一种高介电低温共烧陶瓷介质材料及其制备方法与流程

本发明一种高介电低温共烧陶瓷介质材料及其制备方法，属于陶瓷介质材料
技术领域：
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背景技术：
：随着现代电子信息技术迅猛的发展，电子线路正在向小型化、多功能化、轻量化、低成本化、集成化和高频化的方向发展，这就对电子元器件提出了一些新的要求，需要其具有高频率、小尺寸、高集成度以及高可靠性。目前，实现电子元器件的小型化和片式化是用来衡量电子元器件技术的发展水平高低的一个重要标志。为了能够更好地适应现代电子信息技术产业的发展需求，出现了不少新型的组件整合技术，例如低温共烧陶瓷技术、高温共烧陶瓷技术、多芯片组件技术以及芯片尺寸封装技术等。同时，在这些新型的组件整合技术中，低温共烧陶瓷技术因为其具有较高的集成密度和较好的高频特性等特点，成为了当前电子元器件集成化的一种主流方式。低温共烧陶瓷技术采用的是多层结构，其互连导体一般都使用的是电阻率较小的银或铜等金属材料，还能够把不同的无源器件集成在一起，使电子元器件的小型化以及多功能化得到实现。无论是使用银电极还是铜电极，其熔点都比较低，这就要求用在低温共烧陶瓷技术上的陶瓷材料必须要在电极材料的熔点温度以下烧结致密。由于该技术需要将不同的电介质材料（如电容、基板等）、磁介质材料（如电感等）或导电材料（主要是银电极）等以叠层的形式一次性烧成多层独石结构，前提必须是以先进的流延技术和共烧技术为依托，其中共烧技术是“瓶颈”。为了降低商业化产品面世的难度和成本，在保证合适的介电性能前提下，需要降低mlcc材料的烧结温度，以便和优良导体的银、金电极能够共烧。通过向陶瓷中添加低熔点玻璃或者氧化物，利用低熔点玻璃或者氧化物的液相烧结作用来降低陶瓷的烧结温度。这是目前最常用的方法，也是最有效和最经济的方法，但是它要求添加的烧结助剂不光要能降低陶瓷的烧结温度而且还不能过度损害陶瓷的介电性能。常用的烧结助剂有：b2o3，bi2o3，cuo，v2o5，geo2，zno-b2o3玻璃，zno-b2o3-sio2玻璃等。目前报道较多的低温共烧陶瓷材料有bao-tio2、ca(li1/3nb2/3)o3-δ、bi2o3-zno-nb2o5/ta2o5、bao-ln2o3-tio2(ln=nd，sm)和pb1–xcax(fe1/2,nb1/2)o3等介质陶瓷材料，但这些陶瓷材料存在烧结温度高、介电常数低和损耗偏高等问题。技术实现要素：为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种高介电低温共烧陶瓷介质材料及其制备方法，该陶瓷介质材料烧结温度低、介电常数高、介电损耗低、并能与高电导率的银金属内电极共烧。本发明通过以下技术方案实现：一种高介电低温共烧陶瓷介质材料，包括如下质量百分比的原料：玻璃粉5-20%、k2sr4nb6o20-0.2sc2o380-95%。所述玻璃粉包括如下质量百分比的原料：na2co315-30%、sio25-20%、kf10-25%和h3bo325-40%。一种高介电低温共烧陶瓷介质材料的制备方法，包括如下依次进行的步骤：1）将原料k2co3、srco3、nb2o5和sc2o3按通式k2sr4nb6o20-0.2sc2o3的化学计量比称量配料，球磨后，过120-250孔/cm2分样筛，升温至1000-1100℃，保温2-4小时，制得熔块a；2）按照质量百分比将15-30%的na2co3、5-20%的sio2、10-25%的kf和25-40%h3bo3熔融水冷，研磨过筛制得玻璃粉b；3）按照质量百分比将5-20%的玻璃粉b和80-95%的熔块a进行二次配料，获得配料c；4）将配料c进行球磨，过120-250孔/cm2分样筛，加入质量百分比为配料c5-8％的黏合剂，造粒，压制成生坯，缓慢升温至900℃-950℃后保温1小时，冷却后制得陶瓷介质。所述步骤1）中球磨时间为4-6小时，球磨介质为直径为1-2mm的氧化锆球。所述步骤1）中升温速率为5-10℃/min。所述步骤4）中升温过程分为两个阶段：第一阶段，按2-4℃/min的升温速率，从室温加热至400-500℃；第二阶段，按5-15℃/min的升温速率，从400-500℃加热至900℃-950℃球磨介质为直径为1mm的氧化锆球。所述黏合剂为聚乙烯醇或者石蜡中的一种。本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明k2sr4nb6o20-0.2sc2o3系介质陶瓷具有适中的烧结温度，一般在1200℃左右，具有较高的介电常数、可调的容量温度系数和较低的损耗，是一种性能优异的介质陶瓷材料。本发明选择k2sr4nb6o20-0.2sc2o3系统，采取添加玻璃粉为助烧剂的方法，使其烧结温度低于1000℃而且介电常数高、介电损耗低。附图说明下面结合附图对本发明做进一步的说明。图1为本发明实施例1陶瓷介质材料的温度系数tcc图。图2为实施例2陶瓷介质材料的温度系数tcc图。图3为实施例3陶瓷介质材料的温度系数tcc图。图4为实施例4陶瓷介质材料的温度系数tcc图。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明，但是本发明的保护范围并不限于这些实施例，凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。实施例1一种高介电低温共烧陶瓷介质材料，包括如下质量百分比的原料：玻璃粉5%、k2sr4nb6o20-0.2sc2o395%，所述玻璃粉包括如下质量百分比的原料：na2co315%、sio220%、kf25%和h3bo340%。其制备过程如下：1）将原料k2co3、srco3、nb2o5和sc2o3按通式k2sr4nb6o20-0.2sc2o3，进行配料，在转速为400r/min的球磨机上球磨6小时，在3.3kw的普通烘箱中，100℃条件下干燥后，过250孔/cm2分样筛，以5℃/min的速率升温至1100℃，并在1100℃下保温3小时，得到熔块a。2）称取na2co315g，sio220g，kf25g，h3bo340g，混合，熔融水冷，研磨，过筛制得玻璃粉b。3）进行二次配料，按照95%熔块a和5%玻璃粉b的质量比称取熔块a和玻璃粉b，均匀混合。加去离子水，在转速为400r/min球磨机上球磨8小时，于120℃干燥后，过250孔/cm2分样筛，加入8wt%石蜡造粒，压制成生坯，先按2℃/min的升温速率加热至450℃，再按10℃/min的升温速率加热至950℃，烧成，保温1小时，冷却后制得陶瓷介质。对本实施例制得的陶瓷介质进行介电性能的测试，测试频率为1khz，结果见表1和图1，从表1中能看出，本实施例陶瓷介质具有优良的介电性能，介电常数高、介电损耗低。表1烧成温度(℃)保温时间(h)介电常数ε损耗tanδ实施例1950123000.018实施例2一种高介电低温共烧陶瓷介质材料，包括如下质量百分比的原料：玻璃粉10%、k2sr4nb6o20-0.2sc2o390%。所述玻璃粉包括如下质量百分比的原料：na2co325%、sio215%、kf20%和h3bo340%。制备过程如下：1)将原料k2co3、srco3、nb2o5和sc2o3按通式k2sr4nb6o20-0.2sc2o3，进行配料，在转速为400r/min的球磨机上球磨6小时，在3.3kw的普通烘箱中于100℃干燥，过250孔/cm2分样筛，以10℃/min升温至1100℃，并在1100℃下保温2小时，得到熔块a。2)称取na2co325g，sio215g，kf20g，h3bo340g，混合，熔融水冷，研磨，过筛制得玻璃粉b。3）进行二次配料，按照90%熔块a和10%玻璃粉b的质量比称取熔块a和玻璃粉b，均匀混合。加去离子水，在转速为400r/min球磨机上球磨8小时，于120℃干燥后，过250孔/cm2分样筛，加入8wt%石蜡造粒，压制成生坯，先按4℃/min的升温速率加热至450℃，再按15℃/min的升温速率加热至940℃，烧成，保温1小时，冷却后制得陶瓷介质。对本实施例制得的陶瓷介质进行介电性能的测试，测试频率为1khz，结果见表2和图2。表2烧成温度(℃)保温时间(h)介电常数ε损耗tanδ实施例2940123700.013实施例3一种高介电低温共烧陶瓷介质材料，包括如下质量百分比的原料：玻璃粉15%、k2sr4nb6o20-0.2sc2o385%。所述玻璃粉包括如下质量百分比的原料：na2co330%、sio220%、kf25%和h3bo325%。制备过程如下：1)将原料k2co3、srco3、nb2o5和sc2o3按通式k2sr4nb6o20-0.2sc2o3，进行配料，在转速为400r/min的球磨机上球磨6小时，在3.3kw的普通烘箱中于100℃干燥，过120孔/cm2分样筛，以8℃/min升温至1000℃，并在1000℃下保温4小时，得到熔块a。2)称取na2co330g，sio220g，kf25g，h3bo325g，混合，熔融水冷，研磨，过筛制得玻璃粉b。3）进行二次配料，按照85%熔块a和15%玻璃粉b的质量比称取熔块a和玻璃粉b，均匀混合。加去离子水，在转速为400r/min球磨机上球磨8小时，于120℃干燥后，过250孔/cm2分样筛，加入8wt%聚乙烯醇造粒，压制成生坯，先按2℃/min的升温速率加热至400℃，再按5℃/min的升温速率加热至930℃，烧成，保温1小时，冷却后制得陶瓷介质。对本实施例制得的陶瓷介质进行介电性能的测试，测试频率为1khz，结果见表3和图3。表3烧成温度(℃)保温时间(h)介电常数ε损耗tanδ实施例3930123000.0151实施例4一种高介电低温共烧陶瓷介质材料，包括如下质量百分比的原料：玻璃粉10%、k2sr4nb6o20-0.2sc2o390%。所述玻璃粉包括如下质量百分比的原料：na2co325%、sio215%、kf20%和h3bo340%。制备过程如下：1)将原料k2co3、srco3、nb2o5和sc2o3按通式k2sr4nb6o20-0.2sc2o3，进行配料，在转速为400r/min的球磨机上球磨6小时，在3.3kw的普通烘箱中于100℃干燥，过250孔/cm2分样筛，以5℃/min升温至1100℃，并在1100℃下保温3小时，得到熔块a。2)称取na2co330g，sio220g，kf20g，h3bo330g，混合，熔融水冷，研磨，过筛制得玻璃粉b。3）进行二次配料，按照80%熔块a和20%玻璃粉b的质量比称取熔块a和玻璃粉b，均匀混合。加去离子水，在转速为400r/min球磨机上球磨8小时，于120℃干燥后，过250孔/cm2分样筛，加入8wt%聚乙烯醇造粒，压制成生坯，先按3℃/min的升温速率加热至500℃，再按10℃/min的升温速率加热至900℃，烧成，保温1小时，冷却后制得陶瓷介质。对本实施例制得的陶瓷介质进行介电性能的测试，测试频率为1khz，结果见表4和图4。表4烧成温度(℃)保温时间(h)介电常数ε损耗tanδ实施例4900123500.0171实施例1-4中介电性能的测试，使用的测试方法和检测设备如下：a、介电常数ε和损耗tanδ的测试采用hewlettpackard4278a电容测试仪，测试电容器的电容量c和介电损耗tanδ（测试频率为1khz），并通过下面的公式计算介电常数ε：式中：c-样片的电容量，单位pf；d-样片的厚度，单位cm；d-样片烧结后的直径，单位cm。b、温度系数tcc的测试(-55℃～150℃)利用6425型waykerr电桥、gz-especmc―710f高低温箱及hm27002型电容器c-t/v特性专用测试仪测量样品的电容量随温度的变化情况，从而求出电容器的电容温度系数（测试频率为1khz），计算公式如下：式中：基准温度选择25℃，为温度25℃的容量，为温度的容量。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。本发明不会限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽范围。当前第1页12