陶瓷材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电子信息功能材料与器件技术领域，具体涉及的是一种具有低介电常 数、高成瓷密度、高抗弯强度、高体电阻特性陶瓷基板材料。可用于制作现代电子、通信技术 中的电路基板、陶瓷介质基片、介质滤波器、以及介质天线等元器件。
【背景技术】
[0002] 由于消费电子市场需求强劲，且不断提出更高的技术要求，如信息传递高速化、完 整性及产品多功能化和微型化等。传统的电子产品应用中，应用频率大多数集中在IGHz以 下，PCB和终端厂商设计者易忽视基板材料较高介电常数带来的负面影响。随着电子产品 信息处理的高速化和多功能化，应用频率不断提高，2GHz及3-6GHz将成为主流，基板材料 不再是扮演传统意义下的机械支撑角色，而将与电子组件一起成为PCB和终端厂商设计者 提升产品性能的一个重要途径。
[0003] 在集成电路（IC)和表面贴装技术（SMT)的持续发展中，对基板材料性能方面的要 求也越来越高。传统的氧化铝已逐渐不能满足要求，特别是，伴随着IC芯片的高速化，布线 图形对传输信号的延迟问题越来越严重，这种信号延迟与布线图形周围材料的介电常数密 切相关。基板材料介电常数较高，即使通过改善线路设计也无法完全满足高频下的信号高 速传递且信号完整的应用需求，因为高介电常数会使信号传递速率变慢，低介电常数能减 小基板与电极之间的交互耦合损耗并提高电信号的传输速率，因而降低介电常数已成为基 板业者的追逐热点。因此有必要开发取代氧化铝的低介电常数（低介电常数在10以下） 的材料。
[0004] 陶瓷材料是刚度好、硬度高的材料，陶瓷的抗压强度较高，但抗拉强度较低，塑性 和韧性很差。为了使陶瓷材料在更大范围达到实用化，只有改善陶瓷的破坏韧性才能实现 材料的高强度，提高其加工性能。
[0005] 低介电常数、高致密、高强度陶瓷材料对于电子技术、微电子技术和光电子技术发 展起到了重要作用。陶瓷装置零件广泛应用于电子技术中，陶瓷基片和陶瓷包封是微电子 技术中半导体集成电路、微波集成电路、混合集成电路的主要封装形式。同时在工作频率逐 渐提高的情况下，介电损耗不断增大，器件发热量迅速增加，材料的热导率成为一个需要重 点考虑的因素。陶瓷材料同由树脂材料构成的PCB相比，耐热性要好得多，而且具有热导率 高、热膨胀系数小、微细化布线较容易、尺寸稳定性高等优点。同时陶瓷材料具有优良的电 气性能，高的机械强度，环境与经时稳定性好。
[0006] 常见的镁质瓷多以矿物材料为原料，杂相成分较多，且MgSiO3会产生相变，MgSiO 3 有四种同素异构体，Proto-enstatile (顽辉石）是高温形态，具有良好的机械强度和低 的热膨胀系数，常用在电路基板上；Ortho-enstatile (正交辉石）、Clino-enstatile (单 斜辉石）和Monoclinic amphibole(单斜角闪石）是MgSiO3的低温形态；正交态辉石 (Ct-MgSiO3)和单斜态辉石（P-MgSiO 3)是交互转变的，相比于Mg2SiO4陶瓷，MgSiO3陶瓷具 有更低的介电常数，但烧结性能差，难于致密化。本发明提供一种低介电、低软化点玻璃，对 MgSiO3陶瓷进行掺杂改性，促进玻璃陶瓷复合材料致密化。通过掺杂即可以抑制陶瓷材料 相变，改变硅酸镁的烧结性能、降低烧结温度，又可以降低陶瓷的介电常数，改善材料力学 性能等。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种低介电常数、高致密、高强度以及可实现稳定批量生产 的陶瓷材料及其制备方法。
[0008] 本发明解决所述技术问题采用的技术方案如下：
[0009] 陶瓷材料，包含MgSiO3、硼硅酸盐玻璃、A120 3、ZnO、La2O3等。各组分的质量百分比 含量为MgSi0 385~97% ;硼硅酸盐玻璃1~8% ;氧化铝Al2O3I~3% ;氧化锌ZnOO. 5~ 2% ;氧化镧 La2O3O. 5 ~2%
[0010] 所述陶瓷材料由MgSiO3、硼硅酸盐玻璃、A120 3、ZnO、La2O3按各自所述质量百分比 配料，并经球磨混合、干压成型、烧结制成；其制成品中MgSiO 3S材料的主晶相，硼硅酸盐玻 璃、A1203、ZnO、La2O 3等为掺杂相；其成瓷密度P >2. 7g/cm3,相对介电常数ε /7. 0,抗弯强 度 σ >150MPa。
[0011] 上述陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
[0012] (1)以MgO或Mg (OH) 2或MgCO 3和SiO 2或石英砂为原料，按Mg :Si摩尔比为 1:0. 95~1. 45的非化学计量比进行配料，料：球：水为1:5:2,球磨2~5小时，烘干过40 目筛，IKKTC~1300°C保温3小时预烧，得到MgSi(V)^体；
[0013] (2)将 0&0)3、氏803、5102、1^20) 3、恥0!1、1(2(：03、厶1203等配料按照料 ：球：水为1:5:2， 球磨3~7小时，烘干过筛，500°C~800°C保温2~8小时预烧，然后在1300°C~1600°C保 温1~5小时制成含0~5wt%的Ca0,30~4(^七％的8 203, 50~70wt%的Si02,0~5wt% 的Li20,0~2wt%的Na 20,0~5wt%的K20,0~2wt %的Al2O3的熔融玻璃渣，将制备的玻 璃渣再破碎球磨成粉；
[0014] (3)称取步骤⑴制备的MgSiO3、步骤⑵制备的硼硅酸盐玻璃粉体及氧化铝 Al2O3、氧化锌ZnO、氧化镧La2O3配料，各组分的质量百分比含量为MgSiO 385~97%;硼硅酸 盐玻璃1~8 % ;A12031~3 % ;Ζη00· 5~2 % ;La2030. 5~2 %，用去离子水或酒精做球磨 助剂，球磨2~6小时，使其磨细混合均匀；
[0015] (4)将球磨好的粉料烘干，加入一定量的PVA进行造粒，而后采用手动干压成型得 到生胚；
[0016] (5)将步骤⑷所得生坯进行排胶处理高温烧结2~5小时，得到最终的陶瓷材 料。
[0017] 本发明所提供的陶瓷材料各组分原材料的主要作用分别如下：原材料MgO、 1%(0!1) 2或1%0)3和3102或石英主要用来合成1%3103主晶相；硼硅酸盐玻璃不仅具有低软化 温度和低的介电常数，而且可与MgSiO 3陶瓷材料良好匹配，填充MgSiO3陶瓷体，通过硼硅酸 盐玻璃掺杂，可使MgSiO 3陶瓷在1350°C以下实现致密化烧结；硼硅酸盐玻璃与Al 203、ZnO、 La2O3对MgSiO 3进行掺杂，可实现降低硅酸镁陶瓷烧成温度、提高陶瓷致密性、抗弯强度等。
[0018] 本发明制备的陶瓷材料具有以下特点：
[0019] (1)该体系材料能在1200~1350°C致密烧结，烧结体的微观结构由大量的MgSiO3 晶粒、较多玻璃相和少量气孔组成，是一种典型的玻璃陶瓷复合材料，如图1所示。
[0020] (2)本发明所制备的硅酸二镁陶瓷材料为较纯的MgSiOjg，如图2所示。