一种微波介质陶瓷组合物、微波介质陶瓷材料及其应用

本发明涉及陶瓷材料，具体涉及一种微波介质陶瓷组合物、微波介质陶瓷材料及其应用，尤其涉及一种低介电常数、高品质因素、近零谐振频率温度系数及大膨胀系数微波介质陶瓷及其应用。

背景技术：

1、微波介质陶瓷，是指在微波频率(f)(300mhz～300ghz)的电路中作为介质材料起着传导、谐振和滤波等功能的陶瓷材料，是制备滤波器、谐振器、振荡器、介质天线及介质基片等微波元器件的关键性材料。近十年来，微波介质陶瓷与其相关的电子元器件在卫星通信和通讯基站、雷达、智能手机、车载电话、物联网(iot)、全球定位系统(gps)、蓝牙(blue-tooth)技术与无线局域网(wlan)等现代通讯系统中的应用日益广泛。

2、为了增加带宽和数据传输速率，对微波介质材料的主要性能参数如介电常数(εr)、品质因数q、谐振频率温度系数(τf)等提出了更高的要求。因为电磁波的传输速率与介质材料的介电常数(εr)的平方根成反比，因此低介电常数(εr<6)有利于改善电磁信号的传输速率，并且能够降低电极之间的交互耦合损耗；而频率越高，其传输损耗也随之增加，高品质因数qxf介质材料有助于降低器件的插入损耗输损耗；而近零的谐振频率温度系数，可保证微波器件在环境温度变化时，其中心频率不会发生漂移，进而保证微波器件正常工作；而15ppm/℃左右的膨胀系数，可保证材料在制备成器件后，能与pcb电路板的膨胀系数匹配，防止器件与基板之间产生热应力而脱落，进而保证器件能长时间稳定工作。因此，研究开发新型的低介电常数、高品质因素、近零温度系数及合适膨胀系数的微波介质材料对实现微波、毫米波或太赫兹等高频器件应用中有非常重要的意义。

3、目前已报道的介电常数小于6的陶瓷材料大都基于具有四面体顶角相联空旷结构磷硼铝硅酸盐化合物，如sio2、alpo4、bpo4、sio2-alpo4-bpo4、瑾青石(2al2o3＝2mgo-5sio2)、li2mgsio4等。

4、sio2有着良好的微波介电性能：εr＝3.81，q×f＝80,400ghz，τf＝-16.1ppm/℃，但是其烧结温度过高(1675℃),且因在烧结过程中存在多种可逆相变易出现微裂纹。bpo4陶瓷由于b和p的挥发很难烧结致密。alpo4在很高的温度(1650℃)条件下烧结也无收缩，通过添加mgf2得到的陶瓷材料具有超低的介电常数为3，但其介电损耗较高。通过si-zn共掺杂(al1-x(zn0.5si0.5)xpo4)可以大幅降低其烧结温度同时提高qxf值。alpo4–bpo4–sio2三元系中45alpo4–45bpo4–10sio2组份经1175℃/2h烧结后具有良好的微波介电性能：εr～4.16，q×f～59,519ghz，τf＝-19ppm/℃。

5、所有这些低介陶瓷材料的谐振频率温度系数均呈现较大的负值而无法满足实际应用对近零谐振频率温度系数的要求，调节材料的谐振频率温度系数通常采用固溶掺杂改变晶体结构和添加具有相反谐振频率温度系数第二相形成复合材料两种方法。对于具有稳定四面体配位结构的磷硼铝硅酸盐化合物，固溶掺杂的离子很有限，且效果有限。添加具有较大正温度系数的第二相如tio2虽然可以将谐振频率温度系数协调至近零，但通常会导致符合材料的介电常数远大于6或者膨胀系数偏低，无法达到ic电路的要求(15ppm/℃左右)；例如sio2-tio2基材料的介电常数er在5.4～6之间，qxf值在40000数量级，谐振频率温度系数tf达到零，但膨胀系数仅有8ppm/℃。在某些情况下，两相之间还会发生化学反应导致温度系数协调作用失效，如bpo4+tio2在高于1000度烧结时会反应生成tip2o7和(tio)2p2o7杂相降低温度系数协调效果。

6、目前，还没有同时满足低介电常数、近零谐振频率温度系数、高膨胀系数和高品质因素的介电陶瓷材料。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种低介电常数、高品质因素、近零谐振频率温度系数及合适膨胀系数的微波介质陶瓷组合物、微波介质陶瓷材料及其应用。具体提供一种具有低介电常数er在3.9～8.4、高qxf值：63000～80000ghz、低谐振频率温度依赖性：±12ppm/℃以及膨胀系数cte在10～18ppm/℃之间的微波介质陶瓷，并使低介电常数er、品质因素qxf值和谐振频率温度系数tf的变化较小，从而稳定地控制这些特性值。

2、基于此，本发明采用的技术方案如下：

3、第一方面，本发明涉及一种微波介质陶瓷组合物，包括以下重量份数的各组分：

4、sro或bao陶瓷粉：2～20份；

5、p2o5陶瓷粉：5～83份；

6、sio2陶瓷粉：17～95份；

7、b2o3陶瓷粉：0～5份；

8、tio2陶瓷粉：0～10份。

9、作为优选方案，所述微波介质陶瓷组合物包括以下重量份数的各组分：sro陶瓷粉：2～18份；

10、p2o5陶瓷粉：5～80份；

11、sio2陶瓷粉：41～95份；

12、b2o3陶瓷粉：0～5份；

13、tio2陶瓷粉：0～10份。

14、作为进一步优选方案，所述微波介质陶瓷组合物包括以下重量份数的各组分：sro陶瓷粉：5～16份；

15、p2o5陶瓷粉：15～65份；

16、sio2陶瓷粉：49～85份；

17、b2o3陶瓷粉：0.5～3.1份；

18、tio2陶瓷粉：3～8.5份。

19、作为进一步优选方案，所述微波介质陶瓷组合物包括以下重量份数的各组分：sro陶瓷粉：10～12份；

20、p2o5陶瓷粉：35～45份；

21、sio2陶瓷粉：61～69份；

22、b2o3陶瓷粉：1.2～1.8份；

23、tio2陶瓷粉：5.5～6.5份。

24、作为优选方案，所述微波介质陶瓷组合物包括以下重量份数的各组分：bao陶瓷粉：10～20份；

25、p2o5陶瓷粉：40～83份；

26、sio2陶瓷粉：17～56份；

27、b2o3陶瓷粉：0～5份；

28、tio2陶瓷粉：0～10份。

29、作为优选方案，所述微波介质陶瓷组合物包括以下重量份数的各组分：bao陶瓷粉：10～15份；

30、p2o5陶瓷粉：40～64份；

31、sio2陶瓷粉：35～56份；

32、b2o3陶瓷粉：0～1.8份；

33、tio2陶瓷粉：0～6.5份。

34、作为进一步优选方案，所述微波介质陶瓷组合物包括以下重量份数的各组分：

35、bao陶瓷粉：13～14份；

36、p2o5陶瓷粉：47～53份；

37、sio2陶瓷粉：42～47份；

38、b2o3陶瓷粉：0.6～1份；

39、tio2陶瓷粉：4～5份。

40、第二方面，本发明涉及一种微波介质陶瓷材料，包括前述的微波介质陶瓷组合物，还包括分散剂、粘结剂中的至少一种。

41、第三方面，本发明涉及一种根据前述的微波介质陶瓷材料在制备高频器件中的应用。

42、作为优选方案，所述高频器件为谐振器、滤波器、振荡器、介质天线、介质基片中的任一种。

43、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

44、1.本发明制备的微波介电陶瓷材料有较低的介电常数(在3.9～8.4范围可调，更优在5～8.40范围可调，具体值可通过配方调整)，低介电常数可让此陶瓷材料作为基板在应用于高频数字电路基板时，获得更低的信号延迟，同频率下，介电常数越低信号传播速度越快。

45、2.本发明制备的微波介电陶瓷材料有很低的介电损耗(即高品质因数,高qxf；在63000～85000ghz范围可调，具体值可通过配方、工艺来调整)。

46、3.本发明制备的微波介电陶瓷材料有近零温度系数的优势(在±12ppm/℃范围内可调，更优在±10ppm/℃范围可调，具体值可通过配方来调整)；使其应用时工作温度变化不会影响器件的工作频率，不会有频率温度漂移现象。

47、4.本发明制备的微波介电陶瓷材料有15ppm/℃左右的膨胀系数性能(在10～18ppm/℃范围内，具体值可通过配方、工艺来调整)，此性能可保证用该材料制备的器件安装在pcb电路板时，可与pcb的膨胀系数匹配，防止pcb与介质器件之间产生应力过大而脱落或开裂。

48、5.本发明制备的微波介电陶瓷材料有宽幅的烧结温度特点，在950～1450℃烧结温度下，都能获得很高的致密度(96％)，此特点在实际工程生产中可保证更高的良品率和降低设备方面的投入。

49、6.本发明制备的微波介电陶瓷材料由于致密度高且组分无潮解性，在环境中能稳定工作。工作温度范围宽，各个相在低温(零下-80℃)至高温(不高于1450℃)均能稳定存在。

50、7.本发明制备的微波介电陶瓷材料各个组分无毒、廉价且合成温度低，此基板在实际生产应用时相较于其他同类型的陶瓷基板有更高的商业价值。