHz, znaša 700, merjen pri 0.5GHz pa 1400.

Mikrovalovni keramični elementi, ki so predmet izuma, se glede na primerjalne elemente (EO) odlikujejo predvsem z izredno visoko dielektrično konstanto, kar omogoča miniaturizacijo mikrovalovnih sklopov. Keramika se nadalje odlikuje s povsem prilagodljivim temperaturnim koeficientom resonančne frekvence ter primernim faktorjem kvalitete. Dodatna prednost opisane sestave je tudi v tem, da ne vsebuje toksičnih dodatkov kot je na primer PbO, kar pomeni, da je proizvodnja ekološko sprejemljiva.

-5Tabela 1: Mikrovalovne lastnosti keramike iz izvedbenih primerov

sestava	k'	QlGHz/Qo.5GHz	Tf (ppm/K)
El	375	>500/1000	-70
E2	378	>500/1000	0
E3	377	>500/1000	80
E4	250	>700/1400	0
BaO-PbO-Nd₂O₃-TiO₂* -E0	88	5000/—	0

* ... lit. navedba: K. Wakino, T. Minai, H. Tamura, J. Am. Ceram. Soc., 67, str. 278-281

G\

G

Claims

PATENTNI ZAHTEVEK:

Mikrovalovna dielektrična keramika na osnovi oksidov srebra, nioba in tantala, z dodatki (V₂O₅, Li₂O, WO₃, Mn₂O₃ in Bi₂O₃), izdelana po standardnih metodah izdelave mikrovalovnih keramičnih dielektrikov, označena s tem, da so sestave v naslednjih molskih deležih: x(Ag₂O) = 45-55 mol%, x(Nb₂O₅) =22-28 mol%, x(Ta₂O₅) =22-28 mol%, x(V₂O₅) = 0 -10 mol%, x(Li₂O) = 0-10 mol%, x(WO₃) = 0 -10 mol%, x(Mn₂O₃) =0-10 mol% in x(Bi₂0₃) = 0-10mol%.

j ' j j c· J ^V U

-7POVZETEK:

Mikrovalovno dielektrično keramiko na osnovi oksidov srebra, nioba in tantala, z dodatki (V₂O₅, Li₂O, WO₃, Mn₂O₃ in Bi₂O₃), označeno s tem, da so sestave v naslednjih molskih deležih: x(Ag₂O) =45-55 mol%, x(Nb₂O₅) = 22-28 mol%, x(Ta₂O₅) = 22-28 mol%, x(V₂O₅) =0-10 mol%, x(Li₂O) = 0-10 mol%, x(W0₃) = 0-10 mol%, x(Mn₂O₃) = 0-10 mol% in x(Bi₂O₃) = 0 10 mol% izdelujemo po klasičnem postopku priprave keramičnih materialov. Izhodne surovine za pripravo mikrovalovne keramike, t.j. oksid srebra (Ag₂O), nioba (Nb₂O₅), tantala (Ta₂O₅) in morebitnih dodatkov, zmešamo v ustreznem razmerju ter kalciniramo 1-10 ur pri temperaturi 1000°G do 1150°C. Kalciniran prah nato^ef oblikujemo z znanimi postopki v izdelke, ki jih nato sintramo 5-10 ur pri temperaturi 1150-1250°C v O₂ atmosferi, dielektričnost od 250-380 ob tem pa je mogoče τ, uravnavati v zahtevanem področju na ±1 ppm/K natančno izključno s spreminjanjem vsebnosti oksidov. Dielektrične izgube v keramiki, ki je predmet izuma, so glede na zelo visoko dielektričnost, nizke. Faktor kvalitete pri delovni frekvenci 1GHz znaša 500-700, pri delovni frekvenci 0.5GHz pa 1000-1400.