一种高q透明yag微波介质陶瓷材料及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于电子信息功能材料与器件技术领域，具体涉及一种具有高品质因素的 透明YAG微波介质陶瓷材料及其应用，适合用作微波介质基板材料，可以制作成现代通信 技术中的介质谐振器、介质滤波器等微波通信元器件。 技术背景
[0002] 随着微波通信技术快速发展的需要，对微波设备提出了体积要小、质量要轻、可靠 性要高、性能要优异和成本要低等要求，这就促成了微波技术与集成电路的结合，产生了微 波集成电路。微波集成电路技术对传输系统的基本要求之一就是它必须要有平面型结构， 从而可以通过调整单一平面尺寸来控制其传输特性，以实现微波电路的集成化。带状线、微 带线及耦合微带线正是适应上述发展趋势而出现的。这些传输系统的材料除了金属薄膜导 体外，就是微波介质基板材料了。随着通信设备运行频率的不断提高，信号延迟现象会变得 更加明显，系统损耗和发热量也会随之增大，系统稳定性会逐渐变差，因此，对制造通信器 件的关键材料---微波介质材料的性能参数提出了更高的要求。低介电常数能减小材料 与电极之间的交互耦合损耗，并提高电信号的传输速率，高品质因数有利于提高器件工作 频率的可选择性，近零的谐振频率温度系数，有助于提高器件的频率温度稳定特性。目前在 较低频段范围内，微波介质陶瓷通常选用介电常数< 15的高分子或陶瓷材料。但随着通信 频率不断升高，介电损耗不断增大，器件发热量迅速增加，材料的热导率成为一个需要重点 考虑的因素，由于陶瓷材料的热导率是有机材料的20倍左右，故可简化热设计，利于器件 小型化，并能明显提尚器件的寿命和可靠性。
[0003] 对于具有石榴石结构的Y3Al5O12 (YAG)透明陶瓷材料，其被广泛研究用于 激光增益介质材料，如1995年日本科学家Ikesue等（Ikesue, A. ;Kinoshita, T.; Kamataj K. ；Yoshida, K. Fabrication and optical properties of high-performance polycrystalline Nd:YAG ceramics for solid-state lasers, Journal of the American Ceramic Society, 1995, 78, 1033 - 1040)采用固相反应法制备了散射损耗低达0· 009cm 1 的NchYAG激光透明陶瓷，其折射率、热导率、硬度等物理特性的测量结果表明，NchYAG激 光透明陶瓷与NchYAG单晶类似。而对于YAG陶瓷的微波介电性能研究的较少，特别是对 于内部缺陷更少的透明YAG陶瓷，其微波介电性能的报道几乎没有。对于未掺杂的YAG 陶瓷微波介电性能，Annrose Sunny 等（Annrose S. ;Varsha V. ;Kuzhichalil P.S.; Mailadil T.S.The effect of Ga3+addition on the sinter ability and microwave dielectric properties of RE3Al5O12 (Tb3+，Y3+，Er3+and Yb3+) garnet ceramics, Ceramics Intemational，2014,40:4311 - 4317)报道在1650°C烧结的样品微波介电性能为：介电 常数10. 1，Q * f = 65000GHz，频率温度系数-45ppm/°C ;对于掺杂改性后的YAG微波介 质陶瓷，2015 年 Xiaorong Zhang 等（Zhang，X. R. ;Wang X. C. ;Fu P. ;Lu W. Z. Mirowave dielectric properties of YAG ceramics prepared by sintering pyrolysised nano-sized powders，Ceramics International，2015, 41:7783-7789)报道了正娃酸乙 酯（TEOS)和1102掺杂的在1520°C烧结的YAG陶瓷微波介电性能：介电常数9. 9, Q * f =71738GHz，频率温度系数 _30ppm/°C;以及 2010 年 Zhou Yuanyuan 等（Zhou Y.Y. ;Yue Z. X. ；Li L. T. Preparation and microwave dielectric properties of Ti02_doped YAG ceramics. Ferroelectrics, 2010, 407(1) :69-74)报道掺杂 1102的 YAG 陶瓷在 1550°C烧结 获得的微波介电性能：介电常数10. 2，Q * f = 80100GHz，频率温度系数-30ppm/°C。
[0004] 综上所述，采用常规方法制备的YAG透明陶瓷其烧结温度大约在1500~1650°C， 获得的陶瓷样品相对密度大都小于99%，含有大量气孔或杂相，不透明，微波介电性能约 为：介电常数约等于10. 〇, Q * f小于90000GHz，频率温度系数小于等于-30ppm/°C。而对 于在激光增益介质领域研究非常多的，采用激光透明陶瓷工艺制备的透明YAG陶瓷其相对 密度大于99. 9%，内部几乎没有气孔或其他缺陷存在，具有纯的YAG相，应当具有非常低的 介电损耗，但是其微波介电性能和在微波介质基板材料上的应用还未有报道。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于研究采用激光透明陶瓷工艺制备的透明YAG陶瓷的微波介电 性能，为不断向高频发展的无线通信元器件提供一种介电常数小，品质因素高，并且透明的 微波介质陶瓷基板材料。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] -种高Q透明YAG微波介质陶瓷，其在1064nm波长处透过率彡80%，并且具有 微波介电性能：介电常数为9. 1~10. 8, Q * f值为95000~171000GHz，频率温度系数 为-30 ~_40ppm/°C。
[0008] 上述高Q透明YAG微波介质陶瓷适合作为微波元器件的透明介质基板材料应用。
[0009] 一种高Q透明YAG微波介质陶瓷材料，包括基料和微量烧结助剂组成。所述基料化 学式组成为Y 3Al5 x012，其中-0. 001 < X < +0. 005,具体所用到的原料为Y2O3和Al2O3;烧结助 剂为基料总质量的〇· 40~0· 55wt% TEOS和0· 06~0· 10wt% MgO,其中MgO通过Mg(NO3)2 水溶液的形式加入。引入Al元素的变量X是考虑了在原料球磨过程中，Al2O3磨球产生的 磨损会引起基料中Al元素的偏多，固在配方设计时可以通过变量X达到平衡Al元素的目 的。烧结助剂TEOS起到促进烧结的作用；MgO起到抑制晶粒异常长大的作用。由于烧结助 剂TEOS和MgO的添加量很少，在烧结后的YAG微波介质陶瓷经XRD物相分析只含有具有立 方结构的YAG单相，有助于提高透明YAG微波介质的Q值，抛光后呈现透明的特征。
[0010] 此透明YAG微波介质陶瓷在真空气氛下1700~1800°C烧结10~30h，并在1500°C 退火，再经过抛光后，其在l〇64nm波长处透过率彡80%，介电常数为9.1~10. 8, Q * f值 为95000~171000GHz，频率温度系数为-30~-40ppm/°C。
[0011] 上述高Q透明YAG微波介质陶瓷材料的具体制备方法如下：
[0012] 步骤1 :配料。选择A1203、Y203、TEOS和Mg (NO3) 2为原料，按照设计配方称量原料： 基料化学式组成为Y3Al5 x012，其中-0. 001彡X彡+0. 005 ;烧结助剂组成为基料总质量的 0·40~(λ55wt%TE0S和(λ06~(λl0wt%Mg0，其中Mg0通过添加 Mg(N03)2水溶液的形式 加入。其中，Al2OjP Y2O3的纯度彡99. 99%，Mg(NO3)^纯度彡99.9%。
[0013] 步骤2 :球磨。将步骤1备好的原料A1203、Y203、TEOS和Mg (NO3) 2水溶液依次放入 装有氧化铝磨球的球磨罐中，然后倒入无水乙醇。在行星球磨机上以220r/min的转速球磨 10小时；其中，YAG原料粉体、氧化铝磨球和无水乙醇的质量比为：1:5. 7:1.6。所述YAG原 料粉体为原料 A1203、Y203、TEOS 和 Mg (NO3) 2。
[0014] 步骤3 :预烧。将经过步骤2球磨的浆料在80°C烘干，再过100目尼龙筛，然后在 800°C预烧4小时。
[0015] 步骤4 :成型。将经过步骤3获得的预烧料粉体先在20MPa压力下干压成型，然后 再在200MPa压力下冷等静压5分钟，获得陶瓷坯体。
[0016] 步骤5 :烧结。将步骤4所得陶瓷坯体在真空气氛下的1700~1800°C烧结10~ 30h，再在1500°C退火，即得到致密的YAG微波介质陶瓷材料。<