中高介电常数的LTCC陶瓷材料及其制备方法与流程

本发明属于电子陶瓷材料及其制造领域，具体涉及一种低成本中高介电常数的ltcc陶瓷材料及其制备方法。

背景技术：

低温共烧陶瓷(lowtemperatureco-firedceramic，ltcc)技术是休斯公司于1982年开发出来的一种新型材料技术，它是将低温烧结陶瓷粉体流延制成厚度均匀致密的生瓷带、通过激光打孔、注浆、电路丝网印刷等工艺制成需要的电路图形、多层叠压后在900℃以下烧结成三维无源器件的一种集成技术。目前，ltcc技术广泛用于制作微波通讯、半导体、光电子等领域制作电子元器件，它具有高集成度、高性能的显著优点。近年来，国际上无论是通用电子整机、通信设备还是民用消费类的电子产品都迅速向小型化、轻量化、集成化、多功能化和高可靠性方法发展，推动了ltcc技术在贴片式滤波器、谐振器、耦合器、led显示模块、蓝牙模块、电感、电容等电子元器件中得到了广泛应用，对高性能ltcc材料需求越来越大。但目前商用化的高性能ltcc材料主要被国外垄断，国内在此领域始终未能取得关键性突破，导致我国研发的ltcc集成器件和组件成本高，不利于应用和推广。因此，开发拥有自主知识产权的高性能ltcc材料迫在眉睫。

zrtio4陶瓷材料原来丰富、成本低廉，是一种良好的微波介质材料，具有较高介电常数(εr～43)、低微波损耗tgδ～1×10^-4)等。但zrtio4陶瓷烧结温度高(～1500℃)，不能直接与ag、cu等低熔点金属共烧,不能满足实际应用需求。为了降低烧结温度，常用有添加低熔点氧化物，但降温幅度有限，不能达到900℃下烧结；另一类方法是添加低熔点玻璃，但玻璃相的存在大大提高了材料的介质损耗，极大限制了zrtio4陶瓷在微波多层器件的应用发展。

综上所述，中高介电常数、低损耗、实用的ltcc陶瓷材料及其制备方法成为了我们研究重点。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种中高介电常数的ltcc陶瓷材料及其制备方法，以实现一种低损耗、实用的中高介电常数的ltcc陶瓷材料及其制备方法。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种中高介电常数的ltcc陶瓷材料，其采用的玻璃与陶瓷复合制得的玻璃陶瓷材料，所述中高介电常数的ltcc陶瓷材料以质量份计，包括以下组分：x份的zrtio4陶瓷粉体，y份的bao-b2o3-zno-tio2玻璃材料，其中，x+y＝100。

作为本发明的中高介电常数的ltcc陶瓷材料的一种优选方案，所述中高介电常数的ltcc陶瓷材料以质量份计，包括以下组分：65～75份的zrtio4，25～35份的bao-b2o3-zno-tio2玻璃材料。

作为本发明的中高介电常数的ltcc陶瓷材料的一种优选方案，所述bao-b2o3-zno-tio2玻璃材料按质量比计，包括以下组分：25％～35％的bao，20％～40％的b2o3，10％～30％的zno，15％～30％的tio2及不大于2％的mgo+al2o3。

作为本发明的中高介电常数的ltcc陶瓷材料的一种优选方案，所述中高介电常数的ltcc陶瓷材料在室温以及测试频率6ghz下，介电常数为38～42，介电损耗为≤3×10^-4。

本发明采用上述玻璃体系是因为此玻璃(bao-b2o3-zno-tio2)体系具有较低的玻璃软化温度(～650℃)，通过调整玻璃中不同组分的含量，可以得到具有不同软化温度的玻璃材料，改变玻璃粉体在低温共烧陶瓷材料中的含量、比例，可以达到控制材料烧结温度的目的；同时此bao-b2o3-zno-tio2系统的玻璃具有较高的介电常数、较低损耗，满足低介电低温共烧陶瓷材料的要求。

本发明中所采用的bao-b2o3-zno-tio2玻璃，b2o3是玻璃网络结构的形成体，b2o3有助于降低熔制玻璃温度，含量低于20％时玻璃粘度过大，高于40％时，玻璃化学稳定性变差；bao有助于提高玻璃的化学稳定性和降低玻璃熔制温度的作用，低于20％时玻璃熔制温度偏高；zno有助于调节玻璃化学稳定性的作用，含量太高，不利于玻璃形成；tio2有调节玻璃介电常数和析晶能力的作用，适量的tio2有助于提高玻璃以及ltcc材料的微波介电性能。

本发明中所采用的bao-b2o3-zno-tio2玻璃，其工艺是，将玻璃组分按照比例配料，在v型混料机中干法混合，所得均匀粉体，于铂金坩埚中在1250℃下熔制2小时，然后将玻璃液倒入水中淬冷，所得碎玻璃在滚筒球磨机中湿磨成浆料，玻璃粉体粒度d50在2.0um左右，然后烘干玻璃浆料得到玻璃粉体。

本发明所提供的低温共烧陶瓷材料，其中用到的陶瓷粉体为：zrtio4陶瓷粉体。zrtio4陶瓷，具有较高的介电常数、介电损耗小的优点(介电常数εr～43，tgδ～1×10^-4)，通过调节zrtio4陶瓷粉体和bao-b2o3-zno-tio2玻璃的不同比例，可以达到调节烧结温度至900℃以下，以及调节ltcc材料的介电常数在38～42范围内。

本发明所提供的低温共烧陶瓷材料，工艺是：将玻璃粉体与陶瓷粉体按照一定的比例配料混合，然后在滚筒球磨机中湿法球磨至粒度d50在～2.0um，然后将浆料烘干粉碎制得低温共烧陶瓷粉体，此粉体能在870-900℃下保温30分钟，与ag浆等电极材料匹配共烧。

本发明所提供的低温共烧陶瓷材料，具有良好的介电性能、物理化学和机械等性能。本发明所得低温共烧陶瓷材料在6ghz下介电常数为38-42，介电损耗≤3×10^-4。

本发明还提供一种中高介电常数的ltcc陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

1)以zrtio4陶瓷粉体及bao-b2o3-zno-tio2玻璃材料为初始原料，以质量份计配比以下组分组成配料：65～75份的zrtio4，25～35份的bao-b2o3-zno-tio2玻璃材料；

2)以酒精为溶剂，将所述配料与酒精混合，经砂磨机球磨1小时～2小时，浆料粒度控制在d50～2.5um，然后进行烘干；

3)添加粘结剂进行造粒，压制成型，最后进行烧结，制成中高介电常数的ltcc陶瓷材料。

作为本发明的中高介电常数的ltcc陶瓷材料的制备方法的一种优选方案，所述步骤1)中，所述zrtio4陶瓷粉体采用如下制备方法制备：

1-1)以zro2及tio2为初始原料，以1:1的摩尔比组成配合料；

1-2)将所述配合料与去离子水以1:2的质量比混合，经湿式行星球磨机球磨2小时～3小时后过筛烘干；再粉碎均匀后，煅烧形成煅烧料；

1-3)将所述煅烧料与去离子水以1:1.5的质量比混合，经行星球磨机球磨2小时～3小时候后过筛烘干，得到所述zrtio4陶瓷粉体。

作为本发明的中高介电常数的ltcc陶瓷材料的制备方法的一种优选方案，所述步骤1-2)中，煅烧的温度为1200℃～1250℃，煅烧时间为2小时～3小时。

作为本发明的中高介电常数的ltcc陶瓷材料的制备方法的一种优选方案，所述步骤1)中，所述bao-b2o3-zno-tio2玻璃材料按质量比计，包括以下组分：25％～35％的bao，20％～40％的b2o3，10％～30％的zno，15％～30％的tio2及不大于2％的mgo+al2o3，按以上比例称量，干混后装入坩埚，在1250℃下熔制1～3小时成玻璃液，淬冷后烘干磨细得到所述bao-b2o3-zno-tio2玻璃材料。

作为本发明的中高介电常数的ltcc陶瓷材料的制备方法的一种优选方案，所述步骤2)中，所述配料与酒精以1:1的质量比混合。

作为本发明的中高介电常数的ltcc陶瓷材料的制备方法的一种优选方案，所述步骤3)中，所述粘结剂为浓度为2wt％～5wt％的pvb溶液，其添加剂量以质量比计为4wt％～8wt％。

作为本发明的中高介电常数的ltcc陶瓷材料的制备方法的一种优选方案，所述步骤3)中，烧结的温度为870℃～900℃，烧结气氛为大气气氛，烧结时间为20分钟～40分钟。

如上所述，本发明的中高介电常数的ltcc陶瓷材料及其制备方法，具有以下有益效果：本发明提供一种以zrtio4为主晶相的新型、中高介电常数和低损耗的ltcc微波陶瓷材料及制备方法。该中高介电常数的ltcc陶瓷材料在zrtio4陶瓷粉体基础上采用bao-b2o3-zno-tio2系统的玻璃助烧降低烧结温度，可实现900℃低温烧结，制备的该中高介电常数的ltcc陶瓷材料在6ghz下介电常数为38～42，低介电损耗为≤3×10^-4。另外，本发明的制备方法生产原料便宜、生产成本低、制备工艺简单。该陶瓷材料可用低温共烧陶瓷系统(ltcc)、多层介质谐振器、微波天线、滤波器等微波器件的制造。

附图说明

如图1显示为本发明的中高介电常数的ltcc陶瓷材料的制备方法步骤流程示意图。

图2显示为本发明实施例2中提供的中高介电常数的ltcc陶瓷材料的微波介电性能随bbzt玻璃掺入量的变化关系曲线图。

图3显示为本发明实施例2中提供的中高介电常数的ltcc陶瓷材料的的微波介电性能随烧结温度变化的关系曲线图。

图4本发明所得中高介电常数的ltcc陶瓷材料与ag电极材料匹配共烧界面sem图。

元件标号说明

s11～s13步骤1～步骤3)

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

本实施例提供一种中高介电常数的ltcc陶瓷材料，其采用的玻璃与陶瓷复合制得的玻璃陶瓷材料所述中高介电常数的ltcc陶瓷材料以质量份计，包括以下组分：x份的zrtio4陶瓷粉体，y份的bao-b2o3-zno-tio2玻璃材料，其中，x+y＝100。

作为示例，所述中高介电常数的ltcc陶瓷材料以质量份计，包括以下组分：65～75份的zrtio4，25～35份的bao-b2o3-zno-tio2玻璃材料。

作为示例，所述bao-b2o3-zno-tio2玻璃材料按质量比计，包括以下组分：25％～35％的bao，20％～40％的b2o3，10％～30％的zno，15％～30％的tio2及不大于2％的mgo+al2o3。

本发明采用上述玻璃体系是因为此玻璃(bao-b2o3-zno-tio2)体系具有较低的玻璃软化温度(～650℃)，通过调整玻璃中不同组分的含量，可以得到具有不同软化温度的玻璃材料，改变玻璃粉体在低温共烧陶瓷材料中的含量、比例，可以达到控制材料烧结温度的目的；同时此bao-b2o3-zno-tio2系统的玻璃具有较高的介电常数、较低损耗，满足低介电低温共烧陶瓷材料的要求。本发明中所采用的bao-b2o3-zno-tio2玻璃，b2o3是玻璃网络结构的形成体，b2o3有助于降低熔制玻璃温度，含量低于20％时玻璃粘度过大，高于40％时，玻璃化学稳定性变差；bao有助于提高玻璃的化学稳定性和降低玻璃熔制温度的作用，低于20％时玻璃熔制温度偏高；zno有助于调节玻璃化学稳定性的作用，含量太高，不利于玻璃形成；tio2有调节玻璃介电常数和析晶能力的作用，适量的tio2有助于提高玻璃以及ltcc材料的微波介电性能。本发明中所采用的bao-b2o3-zno-tio2玻璃，其工艺是，将玻璃组分按照比例配料，在v型混料机中干法混合，所得均匀粉体，于铂金坩埚中在1250℃下熔制2小时，然后将玻璃液倒入水中淬冷，所得碎玻璃在滚筒球磨机中湿磨成浆料，玻璃粉体粒度d50在2.0um左右，然后烘干玻璃浆料得到玻璃粉体。

本发明所提供的低温共烧陶瓷材料，其中用到的陶瓷粉体为：zrtio4陶瓷粉体。zrtio4陶瓷，具有较高的介电常数、介电损耗小的优点(介电常数εr～43，tgδ～1×10^-4)，通过调节zrtio4陶瓷粉体和bao-b2o3-zno-tio2玻璃的不同比例，可以达到调节烧结温度至900℃以下，以及调节ltcc材料的介电常数在38～42范围内。

本发明所提供的低温共烧陶瓷材料，工艺是：将玻璃粉体与陶瓷粉体按照一定的比例配料混合，然后在滚筒球磨机中湿法球磨至粒度d50在～2.0um，然后将浆料烘干粉碎制得低温共烧陶瓷粉体，此粉体能在870-900℃下保温30分钟，与ag浆等电极材料匹配共烧，如图4所示。

本发明所提供的低温共烧陶瓷材料，具有良好的介电性能、物理化学和机械等性能。本发明所得低温共烧陶瓷材料在6ghz下介电常数为38-42，介电损耗≤3×10^-4。

如图1所示，本发明还提供一种中高介电常数的ltcc陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

1)以zrtio4陶瓷粉体及bao-b2o3-zno-tio2玻璃材料为初始原料，以质量份计配比以下组分组成配料：65～75份的zrtio4，25～35份的bao-b2o3-zno-tio2玻璃材料；

2)以酒精为溶剂，将所述配料与酒精混合，经砂磨机球磨1小时～2小时，浆料粒度控制在d50～2.5um，然后进行烘干；

3)添加粘结剂进行造粒，压制成型，最后进行烧结，制成中高介电常数的ltcc陶瓷材料。

作为示例，所述步骤1)中，所述zrtio4陶瓷粉体采用如下制备方法制备：

1-1)以zro2及tio2为初始原料，以1:1的摩尔比组成配合料；

1-2)将所述配合料与去离子水以1:2的质量比混合，经湿式行星球磨机球磨2小时～3小时后过筛烘干；再粉碎均匀后，煅烧形成煅烧料；

1-3)将所述煅烧料与去离子水以1:1.5的质量比混合，经行星球磨机球磨2小时～3小时候后过筛烘干，得到所述zrtio4陶瓷粉体。

作为示例，所述步骤1-2)中，煅烧的温度为1200℃～1250℃，煅烧时间为2小时～3小时。

作为示例，所述步骤1)中，所述bao-b2o3-zno-tio2玻璃材料按质量比计，包括以下组分：25％～35％的bao，20％～40％的b2o3，10％～30％的zno，15％～30％的tio2及不大于2％的mgo+al2o3，按以上比例称量，干混后装入坩埚，在1250℃下熔制1～3小时成玻璃液，淬冷后烘干磨细得到所述bao-b2o3-zno-tio2玻璃材料。

作为示例，所述步骤2)中，所述配料与酒精以1:1的质量比混合。

作为示例，所述步骤3)中，所述粘结剂为浓度为2wt％～5wt％的pvb溶液，其添加剂量以质量比计为4wt％～8wt％。

作为示例，所述步骤3)中，烧结的温度为870℃～900℃，烧结气氛为大气气氛，烧结时间为20分钟～40分钟。

实施例2

本实施例提供一种中高介电常数的ltcc陶瓷材料及其制备方法，其基本方案如实施例1，其中：

bao-b2o3-zno-tio2玻璃材料按照如下组分(bbzt-1)熔制：bao33％，b2o330％，zno20％，tio215％，mgo+al2o32％；熔制温度1250℃，熔制时间2小时,玻璃倒入水中淬冷，湿磨至粒度d50在2.0um左右。

低温共烧陶瓷材料组成配比为：zrtio4陶瓷粉65～75％，bbzt-1玻璃25～35％。混合料湿磨至粒度d50在2.0um左右。

所得低温共烧陶瓷材料在870～900℃下烧结，保温30分钟，6ghz下测得材料性能为：介电常数为38～40，介电损耗≤3.0×10^-4，如图2及图3所示。

其中组成为：zrtio4陶瓷粉75％+bbzt-1玻璃30％，在890℃下烧结，保温30分钟，6ghz下测得材料性能为：介电常数为39.1，介电损耗为2.88×10^-4。

本发明的中高介电常数的ltcc陶瓷材料粉体能在870～900℃下保温30分钟，与ag浆等电极材料匹配共烧并获得良好的烧结质量，如图4所示。

实施例3

本实施例提供一种中高介电常数的ltcc陶瓷材料及其制备方法，其基本方案如实施例1，其中：

bao-b2o3-zno-tio2玻璃材料按照如下组分(bbzt-2)熔制：bao30％，b2o330％，zno20％，tio218％，mgo+al2o32％；熔制温度1250℃，熔制时间2小时,玻璃倒入水中淬冷，湿磨至粒度d50在2.0um左右。

低温共烧陶瓷材料组成配比为：zrtio4陶瓷粉65～75％，bbzt-1玻璃25～35％。混合料湿磨至粒度d50在2.0um左右。

所得低温共烧陶瓷材料在870～900℃下烧结，保温30分钟，6ghz下测得材料性能为：介电常数为39～41，介电损耗≤3.0×10^-4。

其中组成为：zrtio4陶瓷粉75％+bbzt-2玻璃25％，在890℃下烧结，保温30分钟，6ghz下测得材料性能为：介电常数为40.2，介电损耗为2.65×10^-4。

实施例4

本实施例提供一种中高介电常数的ltcc陶瓷材料及其制备方法，其基本方案如实施例1，其中：

bao-b2o3-zno-tio2玻璃材料按照如下组分(bbzt-3)熔制：bao25％，b2o330％，zno20％，tio223％，mgo+al2o32％；熔制温度1250℃，熔制时间2小时,玻璃倒入水中淬冷，湿磨至粒度d50在2.0um左右。

低温共烧陶瓷材料组成配比为：zrtio4陶瓷粉65～75％，bbzt-1玻璃25～35％。混合料湿磨至粒度d50在2.0um左右。

所得低温共烧陶瓷材料在870～900℃下烧结，保温30分钟，6ghz下测得材料性能为：介电常数为39～42，介电损耗≤3.0×10^-4。

其中组成为：zrtio4陶瓷粉75％+bbzt-3玻璃25％，在890℃下烧结，保温30分钟，6ghz下测得材料性能为：介电常数为41.3，介电损耗为2.45×10^-4。

实施例5

本实施例提供一种中高介电常数的ltcc陶瓷材料及其制备方法，其基本方案如实施例1，其中：

bao-b2o3-zno-tio2玻璃材料按照如下组分(bbzt-4)熔制：bao30％，b2o325％，zno25％，tio218％，mgo+al2o32％；熔制温度1250℃，熔制时间2小时,玻璃倒入水中淬冷，湿磨至粒度d50在2.0um左右。

低温共烧陶瓷材料组成配比为：zrtio4陶瓷粉65～75％，bbzt-1玻璃25～35％。混合料湿磨至粒度d50在2.0um左右。

所得低温共烧陶瓷材料在870～900℃下烧结，保温30分钟，6ghz下测得材料性能为：介电常数为39～41，介电损耗≤3.0×10^-4。

其中组成为：zrtio4陶瓷粉70％+bbzt-4玻璃30％，在890℃下烧结，保温30分钟，6ghz下测得材料性能为：介电常数为39.5，介电损耗为2.55×10^-4。

实施例6

本实施例提供一种中高介电常数的ltcc陶瓷材料及其制备方法，其基本方案如实施例1，其中：

bao-b2o3-zno-tio2玻璃材料按照如下组分(bbzt-5)熔制：bao30％，b2o320％，zno30％，tio218％，mgo+al2o32％；熔制温度1250℃，熔制时间2小时,玻璃倒入水中淬冷，湿磨至粒度d50在2.0um左右。

低温共烧陶瓷材料组成配比为：zrtio4陶瓷粉65～75％，bbzt-1玻璃25～35％。混合料湿磨至粒度d50在2.0um左右。

所得低温共烧陶瓷材料在870～900℃下烧结，保温30分钟，6ghz下测得材料性能为：介电常数为39～41，介电损耗≤3.0×10^-4。

其中组成为：zrtio4陶瓷粉70％+bbzt-5玻璃30％，在890℃下烧结，保温30分钟，6ghz下测得材料性能为：介电常数为39.6，介电损耗为2.35×10^-4。

如上所述，本发明的中高介电常数的ltcc陶瓷材料及其制备方法，所述中高介电常数的ltcc陶瓷材料以质量份计，包括以下组分：x份的zrtio4陶瓷粉体，y份的bao-b2o3-zno-tio2玻璃材料，其中，x+y＝100。所述中高介电常数的ltcc陶瓷材料在zrtio4陶瓷粉体基础上采用bao-b2o3-zno-tio2系统的玻璃助烧降低烧结温度，可实现900℃低温烧结，制备的该中高介电常数的ltcc陶瓷材料在6ghz下介电常数为38～42，低介电损耗为≤3×10^-4。另外，本发明的制备方法生产原料便宜、生产成本低、制备工艺简单。该陶瓷材料可用低温共烧陶瓷系统(ltcc)、多层介质谐振器、微波天线、滤波器等微波器件的制造。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。