TWI306845B - - Google Patents

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1306845 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種陶瓷組成物（ceramic composition；) ^ ’特別是指一種低溫燒結的介電（dielectric)陶瓷組成物。 • 【先前技術】 隨著無線通訊技術的進步，可攜式行動通訊產品的需 求也大量增加，並朝向體積小、重量輕、多功能、高可靠 ^ 度與低價化發展，使得電子元件及組件必須能夠整體化、 晶片化及模組化，以達小型化及輕量化的高密度構裝要求 。然而傳統的多層印刷電路板已經不能符合高元件及線路 密度的要求，因此，具有高信賴度、可作為線路基板材料 及被動元件的咼密度黏著基板的積層共燒陶瓷（打 Co-fired Ceramic，MLC )基板，由於能夠整合電容 (capacitor)、電感（inductor)及電阻（resistor)於積層結構中， 以增加線路密度並減小模組空間，而越來越受矚目。 • 由於無線通訊產品是藉由微波傳遞訊號，其中所使用 的陶瓷材料’必須具有高的介電常數值（diekctnc c〇nstam ，εΓ)、尚的品質因子（料_ fact〇r，Q)，以及低的共振 頻率溫度係數（temperature c〇efficient 〇f Γ“〇腿t作叫職叮 ，Γ f)。而且在高頻下所使用的電子元件為了要減少介電 扣失（tan 5)，會選用電阻率低的金屬作為内導體層材料如 銅（Cu)和銀（Ag)。但銅導體必須在無氧之氣氛下燒結， 以避免形成氧化銅；而在無氧氣氛下燒結，陶究體内之有 機枯U不易去除，進而影響到陶曼體之性質，並且使生 5 1306845 產成本提高。雖然銀導體可在大氣氣氛下進行燒結，但其 溶點約為960°C，低於—般介電陶究材料（例如鈦酸鎖陶究 )之燒結溫度（約為l3〇〇°c以上），所以常與鈀（pd，熔點 約1600 C )形成合金以使共熔溫度能高於燒結溫度。但是 鈀金屬的材料成本相當昂貴，若要減少鈀金屬之使用量， 必須降低陶瓷體的燒結溫度，使銀所佔的比例可以提高， 才旎大幅節省材料成本，也能降低導體層的電阻率。 般农吊用於降低燒結溫度的方法是添加低溶點破璃 利用液相燒結(liquid phase Sintering)來降低燒結溫度。但 是玻璃的添加量與陶£的燒結溫度及其介f特性有著相互 直接的影響，例如’ ^玻璃的添加量太多，雖可以降低 燒結溫度’但卻會造成介電特性劣化，使介電常數及品質 因子下降’若破璃的添加量太少，材料的介電特性雖然可 乂維持’但部無法達到降低燒結溫度的效果。另外，雖然 有=低溶點玻璃可以同時降低燒結溫度，並保持良好的微 波’丨電性貝’然而此類低熔點玻璃，例如商業玻璃 ，0,〇3_Sl〇2)’多含有氧化錯（pb〇)之重金屬，使 侍近來在環保要求下，必須被捨棄。 口此’如何在降低介電陶究的燒結 好的介電性晳Tm I此难待良 ，+含重金屬成份的介電陶究組成物 疋此領域之研究者努力的目標。 的介不同的微波頻率下所使用的陶兗元件，其所需 的”“數並不相同，在較高的微波頻率使 的陶瓷材料的介雷當叙> τ π L 所搭配 "數較小，因此須選用符合該等微波特 1306845 性的陶瓷體 —般適用於 εΓ>50、Qxf>l〇〇〇、-30 PPm/ C $ τ f各3 〇 ppm/°C範圍的微波介電材料以BaO · RE2〇3 · Tl〇2較受矚目（RE可以是Nd、Sm、La、Pr等稀 土族7^素），但是其燒結溫度在1300°C以上，必須降低燒結 溫度才能增加應用性。 美國專利案第5350721號即其中一例。該案揭露一種 介電陶兗組成物，包含一主要成分及一玻璃添加物；其中

’該主要成份佔1〇〇重量份且具有xBaO . yTi〇2 · z[(1. a)RE2〇3 . aBi2〇3]之通式，其中RE代表至少一種稀土族元 素’且 0.10^^0.20，〇.60$y^).75，O.lOSzSO.25，x+y+z=1 〇<a$〇.3。該玻璃添加物則佔〇1_2〇重量份，其中含有让 wt%氧化鋅（Zn0)、m wt%氧化硼（B2〇3)，及n糾％氧化矽 (Si02)，且 3〇SkS85，5SmS50，2SnS4〇，k+m+n=l〇〇。該案 之介電陶瓷組成物可在900°C燒結，燒結後之介電常數約介

於40-80之間，Q值（3 GHz)約介於400-1700之間，且共 振頻率溫度係數7： f值約介於-8 ppm/°C至20 ppm/°C之間。 然而，上述美國專利案之介電陶瓷組成物含有鉍 金屬（亦為重金屬），會造成環境負擔，並不符合環保需求 ’且此種陶瓷組成損耗較高，Q X f值較不易控制。 因此，對於能夠避免使用重金屬氧化物以符合環保要 求’且能在1200°C以下的溫度進行低溫燒結，同時具有介 電常數>50、品質因子>1〇〇〇 GHz及共振頻率溫度係數介 於±30 ppm/°C之間的介電性質之陶瓷組成物，仍存在改進的 空間。 1306845 【發明内容】 因此’本發明之目的，即在提供—種介電陶曼組成物 ’：別是指一種可以在低溫燒結且不含重金屬成份並具有 高介電常數、高品質因素及低共振頻率溫度係數的介 瓷組成物。 本發明之介電陶竟組成物包含一基體及一玻璃添加物 。=基體包括幻〇〇 重量份Ua4 5(Smi xNdx)9Tii8Q54

，其中〇·2$Χ$0·8。該玻璃添加物包括佔2.3-4.8重量份的 氧化硼（B2〇3)、i.3-3』重量份的氧化石夕（Si02)、2.8-5.3 重量份的氧化辞（Zn0)。 本發明之介電陶究組成物可纟115『c以下的低溫進行 燒結，且燒結成之介電陶瓷具有介電常數> 50、品質因子 > 1000 GHz及共振頻率溫度係數介於±3〇 ppm/£>c之間的介 電性質。此外，本發明之介電陶曼組成物的成份即使不含 鉛（Pb)、鎘（Cd)、鉍（Bi)等重金屬，依然可以應用於低溫 共燒陶究（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)製 程及夕層陶究電各（Multi-layer Ceramic Capacitor， MLCC) ’因此能夠降低製造成本並符合環保需求。 【實施方式】 <發明詳細說明> 本發明之介電陶瓷組成物包含一基體及一玻璃添加物 。該基體包括佔100重量份的Ba4 5(Srni.xNdx)9Ti 1 8054 ’其中〇·2$χ^〇·8。該玻璃添加物包括佔2.3_4·8重量份的 氧化棚、1.3-3.8重量份的氧化矽、2 8_5.3重量份的氧化鋅 1306845 Y 地，〇.4^G〇.7,更佳地，0.5Sg0.7e 2·5-4·5 ，更佳地 重夏㈣切、份的氧化辞 氧化物τΓ 發明之玻璃添加物更包括-氧化物，該 自佔U·1.4重量份的氧化鎳（_)、佔㈣.9 c。里:的氣化妃（Y2〇3)、…·4重量份的氧化結（ —及佔、G.8_3.3重5份的氧化銅（Cu〇)等所組成的族 产之—者或多者0其中’以該氧化物是佔0.4-1.4重量份 的氧化錄為佳’更佳地’該氧化物是佔G.6.L2重量份的氧 化錄；或者’以該氧化物是量份的氧化紀為佳 、更佳地，該氧化物是佔G.5_G.7重量份的氧化紀；或者， 广亥乳化物是佔0.4] 4重量份的氧減為佳，更佳地，該 一物是佔0.6-1.2重量份的氧化銘；或者，以該氡化物是 佔0.8 3.3重ι份的氧化銅為佳，更佳地，該氧化物是佔 1.0-3.0重量份的氧化銅。 適用於本發明之基體進一步包括佔〇〇5_〇2重量份的氧 化錳（MnO) ’較佳地，該基體中的氧化锰是佔〇 〇6_〇18重 量份。 〈較佳實施例之詳細說明> 品劍及儀g§ .石反酸鋇（BaC03：K由NCI所製造，批號為2〇925_2。 2.—氧化鈦（Ti〇2):由Τ0Η0所製造，批號為312109。 1306845 3.蝴酸（η3Β03):由CPH所製造，批號為〇〇75Κ。 4，二氧化矽（Si02):由pri〇r所製造，批號為140717。 5.乳化辞（ZnO):由Umicores所製造，批號為9-2003-Sept 6. 氧化鎳（NiO):由high purity chemicals所製造’批號為 70523D。 7. 氧化釔（Y2〇3):由景明化工所製造，批號為1314-36-9。

8. 氧化姑（C03O4 ):由Acros organics所製造，批號為 A014600401 〇 9_三氧化二鉉（Nd203):由NIKK所製造，批號為50901。 10. 三氧化二釤（Sm2〇3):由NIKK所製造，批號為0407(H。 11. 網路分析儀：Agilent 8722ES。 A.基體組成之影鎏 <實施例A > 本發明之介電陶瓷組成物之一實施例A及其製作方法 說明如下。 將氧化鋇（BaO)之起始物BaC03、Sm203、Nd203及 Ti〇2以莫耳比例1 : 1-x : X : 4置入PVC (聚氣乙烯）桶中 ’其中X依表1所示，並於PVC桶中加入氧化錯（Zr02)球 進行球磨混合24小時，混合完成後於80。(：烘箱中進行乾燥 ’此外’將烘乾後之粉末以10 °C /min的升溫速度加熱至 1150°C並持溫4小時以進行煆燒（calcination) 〇 元成基體材料後，取100重直份（parts by weight)的 1306845 基體材料添加於該PVC桶中，並將含有B2〇3[起始物為硼 酸（H3B〇3) ]、Si〇2及Zno之玻璃添加物依表i所示的重 量份加入該PVC桶中，與該基體材料及酒精溶劑進行混合 24小時。 將混合忒實細例A之基體材料及玻璃添加物後的漿料 於80 C烘乾，並於烘乾後之粉末中添加5wt% pVA ( Polyvinyl Alcoho卜聚乙烯醇）以進行造粒（pelletizati〇n)。 利用60網目（mesh)的篩網將完成造粒之後的粉末予以 過篩，接著以單軸成型機（uniaxial pressing)於0.8 τ/cm2的 壓力下實壓30秒，並製成直徑（d) =92 mm及厚度（t) =3.5mm之試片。隨後，將試片置於55〇t的環境中持溫之 小時進行脫脂，進而移除殘留於試片中的PVA。 最後，每一編號之介電陶瓷組成物被分成兩組試片， 並將母一編號之介電陶瓷組成物的兩組試片分別於丨1 及1115°C或是1050°C及110(rc的燒結溫度，持溫2小時進 行燒結，並於燒結後對試片進行緻密性檢測及微波介電性 質之量測，其量測結果示於表i。 另外，編號9、1〇及u的試片還另外添加分別佔 BaC03、Sm203、Nd203 及 Ti〇2 (莫耳比 i : 〇 3 : 〇 7 : 4) 之總重量lwt%、2wt%及3wt%的MnC〇3 (Mn〇的起始物 )’ MnC03 可先與 BaC〇3、Sm2〇3、Nd2〇3 及 Ti〇2 一起進行 球磨混合及煆燒，或是與玻璃添加物一起加入燒結，以形 成如表1所示，姑0·06、0.12、0.18重量份的Mn0。 值得一提的是，氧化物Ba〇、㈣及Mn〇等原料，可 1306845 以使用氧化物、醋酸鹽、草酸鹽、硝酸鹽、氣化物等，並 不以實施例所用之起始物為限。 f Qxf r f (GHz) (GHz) (ppm/。。） 編號 X MnO B2O3 Si〇2 ZnO溫度密度 gr ------(t ) fe/cm3) 一 1 0.2 - 3.5 2.5 4.0 1065 2 0.3 _ 3.5 2.5 4.0 1115 1065 3 0.4 _ 3.5 2.5 4.0 1115 1065 4 0.5 3.5 2.5 4.0 1115 1065 5 0.6 一 3.5 2.5 4.0 1115 1065 6 0.7 _ 3.5 2.5 4.0 1115 1065 7 0.8 _ 3.5 2.5 4.0 1115 1065 8 0.7 _ 3.5 2.5 4.0 1115 1050 9 0.7 0.06 3.5 2.5 4.0 1100 1050 10 0.7 0.12 3.5 2.5 4.0 1100 1050 11 0.7 0.18 3.5 2.5 4.0 1100 1050 1100 3 5 4 2 12 2 3 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 5.41 5.42 5.28 5.42 5.43 5.44 5.38 5.40 4.15 5.23 4.47 5.33 4.20 5.24 4.53 5.36 60.8 61.4 61.8 61.7 60.1 61.3 62.0 63.3 62.7 62.4 64.4 63.6 64.0 64.1 40.8 60.0 48.0 65.0 42.4 61.5 47.4 63.6 8.01 7.92 7.81 7.81 7.72 7.72 7.74 7.67 7.62 7.58 7.48 7.52 7.50 7.51 8.82 7.62 8.39 7.82 8.72 7.80 8.33 7.63 3696 3290 3218 3158 2308 4402 3719 4984 7102 6942 5439 5192 1336 4932 3482 4687 4397 5860 4272 5853 3270 2733 -5.4 -10.3 -1.5 -1.36.8 9.6 11.2 14.4 22.6 16.7 11.9 由表1數據顯示’當玻璃添加物固定為包括佔35重 里伤的氧化蝴、佔2.5重置份的氧化石夕及佔4.〇重量份的氧 化鋅時’改變基體材料[Ba4 5(Smi_xNdx：)9Tii8〇54，Q<2 各X S 0 . 8 ]的Sm及Nd的比例’皆能在1 〇65°c的燒結溫度 達到緻密化，由此可知，本實施例A的玻璃添加物含量能 有效的濕潤基體材料’使液相燒結的機構發生，進而降低 該實施例A之介電陶瓷組成物的燒結溫度。且介電常數會 受緻费化程度影響’當燒結密度越高的時候，介電常數也 會增加’而基體材料中Nd含量增加也使介電常數值提言 12 1306845 另外，當基體材料更包括少量MnO時，可以增加燒結緻密 性，並提高Qxf值。 該實施例A之介電陶瓷組成物在低於1115。(：燒結後， 其介電性質可達：介電常數大於60、品質因子Qxf值高於 2000 GHz及共振頻率溫度係數τ f值介於±3〇 ppm/t之間。 g .破璃添加物之筆彳響 <實施例B > 本發明之介電陶瓷組成物之一實施例B及其製作方法 說明如下。 將氧化鋇（BaO)之起始物BaC〇3、Sm203、Nd203及 Ti〇2以莫耳比例1 : 1-x : x : 4置入PVC (聚氣乙烯）桶中 ’其中X依表2所示，並於PVC桶中加入氧化鍅（Zr〇2)球 進行球磨混合24小時，混合完成後於8(TC烘箱中進行乾燥 ’此外’將烘乾後之粉末以1〇/min的升溫速度加熱至 1150 C並持溫4小時以進行煆燒（caicinati〇n)。 元成基體材料後’取1〇〇重量份（parts by weight)的 基體材料添加於該PVC桶中，並將含有ΙΑ[起始物為硼 酸（H3B〇3 ) ]、Si〇2、ZnO之玻璃添加物或更進一步包括 一選自於Ni〇、Y2〇3、C〇〇及Cu〇其中一者之氧化物，依 表2所示的重量份加入該pvc桶中，與該基體材料及酒精 溶劑進行混合24小時。其餘步驟與該實施例a相同，但是 各忒片的燒結溫度則依表3所示。且該實施例b之介電陶 曼組成物於燒結後的性質測試結果亦列於表3。 由表2及表3所示，玻璃添加物總量佔9_12重量份可 13 1306845 有效降低燒結溫度於测t以下，並使該實施例b之介電 陶究’及成物於燒結後可達介電常數> 5G、品質因子Qxf > 1000，及共振頻率溫度係數r f介於±3〇 ppm/t之間的介電 性質，以符合微波介電材料的使用需求。其中，當氧化硼 佔3.5重量份、氧化矽佔2.5重量份及氧化鋅佔4 〇重量份 時，可在1〇5〇。(：燒結後，使介電陶瓷組成物的燒結緻密性 較佳，即密度較高，顯示此比例的玻璃添加物的濕潤情況 良好。而再增加適當含量的氧化銅更能增加緻密行為，提 高燒結密度，且能降低τ f值。

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表2 試片編號~X~~玻璃總量 B2〇3 Si02 ZnO NiO Y203 CoO CuO 2345678901234567 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 7777777777775555 0·0·ο0·0·0·0·οοοο0·0·ο°·ο 119119119100.110.0.1110111213 5555551101105555 4233334444443333 6 2 I I - I I - ·> I -- I - I o 1 0000009999990000 4444532222224444 5555559999995555 2231222222222222 6 °· I- 6 2 °1 o o o 12 3 表3 試片編號溫度（°C )密度（g/cm3) £ r f(GHz) Qxf(GHz) τ f (ppm/°C ) 2 3 4 5 6 7 8 9 0 12 3 4 5 6 7 1 1 1 1 1 1_ 11 2 2 2 2 2 2 2 2 1050 1100 1050 1100 1050 1100 1050 1100 1050 1100 1050 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1050 1100 1050 1100 1050 1100 1050 1100 01050167615433760015920293 52215212930211112193940414 45453535253555555545455555 82573205 50087920 46452526 974982M4 376787-8 878797l07 61.8 7.86 3735 - 3949 13.8 3319 - 2686 14.8 2421 響 3692 9.7 1565 - 4439 13.0 7424 22.2 587181368559034 87788674633015 55555556565655 lx 6 308841438509149 6999990^6678820 777777877777788 866770131886138 900563779529998 252988835269278 545323235556543 29358 15o 9 9 7 5 o 1- 2 243320153.24117.4.1.1.2.3.4.0. 15 1306845 g.粉東細微化的影響 <實施例c > 在本發明之介電陶瓷組成物的一實施例C中，其基體 材料的製作條件及步驟與該實施例B大致相同，其不同處 在於BaC03、Sm2〇3、_2〇3及Ti〇2之莫耳比固定為i : 〇 5 .0.5 : 4，且，在煆燒完成後，於實施例c的原pvc桶中 放入煆燒完成後的粉末、氧化锆球及酒精溶劑進行球磨24 小時後烘乾形成基體材料。 完成基體材料後，取〗00重量份（parts by weigh〇的 基體材料，及含有ίο;[起始物為硼酸（H3B〇3) ]、Si〇2、 ZnO及CuO之玻璃添加物依表4所示的重量份加入行星式 球磨機（Planetary ball mill)的球磨罐，並加入3mm的氧 化鉛球，以行星式球磨機球磨12小時，使粉體粒徑降至約 0.3 um。將混合該實施例c之基體材料及玻璃添加物後的漿 料於80°C烘乾，並於烘乾後之粉末中添加5wt% pvA ( Polyvinyl Alcohol ’聚乙烯醇）以進行造粒。利用6〇網目 (m e s h)的篩網將完成造粒之後的粉末予以過篩，接著以 單軸成型機於0.8 T/cm2的壓力下實壓30秒，並製成直徑（ d) =9.2 mm及厚度（t) =3.5mm之試片。隨後，將試片 置於550 C的環境中持溫2小時進行脫脂，進而移除殘留於 試片中的PVA。 最後，每一編號之介電陶瓷組成物被分成兩組試片， 並將每一編號之介電陶瓷組成物的兩組試片分別以1〇t /mm的升溫速率於1015«t& 1065t的燒結溫度，持溫2小 16 1306845 * 時進行燒結，並於燒結後對試片進行緻密性檢測及微波介 電性質之量測，其量測結果示於表4。 ______ _ 表 4 ^ 試

X 聲 一 GO 9 ο 1 ^2 2 3 3 u 2 β 度 C 溫Γ 徑m) 粒(Uο U Cο η Ζ 5 5 5 5 5 5 5 tA IX oooooooo 1A 1A 1i ~¥ΈΓ :g/cm3) 4.85 5.41 5.34 5.47 5.38 5.48 5.41 5.43 ε r ~5ΪΎ 63.5 61.0 63.0 54.1 57.5 46.9 8.13 7.64 7.86 7.75 8.35 8.18 8.89 8.70 3988 6246 5143 6291 4874 7944 2601 3937 7.0 5.1 7.2 7.1 本實施例C之介電陶瓷組成物與表2及表3中編號24 、25、26、27等組試片為具有相同組成成份的介電陶瓷組 成物，比#父表2、3、4的結果可知，經過粉末細微化之後 實％例C之組成成份相同的介電陶瓷組成物可降低燒結 /瓜度至1015C並提高緻密度，且在氧化銅佔 1.0-2.0重量份 時，具有更佳的緻密效果及介電性質。 :上所述，本發明介電陶瓷組成物即使不添加鉛、鎘 、鉍等重金屬氧化物，依然可以在低A⑽。。的燒結溫度 下進行低溫燒結，並具有介電常數>5()、品f因子^麵 GHz及共振頻率溫度係數介於㈣之間的介電性質， 既符合微波介電材料的需求，又不會造成環境負擔並能適 用在低溫共燒陶瓷製程及多層陶瓷電容，《而達到降低製 造成本等功效，故確實料成本發明之目的。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 能以此限定本發明膏祐夕誌@ B L „ ^ ^ 月貫粑之靶圍，即大凡依本發明申請專 17 1306845

範圍及發明說明内容所作之簡單的等效變化與修飾’皆仍 屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 益 < *»、 【主要元件符號說明】 無 18

Claims (1)

1306845 ί·,,, ,, , ,..·--—·'—· ,CV,.,..... 申請專利範圍： -種低溫燒結的介電陶瓷組成物，其係不含鉛、鎘 等重金屬物質，包含： ' 一基體’包括佔100重量份的Bai(Smi χΝ Ti4〇12 ’其中 〇.2$χ$〇 8 ; Χ 2 :玻璃添加物，該玻璃添加物包括佔23_48重息 份的氧化硼、U·3.8重量份的氧化矽、2.8-5.3重量二 的氧化鋅；以及進—步添加一氧化物。 巧 依據申請專利範圍第1項所述之介電陶竟組成物 ’ 0.4S 0.7。 依據申請專利範圍第2項所述之介電陶究組成物 ’ 〇.5$ χ$〇·7。 4 其中 其中 其中 1.5-3. ’其中 依據申請專利範圍第1項所述之介電陶究組成物 、亥玻璃添加物包括佔2.5_4.5重量份的氧化棚 5重量份的氧化矽、2.9·5.〇重量份的氧化鋅。 依專利範圍第1項所述之介電陶究組成物1中 ，玻璃添加物進-步所添加之氡化物，該氧化： 選自於下列所構成之群組：佔〇. 是 、佔0 3 η 〇去Θ ·4重里份的氣化鋅 佔0·3-〇.9重量份的氧化記、佔… 絲 6 録及佔G.8.3.3重量份的氧化銅。.^的氣化 Π?範圍第5項所述之介電陶㈣物，其中 依據申心佔〇.“.2重量份的氧化錦為較佳者。 =·!範圍第5項所述之介電陶究組成 礼化物是佔。.5·。.7重量份的氧化紀為較佳者。 19 7 1306845 8、依據申請專利範圍第5項所述之介電陶究組成物，其令 ，輕化物是佔重量份的氧㈣為較佳者。 Θ、依據申凊專利範圍第5 ，該氧化物是佔組成物，其中 1 0、依據巾請專利範圍第Μ隹者 中，該基體更包括佔0 05 0 電陶究組成物，其 11、依據申請專利範圍第/項：.2重：份的氧化猛。 中，該基體中的氧化猛是佔述之力電陶究組成物，其 者。 重量份為較佳

20 1306845 七、指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：無。 (二） 本代表圖之元件符號簡單說明：無 本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： 無