锂镁钛系微波介质陶瓷的低温烧结方法
【专利摘要】本发明公开了一种锂镁钛系微波介质陶瓷的低温烧结方法，其组成为Li2MgTi3O8-mwt％ZBS；其中，ZBS为外加添加剂，即ZnO-B2O3-SiO2玻璃低熔点烧结助剂，其原料组分及其质量百分比含量为60％ZnO-30％B2O3-10％SiO2；m为外加添加剂占原料的质量百分比含量，0.2≤m≤7。先将化学原料Li2CO3、MgO和TiO2按Li2MgTi3O8的化学计量比称量配料，采用传统固相法，加入ZBS烧结助剂，成型后于850～975℃烧结，制得介电常数为18～26、品质因数32,000～47,650GHz、谐振频率温度系数为2.02ppm/℃～19.2ppm/℃的微波介质陶瓷。本发明制备工艺简单，过程无污染，是一种理想的LTCC材料，具有广泛的应用前景。
【专利说明】锂镁钛系微波介质陶瓷的低温烧结方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电子信息材料与元器件领域，尤其涉及一种新型锂镁钛系微波介质陶 瓷的低温烧结方法。
【背景技术】
[0002] 随着通讯设备朝着高频、小型、轻量、高集成、多功能、高可靠性和低成本方向发 展，以微波介质陶瓷为基础的微波电路元器件需要具备更佳的介电性能及工艺性能以满足 应用要求。微波介质陶瓷作为制造这些器件的关键材料，其性能指标在很大程度上决定了 微波通信器件与系统的性能。而LTCC技术正是实现微波元器件向高频、高速、轻质、薄型等 方向发展的重要途径，LTCC技术要求微波介质陶瓷材料的烧结温度低于950°C，且与电极 材料Ag (熔点961°C )共烧不发生化学反应。目前研究的大多数微波介质陶瓷材料的烧结 温度都在1200°C以上，无法与金属电极材料在低温下共烧。因此，降低微波介质陶瓷的烧结 温度及开发固有烧结温度低、介电性能优良的微波介质陶瓷材料具有重大实用价值。
[0003] 尖晶石结构的锂镁钛（Li2MgTi308)系陶瓷材料具有优良的介电性能、较低的烧结 温度和较低的原料成本等优势，这使其在微波通信系统中获得广泛应用。如果能将烧结温 度降低至950°C以下，使其可与Ag共烧，并且保持较高的％和QX f值，将是理想的LTCC 介质材料。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的，是克服现有技术的烧结温度较高、不能满足LTCC技术对温度的要 求的缺点，提供一种以Li 2C03、MgO、Ti02为主要原料、并加入少量的Zn0-B20 3_Si02(ZBS)玻 璃低熔点烧结助剂，使其烧结温度成功降低至975°C以下，同时保持良好的微波介电性能的 锂镁钛系微波介质陶瓷。
[0005] 本发明通过如下技术方案予以实现。
[0006] 一种锂镁钛系微波介质陶瓷的低温烧结方法，具有如下步骤：
[0007] (1)锂镁钛系微波介质陶瓷的组成为Li2MgTi30 8-m wt% ZBS ;
[0008] 其中，ZBS为外加添加剂，即Zn0-B203-Si0 2玻璃低熔点烧结助剂，其原料组分及其 质量百分比含量为60% Zn0-30% B203-10% Si02 ;
[0009] m为外加添加剂占原料的质量百分比含量，0. 2彡m彡7 ;
[0010] 将化学原料Li2C03、Mg0和Ti02按Li 2MgTi308的化学计量比称量配料，配置成主粉 体；
[0011] (2)将步骤（1)配制的主粉体放入球磨罐中，加入氧化锆球和去离子水，球磨6小 时，再将球磨后的原料烘干，过40目筛，获得颗粒均匀的粉料；
[0012] (3)将步骤⑵处理好的粉料于900°C预烧3小时，并在此温度下保温4小时，合 成主晶相；再将预烧粉料粉碎，向其中加入原料的重量百分比含量0. 2?7wt%的玻璃低熔 点烧结助剂ZBS ;
[0013] (4)将步骤（3)所得产物放入球磨罐中，向粉料中加入氧化锆球和去离子水，球磨 6小时，烘干后外加原料的质量百分比含量6?10%的石蜡作为粘合剂造粒，过80目筛后， 用粉末压片机压制成型为坯体；
[0014] (5)将步骤⑷的坯体于850?975°C烧结，保温2?6小时，制成锂镁钛系微波 介质陶瓷。
[0015] 所述步骤（1)的化学原料的纯度大于99. 9%。
[0016] 所述步骤⑷的述体是在4?6MPa的压强下压制成型，为Φ 10mmX 5mm的圆柱体。
[0017] 所述步骤（5)的烧结温度为925°C，保温4小时。
[0018] 本发明以Li2MgTi308微波介质陶瓷为基础，采用传统固相法，加入ZBS为烧结 助剂，成功地将其烧结温度降低至975°C以下，制备了介电常数为18?26,品质因数 32, 000?47, 650GHz，谐振频率温度系数为2. 02ppm/°C?19. 2ppm/°C的微波介质陶瓷。此 夕卜，本发明制备工艺简单，过程无污染，改善了其谐振频率温度系数，是一种理想的LTCC材 料，具有广泛的应用前景。
【具体实施方式】
[0019] 本发明采用Li2C03、Mg0、Ti02分析纯原料制备微波介质陶瓷，具体实施例如下：
[0020] 实施例1
[0021] (1)实施例 1 的组成为 Li2MgTi308 - 0· 2wt% ZBS ;
[0022] ZBS为外加添加剂，即Zn0-B203-Si02玻璃低熔点烧结助剂，其原料组分及其质量 百分比含量为 60% Zn0-30% B203-10% Si02 ;
[0023] 将 Li2C03、MgO、Ti02 按摩尔比 Li2C03 :MgO :Ti02 = 1:1:3 配置成主粉体。
[0024] (2)将步骤（1)配制的主粉体放入聚酯罐中，加入去离子水和氧化锆球，在行星式 球磨机上球磨6小时，球磨机转速为1000转/分；再将球磨后的原料在1500W的红外干燥 箱里烘干，烘干后过40目筛，获得颗粒均匀的粉料。
[0025] (3)将步骤（2)处理好的粉料于900°C预烧3小时，在此温度下保温4小时，合成 主晶相；再将预烧粉料粉碎，称取20g，向其中加入原料的重量百分比含量0. 2wt %的玻璃 低熔点烧结助剂ZBS，二次配料。
[0026] (4)将步骤⑶所得产物放入球磨罐中，向粉料中加入氧化锆球和去离子水，在行 星式球磨机上球磨6小时，球磨机转速为1000转/分，再于红外干燥箱里烘干，烘干后外 加原料的质量百分比含量8%的石蜡作为粘合剂造粒，过80目筛后，用粉末压片机以4? 6MPa的压强下压成Φ 10mm X 5mm的圆柱述体。
[0027] (5)将步骤⑷的圆柱坯体于975°C烧结，保温6小时，制成锂镁钛系微波介质陶 瓷。
[0028] 最后，采用网络分析仪及相关测试夹具测试其微波介电性能。该材料的微波介电 性能为：ε r = 18, QXf = 32000GHz，τ f = 2. 02ppm/°C。
[0029] 实施例2
[0030] (1)实施例 1 的组成为 Li2MgTi308-l. Owt% ZBS ;
[0031] ZBS为外加添加剂，即Zn0-B203-Si02玻璃低熔点烧结助剂，其原料组分及其质量 百分比含量为 60% Zn0-30% B203-10% Si02 ;
[0032] 将 Li2C03、MgO、Ti02 按摩尔比 Li2C03 :MgO :Ti02 = 1:1:3 配置成主粉体。
[0033] (2)将步骤（1)配制的主粉体放入聚酯罐中，加入去离子水和氧化锆球，在行星式 球磨机上球磨6小时，球磨机转速为1000转/分；再将球磨后的原料在1500W的红外干燥 箱里烘干，烘干后过40目筛，获得颗粒均匀的粉料。
[0034] (3)将步骤（2)处理好的粉料于900°C预烧3小时，在此温度下保温4小时，合成 主晶相；再将预烧粉料粉碎，称取20g，向其中加入原料的重量百分比含量1. Owt %的玻璃 低熔点烧结助剂ZBS，二次配料。
[0035] (4)将步骤⑶所得产物放入球磨罐中，向粉料中加入氧化锆球和去离子水，在行 星式球磨机上球磨6小时，球磨机转速为1000转/分，再于红外干燥箱里烘干，烘干后外 加原料的质量百分比含量8%的石蜡作为粘合剂造粒，过80目筛后，用粉末压片机以4? 6MPa的压强下压成Φ 10mm X 5mm的圆柱述体。
[0036] (5)将步骤⑷的圆柱坯体于950°C烧结，保温5小时，制成锂镁钛系微波介质陶 瓷。
[0037] 最后，采用网络分析仪及相关测试夹具测试其微波介电性能。该材料的微波介电 性能为：ε r = 21. 23, QXf = 36321GHz，τ f = 1. 68ppm/°C。
[0038] 实施例3
[0039] (1)实施例 1 的组成为 Li2MgTi308_3. Owt% ZBS ;
[0040] ZBS为外加添加剂，即Zn0-B203-Si02玻璃低熔点烧结助剂，其原料组分及其质量 百分比含量为 60% Zn0-30% B203-10% Si02 ;
[0041] 将1^20)3、]\%0、1102按摩尔比1^20) 3:]\%0:1102 = 1:1:3配置成主粉体。
[0042] (2)将步骤（1)配制的主粉体放入聚酯罐中，加入去离子水和氧化锆球，在行星式 球磨机上球磨6小时，球磨机转速为1000转/分；再将球磨后的原料在1500W的红外干燥 箱里烘干，烘干后过40目筛，获得颗粒均匀的粉料。
[0043] (3)将步骤⑵处理好的粉料于900°C预烧3小时，在此温度下保温4小时，合成 主晶相；再将预烧粉料粉碎，称取20g，向其中加入原料的重量百分比含量3. Owt %的玻璃 低熔点烧结助剂ZBS，二次配料。
[0044] (4)将步骤⑶所得产物放入球磨罐中，向粉料中加入氧化锆球和去离子水，在行 星式球磨机上球磨6小时，球磨机转速为1000转/分，再于红外干燥箱里烘干，烘干后外 加原料的质量百分比含量8%的石蜡作为粘合剂造粒，过80目筛后，用粉末压片机以4? 6MPa的压强下压成Φ 10mm X 5mm的圆柱述体。
[0045] (5)将步骤（4)的圆柱坯体于925°C烧结，保温4小时，制成锂镁钛系微波介质陶 瓷。
[0046] 最后，采用网络分析仪及相关测试夹具测试其微波介电性能。该材料的微波介电 性能为：ε r = 24. 23, QXf = 47650GHz，τ f = 8. 72ppm/°C。
[0047] 实施例4
[0048] (1)实施例 1 的组成为 Li2MgTi308_5. Owt% ZBS ;
[0049] ZBS为外加添加剂，即Zn0-B203-Si02玻璃低熔点烧结助剂，其原料组分及其质量 百分比含量为 60% Zn0-30% B203-10% Si02 ;
[0050] 将 Li2C03、MgO、Ti02 按摩尔比 Li2C03 :MgO :Ti02 = 1:1:3 配置成主粉体。
[0051] (2)将步骤（1)配制的主粉体放入聚酯罐中，加入去离子水和氧化锆球，在行星式 球磨机上球磨6小时，球磨机转速为1000转/分；再将球磨后的原料在1500W的红外干燥 箱里烘干，烘干后过40目筛，获得颗粒均匀的粉料。
[0052] (3)将步骤（2)处理好的粉料于900°C预烧3小时，在此温度下保温4小时，合成 主晶相；再将预烧粉料粉碎，称取20g，向其中加入原料的重量百分比含量5. Owt %的玻璃 低熔点烧结助剂ZBS，二次配料。
[0053] (4)将步骤⑶所得产物放入球磨罐中，向粉料中加入氧化锆球和去离子水，在行 星式球磨机上球磨6小时，球磨机转速为1000转/分，再于红外干燥箱里烘干，烘干后外 加原料的质量百分比含量8%的石蜡作为粘合剂造粒，过80目筛后，用粉末压片机以4? 6MPa的压强下压成Φ 10mm X 5mm的圆柱述体。
[0054] (5)将步骤（4)的圆柱坯体于900°C烧结，保温3小时，制成锂镁钛系微波介质陶 瓷。
[0055] 最后，采用网络分析仪及相关测试夹具测试其微波介电性能。该材料的微波介电 性能为：ε r = 26, QXf = 42330GHz，τ f = 13. 22ppm/°C。
[0056] 实施例5
[0057] (1)实施例 1 的组成为 Li2MgTi308_7· Owt% ZBS ;
[0058] ZBS为外加添加剂，即Zn0-B203-Si02玻璃低熔点烧结助剂，其原料组分及其质量 百分比含量为 60% Zn0-30% B203-10% Si02 ;
[0059] 将 Li2C03、MgO、Ti02 按摩尔比 Li2C03 :MgO :Ti02 = 1:1:3 配置成主粉体。
[0060] (2)将步骤（1)配制的主粉体放入聚酯罐中，加入去离子水和氧化锆球，在行星式 球磨机上球磨6小时，球磨机转速为1000转/分；再将球磨后的原料在1500W的红外干燥 箱里烘干，烘干后过40目筛，获得颗粒均匀的粉料。
[0061] (3)将步骤（2)处理好的粉料于900°C预烧3小时，在此温度下保温4小时，合成 主晶相；再将预烧粉料粉碎，称取20g，向其中加入原料的重量百分比含量7. Owt %的玻璃 低熔点烧结助剂ZBS，二次配料。
[0062] (4)将步骤⑶所得产物放入球磨罐中，向粉料中加入氧化锆球和去离子水，在行 星式球磨机上球磨6小时，球磨机转速为1000转/分，再于红外干燥箱里烘干，烘干后外 加原料的质量百分比含量8%的石蜡作为粘合剂造粒，过80目筛后，用粉末压片机以4? 6MPa的压强下压成Φ 10mm X 5mm的圆柱述体。
[0063] (5)将步骤⑷的圆柱坯体于850°C烧结，保温2小时，制成锂镁钛系微波介质陶 瓷。
[0064] 最后，采用网络分析仪及相关测试夹具测试其微波介电性能。该材料的微波介电 性能为：ε r = 22. 35, QXf = 38578GHz，τ f = 19. 2ppm/°C。
【权利要求】
1. 一种锂镁钛系微波介质陶瓷的低温烧结方法，具有如下步骤： (1) 锂镁钛系微波介质陶瓷的组成为Li2MgTi308-m wt% ZBS ; 其中，ZBS为外加添加剂，即Zn0-B203-Si02玻璃低熔点烧结助剂，其原料组分及其质量 百分比含量为 60% Zn0-30% B203-10% Si02 ; m为外加添加剂占原料的质量百分比含量，0. 2彡m彡7 ; 将化学原料Li2C03、MgO和Ti02按Li2MgTi 308的化学计量比称量配料，配置成主粉体； (2) 将步骤（1)配制的主粉体放入球磨罐中，加入氧化锆球和去离子水，球磨6小时，再 将球磨后的原料烘干，过40目筛，获得颗粒均匀的粉料； (3) 将步骤（2)处理好的粉料于900°C预烧3小时，并在此温度下保温4小时，合成主 晶相；再将预烧粉料粉碎，向其中加入原料的重量百分比含量〇. 2?7wt%的玻璃低熔点烧 结助剂ZBS ; (4) 将步骤（3)所得产物放入球磨罐中，向粉料中加入氧化锆球和去离子水，球磨6小 时，烘干后外加原料的质量百分比含量6?10 %的石蜡作为粘合剂造粒，过80目筛后，用粉 末压片机压制成型为坯体； (5) 将步骤⑷的坯体于850?975°C烧结，保温2?6小时，制成锂镁钛系微波介质 陶瓷。
2. 根据权利要求1所述的锂镁钛系微波介质陶瓷的低温烧结方法，其特征在于，所述 步骤（1)的化学原料的纯度大于99. 9%。
3. 根据权利要求1所述的锂镁钛系微波介质陶瓷的低温烧结方法，其特征在于，所述 步骤⑷的述体是在4?6MPa的压强下压制成型，为Φ 10mmX5mm的圆柱体。
4. 根据权利要求1所述的锂镁钛系微波介质陶瓷的低温烧结方法，其特征在于，所述 步骤（5)的烧结温度为925°C，保温4小时。
【文档编号】C04B35/465GK104140260SQ201410364534
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】张平, 刘健 申请人:天津大学