TWI531549B - Microwave dielectric glass ceramic compositions and their materials - Google Patents

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微波介電玻璃陶瓷組成物及其材料
本發明係有關於微波介電玻璃陶瓷組成物，尤指一種可適用於低溫燒結的微波介電玻璃陶瓷組成物。本發明亦有關於一種微波介電玻璃陶瓷材料，尤指一種具有低介電常數以及高品質因子的微波介電玻璃陶瓷材料。
隨著科技發展日趨進步，電子產品之尺寸日趨縮小，用於電子產品的元件，例如多層陶瓷元件等亦朝向小型化、薄層化以及多層化的方向發展。此外，隨著元件的工作頻率不斷增加，傳統的高熔點貴金屬例如銀-鈀混合粉、白金等已不符合需求，然而適用於高頻的電極材料例如銀或是銅等卻因熔點明顯較低，因此不適用於傳統的高溫共燒陶瓷技術，故，為了符合現今發展趨勢以及為了使用金、銀或是銅等熔點較低的材料做為電極，目前最受人矚目的技術即為低溫共燒陶瓷(Low temperature co-fired ceramic,LTCC)方法，故，為了可應用於低溫共燒陶瓷技術且可應用於高頻區域，發展出具有燒結溫度低、具有低介電常數以及高品質因子的微波介電材料便為現今研究的重點之一。
既有技術之微波介電材料列舉如下：美國第6649550B2號發明專利案揭示一種玻璃陶瓷介電材料，其係 包括CaMgSi2O6以及CaZnSi2O7，該玻璃陶瓷介電材料具有低燒結溫度以及低介電常數(介於7至9之間)之優點，然而該種玻璃陶瓷介電材料的應用頻率範圍係為0.1千兆赫茲(GHz)，故該玻璃陶瓷介電材料並無法應用於高頻範圍且並不具有高品質因子，因此並非理想的微波介電材料。
台灣第584867號發明專利案係揭示一種微波介電材料，其係為鈦酸鋅系統，該微波介電材料具有高品質因子以及低燒結溫度等優點，然而該種微波介電材料之介電常數係介於21至27之間；台灣第I240713號發明專利案係揭示一種微波介電材料，其係由Zn3Nb2O8粉體及液相燒結添加劑所燒結而成，該微波介電材料亦具有高品質因子以及低燒結溫度等優點，然而該種微波介電材料之介電常數係介於16至22之間；台灣第I248429號發明專利案係揭示一種低溫燒結微波介電陶瓷，其具有一係為n(Zrx,Sny)TizO4-(1-n)MO的本體基材以及一添加於該本體積材中的玻璃基材，該低溫燒結微波介電陶瓷具有低燒結溫度的優點，然而該低溫燒結微波介電陶瓷之介電常數係介於20至30之間。上述之台灣專利案揭示之各材料，由於介電常數過高，若應用於高頻區域時，並無法有效縮短訊號的延遲時間，並非理想的微波介電材料。
故，有必要發展出一種可應用於低溫共燒陶瓷技術、應用於高頻區域時具有低介電常數以及高品質因子等良好高頻特性的微波介電材料。
有鑑於既有技術之微波介電材料的缺點，本發 明之主要目的在於提供一種微波介電玻璃陶瓷組成物，其可應用於低溫共燒陶瓷技術，且應用於高頻區域時具有低介電常數以及高品質因子等良好高頻特性。
為達成前述目的，本發明提供一種微波介電玻璃陶瓷組成物，其係包括：一玻璃陶瓷成分，該玻璃陶瓷成分之結構式係為CaxAySizO(x+y+2z)，其中A係選自於由下列所構成之群組：鎂(Mg)、鋇(Ba)、鉀(K)、鈉(Na)以及鋁(Al)，其中以該玻璃陶瓷成分之元素的總莫耳數為基準，x係大於0莫耳百分比且小於等於50莫耳百分比，y係介於0莫耳百分比至50莫耳百分比之間，且z係大於0且小於等於50莫耳百分比，其中以該微波介電玻璃陶瓷組成物之總重量為基準，該玻璃陶瓷成分之含量係大於0重量百分比(wt%)且小於等於80wt%；以及一第一類陶瓷成分，其係選自於由下列所構成之群組：矽酸鋁(Al2Si2O7)、矽酸鋯(ZrSiO4)、矽酸鋁鉀(KAlSi3O8)、矽酸鋁鈉(NaAlSi3O8)、矽酸鋁鈉(CaAl2Si2O8)、矽酸鎂(Mg2SiO4)、鈦酸鎂鋯鍶(MgZrSrTiO6)、鋁酸鎂(MgAl2O4)、鈦酸鎂(MgTiO3)、矽酸鋅(Zn2SiO4)、矽酸鈦鋇(BaTiSi3O9)、四鈦酸鋇(BaTi4O9)、鎢酸鈣(CaWO4)、正鈮酸釤(SmNbO4)、正鈮酸鑭(LaNbO4)以及其等之組合，其中以該微波介電玻璃陶瓷組成物之總重量為基準，該第一類陶瓷成分之含量係大於0重量百分比(wt%)且小於等於60wt%。
依據本發明，本發明所述之玻璃陶瓷成分係指含玻璃相的多晶固體材料，其製造方法係例如將二氧化矽 等基質材料高溫熔融形成玻璃後，添加氧化物例如氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO)、三氧化二鋁(Al2O3)、氧化鋇(BaO)、氧化鉀(K2O)或氧化鈉(Na2O)等作為修飾劑，再接續進行燒結，使玻璃內可產生結晶並形成多晶固體進而製得玻璃陶瓷成分，其中修飾劑係用於增加整體玻璃陶瓷成分的結晶性。
依據本發明，本發明所述之玻璃陶瓷成分之粒徑可自行調整使用，其係例如但不限於介於1微米至10微米之間或是小於1微米等。
依據本發明，本發明所述之第一類陶瓷成分之粒徑可自行調整使用，其係例如但不限於介於1微米至10微米之間或是小於1微米等。
本發明之微波介電玻璃陶瓷組成物由於含有玻璃陶瓷成分以及第一類陶瓷成分，故本發明之微波介電玻璃陶瓷組成物具有低燒結溫度的優點，因而可於1000℃以下的溫度與熔點較低的金屬共燒，例如於大氣下與貴金屬共燒，所述之貴金屬係例如金、銀等，或是於還原氣氛下與卑金屬共燒，所述之卑金屬係例如銅、鎳等，故本發明之微波介電玻璃陶瓷組成物可應用於低溫共燒陶瓷技術。
進一步的，本發明之微波介電玻璃陶瓷組成物於低溫燒結後形成之微波介電玻璃陶瓷材料，於高頻環境下具有低介電常數的優點，更因含有第一類陶瓷成分而具有高品質因子的優點，故本發明之微波介電玻璃陶瓷組成物可用於製備理想的微波介電材料。
依據本發明，本發明所述之高頻環境係指頻率介於4至10千兆赫茲(GHz)之間。較佳的，係指頻率介於7至10千兆赫茲(GHz)之間。
較佳的，該玻璃陶瓷成分之含量係介於50wt%至80wt%之間。
較佳的，該玻璃陶瓷成分之含量係介於70wt%至80wt%之間。
較佳的，該第一類陶瓷成分之含量係介於20wt%至30wt%之間。
依據本發明，當該玻璃陶瓷成分之含量係介於70wt%至80wt%之間且該第一類陶瓷成分之含量係介於20wt%至30wt%之間時，本發明之微波介電玻璃陶瓷組成物不僅具有低燒結溫度，且於低溫燒結後形成之微波介電玻璃陶瓷材料於高頻環境下更具有良好的品質因子(大於16000 GHz，且最高可達接近25000)以及低介電常數(小於10)。
較佳的，該微波介電玻璃陶瓷組成物係包括一第二類陶瓷成分，該第二類陶瓷成分係選自於由下列所構成之群組：鈦酸鈣(CaTiO3)、鈦酸鋯(ZrTiO4)、二氧化鈦(TiO2)以及其等之組合，其中以該微波介電玻璃陶瓷組成物之總重量為基準，該玻璃陶瓷成分之含量係大於0wt%且小於等於70wt%，該第一類陶瓷成分之含量係大於0wt%且小於等於50wt%，該第二類陶瓷成分之含量係大於0wt%且小於等於20wt%之間。
依據本發明，本發明所述之第一類陶瓷成分以 及第二類陶瓷成份係指無機氧化物粉末，其係經過煆燒過程後具有特定的相結構。
依據本發明，由於該微波介電玻璃陶瓷組成物更包含有一特定比例的第二類陶瓷成分，故本發明之微波介電玻璃陶瓷組成物不僅具有前述之優點，於低溫燒結後形成之微波介電玻璃陶瓷材料更具有低電容溫度係數以及低溫度頻率係數等良好高頻特性的優點，故本發明之微波介電玻璃陶瓷組成物可用於製備更理想的微波介電材料。
較佳的，該玻璃陶瓷成分之含量係介於50wt%至80wt%之間。
依據本發明，當該玻璃陶瓷成分之含量係介於50wt%至80wt%之間時，本發明之微波介電玻璃陶瓷組成物中，該玻璃陶瓷成分係為主相成分，更可有效的降低微波介電玻璃陶瓷組成物的燒結溫度，並使該微波介電玻璃陶瓷組成物更適合應用於低溫共燒陶瓷技術。
更佳的，該玻璃陶瓷成分之含量係介於70wt%至80wt%之間。
依據本發明，當該璃陶瓷成分之含量係介於70wt%至80wt%之間時，可使微波介電玻璃陶瓷組成物具有一適當的低溫燒結溫度，藉以於適用低溫共燒陶瓷技術的同時，使該微波介電玻璃陶瓷組成物於低溫燒結後製得的微波介電玻璃陶瓷材料維持一定的緻密度以及結晶性。
較佳的，該第一類陶瓷成分之含量係介於10wt%至25wt%之間。
依據本發明，當該第一類陶瓷成分之含量係介 於10wt%至25wt%之間時，本發明之該微波介電玻璃陶瓷組成物於低溫燒結後製得的微波介電玻璃陶瓷材料具有更良好的品質因子。
更佳的，該第一類陶瓷成分之含量係介於15wt%至23wt%之間。
依據本發明，當該第一類陶瓷成分之含量係介於15wt%至23wt%之間時，本發明之該微波介電玻璃陶瓷組成物於低溫燒結後製得的微波介電玻璃陶瓷材料具有更良好的品質因子(例如大於16000 GHz)。
較佳的，該第二類陶瓷成分之含量係介於5wt%至15wt%之間。
依據本發明，當該第二類陶瓷成分之含量係介於5wt%至15wt%之間時，本發明之該微波介電玻璃陶瓷組成物於低溫燒結後製得的微波介電玻璃陶瓷材料具有更低的電容溫度係數以及更低的溫度頻率係數。
較佳的，該第二類陶瓷成分之含量係介於5wt%至10wt%之間。
依據本發明，當該第二類陶瓷成分之含量係介於5wt%至10wt%之間時，本發明之該微波介電玻璃陶瓷組成物於低溫燒結後製得的微波介電玻璃陶瓷材料具有又更低的電容溫度係數以及又更低的溫度頻率係數。
較佳的，該玻璃陶瓷成分係選自於由下列所構成之群組：矽酸鈣鎂(CaMgSi2O6)、矽酸鈣(CaSiO3)以及其等之組合。
較佳的，該第二類陶瓷成分係為鈦酸鈣。
本發明亦提供一種微波介電玻璃陶瓷材料，其係由前述之微波介電玻璃陶瓷組成物於一介於700℃至1000℃之間的溫度下燒結而成。
較佳的，其中該溫度係介於900至1000℃之間。
較佳的，該微波介電玻璃陶瓷材料於7至10千兆赫茲(GHz)之間的頻率下，其介電常數係小於15。
依據本發明，由於於7至10千兆赫茲(GHz)之間的頻率下，本發明之微波介電玻璃陶瓷材料之介電常數小於15，故其製成的元件應用於高頻環境時，可大幅縮短訊號的延遲時間。
較佳的，該微波介電玻璃陶瓷材料於7至10千兆赫茲(GHz)之間的頻率下，其品質因子係大於13000 GHz。
依據本發明，由於於7至10千兆赫茲(GHz)之間的頻率下，本發明之微波介電玻璃陶瓷材料之品質因子係大於13000 GHz，故其製成的元件應用於高頻環境時，可大幅降低介電損失與縮短訊號延遲時間，進而增進訊號品質。
更佳的，本發明之微波介電玻璃陶瓷材料於高頻環境下，同時具有介電常數小於15以及品質因子係大於13000 GHz的優點。
較佳的，該微波介電玻璃陶瓷材料於7至10千兆赫茲(GHz)之間的頻率且於-55℃至125℃之間的溫度下，其溫度頻率係數係介於±15ppm/℃之間。
依據本發明，由於於7至10千兆赫茲(GHz)之 間的頻率且於-55℃至125℃之間的溫度下，本發明之微波介電玻璃陶瓷材料之溫度頻率係數係介於±15ppm/℃之間，故其製成的元件應用於高頻環境時，具有良好的熱穩定性。
較佳的，該微波介電玻璃陶瓷材料於-55℃至125℃之間之溫度，其電容溫度係數係介於±30ppm/℃之間。
依據本發明，由於-55℃至125℃之間之溫度，本發明之微波介電玻璃陶瓷材料之電容溫度係數係介於±30ppm/℃之間，故其製成的元件之電容具有良好的熱穩定性。
更佳的，本發明之微波介電玻璃陶瓷材料於高頻環境下，同時具有介電常數小於15、品質因子係大於13000 GHz、溫度頻率係數係介於±15ppm/℃之間以及電容溫度係數係介於±30ppm/℃之間的優點。
較佳的，該微波介電玻璃陶瓷材料於7至10千兆赫茲(GHz)之間的頻率下，其介電常數係小於10。
更佳的，本發明之微波介電玻璃陶瓷材料於高頻環境下，同時具有介電常數小於10、品質因子係大於13000 GHz、溫度頻率係數係介於±15ppm/℃之間以及電容溫度係數係介於±30ppm/℃之間的優點。
較佳的，該微波介電玻璃陶瓷材料於7至10千兆赫茲(GHz)之間的頻率下，其品質因子係介於13000 GHz至25000 GHz之間。
為能詳細了解本發明的技術特徵與實用功效，並可依照說明書的內容來實施，請進一步配合圖式及較佳實施例，以闡述本發明為達目的所使用的技術手段。
實施例1至30
實施例1至30係將不同的玻璃陶瓷成分以及第一類陶瓷成分以不同比例混合形成微波介電玻璃陶瓷組成物，再接續將各微波介電玻璃陶瓷組成物與銅材料於1000℃之溫度以及於氮氣之環境下共燒結，得到各實施例之微波介電玻璃陶瓷材料，其中銅材料於共燒結後係形成電極。製得各實施例之微波介電玻璃陶瓷材料後，再於介於7至10GHz之間的頻率測量各材料之介電常數以及品質因子。實施例1至30之微波介電玻璃陶瓷材料的各成分、比例、介電常數以及品質因子如表1所示。
由表1可得知，各實施例之微波介電玻璃陶瓷材料於高頻的環境下(7至10 GHz)，介電常數皆小於10，且品質因子皆大於16000，故可得知本發明之微波介電玻璃陶瓷材料應用於高頻環境時，具有低介電常數以及高品質因子的優點。
進一步的，由於各實施例係由各微波介電玻璃陶瓷組成物於1000℃之溫度且於還原氣氛的環境下與銅材料共燒而製得，故可得知本發明之微波介電玻璃陶瓷組成物具有低燒結溫度，且可與金、銀等貴金屬或銅等卑金屬等熔點較低的金屬共燒，因此可應用於低溫共燒陶瓷技術，且燒結後製得的微波介電玻璃陶瓷材料應用於高頻環境時，同時具有低介電常數以及高品質因子等良好高頻特性的優點，故本發明之微波介電玻璃陶瓷組成物係為理想的微波介電材料。
實施例31至60
實施例31至60係將不同的玻璃陶瓷成分、第一類陶瓷成分以及第二類陶瓷成分以不同比例混合形成微波介電玻璃陶瓷組成物，再接續將各微波介電玻璃陶瓷組成物與銅材料於1000℃之溫度以及於氮氣之環境下共燒結，得到各實施例之微波介電玻璃陶瓷材料，其中銅材料於共燒結後係形成電極，各實施例之各成分以及比例如表2所示。
表2. 實施例31至60之微波介電玻璃陶瓷材 料的各成分以及比例
製得實施例1至30之微波介電玻璃陶瓷材料後，再於介於7至10 GHz之間的頻率測量各材料之介電常數、品質因子，於7至10 GHz之間的頻率以及-55℃至125℃之間的溫度測量各材料之溫度頻率係數，於-55℃至125℃之間之溫度測量各材料之電容溫度係數(temperature coefficient of capacitance，TCC)各微波介電玻璃陶瓷材料的介電常數、品質因子、溫度頻率係數以及電容溫度係數如表3所示。
表3. 實施例31至60之微波介電玻璃陶瓷材料的各介電常數、品質因子、溫度頻率係數以及電容溫度係數
由表3可得知，實施例31至60之微波介電玻璃陶瓷材料之於高頻的環境下(7至10 GHz)，介電常數皆小於10，品質因子皆大於13000，且溫度頻率係數皆介於±15ppm/℃之間，各材料之電容溫度係數皆介於±30ppm/℃之間甚至皆介於±28ppm/℃之間，其係符合美國電子工業協會(Electronic Industries Association，EIA)規範的COG(超穩定)材料等級(在-55℃至125℃之間的溫度範圍內，各材料的電容變化不超過±30ppm/℃)。
進一步的，由於各實施例係由各微波介電玻璃陶瓷組成物於1000℃之溫度且於還原氣氛的環境下與銅材料共燒而製得，故可得知本發明之微波介電玻璃陶瓷組成物具有低燒結溫度，且可與金、銀等貴金屬或銅等卑金屬等熔點較低的金屬共燒，因此可應用於低溫共燒陶瓷技術，且燒結後製得的微波介電玻璃陶瓷材料應用於高頻環 境時，同時具有低介電常數、高品質因子、低電容溫度係數以及低溫度頻率係數等良好高頻特性的優點，故本發明之微波介電玻璃陶瓷組成物係為理想的微波介電材料。

Claims (19)

  1. 一種微波介電玻璃陶瓷組成物，其係包括：一玻璃陶瓷成分，該玻璃陶瓷成分之結構式係為CaxAySizO(x+y+2z)，其中A係選自於由下列所構成之群組：鎂(Mg)、鋇(Ba)、鉀(K)、鈉(Na)以及鋁(Al)，其中以該玻璃陶瓷成分之元素的總莫耳數為基準，x係大於0莫耳百分比且小於等於50莫耳百分比，y係介於0莫耳百分比至50莫耳百分比之間，且z係大於0莫耳百分比且小於等於50莫耳百分比，其中以該微波介電玻璃陶瓷組成物之總重量為基準，該玻璃陶瓷成分之含量係大於0重量百分比(wt%)且小於等於80wt%；以及一第一類陶瓷成分，其係選自於由下列所構成之群組：矽酸鋁(Al2Si2O7)、矽酸鋯(ZrSiO4)、矽酸鋁鉀(KAlSi3O8)、矽酸鋁鈉(NaAlSi3O8)、矽酸鋁鈉(CaAl2Si2O8)、矽酸鎂(Mg2SiO4)、鈦酸鎂鋯鍶(MgZrSrTiO6)、鋁酸鎂(MgAl2O4)、鈦酸鎂(MgTiO3)、矽酸鋅(Zn2SiO4)、矽酸鈦鋇(BaTiSi3O9)、四鈦酸鋇(BaTi4O9)、鎢酸鈣(CaWO4)、正鈮酸釤(SmNbO4)、正鈮酸鑭(LaNbO4)以及其等之組合，其中以該微波介電玻璃陶瓷組成物之總重量為基準，該第一類陶瓷成分之含量係大於0重量百分比(wt%)且小於等於60wt%。
  2. 如請求項1所述之微波介電玻璃陶瓷組成物，其中該玻璃陶瓷成分之含量係介於50wt%至80wt%之間。
  3. 如請求項2所述之微波介電玻璃陶瓷組成物，其中該玻璃陶瓷成分之含量係介於70wt%至80wt%之間。
  4. 如請求項3所述之微波介電玻璃陶瓷組成物，其中該 第一類陶瓷成分之含量係介於20wt%至30wt%之間。
  5. 如請求項1所述之微波介電玻璃陶瓷組成物，其係包括一第二類陶瓷成分，該第二類陶瓷成分係選自於由下列所構成之群組：鈦酸鈣(CaTiO3)、鈦酸鋯(ZrTiO4)、二氧化鈦(TiO2)以及其等之組合，其中以該微波介電玻璃陶瓷組成物之總重量為基準，該玻璃陶瓷成分之含量係大於0wt%且小於等於70wt%，該第一類陶瓷成分之含量係大於0wt%且小於等於50wt%，該第二類陶瓷成分之含量係大於0wt%且小於等於20wt%。
  6. 如請求項5所述之微波介電玻璃陶瓷組成物，其中該玻璃陶瓷成分之含量係介於50wt%至80wt%之間。
  7. 如請求項6所述之微波介電玻璃陶瓷組成物，其中該玻璃陶瓷成分之含量係介於70wt%至80wt%之間。
  8. 如請求項7所述之微波介電玻璃陶瓷組成物，其中該第一類陶瓷成分之含量係介於10wt%至25wt%之間。
  9. 如請求項8所述之微波介電玻璃陶瓷組成物，其中該第一類陶瓷成分之含量係介於15wt%至23wt%之間。
  10. 如請求項9所述之微波介電玻璃陶瓷組成物，其中該第二類陶瓷成分之含量係介於5wt%至15wt%之間。
  11. 如請求項10所述之微波介電玻璃陶瓷組成物，其中該第二類陶瓷成分之含量係介於5wt%至10wt%之間。
  12. 如請求項1至11中任一項所述之微波介電玻璃陶瓷組成物，其中該玻璃陶瓷成分係選自於由下列所構成之群組：矽酸鈣鎂(CaMgSi2O6)、矽酸鈣(CaSiO3)以及其等之組合。
  13. 如請求項12所述之微波介電玻璃陶瓷組成物，其中 該第二類陶瓷成分係為鈦酸鈣。
  14. 一種微波介電玻璃陶瓷材料，其係由請求項1至13中任一項所述之微波介電玻璃陶瓷組成物於一介於700℃至1000℃之間的溫度下燒結而成。
  15. 如請求項14所述之微波介電玻璃陶瓷材料，其中該溫度係介於900至1000℃之間。
  16. 如請求項14或15所述之微波介電玻璃陶瓷材料，於7至10千兆赫茲(GHz)之間的頻率下，其介電常數係介於6.3至9.8之間。
  17. 如請求項16所述之微波介電玻璃陶瓷材料，於7至10千兆赫茲(GHz)之間的頻率下，其品質因子係介於16100至21500GHz之間。
  18. 如請求項17所述之微波介電玻璃陶瓷材料，於7至10千兆赫茲(GHz)之間的頻率且於-55℃至125℃之間的溫度下，其溫度頻率係數係介於±15ppm/℃之間。
  19. 如請求項18所述之微波介電玻璃陶瓷材料，於-55°C至125℃之間之溫度，其電容溫度係數係介於±30ppm/℃之間。
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