LiInSiO₄作为低损耗温度稳定型微波介电陶瓷的应用

LiInSiO₄作为低损耗温度稳定型微波介电陶瓷的应用
【专利摘要】本发明公开了一种硅酸盐LiInSiO4作为低损耗温度稳定型超低介电常数微波介电陶瓷的应用及其制备方法。(1)将纯度为99.9％(重量百分比)以上的Li2CO3、In2O3和SiO2的原始粉末按LiInSiO4的组成称量配料；(2)将步骤(1)原料湿式球磨混合12小时，球磨介质为蒸馏水，烘干后在1150℃大气气氛中预烧6小时；(3)在步骤(2)制得的粉末中添加粘结剂并造粒后，再压制成型，最后在1200～1250℃大气气氛中烧结4小时；所述的粘结剂采用质量浓度为5％的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇的添加量占粉末总质量的3％。本发明制备的陶瓷在1250℃以下烧结良好，介电常数达到6.5～7.2，其品质因数Qf值高达86000?112000GHz，谐振频率温度系数小，在工业上有着极大的应用价值。
【专利说明】
L i I nS i 〇4作为低损耗温度稳定型微波介电陶瓷的应用
技术领域
[0001] 本发明涉及介电陶瓷材料，特别是涉及用于制造微波频率使用的陶瓷基板、谐振 器与滤波器等微波元器件的介电陶瓷材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 微波介电陶瓷是指应用于微波频段(主要是UHF和SHF频段）电路中作为介质材料 并完成一种或多种功能的陶瓷，在现代通讯中被广泛用作谐振器、滤波器、介质基片和介质 导波回路等元器件，是现代通信技术的关键基础材料，已在便携式移动电话、汽车电话、无 绳电话、电视卫星接受器和军事雷达等方面有着十分重要的应用，在现代通讯工具的小型 化、集成化过程中正发挥着越来越大的作用。
[0003] 应用于微波频段的介电陶瓷，应满足如下介电特性的要求：（1)系列化介电常数 以适应不同频率及不同应用场合的要求；（2)高的品质因数Q值或低的介质损耗tanS以降低 噪音，一般要求Qf多3000GHz; (3)谐振频率的温度系数W尽可能小以保证器件具有好的热 稳定性，一般要求-10ppm/°C彡Tf<+l〇 ppm/°C。国际上从20世纪30年代末就有人尝试将电 介质材料应用于微波技术，并制备出Ti02微波介质滤波器，但其谐振频率温度系数W太大而 无法实用化。上世纪70年代以来，开始了大规模的对介质陶瓷材料的开发工作，根据相对介 电常数k的大小与使用频段的不同，通常可将已被开发和正在开发的微波介质陶瓷分为4 类。
[0004] (1)超低介电常数微波介电陶瓷，主要代表是Al2〇3_Ti〇2、Y2BaCu05、MgAl2〇4和 Mg2Si〇4等，其彡20,品质因数QXf彡50000GHz，Tf<10ppm/°C。主要用于微波基板以及高 端微波元器件。
[0005] (2)低er和高Q值的微波介电陶瓷，主要是Ba〇-Mg〇-Ta2〇5，Ba〇-Zn〇-Ta2〇5或Ba〇-Mg〇-Nb2〇5，Ba〇-Zn〇-Nb2〇5系统或它们之间的复合系统MWDC材料。其e r = 20~35，Q=(1~2) X104(在f>10GHZ下），Tf~〇。主要应用于f彡8GHz的卫星直播等微波通信机中作为介质谐 振器件。
[0006] (3)中等er和Q值的微波介电陶瓷，主要是以BaTi4〇9、Ba2Ti 9〇20和(Zr、Sn)Ti〇4等为 基的MWDC材料，其er = 35~45，Q=(6~9) X103(在f = 3~一4GHz下），^彡5口口111/°(：。主要用 于4~8GHz频率范围内的微波军用雷达及通信系统中作为介质谐振器件。
[0007] (4)高er而Q值较低的微波介电陶瓷，主要用于0.8~4GHz频率范围内民用移动通 讯系统，这也是微波介电陶瓷研究的重点。80年代以来，Kolar、Kato等人相继发现并研究了 类钙钛矿钨青铜型BaO-Ln2〇 3-Ti〇2系列（Ln = La、Sm、Nd或Pr等，简称BLT系）、复合钙钛矿 结构CaO-Li2〇一Ln2〇3-Ti〇2系列、铅基系列材料、Cai- xLn2x/3Ti〇3系等尚er微波介电陶瓷， 其中BLT体系的BaO-Nd2〇3-T i〇2材料介电常数达到90，铅基系列(Pb，Ca) Zr03介电常数达 到 105〇
[0008] 以上这些材料体系的烧结温度一般高于1300°C，不能直接与Ag和Cu等低熔点金属 共烧形成多层陶瓷电容器。近年来，随着低温共烧陶瓷技术(Low Temperature Co-fired CeramicS，LTCC)的发展和微波多层器件发展的要求，国内外的研究人员对一些低烧体系材 料进行了广泛的探索和研究，主要是采用微晶玻璃或玻璃-陶瓷复合材料体系，因低熔点玻 璃相具有相对较高的介质损耗，玻璃相的存在大大提高了材料的介质损耗。因此研制无玻 璃相的低烧微波介质陶瓷材料是当前研究的重点。
[0009] 在探索与开发新型可低烧微波介电陶瓷材料的过程中，固有烧结温度低的Li基化 合物、Bi基化合物、钨酸盐体系化合物和碲酸盐体系化合物等材料体系得到了广泛关注与 研究，但是由于微波介电陶瓷的三个性能指标(e r与Q ? f和Tf )之间是相互制约的关系(见文 献:微波介质陶瓷材料介电性能间的制约关系，朱建华，梁飞，汪小红，吕文中，电子元件与 材料，2005年3月第3期），满足三个性能要求且可低温烧结的单相微波介质陶瓷非常少，主 要是它们的谐振频率温度系数通常过大或者品质因数偏低而无法实际应用要求。目前对微 波介质陶瓷的研究大部分是通过大量实验而得出的经验总结，却没有完整的理论来阐述微 观结构与介电性能的关系，因此，在理论上还无法从化合物的组成与结构上预测其谐振频 率温度系数和品质因数等微波介电性能，这在很大程度上限制了低温共烧技术及微波多层 器件的发展。探索与开发既能低温烧结同时具有近零谐振频率温度系数(-10ppm/°C^^ f彡 + 10ppm/°C)与较高品质因数的微波介电陶瓷是本领域技术人员一直渴望解决但始终难以 获得成功的难题。我们对组成为LiInSi〇4、LiAlSi〇4与LiInGe〇4的陶瓷进行了烧结与微波介 电性能研究，发现它们的烧结温度低于1250°C，但只有LiInSi0 4具有近零谐振频率温度系 数与高品质因数，Li InGeCk和Li A1 Si〇4为半导体，在微波频段介电损耗太大而没有谐振峰。

【发明内容】

[0010] 本发明的目的是提供一种具有良好的热稳定性与低损耗的超低介电常数微波介 电陶瓷材料及其制备方法。
[0011] 本发明的微波介电陶瓷材料的化学组成为Li InSi〇4。
[0012] 本微波介电陶瓷材料的制备方法步骤为：
[0013] (1)将纯度为99.9%(重量百分比）以上的1^2(：03、111 203和3102的原始粉末按 Li InSi〇4的组成称量配料。
[0014] (2)将步骤（1)原料湿式球磨混合12小时，球磨介质为蒸馏水，烘干后在1150 °C大 气气氛中预烧6小时。
[0015] (3)在步骤（2)制得的粉末中添加粘结剂并造粒后，再压制成型，最后在1200~ 1250 °C大气气氛中烧结4小时;所述的粘结剂采用质量浓度为5 %的聚乙烯醇溶液，聚乙烯 醇添加量占粉末总质量的3%。
[0016] 本发明的优点：LiInSi〇4陶瓷烧结温度较低，原料成本低；其品质因数Qf值高达 86000-112000GHz，介电常数达到6.5~7.2，其谐振频率的温度系数^小，温度稳定性好;可 广泛用于各种介质基板、谐振器和滤波器等微波器件的制造，可满足低温共烧技术及微波 多层器件的技术需要。
【具体实施方式】
[0017] 实施例：
[0018]表1示出了构成本发明的不同烧结温度的3个具体实施例及其微波介电性能。其制 备方法如上所述，用圆柱介质谐振器法进行微波介电性能的评价。
[0019] 本陶瓷可广泛用于各种介质基板、谐振器和滤波器等微波器件的制造，可满足移 动通信和卫星通信等系统的技术需要。
[0020] 表1:
【主权项】
1. 一种硅酸盐作为高品质因数温度稳定型微波介电陶瓷的应用，其特征在于所述硅酸 盐的化学组成为:LiInSi〇4; 所述硅酸盐的制备方法具体步骤为： ⑴将纯度为99.9%(重量百分比）以上的1^20)3、1112〇 3和3丨02的原始粉末按1^11^〇4的 组成称量配料； (2) 将步骤（1)原料湿式球磨混合12小时，球磨介质为蒸馏水，烘干后在1150 °C大气气 氛中预烧6小时； (3) 在步骤(2)制得的粉末中添加粘结剂并造粒后，再压制成型，最后在1200~1250°C 大气气氛中烧结4小时;所述的粘结剂采用质量浓度为5 %的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇添加 量占粉末总质量的3%。
【文档编号】C04B35/622GK105967667SQ201610493001
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月26日
【发明人】方亮, 段炼, 苏和平
【申请人】桂林理工大学