[發明專利]一種具有較低燒結溫度的低介電常數微波介質陶瓷及其制備方法

有效

• 申請號: 201410694346.6
• 申請日: 2014-11-27
• 公開（公告）號: CN104402419A
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發明（設計）人: 湯雨詩;王煥平;李登豪;徐時清;楊清華;陳雅倩
• 申請（專利權）人: 中國計量學院
• 主分類號: C04B35/16
• 分類號: C04B35/16;C04B35/622;C04B35/64
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 韓介梅

技術領域

本發明涉及一種低介電常數微波介質陶瓷及其制備方法，尤其是具有較低燒結溫度的低介電常數微波介質陶瓷及其制備方法，屬于材料科學技術領域。

背景技術

現代無線通訊技術對人類社會的發展起到了極大的推動作用。近年來，隨著信息量的日益增大，對需要傳送的信息容量以及傳輸速度要求越來越高。為解決低頻段的擁擠并擴大頻率資源，無線通信正朝更高頻段的方向發展；相應的微波技術也向著更高頻率，即向著毫米波和亞毫米波的方向發展。無線通信使用頻率的提高，要求作為信息技術基本組成元素的電子元器件具有較高的自諧振中心頻率(f₀)。高的自諧振中心頻率對應著低的介電常數(ε_r)。低介電常數能減小材料與電極之間的交互耦合損耗，并提高電信號的傳輸速率；發展低介電常數(ε_r≤10)材料以滿足高頻和高速的要求，已成為當今電子材料如何適應高頻應用的一個挑戰。

與此同時，伴隨著器件向小型化和多功能化方向發展，致使低溫共燒陶瓷（LTCC）技術在無線通信系統中扮演著越來越重要的角色。在LTCC工藝過程中，陶瓷材料需要和高電導率電極共燒，比如Ag電極（熔點961℃）、Cu電極（熔點1064℃）和30Pd/70Ag電極（熔點1167℃），制成三維空間互不干擾的高密度電路，也可制成內置無源元件的三維電路基板，在其表面可以貼裝IC和有源器件，制成無源/有源集成的功能模塊，可進一步將電路小型化與高密度化，特別適合用于高頻通訊用組件。因此，開發低溫燒結的（至少低于1167℃）低介電常數的微波介質陶瓷在現代通信領域中具有重要的意義。

目前，降低陶瓷燒結溫度的方法主要有三種：（1）在陶瓷種引入低熔點化合物或者玻璃助劑，此種方法應用最為廣泛，但是通常低熔點化合物以及玻璃助劑會惡化陶瓷的品質因素；（2）采用濕化學方法（如水熱法、共沉淀法和溶膠凝膠法等）獲得粒徑細小的陶瓷粉體，利用粉體較高的比表面能降低陶瓷的燒結溫度，此種方法成本較高，且過程較為復雜，不適合工業化生產；（3）開發新的微波介質陶瓷材料，該方法一直是學者們關注的焦點。

硅灰石（CaSiO₃）是一種具有優良介電性能的低介陶瓷材料，在高頻領域具有潛在的應用前景。然而，硅灰石的燒結溫度在1300℃以上，且燒結溫度范圍非常窄，在煅燒過程中晶粒極易出現異常長大。Wang等（J?Eur?Ceram?Soc,2012,32:541-545)通過在CaSiO₃粉體中添加適量的Al₂O₃粉體，制備的CaSiO₃陶瓷具有良好的微波介電性能：ε_r=?6.66,?Q×f?=?24,626?GHz，但是其1250℃的燒結溫度無法用于與金屬電極的低溫共燒。為提高CaSiO₃陶瓷的燒結性能，相關科研工作者通過在CaSiO₃中添加一定量的B₂O₃，以及改變CaO、SiO₂、B₂O₃之間的比例，可以獲得以CaSiO₃為主要晶相的玻璃陶瓷，以此來實現降低燒結溫度的目的；然而，大量玻璃相的存在，急劇降低了玻璃陶瓷的品質因數。Sun等(Mat?Sci?Eng?B,?2007,?138:?46-50)通過Mg²⁺對Ca²⁺的取代，獲得具有良好微波介電性能的CaMgSi₂O₆陶瓷；然而，其燒結溫度仍然高達1290～1310℃。

從上述國內外研究結果可知，硅酸鈣系微波介質陶瓷具有低的介電常數和良好的品質因數，但其燒結溫度過高，很難與低熔點金屬電極共燒，且低溫燒結助劑的存在極大地惡化其品質因數。因此，在不降低硅酸鈣陶瓷品質因數的前提下，降低其燒結溫度，使其滿足LTCC工藝要求，是硅酸鈣陶瓷更為廣泛應用的關鍵。

發明內容

本發明的目的是提供一種具有較低燒結溫度、較寬燒成溫度范圍、性能優良的低介電常數微波介質陶瓷及其制備方法。