透波超材料及其陶瓷介质基板和浆料的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及透波超材料，尤其是涉及透波超材料所使用的陶瓷介质基板，以及陶 瓷介质基板、陶瓷介质基板浆料的制备方法。
【背景技术】
[0002] 超材料（Metamaterial)是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工 复合结构或复合材料。超材料的奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小。超材料中 的微结构，大小尺度小于它作用的波长，因此得以对波施加影响。迄今发展出的超材料包括 左手材料、光子晶体、超磁性材料等。左手（LH)材料是一类在一定的频段下同时具有负的 磁导率和负的介电常数的材料系统（对电磁波的传播形成负的折射率）。与之相对的是， 大多数自然的材料是RH材料。超材料的奇异性质使它具有广泛的应用前景，从高接收率天 线，雷达反射罩甚至是地震预警。
[0003] 从结构上看，超材料是由非金属材料制成的基板和附着在基板表面上或嵌入在基 板内部的多个导电几何结构构成的。基板可以虚拟地划分为阵列排布的多个基板单元。每 个基板单元上附着有导电几何结构，从而形成一个超材料单元。整个超材料是由很多这样 的超材料单元组成的，就像晶体是由无数的晶格按照一定的排布构成的。每个超材料单元 上的导电几何结构可以相同或者不完全相同。导电几何结构是由导电材料组成的具有一定 几何图形的平面或立体结构。
[0004] 由于导电几何结构的存在，每个超材料单元具有不同于基板本身的电磁特性，因 此所有的超材料单元构成的超材料对电场和磁场呈现出特殊的响应特性。通过对导电几何 结构设计不同的具体结构和形状，可以改变整个超材料的响应特性。
[0005] 透波超材料是能透过电磁波且几乎不改变电磁波的性质(包括能量)的材料。为了 实现所需的性能，要求透波超材料的介质基板有较低的介电常数和介电损耗。同时由于超 材料的许多应用场合面对恶劣的环境，还需要介质基板有较高的机械强度和良好的热学性 能。
[0006] 在多种指标的要求下，用于透波超材料的具有所需低介电常数和低介电损耗的材 质并不容易找到。
[0007] 陶瓷材料是透波超材料的介质基板的可选材料之一。目前陶瓷材料在电子元件中 的应用的研究发展迅速，尤其是低温共烧陶瓷技术（LTCC)引人瞩目。例如，中国专利公开 号CN102093031A披露一种低软化点玻璃-陶瓷系低温共烧陶瓷材料及其制备方法。它是 将玻璃粉和陶瓷粉混合，以流延成型法制成粗坯，并在800?950°C条件下烧结制得。低温 共烧陶瓷的优点之一是，适合与通常作为导电层的金属银共烧。金属银的熔点为962°C，这 就需要烧结温度在900°C以下。尽管该文献宣称可以制得低介电常数、低介电损耗的陶瓷材 料，但是其各个实施例的陶瓷基板材料，介电常数最低也达到了 5. 5,最高则达到7. 2。但是 这些介电常数对于透波超材料而言并不优良。
[0008] 美国电子科学实验室提供的可商业获得的用于制作介质基板的陶瓷流延带，其主 要成分是氧化铝和氧化硅，介电常数是4. 1，介电损耗是1(T2。但是这些介电常数和介电损 耗指标仍未令人满意。而且这一陶瓷流延带价格昂贵，提高了产品成本。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的之一是提供一种陶瓷介质基板的浆料的制备方法，该浆料适于制备 具有更低介电常数和介电损耗的陶瓷介质基板。
[0010] 本发明的另一目的是提供一种具有更低介电常数和介电损耗的陶瓷介质基板及 其制备方法。
[0011] 本发明的另一目的是提供一种透波超材料，其介质基板为具有更低介电常数和介 电损耗的陶瓷介质基板。
[0012] 本发明所提出的陶瓷介质基板的浆料的制备方法，包括使用石英陶瓷粉和二氧化 硅系玻璃粉的混合物来准备制作陶瓷介质基板所需的浆料，其中该石英陶瓷粉的含量为 30?85wt%，该二氧化硅系玻璃粉的含量为15?70wt%。
[0013] 在本发明的一实施例中，该石英陶瓷粉为非晶态。
[0014] 在本发明的一实施例中，该石英陶瓷粉的颗粒大小在0. 5-3iim之间。
[0015] 在本发明的一实施例中，该二氧化硅系玻璃粉的粒径在0. 5-4iim之间。
[0016] 在本发明的一实施例中，该二氧化硅系玻璃粉中二氧化硅的含量不低于95wt%。
[0017] 在本发明的一实施例中，该二氧化硅系玻璃粉还含有总含量不高于5wt%的氧化 错、氧化钾和氧化钠。
[0018] 在本发明的一实施例中，该二氧化硅系玻璃粉的含量为30?50wt%。
[0019] 在本发明的一实施例中，使用该混合物准备制作陶瓷介质基板所需的浆料的步骤 包括：向该混合物中加入有机添加剂。
[0020] 本发明所提出的陶瓷介质基板的制备方法包括：按照前述的陶瓷介质基板的浆料 的制备方法准备浆料；将该浆料流延成型，制成流延片；该流延片上附着导电浆料；以及将 该流延片进行脱脂和低温共烧，形成含有导电几何结构的石英陶瓷-玻璃复相介质基板。
[0021] 本发明所提出用于透波超材料的陶瓷介质基板，包括基材和导电几何结构，该基 材包括石英陶瓷和二氧化硅系玻璃，还包括不可避免的杂质，其中该石英陶瓷的含量为 30?85重量份数，该二氧化硅系玻璃的含量为15?70重量份数。
[0022] 在本发明的一实施例中，该石英陶瓷为非晶态。
[0023] 在本发明的一实施例中，该二氧化硅系玻璃中二氧化硅的含量不低于95重量份 数。
[0024] 在本发明的一实施例中，该二氧化硅系玻璃还含有不高于5重量份数的氧化铝、 氧化钾和氧化钠的组合物。
[0025] 在本发明的一实施例中，该二氧化硅系玻璃的含量为30?50重量份数。
[0026] 本发明所提出的透波超材料，包括按照上述的方法形成的陶瓷介质基板。
[0027] 本发明所提出的透波超材料，包括如上所述的陶瓷介质基板。
[0028] 本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，陶瓷介质基板在具有低温 烧结特性和高机械强度的同时，还具有更低的介电常数和介电损耗，并且成本更低。
【附图说明】
[0029] 为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具 体实施方式作详细说明，其中：
[0030] 图1示出根据本发明一实施例的陶瓷介质基板完整制作流程。
[0031] 图2A示出根据本发明一实施例的陶瓷介质基板剖面示意图。
[0032] 图2B示出根据本发明一实施例的陶瓷介质基板俯视图。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多 的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实 施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演 绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
[0034] 本发明的实施例基于低温共烧陶瓷技术。低温共烧陶瓷技术是将低温烧结陶瓷粉 制成厚度精确而且致密的生瓷带，作为基板材料，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精 密导体浆料印刷等工艺制出所需要的导电图案。对于低温共烧陶瓷技术而言，寻找符合设 计要求的陶瓷材料，以及在需要的情况下，寻找能够降低烧结温度且不会引起性能恶化的 玻璃是技术难点，亦是业界努力的方向。
[0035] 本发明实施例的一个特点是，使用石英陶瓷粉作为制作陶瓷介质基板的基础。石 英陶瓷具有优良的介电性能、热膨胀系数小、热稳定性好、且成本较低。但是石英陶瓷的孔 隙度较大，机械强度并不突出。而且石英陶瓷的烧结温度一般在1200°C以上，无法与低熔点 导电金属，例如银一起共烧。因此需要寻找一种能够基本维持（至少不明显恶化）石英陶瓷 的优点，而且能够改良其缺点的介质玻璃。
[0036] 本申请的发明人从众多材料中经过试验及筛选，发现二氧化硅系玻璃能够满足上 述要求。二氧化硅系玻璃的主要成分是二氧化硅（Si02)，其次含有氧化铝（A1203)、氧化钾 (K20)和氧化钠（Na20)。二氧化硅系玻璃的熔点一般