[发明专利]低成本低介低损耗LTCC微波陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电子陶瓷材料及其制造领域，具体涉及一种低成本低介低损耗LTCC微波陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

近年来，国际上无论是通用电子整机、通信设备还是民用消费类的电子产品都迅速向小型化、轻量化、集成化、多功能化和高可靠性方向发展。LTCC（低温共烧陶瓷）技术作为一种先进的三维立体组装集成技术，为无源器件以及无源/有源器件混合集成的发展创造了条件，并迅速在叠层片式无源器件中获得了广泛的应用。很多电子材料与元器件生产企业及高校都对各种LTCC片式无源器件和组件展开了研发和生产，而为了获得高性能的LTCC无源集成器件和组件，首先需要有高性能的LTCC材料。但目前商用化的高性能LTCC材料主要被国外垄断，国内在此领域始终未能取得关键性突破，导致我国研发的LTCC集成器件和组件成本很高，不利于相应产品的应用和推广，另一方面由于在核心关键技术上受制于人，严重阻碍了我国LTCC产业的发展。因此，开发拥有自主知识产权的高性能LTCC材料迫在眉睫。

LTCC微波陶瓷材料是LTCC材料中应用非常广泛的一个分支。一般的微波陶瓷材料烧结温度都在1100℃以上，但为了与LTCC工艺（一般为800℃～950℃之间）兼容，需将其烧结温度降低到950℃以下。常采用的方法主要包括添加低熔氧化物或玻璃助烧、引入化学合成方法以及采用超细粉体做原料等；后两种成本高昂、并有一定的工艺局限性，因而添加低熔氧化物或玻璃是目前实现LTCC微波陶瓷材料的主要方法。但即便采取这种方法，目前许多微波陶瓷材料的烧结温度太高，也很难实现低温烧结，其次，过多低熔氧化物或玻璃的掺入，也会对材料的损耗性能构成很大的影响，导致Q×f下降很大。

最初，硅酸锌（Zn₂SiO₄）是用作一种结晶釉中的结晶剂，它在釉中易于结晶，晶花大而圆，因此适合于一些装饰花瓶类产品。后来，Zn₂SiO₄被较多的应用在离子平板显示器用荧光粉领域，通过Mn²⁺掺杂，即形成Zn₂SiO₄:Mn2+，此材料可以在253nm光波激发下显示出良好的发光性能，由于其制备简单、成本低廉，并具有色坐标佳、相对亮度高等众多优势，成为目前最有前途的离子平板显示器绿色荧光粉成分。Zn₂SiO₄作为微波介质材料是在最近几年才进行研究的，其结构为硅锌矿结构，属三角晶系，空间点群为R-3，a=1.3971nm，c=0.9334；每个Zn原子和Si原子都与周围四个氧原子形成四面体。Zn₂SiO₄的烧结温度为1400℃以上，介电性能如下：ε_r约为7～8，Q×f最高可到240000GHz，温度系数τ_f=(-50～-40)ppm/℃，综合性能很好，且制备原料的成本都很低。但Zn₂SiO₄陶瓷材料的一个突出的缺点就是烧结温度太高，通过直接加氧化物或玻璃将烧结温度降到900℃的话，掺杂量需很大，会导致介电损耗显著增加。在文献《Low temperature preparation of the Zn₂SiO₄ceramics with the addition of BaO and B₂O₃》（J Mater Sci:Mater Electron(2011)22:1274–1281）中Song Chen等人公开了BaO和B₂O₃掺杂Zn₂SiO₄对其烧结温度和性能的影响，并在900℃烧结温度下得到了微波性能如下的陶瓷ε_r=6.4～6.7,Q×f=25000GHz，τ_f=-30ppm/℃。文献《Low-Temperature Sintering and Microwave Dielectric Propertiesof the Zn2SiO4Ceramics》（J.Am.Ceram.Soc.,91[2]671–674(2008)DOI:10.1111/j.1551-2916.2007.02187.x）中Jin-Seong Kim报道了将B₂O₃添加到Zn_1.8SiO_3.8，获得了较好的微波性能：ε_r=5.7,Q×f=53000GHz，τ_f=-16ppm/℃。文献《Effect of the B₂O₃addition on the sintering behavior and microwave dielectric properties of Ba₃(VO4)₂–Zn_1.87SiO_3.87composite ceramics》（Ceramics International39(2013)2545–2550）中Yang Lv报道了将Ba₃(VO₄)₂与Zn_1.87SiO_3.87复合，然后加入B₂O₃来降低烧结温度，最终配方为3wt%B₂O₃+0.5Ba₃(VO4)₂-0.5Zn_1.87SiO_3.87；虽然通过复合Ba₃(VO₄)₂可以降低烧结温度和提升性能，但介电常数发生了很大的改变；其最终微波性能参数为：Q×f=34300GHz，ε_r=9.8，τ_f=-1.1ppm/℃。