一种CuZn铁氧体材料及其制备方法与流程

本发明涉及电子陶瓷材料产生技术领域，特别涉及一种cuzn铁氧体材料及其制备方法。

背景技术：

（低温共烧陶瓷）技术是当前最为主流的无源封装和集成的技术，基于ltcc技术开发的各种磁性器件和模块具有体积小、成本低、磁屏蔽性能好、可靠性高、易于实现表贴等优异特性，在移动通信、计算机、汽车电子、电视、广播卫星等领域获得广泛应用。

近年来，随着ltcc集成度的不断提升，在不少应用领域要求把ltcc磁性器件与电子线路或其它非磁性模块进行集成；譬如在一个ltcc电源集成基板中，不仅要求基板中封装有电感器或变压器，而且还有复杂的布线集成在基板中。为了提升磁性器件的感量，需要采用磁性介质（铁氧体）作为电感或变压器的基板，而为了降低电子线路上产生的寄生电感，电子线路又最好布线在非磁性的介质基板中，因此在同一块ltcc基板中就存在着磁性介质和非磁性性介质匹配共烧的问题。此外，在一些磁性器件中需要采用非磁性介质进行磁路开隙，也需要在磁性介质中嵌入非磁性介质，因此也面临着磁性和非磁性介质材料匹配共烧的问题。

目前，用于开发ltcc集成磁性器件或模块的主要磁介质材料是低温烧结的nicuzn铁氧体材料，因其具有磁性能好、烧结温度低、电阻率高等诸多优点。而与之实现匹配共烧的非磁性介质材料就五花八门了，有采用zn2so4陶瓷助熔掺杂后来跟铁氧体进行匹配共烧的（aco-fireablematerialsystemforceramicsandferriteshetero-laminatesinltccsubstrates,yuanxunli,etal,j.alloy.comp.,2018,737:144-151），也有采用玻璃陶瓷来跟铁氧体匹配共烧的（agprecipitationatthefreeinterfaceofmultilayernicuznferrites/ltcccomponents,hsing-ihsiang,etal,j.euro.ceram.soc.,2016,36:1191–1195）。但是，由于这些非磁性介质材料与低温烧结nicuzn铁氧体陶瓷的晶型结构完全不同，烧结特性也不一致，因此要实现匹配共烧非常不易，需要在材料掺杂方案设计及匹配共烧工艺方面做大量的尝试才能取得较好的效果。

技术实现要素：

为了克服上述所述的不足，本发明的目的是提供一种cuzn铁氧体材料，其不仅具有跟低温烧结nicuzn铁氧体材料相同的尖晶石晶型结构，而且其烧结特性与nicuzn铁氧体非常匹配，介电损耗小，是一种非常好的适合于与低温烧结nicuzn铁氧体匹配共烧的非磁性材料；还提供一种cuzn铁氧体材料的制备方法。

本发明解决其技术问题的技术方案是：

一种cuzn铁氧体材料，其中，其主晶相为尖晶石结构，其包括组分一和组分二；

组分一由按质量比的48%fe2o3、9%cuo和43%zno组成；

组分二由按重量比的1.25wt%~1.5wt%的bi2o3、1.5wt%~2.0wt%的nb2o5和0.2wt%~0.4wt%的sio2组成。

作为本发明的一种改进，组分二由1.25wt%的的bi2o3、1.5wt%的nb2o5和0.3wt%的sio2组成。

作为本发明的进一步改进，组分二由1.5wt%的的bi2o3、2wt%的nb2o5和0.2wt%的sio2组成。

作为本发明的更进一步改进，组分二由1.3wt%的的bi2o3、1.5wt%的nb2o5和0.4wt%的sio2组成。

一种cuzn铁氧体材料的制备方法，其中，包括如下步骤：

步骤s1、以fe2o3、cuo、zno为初始原料，按质量比48%fe2o3、9%cuo和43%zno进行称料、混料和球磨，再进行烘干，得到一次球磨烘干料；

步骤s2、将一次球磨烘干料过筛后在坩埚中压实打孔，按3℃/分~5℃/分的升温速率升至800℃~900℃进行预烧，保温2小时~3小时，再随炉冷却到室温得到预烧料；

步骤3、将预烧料从坩埚中取出后放入研钵中进行粗粉粹，然后向预烧料内掺入按重量百分比的1.25wt%~1.5wt%的bi2o3和1.5wt%~2.0wt%的nb2o5和0.2wt%~0.4wt%的sio2三种掺杂剂后，在球磨机中进行二次球磨，然后再烘干得到二次球磨烘干料；

步骤4、向二次球磨烘干料中加入等于二次球磨烘干料重量的10%～15%的pva溶液进行造粒并压制成型，得到样品；

步骤5、将样品放入烧结炉中，以2℃/分~3℃/分的升温速率升温至300℃`500℃保温1小时~2小时排水，然后再以2℃/分~3℃/分的升温速率升温至600℃~700℃保温1小时~2小时排胶，然后再以2℃/分~3℃/分的升温速率升温至900℃~1000℃保温2小时~3小时，然后按1℃/分~2℃/分的降温速率降至400℃~500℃，再随炉冷却至室温得到cuzn铁氧体材料。

作为本发明的一种改进，在步骤s2内，将一次球磨烘干料过筛后在坩埚中压实打孔，按3℃/分的升温速率升至800℃进行预烧，保温2小时，再随炉冷却到室温得到预烧料。

作为本发明的进一步改进，在步骤s3内，将预烧料从坩埚中取出后放入研钵中进行粗粉粹，然后向预烧料内掺入按重量百分比的1.25wt%的bi2o3和1.5wt%的nb2o5和0.3wt%的sio2三种掺杂剂后，在球磨机中进行二次球磨，二次球磨后粉料的平均粒度控制在1微米以下，然后再烘干得到二次球磨烘干料。

作为本发明的更进一步改进，在步骤s4内，向二次球磨烘干料中加入等于二次球磨烘干料重量的10%的pva溶液进行造粒并压制成型，得到样品。

作为本发明的更进一步改进，在步骤s5内，将样品放入烧结炉中，以2℃/分的升温速率升温至300℃保温1小时排水，然后再以2℃/分的升温速率升温至600℃保温1小时排胶，然后再以2℃/分的升温速率升温至900℃保温2小时，然后按2℃/分的降温速率降至500℃，再随炉冷却至室温得到cuzn铁氧体材料。

本发明的cuzn铁氧体材料具有跟低温烧结nicuzn铁氧体材料相同的尖晶石晶型结构，而且其烧结特性与nicuzn铁氧体非常匹配，介电损耗小，是一种非常好的适合于与低温烧结nicuzn铁氧体匹配共烧的非磁性材料。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作以详细描述。

图1为本发明的流程框图；

图2为本发明的cuzn铁氧体材料的制备方法实施例二的制备的cuzn铁氧体介电性能随频率的变化。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1和图2所示，本发明的一种cuzn铁氧体材料，其主晶相为尖晶石结构，其包括组分一和组分二；组分一由按质量比的48%fe2o3、9%cuo和43%zno组成；组分二由按重量比的1.25wt%~1.5wt%的bi2o3、1.5wt%~2.0wt%的nb2o5和0.2wt%~0.4wt%的sio2组成。

本发明提供组分二的一个实施方式，组分二由1.25wt%的的bi2o3、1.5wt%的nb2o5和0.3wt%的sio2组成。

本发明提供组分二的另一个实施方式，组分二由1.5wt%的的bi2o3、2wt%的nb2o5和0.2wt%的sio2组成。

本发明提供组分二的再一个实施方式，组分二由1.3wt%的的bi2o3、1.5wt%的nb2o5和0.4wt%的sio2组成。

一种cuzn铁氧体材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤s1、以fe2o3、cuo、zno为初始原料，按质量比48%fe2o3、9%cuo和43%zno进行称料、混料和球磨，再进行烘干，得到一次球磨烘干料；

步骤s2、将一次球磨烘干料过筛后在坩埚中压实打孔，按3℃/分~5℃/分的升温速率升至800℃~900℃进行预烧，保温2小时~3小时，再随炉冷却到室温得到预烧料；

步骤3、将预烧料从坩埚中取出后放入研钵中进行粗粉粹，然后向预烧料内掺入按重量百分比的1.25wt%~1.5wt%的bi2o3和1.5wt%~2.0wt%的nb2o5和0.2wt%~0.4wt%的sio2三种掺杂剂后，在球磨机中进行二次球磨，然后再烘干得到二次球磨烘干料；

步骤4、向二次球磨烘干料中加入等于二次球磨烘干料重量的10%～15%的pva溶液进行造粒并压制成型，得到样品；

步骤5、将样品放入烧结炉中，以2℃/分~3℃/分的升温速率升温至300℃`500℃保温1小时~2小时排水，然后再以2℃/分~3℃/分的升温速率升温至600℃~700℃保温1小时~2小时排胶，然后再以2℃/分~3℃/分的升温速率升温至900℃~1000℃保温2小时~3小时，然后按1℃/分~2℃/分的降温速率降至400℃~500℃，再随炉冷却至室温得到cuzn铁氧体材料。

进一步，在步骤s2内，将一次球磨烘干料过筛后在坩埚中压实打孔，按3℃/分的升温速率升至800℃进行预烧，保温2小时，再随炉冷却到室温得到预烧料。

更进一步，在步骤s3内，将预烧料从坩埚中取出后放入研钵中进行粗粉粹，然后向预烧料内掺入按重量百分比的1.25wt%的bi2o3和1.5wt%的nb2o5和0.3wt%的sio2三种掺杂剂后，在球磨机中进行二次球磨，二次球磨后粉料的平均粒度控制在1微米以下，然后再烘干得到二次球磨烘干料。

更进一步，在步骤s4内，向二次球磨烘干料中加入等于二次球磨烘干料重量的10%的pva溶液进行造粒并压制成型，得到样品。

更进一步，在步骤s5内，将样品放入烧结炉中，以2℃/分的升温速率升温至300℃保温1小时排水，然后再以2℃/分的升温速率升温至600℃保温1小时排胶，然后再以2℃/分的升温速率升温至900℃保温2小时，然后按2℃/分的降温速率降至500℃，再随炉冷却至室温得到cuzn铁氧体材料。

本发明提供cuzn铁氧体材料的制备方法的实施例一：

步骤1、以fe2o3、cuo、zno为初始原料，按摩尔比fe2o3、cuo、zno=48+x：9+y：43-x-y（x=0~1；y=-0.5~1）的比例折算出fe2o3、cuo、zno的质量比，进行称料、混料、一次球磨后烘干；

步骤2、将步骤1所得的一次球磨烘干料过筛后在坩埚中压实打孔，按3℃/分的升温速率升至800℃进行预烧，保温2小时，随炉冷却到室温得到预烧料；

步骤3、将步骤2所得的预烧料从坩埚中取出后放入研钵中进行粗粉粹，然后掺入预烧料重量百分比1.25~1.5wt%的bi2o3和1.5~2.0wt%的nb2o5和0.2~0.4wt%的sio2三种掺杂剂后，在球磨机中进行二次球磨，二次球磨后粉料的平均粒度控制在1微米以下，然后将二次球磨料烘干；

步骤4、在步骤3得到的二次球磨烘干料中加入相当于二次球磨烘干料重量的10%～15%的pva溶液进行造粒并压制成形；

步骤5、将步骤4所得的样品放入烧结炉中，以2℃/分的升温速率升温至300℃保温1小时排水，然后再以2℃/分的升温速率升温至600℃保温1小时排胶，然后再以2℃/分的升温速率升温至900℃保温2-3小时，然后按2℃/分的降温速率降至500℃，再随炉冷却至室温得到所述的低温烧结cuzn铁氧体材料。

在该实施例一中，首先在cuzn铁氧体材料的主配方设计上采用了略缺铁的配方方案（fe2o3摩尔含量为50时为正分配方，少于50则为缺铁配方，超过50为过铁配方），这样可以抑制二价铁离子的产生，提升铁氧体的电阻率并降低介电损耗；同时配方中含有大量的zn，由于尖晶石铁氧体晶格中zn离子特喜占a位，大量非磁性的zn离子占据a位后，会使得a-b位磁性离子的超交换作用大大减弱，部分b位磁性离子的磁矩方向发生反向，最终使得铁氧体中的分子磁矩基本相互抵消，整个铁氧体不体现出磁性来。而配方比例在9左右的cuo含量则与常规低温烧结nicuzn中cu的含量比较一致，都有助于降低铁氧体的烧结温度并展现出类似的烧结特性来。同时，在材料掺杂改性过程中，同时复合掺入了3种掺杂改性剂，分别发挥不同的作用：其中1.25~1.5wt%bi2o3掺入的目的是降低cuzn铁氧体的烧结温度至900℃附近，且烧结收缩率与常规低温烧结nicuzn铁氧体比较一致。掺杂1.5~2.0wt%nb2o5的目的一是细化和均匀化晶粒，二是拓展晶界，有利于改善cuzn铁氧体的介电性能。掺杂0.2~0.4wt%sio2的目的一是细化晶粒，二是提升铁氧体电阻率，降低cuzn铁氧体介电损耗。通过以上材料配方、工艺的优化设计并结合3种掺杂剂的组合改性效果，可使最终获得的cuzn铁氧体材料不仅能实现900℃的低温烧结，烧结收缩率约为15%，并且磁导率约为1，介电常数在12-13左右（1mhz~30mhz），介电损耗低于0.025（1mhz~30mhz），能够很好的作为一种非磁性介质与低温烧结nicuzn铁氧体实现匹配共烧，且具有优良的介电性能；同时，该cuzn铁氧体的制备工艺流程与低温烧结nicuzn铁氧体完全一致，生产设备及工作人员都可以共享，勿需另行添置设备及培训生产人员。

本发明提供cuzn铁氧体材料的制备方法的实施例二：

步骤1、以fe2o3、cuo、zno为初始原料，按摩尔比fe2o3、cuo、zno=48：9：43的比例折算出fe2o3、cuo、zno的质量比，进行称料、混料、一次球磨后烘干；

步骤2、将步骤1所得的一次球磨烘干料过筛后在坩埚中压实打孔，按3℃/分的升温速率升至800℃进行预烧，保温2小时，随炉冷却到室温得到预烧料；

步骤3、将步骤2所得的预烧料从坩埚中取出后放入研钵中进行粗粉粹，然后掺入预烧料重量百分比1.25wt%的bi2o3和1.5wt%的nb2o5和0.3wt%的sio2三种掺杂剂后，在球磨机中进行二次球磨，二次球磨后粉料的平均粒度在0.9-1微米左右，然后将二次球磨料烘干；

步骤4、在步骤3得到的二次球磨烘干料中加入相当于二次球磨烘干料重量的10%～15%的pva溶液进行造粒并压制成形；

步骤5、将步骤4所得的样品放入烧结炉中，以2℃/分的升温速率升温至300℃保温1小时排水，然后再以2℃/分的升温速率升温至600℃保温1小时排胶，然后再以2℃/分的升温速率升温至900℃保温2小时，然后按2℃/分的降温速率降至500℃，再随炉冷却至室温得到所述的低温烧结cuzn铁氧体材料，该cuzn铁氧体的线收缩率为14.9%，介电性能如图2所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。