一种低介电常数微波介质陶瓷粉体及其制备方法
【专利摘要】本发明公开的低介电常数微波介质陶瓷粉体，其摩尔份数组成为：CaCO3占25份，MgO占5～22份，SiO2占45～50份，Al2O3占0.1～4份，ZnO占0.1～15份，CoO占0.1～10份。制备过程如下：将各原材料按摩尔份数混合后置于1350～1450℃的高温炉中使其充分熔融，然后倒入去离子水中急冷获得颗粒状物质；将颗粒状物质烘干后升温到700～850℃进行保温，然后随炉冷却至室温并粉碎至平均粒径0.5～3微米，即获得本发明的陶瓷粉体。本发明制备的陶瓷粉体具有较低的烧结温度，可以和金属银电极进行共烧，能很好地满足片式多层器件对陶瓷材料低温共烧的工艺要求，且利用本发明陶瓷粉体制备获得的陶瓷具有较低的介电常数和高的品质因数，具有良好的工业应用价值。
【专利说明】 一种低介电常数微波介质陶瓷粉体及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种低介电常数微波介质陶瓷粉体及其制备方法，属于材料科学【技术领域】。
【背景技术】
[0002]低温共烧陶瓷技术(LTCC)在现代电子技术中占据着重要地位，该技术不但能促进电子器件向小型化和多功能化方向的发展，更能制备出高稳定和高可靠性的电子元器件。LTCC技术的核心是实现陶瓷材料和高电导率金属材料的低温共烧，由于传统的30Pd/70Ag电极(恪点1167°C)成本较高，而低成本的Cu、Ni等电极易氧化而不稳定，致使金属Ag电极(熔点961°C)成了目前高可靠性片式电子元器件的首选金属材料；由此要求相应陶瓷材料的烧结温度低于金属Ag电极的熔点。
[0003]低介电常数的陶瓷材料在无线通信中具有极其重要的应用。为解决低频段的拥挤并扩大频率资源，无线通信正朝更高频段的方向发展。无线通信使用频率的提高，要求作为信息技术基本组成元素的电子元器件具有较高的自谐振中心频率(U。高的自谐振中心频率对应着低的介电常数(G)。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；发展低介电常数(4 10)材料以满足高频和高速的要求，已成为当今电子材料如何适应高频应用的一个挑战。传统的低介电常数陶瓷材料主要是氧化铝陶瓷，但其烧结温度高达1650°c，即便通过添加低熔点氧化物和其它烧结助剂，其烧结温度仍然高达1350°C以上，无法用于与金属银电极的低温共烧。
[0004]硅灰石(CaS13)是一种具有优良介电性能的低介陶瓷材料，然而其烧结温度在1300°C以上，且烧结温度范围非常窄。Wang等(J Eur Ceram Soc, 2012, 32:541-545)通过在CaS13粉体中添加适量的Al 203粉体，制备的CaS1 3陶瓷具有良好的微波介电性能:介电常数G为6.66，品质因数为24，626 GHz，但是其1250°C的烧结温度无法用于与金属电极的低温共烧。为降低0&5103陶瓷的烧结温度，相关科研工作者通过在CaS13中添加一定量的B2O3,以及改变CaO、Si02、B2O3之间的比例，可以获得以CaS1 3为主要晶相的玻璃陶瓷；然而，大量玻璃相的存在，急剧降低了玻璃陶瓷的品质因数。Sun等(Mat Sci Eng B,2007，138: 46-50)通过Mg2+对Ca2+的取代，通过传统的固相合成法，获得了具有良好微波介电性能的CaMgSi2O6陶瓷；然而，其烧结温度仍然高达1290?1310°C。
[0005]从上述国内外研宄结果可知，硅酸盐系微波介质陶瓷具有低的介电常数和良好的品质因数，但其烧结温度过高，很难与低熔点金属电极共烧，且低温烧结助剂的存在极大地恶化其品质因数。因此，在不降低陶瓷品质因数的前提下，降低其烧结温度，使其满足与金属银电极共烧的要求，是低介硅酸盐陶瓷更为广泛应用的关键。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种具有较低烧结温度、可与金属银电极实现低温共烧、性能优良的低介电常数微波介质陶瓷粉体及其制备方法。
[0007]本发明提出的低介电常数微波介质陶瓷粉体，其摩尔份数组成为:
CaCO325份
MgO5?22份
S1245 ?50 份
Al2O30.1 ?4 份
ZnO0.1 ?15 份
CoO0.1 ?10 份
作为优选，本发明提出的低介电常数微波介质陶瓷粉体，其摩尔份数组成为:
CaCO325份
MgO8?15份
S1247 ?50 份
Al2O3I ?3 份
ZnO5?9份
CoO3?6份
作为优选，本发明提出的低介电常数微波介质陶瓷粉体，其摩尔份数组成为:
CaCO325份
MgO10.5 份
S1249 份
Al2O32 份
ZnO7.5 份
CoO5 份
本发明的低介电常数微波介质陶瓷粉体的制备方法，包括下述步骤:
(1)按一定摩尔份数称取CaC03、MgO、S12,Al2O3, ZnO和CoO作为原材料，然后放入锥形混料机中混合4?24小时；
(2)将上述混合好的原材料放入高铝坩祸中，再置于1350?1450°C的高温炉中保温0.5?2小时，让原材料充分熔融成液态，然后倒入去离子水中冷却获得颗粒状物质；
(3)将上述颗粒状物质烘干后放入高铝坩祸中，以每小时100?300°C的升温速率升到700?850°C保温I?4小时，然后随炉冷却至室温；
(4)将上述经过步骤(3)处理的颗粒状物质进行粉碎，使其平均粒径在0.5?3微米之间。
[0008]本发明具有以下有益效果:通过陶瓷粉体的组分选择，将镁、铝、锌和钴等元素以一定合适的比例固溶入硅酸钙的晶体结构中，同时通过高温熔融法获得无定形结构，然后辅以合适的退火温度析出陶瓷晶相，利用组分优化与熔融后析晶的协同作用，在保证硅酸盐陶瓷良好介电性能的基础上，将陶瓷的烧结温度降低到900°C左右，能很好地和金属银电极实现低温共烧，满足LTCC的工艺要求。该陶瓷粉体的制备方法简单，原材料价格低廉，具有良好的工业应用价值。
【具体实施方式】
[0009]下面结合实例对本发明作进一步描述。
[0010]实施例1:
按摩尔份数称取25份的CaCO3U0.5份的Mg0、49份的Si02、2份的Α1203、7.5份的ZnO和5份的CoO，然后放入锥形混料机中滚动混合8小时；将上述混合好的原材料放入高铝坩祸中，再置于1400°C的高温炉中保温I小时，待原材料充分熔融成液态，然后倒入去离子水中急冷获得颗粒状物质；将上述颗粒状物质放入烘箱中干燥，然后放入高铝坩祸中，以每小时250°C的升温速率升到820°C保温2小时，随后自然冷却至室温；将上述冷却的颗粒状物质进行粉碎，使其平均粒径在1.5微米左右，即获得本发明的低介电常数微波介质陶瓷粉体。
[0011]将上述陶瓷粉体加入8wt%的聚乙烯醇进行造粒，然后在150MPa下干压成型，排胶后在920°C保温2小时进行烧结，即可获得致密结构的陶瓷。测试该陶瓷的微波介电性能，其介电常数为8.23，品质因数Φ< 为57，621GHz ο
[0012]实施例2:
按摩尔份数称取25份的CaC03、5份的Mg0、48份的Si02、4份的A1203、10份的ZnO和6份的CoO，然后放入锥形混料机中滚动混合12小时；将上述混合好的原材料放入高铝坩祸中，再置于1380°C的高温炉中保温1.5小时，待原材料充分熔融成液态，然后倒入去离子水中急冷获得颗粒状物质；将上述颗粒状物质放入烘箱中干燥，然后放入高铝坩祸中，以每小时200°C的升温速率升到800°C保温2小时，随后自然冷却至室温；将上述冷却的颗粒状物质进行粉碎，使其平均粒径在I微米左右，即获得本发明的低介电常数微波介质陶瓷粉体。
[0013]将上述陶瓷粉体加入8wt%的聚乙烯醇进行造粒，然后在150MPa下干压成型，排胶后在900°C保温2小时进行烧结，即可获得致密结构的陶瓷。测试该陶瓷的微波介电性能，其介电常数为8.51，品质因数Φ<殖为53，227GHz ο
[0014]实施例3:
按摩尔份数称取25份的CaC03、19份的Mg0、49份的Si02、2份的Al203、2份的ZnO和2份的CoO，然后放入锥形混料机中滚动混合20小时；将上述混合好的原材料放入高铝坩祸中，再置于1450°C的高温炉中保温2小时，待原材料充分熔融成液态，然后倒入去离子水中急冷获得颗粒状物质；将上述颗粒状物质放入烘箱中干燥，然后放入高铝坩祸中，以每小时150°C的升温速率升到850°C保温4小时，随后自然冷却至室温；将上述冷却的颗粒状物质进行粉碎，使其平均粒径在0.8微米左右，即获得本发明的低介电常数微波介质陶瓷粉体。
[0015]将上述陶瓷粉体加入8wt%的聚乙烯醇进行造粒，然后在150MPa下干压成型，排胶后在930°C保温2小时进行烧结，即可获得致密结构的陶瓷。测试该陶瓷的微波介电性能，其介电常数为8.15，品质因数为61，023GHz。
【权利要求】
1.一种低介电常数微波介质陶瓷粉体，其特征在于它的摩尔份数组成为: CaC0325份 MgO5?22份 Si0245 ?50 份 Α12030.1 ?4 份 ΖηΟ0.1 ?15 份 CoO0.1 ?10 份。
2.根据权利要求1所述的低介电常数微波介质陶瓷粉体，其特征在于它的摩尔份数组成为: CaC0325份 MgO8?15份 Si0247 ?50 份 A12031 ?3 份 ΖηΟ5?9份 CoO3?6份。
3.根据权利要求1所述的低介电常数微波介质陶瓷粉体，其特征在于它的摩尔份数组成为: CaC0325份 MgO10.5 份 Si0249 份 A12032 份 ΖηΟ7.5 份 CoO5 份。
4.制备权利要求1、2或3所述的低介电常数微波介质陶瓷粉体的方法，其特征在于包括下述步骤: (1)按一定摩尔份数称取CaC03、MgO、Si02、A1203、ΖηΟ和CoO作为原材料，然后放入锥形混料机中混合4?24小时； (2)将上述混合好的原材料放入高铝坩祸中，再置于1350?1450°C的高温炉中保温.0.5?2小时，让原材料充分熔融成液态，然后倒入去离子水中冷却获得颗粒状物质； (3)将上述颗粒状物质烘干后放入高铝坩祸中，以每小时100?300°C的升温速率升到.700?850°C保温1?4小时，然后随炉冷却至室温；(4)将上述经过步骤(3)处理的颗粒状物质进行粉碎，使其平均粒径在0.5?3微米之间。
【文档编号】C04B35/22GK104496442SQ201410694280
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月27日 优先权日:2014年11月27日
【发明者】陈雅倩, 王焕平, 徐时清, 李登豪, 汤雨诗, 杨清华 申请人:中国计量学院