TW201326083A - 微波介電玻璃陶瓷材料及其組成物 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種微波介電玻璃陶瓷材料，包括：一主相成份，該主相成份包含至少一玻璃陶瓷材料CaxMgySizO(x+y+2z)，其中x、y介於0至50 mole%間，且z介於0至50mole%間；以及第二相成份，該第二相成份可為CaTiO3、Mg2SiO4、ZrO2、TiO2或其組合，其係由混合該主相成份及至少三種或四種介電材料，並於900℃下共同燒結所生成，其中，介電材料係選自於CaTiO3、MgTiO3、ZrTiO4以及TiO2所構成之群組。本發明亦提供一種用於製備微波介電玻璃陶瓷材料的微波介電玻璃陶瓷粉末組成物。據此，本發明之微波介電玻璃陶瓷材料可同時具備低介電常數、高品質因子、低溫度飄移係數與低電容溫度係數等特性，成為一種具備高度應用價值的微波介電玻璃陶瓷材料。

Description

微波介電玻璃陶瓷材料及其組成物
本發明係關於一種微波介電玻璃陶瓷材料，尤指一種具備低介電常數與高品質因子的輝石類微波介電玻璃陶瓷材料。
為了符合現今半導體產業中通訊元件小型化、高穩定性、高容量化及高移動性之需求，微波介電材料成為目前亟需發展的一種具備絕佳頻率選擇性及穩定頻率的通訊用材料。
於製作微波介電材料之技術中，可透過玻璃、陶瓷或玻璃陶瓷材料所製得。其中，陶瓷材料由無機非金屬材料所組成，經過1200至1350℃之高溫燒結步驟後，可獲得具有一定機械強度的多晶燒結體；玻璃材料是一種由溶融狀態急速冷卻後，各分子間沒有足夠時間形成結晶體的一種固體；而玻璃陶瓷材料則是一種主要包含玻璃相的多晶固體材料，其製造過程係先將玻璃熔融形成玻璃相，再經過熱處理的結晶化步驟後，使其形成具有結晶體的多晶固體材料。
目前已有許多人投入微波介電材料之研究，於中華民國專利公告第I248429號中，揭示一種ZST微波介電陶瓷材料，其係以(Zrx,Sny)TizO4-(1-n)MO作為本體基材，並於本體基材中添加一玻璃基材，使其能於1000℃以下之燒結溫度進行燒結，同時保有Q×f大於5000之良好微波介電特性。
此外，於中華民國專利公告第I339196及I339197號中，揭示一種微波介電陶瓷材料，其係以Mg2SiO4(鎂橄欖石)作為主相成份，並以TiO2、SrTiO3、CaTiO3為二次相成份，製作出適合於1000℃以下之低溫進行燒結，以產生介電常數(K)介於9至10之間的微波介電陶瓷材料。
本發明有別於現有技術之微波介電材料，發展出一種微波介電玻璃陶瓷材料，其能結合輝石類玻璃陶瓷材料與介電材料之特性，製作出同時具備低介電常數、高品質因子與穩定性的微波介電陶瓷組成物，藉以提升玻璃陶瓷材料於半導體產業之應用價值。
為達成上述目的，本發明提供一種微波介電玻璃陶瓷材料，包括：一主相成份，該主相成份包含至少一玻璃陶瓷材料，該玻璃陶瓷材料之結構式係為CaxMgySizO(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；以及一第二相成份，該第二相成份係由混合該主相成份及至少三種介電材料並且於一預定溫度下共同燒結所生成，該介電材料係選自下列所組成之群組：鈦酸鈣(CaTiO3)、鈦酸鎂(MgTiO3)、鈦酸鋯(ZrTiO4)及二氧化鈦(TiO2)。
於本發明之微波介電玻璃陶瓷材料中，主相成份中的玻璃陶瓷材料為輝石類的玻璃陶瓷材料，其可透過混合至少兩種氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)或二氧化矽(SiO2)之氧化物，於1500℃至1800℃下先形成一玻璃態，再將該玻璃態於700℃至1000℃下燒結所生成。於此，以氧化鎂、氧化鈣及二氧化矽之總量為100莫耳百分比，該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。依據不同的添加比例，於1500℃至1800℃下燒成一玻璃態，並將該玻璃態於700℃至1000℃下燒結，較佳為900℃以下的溫度進行燒結時，可製成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)]。由上述方法所製得的各種輝石類玻璃陶瓷材料，其介電常數皆低於10以下，甚至可低於9以下；而玻璃陶瓷材料之品質因子皆大於7000 GHz以上。據此，當使用輝石類玻璃陶瓷材料與其他介電材料共同燒結時，可獲得具備絕佳特性的微波介電玻璃陶瓷材料。
於本發明之微波介電玻璃陶瓷材料中，第二相成份係由上述主相成份及至少三種或四種介電材料相互混合並且於一預定溫度共同燒結所生成。於此，於該第二相成份中，以主相成份及介電材料之總量為100重量百分比，介電材料之含量係介於0至30重量百分比之間，較佳係介於0至20重量百分比之間，更佳係介於13至15重量百分比之間。據此，當該等介電材料添加於上述至少一種主相成份，並於900℃以下，較佳為700℃至900℃之預定溫度下共同燒結時，係生成如：包含鈦酸鈣(CaTiO3)、矽酸鎂(Mg2SiO4)、二氧化鈦(TiO2)或氧化鋯(ZrO2)之第二相成份。
另一方面，本發明亦提供一種用於製備前述微波介電玻璃陶瓷材料的微波介電玻璃陶瓷粉末組成物，其包括：至少一玻璃陶瓷材料，該玻璃陶瓷材料之結構式係為CaxMgySizO(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；以及一陶瓷粉末，其係包含選自由鈦酸鈣(CaTiO3)、鈦酸鎂(MgTiO3)、鈦酸鋯(ZrTiO4)及二氧化鈦(TiO2)所組成之群組中的至少三種介電材料。
據此，由上述比例共同燒結後所製得的微波介電玻璃陶瓷材料可具備下列幾項特性：(1)低介電常數(K)：該組成物之介電常數係介於7至9之間；(2)高品質因子(Q×f)：該組成物之品質因子超過7000 GHz，較佳係大幅提升至15000 GHz以上；(3)穩定的溫度飄移係數(τf)：該組成物之溫度飄移係數可控制於±20或±25 ppm之間；(4)穩定的電容溫度係數(temperature coefficient of capacitance,TCC)：該組成物之電容溫度係數可控制於±28或±35 ppm之間。
綜上所述，本發明結合輝石類玻璃陶瓷材料與不同介電材料之特性，適合於低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics,LTCC)之燒結溫度下進行燒結，獲得具備絕佳電性品質與穩定性的微波介電玻璃陶瓷材料，藉以提升現有技術中玻璃陶瓷材料於半導體產業之應用價值。
以下，將透過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。
實施例
本發明結合玻璃陶瓷材料與介電材料所具備之特性，於一定的混合比例下共同燒結製作出具備絕佳電性品質與穩定性的微波介電玻璃陶瓷材料。
1.　製備作為主相成份的玻璃陶瓷材料
混合氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)及二氧化矽(SiO2)三種氧化物粉末，並於900℃之溫度下燒結後形成各種不同相結構之輝石類玻璃陶瓷材料，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)]。其中，各種氧化物之添加量及其玻璃陶瓷材料的介電常數與品質因子測試結果係如表1所示。
表1：各種氧化物添加量及其製成的玻璃陶瓷材料之介電常數與品質因子。
2.　製備含第二相成分之微波介電玻璃陶瓷材料
將上述一種玻璃陶瓷材料粉末作為主相成份，使其與陶瓷粉末混合，其中該陶瓷粉末包括至少四種介電材料混合並且共同燒結，以生成第二相成份，藉以製得包含第二相成份之微波介電玻璃陶瓷材料。
混合CaMgSi2O6之玻璃陶瓷材料與CaTiO3、MgTiO3、ZrTiO4及TiO2等介電材料，於1500℃至1800℃下融熔形成一玻璃態，並將其置於900℃之燒結環境中共同燒結2小時，生成包含CaTiO3、TiO2、Mg2SiO4或ZrO2之第二相成份。
據此，透過上述之製作方法即可完成微波介電玻璃陶瓷材料之製備，該組成物可同時包含主相成份及第二相成份，以形成具備絕佳特性的微波介電玻璃陶瓷材料。以X光粉末繞射儀分析本發明微波介電玻璃陶瓷材料之結構，其結果係如圖1所示。其中，2θ為29.8°、35.5°、30.8°、30.3°、34.8°代表CaMgSi2O6(透輝石)之X射線繞射峰；2θ為33.14°代表CaTiO3之X射線繞射峰；2θ為36.4°及32.3°代表Mg2SiO4之X射線繞射峰；2θ為31.4°則代表ZrO2之X射線繞射峰。
其中，以主相成份與介電材料之總量為100重量百分比，該介電材料之含量及其微波介電玻璃陶瓷材料的電性品質及穩定性之測試結果係如表2所示。
表2：微波介電玻璃陶瓷材料之電性品質與穩定之測試結果。
由上表之測試結果顯示，當介電材料之含量介於0至30重量百分比時，其介電常數皆低於9以下，且品質因子至高可達15100GHz。尤其，當介電材料之含量介於10至21重量百分比時，更可有效地穩定微波介電玻璃陶瓷材料之溫度飄移係數與電容溫度係數，使溫度飄移係數維持在±30 ppm之間，且其電容溫度係數亦可維持在±40 ppm之間。更佳為，當介電材料之含量介於13至15重量百分比時，該微波介電玻璃陶瓷材料之介電常數、品質因子、溫度飄移係數及電容溫度係數皆具備絕佳的特性。
3.　製備另一種含第二相成分之微波介電玻璃陶瓷材料
將上述至少二種玻璃陶瓷材料粉末作為主相成份，使其與陶瓷粉末混合，其中該陶瓷粉末包括三種介電材料，混合並且共同燒結以產生第二相成份，藉以製得另一種包含第二相成份之微波介電玻璃陶瓷材料。
混合CaSiO3、CaMgSi2O6(透輝石)之玻璃陶瓷材料與CaTiO3、MgTiO3及ZrTiO4等介電材料，於1500℃至1800℃下融熔形成一玻璃態，並將其置於900℃之燒結環境中共同燒結2小時，以生成包含CaTiO3、Mg2SiO4或ZrO2之第二相成份。
據此，透過上述之製作方法即可完成微波介電玻璃陶瓷材料之製備，該組成物可同時包含主相成份及第二相成份，以形成具備絕佳特性的微波介電玻璃陶瓷材料。
其中，以主相成份與介電材料之總量為100重量百分比，該介電材料之含量及其微波介電玻璃陶瓷材料的電性品質及穩定性之測試結果係如表3所示。
表3：微波介電玻璃陶瓷材料之電性品質與穩定之測試結果。
由上表之測試結果顯示，當介電材料之含量介於0至30重量百分比時，其介電常數皆低於10以下，且品質因子至高可達15000GHz。尤其，當介電材料之含量介於13至21重量百分比時，更可有效地穩定微波介電玻璃陶瓷材料之溫度飄移係數與電容溫度係數，使溫度飄移係數維持在±25 ppm之間，且其電容溫度係數亦可維持在±35ppm之間。更佳為，當介電材料之含量介於19至21重量百分比時，該微波介電玻璃陶瓷材料之介電常數、品質因子、溫度飄移係數及電容溫度係數皆具備絕佳的特性。
據此，本發明所述之兩種微波介電玻璃陶瓷材料可結合玻璃陶瓷材料與介電材料之特性，製作出兼具電性品質與穩定性的微波介電玻璃陶瓷材料。
圖1係為本發明微波介電陶瓷材料之X射線繞射圖。

Claims (11)

  1. 一種微波介電玻璃陶瓷材料，包括：一主相成份，該主相成份包含至少一玻璃陶瓷材料，該玻璃陶瓷材料之結構式係為CaxMgySizO(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；以及一第二相成份，該第二相成份係由混合該主相成份及至少三種介電材料並且於一預定溫度下共同燒結所生成，該介電材料係選自下列所組成之群組：鈦酸鈣(CaTiO3)、鈦酸鎂(MgTiO3)、鈦酸鋯(ZrTiO4)及二氧化鈦(TiO2)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之微波介電玻璃陶瓷材料，其中該主相成份之玻璃陶瓷材料係由混合至少兩種氧化物，於1500℃至1800℃下融熔形成一玻璃態，再將該玻璃態於700℃至1000℃下燒結所生成，該等氧化物係選自下列所組成之群組：氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)及二氧化矽(SiO2)，其中以氧化鎂、氧化鈣及二氧化矽之總量為100莫耳百分比，該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。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之微波介電玻璃陶瓷材料，其中該玻璃陶瓷材料係為CaSiO3、Ca3MgSi2O8、CaMgSi2O6或Ca2MgSi2O7。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之微波介電玻璃陶瓷材料，其中該第二相成份係為鈦酸鈣(CaTiO3)、矽酸鎂(Mg2SiO4)、二氧化鈦(TiO2)或二氧化鋯(ZrO2)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之微波介電玻璃陶瓷材料，於該第二相成份中，以該主相成份及該等介電材料之總量為100重量百分比，該等介電材料之含量係介於0至30重量百分比之間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之微波介電玻璃陶瓷材料，其中該預定溫度係介於700℃至900℃。
  7. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之微波介電玻璃陶瓷材料，其介電常數(K)係低於10。
  8. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之微波介電玻璃陶瓷材料，其品質因子(Q×f)係大於7000 GHz。
  9. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之微波介電玻璃陶瓷材料，其溫度飄移係數(τf)係介於±20 ppm之間。
  10. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之微波介電玻璃陶瓷材料，其電容溫度係數(TCC)係介於±28 ppm之間。
  11. 一種微波介電玻璃陶瓷粉末組成物，其包括：至少一玻璃陶瓷材料，該玻璃陶瓷材料之結構式係為CaxMgySizO(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；以及一陶瓷粉末，其係包含選自由鈦酸鈣(CaTiO3)、鈦酸鎂(MgTiO3)、鈦酸鋯(ZrTiO4)及二氧化鈦(TiO2)所組成之群組中的至少三種介電材料。
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