TW201326074A - 具抗還原特性之微波陶瓷組成物及其微波陶瓷材料 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種具抗還原特性之微波陶瓷組成物，包括：結構式為CaxMgySizO(x+y+2z)之玻璃陶瓷材料，其中x與y係介於0至50莫耳百分比之間，且z係介於0至50莫耳百分比之間；以及至少一種添加成份，該等添加成份如：氧化鋁(Al2O3)、氧化鋅(ZnO)及氧化鈉(Na2O)。據此，本發明具抗還原特性之微波陶瓷組成物能夠於還原氣氛下與卑金屬共同燒結，藉以達到降低製作成本之目的。此外，本發明更提供一種於低燒結溫度及還原氣氛下燒結後所製得之微波陶瓷材料，其能具備高品質因子與低介電常數之特性，成為一種具有高度應用價值的微波陶瓷材料。

Description

具抗還原特性之微波陶瓷組成物及其微波陶瓷材料

本發明係關於一種具抗還原特性之微波陶瓷組成物，以及一種於低燒結溫度及還原氣氛下進行燒結後仍具備低介電常數與高品質因子的微波陶瓷材料。

隨著IC積體產業的蓬勃發展，積層陶瓷電容器由於具備小型化、輕薄化、高容量、高品質等特性，使其成為提升產業利用性之優勢。其中，積層陶瓷電容器係由介電陶瓷材料與內電極金屬膏所形成的胚帶，互相堆疊並且共燒後所形成的陶瓷燒結體。

然而，一般介電陶瓷材料的燒結溫度幾乎都超過鎳或銅等卑金屬元素(base metal element)的熔點(銅金屬熔點約1100℃)，且大氣中的含氧量較高(約佔21%)，鎳或銅在大氣環境中燒結容易受到氧化作用而產生大量的氧化物，進而影響其電性品質。反之，價格昂貴的鉑或鈀等貴金屬雖然不會發生上述之問題，但長久下來卻大幅提高電子元件的製作成本，降低電子元件於產業上的應用價值。

因此，為了提升經濟效益，許多人轉而投入卑金屬電極製程的技術，選擇使用鎳或銅等卑金屬作為內電極的材料，並於還原氣氛中進行燒結，藉以降低內電極的製作成本。然而，由於還原氣氛的含氧量極低(小於1%)，介電陶瓷材料在還原氣氛中容易產生還原現象，使陶瓷材料發生半導化效應，反而降低介電陶瓷材料的品質因子。

有鑑於現有技術所面臨之問題，本發明試圖利用特定元素作為添加成份，以提升陶瓷材料的抗還原特性，使其能夠於還原氣氛下與卑金屬共同燒結也不會使陶瓷材料發生半導體化效應，而仍然得以製作出具備良好微波介電特性之陶瓷材料。

本發明之主要目的係提供一種具抗還原特性之微波陶瓷組成物，俾能於還原氣氛下與易氧化的卑金屬共同燒結而不會產生半導化效應，藉以降低積層陶瓷電容器之製作成本，提升微波陶瓷組成物及其材料之產業應用價值。

為達成上述目的，本發明提供一種具抗還原特性之微波陶瓷組成物，包括：一玻璃陶瓷材料，該玻璃陶瓷材料之結構式係為Ca_xMg_ySi_zO_(x+y+2z)，其中x係介於0至50莫耳百分比之間，y係介於0至50莫耳百分比之間，且z係介於0至50莫耳百分比之間；以及一添加成份，該添加成份係選自下列物質所組成之群組：氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鋅(ZnO)、氧化鈉(Na₂O)、及其等之混合物。

於本發明具抗還原特性之微波陶瓷組成物中，係使用一種輝石類的玻璃陶瓷材料作為微波陶瓷組成物之主相結構，其玻璃陶瓷材料係由氧化物組份於1500℃至1800℃下形成一玻璃態，再將該玻璃態於700℃至1000℃之溫度下燒結所製得，較佳係於900℃以下之溫度下燒結所製得。於此，該等氧化物組份可選自：氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)、二氧化矽(SiO₂)、或其等之組合。其中，以以氧化物組份為基準，氧化鎂及氧化鈣之添加量分別介於0至50莫耳百分比之間，且該二氧化矽之添加量係介於0至50莫耳百分比。

依據各種不同的氧化物添加比例，可製備各種不同相結構的輝石類玻璃陶瓷材料，例如：CaSiO₃(矽灰石(wollastonite))、Ca₃MgSi₂O₈(鎂薔薇輝石(merwinite))、Ca₂MgSi₂O₇(鎂黃長石(Akermanite))或CaMgSi₂O₆(透輝石(diopside))。於本發明具抗還原特性之微波陶瓷組成物中，以微波陶瓷組成物之總量為100莫耳百分比，較佳係將玻璃陶瓷材料之含量控制於86.5至96.5莫耳百分比。

本發明包含適量添加成份之微波陶瓷組成物可具備抗還原特性，使其能夠於還原氣氛下燒結而不會產生還原現象，避免微波陶瓷材料燒結後產生半導化現象。其中，以微波陶瓷組成物之總量為100莫耳百分比，添加成份之總量可介於3.5至13.5莫耳百分比。其中，氧化鋁(Al₂O₃)之含量可介於3.5至13.5莫耳百分比，較佳係介於3.5至6.5莫耳百分比；該氧化鋅(ZnO)之含量可介於3.5至13.5莫耳百分比，較佳係介於7至10莫耳百分比；氧化鈉(Na₂O)之含量可介於3.5至13.5莫耳百分比，較佳係介於7至10莫耳百分比。

據此，當本發明之微波陶瓷組成物於還原氣氛下燒結時，可避免被氮氣氣氛或包含氮氣及氫氣之氣體氣氛還原，使其能夠與用以製作內電極的卑金屬(例如：銅或鎳等)共同於低燒結溫度及還原氣氛下燒結，藉此達到降低製作成本之目的，進而提升微波陶瓷組成物之產業應用價值。

此外，本發明之另一目的係在提供一種微波陶瓷材料，俾能利用上述微波陶瓷組成物之抗還原特性，使該微波陶瓷組成物於低燒結溫度及還原氣氛下燒結後也不會產生半導化現象，使本發明之微波陶瓷材料仍可具有低介電常數與高品質因子之特性。

為達成上述目的，本發明提供一種微波陶瓷材料，其係使用上述具抗還原特性之微波陶瓷組成物，其係於預定之燒結溫度及還原氣氛下進行燒結所製得。

其中，混合至少兩種氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)或二氧化矽(SiO₂)之氧化物係於1500℃至1800℃下先形成一玻璃態，而後將該玻璃態於700℃至1000℃下燒結，較佳係於900℃以下之燒結溫度進行燒結。據此，本發明具抗還原特性之微波陶瓷材料可適用於低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics,LTCC)之製程溫度下進行燒結；並且，該微波陶瓷材料可於氮氣氣氛或包含氮氣及氫氣之還原氣氛中進行燒結，以製得介電常數低於10，且品質因子高達6000至12000 GHz，甚至是9000至12000 GHz的微波陶瓷材料。

綜上所述，本發明發展出一種具備高抗還原特性的微波陶瓷組成物，使其能夠於低燒結溫度及還原氣氛下燒結過後，仍可具備低介電常數與高品質因子的特性，成為一種適合與卑金屬共同燒結而不會被還原氣氛還原的微波陶瓷材料。

本發明包含輝石類玻璃陶瓷材料及添加成份之微波陶瓷組成物能具備高度的抗還原特性，使其成為一種適合於低燒結溫度及還原氣氛下燒結的微波陶瓷組成物。

本發明藉由下列實施例對本發明之內容作進一步之說明，但應明瞭的是，該實施例僅用以說明之用，而不應被視為實施本發明之限制。

比較例　低微波陶瓷材料

首先，各種不同相結構之輝石類玻璃陶瓷材料係藉由混合至少兩種氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)及二氧化矽(SiO₂)等氧化物粉末，並於900℃之溫度下燒結後形成，分別為CaSiO₃(矽灰石(wollastonite))、Ca₃MgSi₂O₈(鎂薔薇輝石)、Ca₂MgSi₂O₇(鎂黃長石(Akermanite))或CaMgSi₂O₆(透輝石(diopside))。

接著，以輝石類玻璃陶瓷粉末及氧化物粉末之總量為100莫耳百分比，分別取0至3莫耳百分比(mole%)的氧化鋅、氧化鋁或氧化鈉，加入至CaMgSi₂O₆之輝石類玻璃陶瓷材料並加以混合。之後，於900℃之燒結溫度及氮氣氣氛中持續燒結2小時，形成一低品質因子及低介電常數之微波陶瓷材料。

表1：各實施例及比較例之微波陶瓷組成物於低燒結溫度及還原氣氛下燒結所製得的微波陶瓷材料的品質因子(GHz)。

各種添加成份所製成之微波陶瓷材料的品質因子係如上列表1所示，而其微波陶瓷材料的介電常數係如下列表2所示。比較例中未包含添加成份的微波陶瓷組成物，置於900℃及氮氣氣氛下燒結後，其品質因子僅有500 GHz。當添加至3莫耳百分比的添加成份時，其微波陶瓷材料最高亦僅達4000 GHz。

表2：各實施例及比較例之微波陶瓷組成物於低燒結溫度及還原氣氛下燒結所製得的微波陶瓷材料的介電常數值。

實施例1　包含氧化鋅添加成份之微波陶瓷材料

首先，各種不同相結構之輝石類玻璃陶瓷材料係藉由混合至少兩種氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)及二氧化矽(SiO₂)等氧化物粉末，並於900℃之溫度下燒結後形成，分別為CaSiO₃(矽灰石(wollastonite))、Ca₃MgSi₂O₈(鎂薔薇輝石)、Ca₂MgSi₂O₇(鎂黃長石(Akermanite))或CaMgSi₂O₆(透輝石(diopside))。

接著，以輝石類玻璃陶瓷粉末及氧化鋅粉末之總量為100莫耳百分比，分別取3.5至6.5莫耳百分比(mole%)、7至10莫耳百分比(mole%)、10.5至13.5莫耳百分比(mole%)之氧化鋅粉末，加入至CaMgSi₂O₆之輝石類玻璃陶瓷材料並加以混合。

之後，於900℃之燒結溫度及氮氣氣氛中持續燒結2小時，製得本發明的微波陶瓷材料。其中，不同氧化鋅粉末之添加比例及其於低燒結溫度及還原氣氛下燒結後製得之微波陶瓷材料的品質因子係如上述表1所示，而微波陶瓷材料的介電常數係如上述表2所示。

實施例2　包含氧化鋁添加成份之微波陶瓷材料

本實施例包含氧化鋁添加成份之微波陶瓷材料係以如上述實施例1之方法製備輝石類玻璃陶瓷材料，並且分別取3.5至6.5莫耳百分比(mole%)、7至10莫耳百分比(mole%)、10.5至13.5莫耳百分比(mole%)之氧化鋁粉末替換氧化鋅粉末，予以加入至CaMgSi₂O₆之輝石類玻璃陶瓷材料並加以混合。

之後，於900℃之燒結溫度及氮氣氣氛中持續燒結2小時，製得本發明的微波陶瓷材料。其中，不同氧化鋁粉末之添加比例及其於低燒結溫度及還原氣氛下燒結後製得之微波陶瓷材料的品質因子係如上述表1所示，而微波陶瓷材料的介電常數係如上述表2所示。

實施例3-包含氧化鈉添加成份之微波陶瓷材料

本實施例之包含氧化鈉添加成份之微波陶瓷材料係以如上述實施例1之方法製備輝石類玻璃陶瓷材料，並且分別取3.5至6.5莫耳百分比(mole%)、7至10莫耳百分比(mole%)、10.5至13.5莫耳百分比(mole%)之氧化鈉粉末替換氧化鋅粉末，予以加入至CaMgSi₂O₆之輝石類玻璃陶瓷材料並加以混合。

之後，於900℃之燒結溫度及氮氣氣氛中持續燒結2小時，製得本發明的微波陶瓷材料。其中，不同氧化鈉粉末之添加比例及其於低燒結溫度及還原氣氛下燒結後之微波陶瓷材料的品質因子係如上述表1所示，而微波陶瓷材料的介電常數係如上述表2所示。

如上述表1所示，本發明各實施例中的微波陶瓷材料之品質因子隨著各種不同添加成份之含量而改變，當氧化鋅的含量提高至7至10莫耳百分比時，其微波陶瓷材料之品質因子可達12000 GHz；當氧化鋁的含量提高至3.5至6.5莫耳百分比時，其微波陶瓷材料之品質因子可達11000 GHz；當氧化鈉的含量提高至7至10莫耳百分比時，其微波陶瓷材料之品質因子亦可達12000 GHz。

此外，如上述表2所示，於本發明之實施例中的微波陶瓷組成物皆可製得具有介電常數低於10的微波陶瓷材料，顯示加入各種添加成份於900℃及氮氣氣氛下燒結後，仍可製得介電常數介於6至9之間的微波陶瓷材料。

綜上所述，本發明之微波陶瓷組成物確實具備一定程度之抗還原特性，使其能夠在低燒結溫度與還原氣氛下燒結後仍不發生半導化現象，並且得以製備出具備高品質因子與低介電常數的微波陶瓷材料。

Claims (11)

1. 一種具抗還原特性之微波陶瓷組成物，包括：一玻璃陶瓷材料，該玻璃陶瓷材料之結構式係為Ca_xMg_ySi_zO_(x+y+2z)，其中x係介於0至50莫耳百分比之間，y係介於0至50莫耳百分比之間，且z係介於0至50莫耳百分比之間；以及一添加成份，該添加成份係選自下列物質所組成之群組：氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鋅(ZnO)、氧化鈉(Na₂O)、及其等之混合物。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具抗還原特性之微波陶瓷組成物，其中以微波陶瓷組成物之總量為100莫耳百分比，該添加成份之總量係介於3.5至13.5莫耳百分比。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具抗還原特性之微波陶瓷組成物，其中以微波陶瓷組成物之總量為100莫耳百分比，該玻璃陶瓷材料之含量係介於86.5至96.5莫耳百分比。
4. 如申請專利範圍第1項所述之具抗還原特性之微波陶瓷組成物，其中該玻璃陶瓷材料係為CaSiO₃、Ca₃MgSi₂O₈、CaMgSi₂O₆或Ca₂MgSi₂O₇。
5. 如申請專利範圍第1項所述之具抗還原特性之微波陶瓷組成物，其中該玻璃陶瓷材料係由氧化物組份於1500℃至1800℃下形成一玻璃態，再將該玻璃態於700至1000℃之溫度下燒結所製得，該氧化物組份係包含選自於下列所組成之群組之物質：氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)、二氧化矽(SiO₂)或其等之組合。
6. 如申請專利範圍第5項所述之具抗還原特性之微波陶瓷組成物，其中該氧化物組份包含氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)以及二氧化矽(SiO₂)，以該氧化物組份為基準，其中氧化鎂以及氧化鈣之添加量分別介於0至50莫耳百分比之間，且該二氧化矽之添加量係介於0至50莫耳百分比。
7. 一種微波陶瓷材料，該微波陶瓷材料係使用一種如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之具抗還原特性之微波陶瓷組成物，其係於一燒結溫度及一還原氣氛下燒結所製得。
8. 如申請專利範圍第7項所述之微波陶瓷材料，其中該燒結溫度係介於700至1000℃。
9. 如申請專利範圍第7項所述之微波陶瓷材料，其中該還原氣氛係為一氮氣氣氛或一包含氮氣與氫氣之氣體氣氛。
10. 如申請專利範圍第7項至第9項中任一項所述之微波陶瓷材料，其中該微波陶瓷材料之介電常數(K)係低於10。
11. 如申請專利範圍第7項至第9項中任一項所述之微波陶瓷材料，其中該微波陶瓷材料之品質因子(Q×f)係高於9000 GHz。