一种钼基低温烧结微波介质陶瓷材料的应用及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种钼基低温烧结微波介质陶瓷材料的应用及其制备方法，属于电子陶瓷及其制造【技术领域】。该陶瓷材料的组成表达式为：(1-x)Bi2O3-(x)Ln2O3-MoO3，其中，Ln=La或Nd，0.001≤x≤0.3。本发明的钼基低温烧结微波介质陶瓷材料可以在800～1000℃温度范围内烧结制备成陶瓷，且具有优异的微波介电性能，可作为微波介质材料使用。该钼基微波介质陶瓷材料具有以下优点：1、介电常数可调（21≤εr≤31）；2、品质因数高（Qf=20,300～32,300GHz）；3、烧结温度低（800～1000℃）；4、制备工艺简单；5、应用范围广。
【专利说明】一种钼基低温烧结微波介质陶瓷材料的应用及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电子陶瓷及其制造【技术领域】，具体涉及一种钥基低温烧结微波介质陶瓷材料的应用及其制备方法。
【背景技术】
[0002]低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic LTCC)技术是近年发展起来的令人瞩目的整合组件技术，已经成为无源集成的主流技术，成为无源元件领域的发展方向和新的元件产业的经济增长点。利用LTCC制备片式无源集成器件和模块具有许多优点，首先，陶瓷材料具有优良的高频高Q特性;第二，使用电导率高的金属材料作为导体材料，有利于提高电路系统的品质因子；第三，可适应大电流及耐高温特性要求，并具备比普通PCB电路基板优良的热传导性；第四，可将无源组件埋入多层电路基板中，有利于提高电路的组装密度；第五，具有较好的温度特性，如较小的热膨胀系数、较小的介电常数温度系数，可以制作层数极高的电路基板，可以制作线宽小于50 μ m的细线结构。另外，非连续式的生产工艺允许对生坯基板进行检查，从而提高成品率，降低生产成本。
[0003]LTCC器件按其所包含的元件数量和在电路中的作用，大体可分为LTCC元件、LTCC功能器件、LTCC封装基板和LTCC模块基板。国内LTCC器件的开发比国外至少落后5年。这主要是由于电子终端产品发展滞后造成的。
[0004]LTCC功能器件和模块主要用于GSM、CDMA和PHS手机、无绳电话、WLAN和蓝牙等通信产品，除40多兆的无绳电话外，这几类产品在国内是近5年才发展起来的。国内的终端产品为了尽快抢占市场 ，最初的设计方案大都是从国外买来的，甚至方案与元器件打包采购，其所购方案都选用了国外元器件。前几年终端产品生产厂的主要目标是扩大市场份额，成本压力不大，无法顾及元器件国产化。随着终端产品产能过剩，价格和成本竞争将日趋激烈，元器件的国产化必将提上议事日程，这将为国内LTCC器件的发展提供良好的市场契机。
[0005]中国电子学会元件分会秘书长陈福厚表示，国内LTCC行业面临的问题主要是原材料的问题。目前原材料的来源主要有三种方式:其一，直接从国外进口生带；其二，买瓷粉，自己做生带；其三，自己研制瓷粉。其中从国外进口生带成本最高，而自己研制瓷粉周期过长，因此，目前国内LTCC行业主要从国外进口瓷粉，自己做生带。因此，研究开发频率系列化(要求介电常数系列化)且烧结温度低的环保型微波介质陶瓷材料已成为目前国内LTCC器件发展的关键点之一。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种钥基低温烧结微波介质陶瓷材料的应用及其制备方法，该材料具有良好的微波介电性能，能够用于制备微波介质器件。
[0007]本发明是通过以下技术方案来实现:
[0008]一种钥基低温烧结陶瓷材料在制备微波介质器件中的应用，其中，所述的钥基低温烧结陶瓷材料的组成表达式为:(1-x) Bi2O3- (X) Ln2O3-MoO3, Ln=La或Nd，
0.001 ≤ X ≤ 0.3。
[0009]所述的微波介质器件为射频多层陶瓷电容器、片式微波介质谐振器或滤波器、低温共烧陶瓷系统、陶瓷基板或多芯片组件。
[0010]所述的钥基低温烧结陶瓷材料的微波介电常数ε =21?31，谐振频率温度系数TCF=-1lO ?-70ppm/°C，高品质因数 Qf=20, 300 ?32，300GH。
[0011]一种钥基低温烧结微波介质陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤:
[0012]I)将原料 Bi203、La203、Nd2O3 和 MoO3 按组成通式(1-X)Bi2O3-(X)Ln2O3-MoO3 配料，式中 Ln=La 或 Nd，0.001 ≤ x ≤ 0.3 ;
[0013]2)将混合后的原料充分球磨,球磨后烘干、过筛并压制成块状体,然后在500?600°C下保温4?10h，得到样品烧块；
[0014]3)将样品烧块粉碎，充分球磨后烘干，然后造粒，造粒后过筛，得到所需的二次颗粒;
[0015]4)将二次颗粒压制成型，在800?1000°C下烧结I?3h，得到钥基低温烧结微波介质陶瓷材料。
[0016]所述步骤2)的球磨是将混合后的原料置于尼龙罐中，加入酒精后，球磨4?6h ;烘干是在180?220°C的条件下进行的；过筛是用140?160目的筛网。
[0017]所述步骤3)的球磨时间为4?6h ;烘干是在180?220°C的条件下进行的；过筛是经80目与120目的双层筛网。
[0018]步骤4)所述的压制成型是压制成片状或柱状。
[0019]步骤4)所述的烧结是在空气氛围下的烧结。
[0020]与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果:
[0021]本发明的钥基低温烧结微波介质陶瓷材料以Bi2O3-Ln2O3-MoO3三元化合物相图为基础，根据晶体化学原理和电介质有关理论，选取三元相图中(1-x) Bi2O3- (X) Ln2O3-MoO3区域为研究对象，当X值介于0.001至0.3之间区域时可以得到一种单相固溶体化合物，该固溶体可以在不添加任何烧结助剂的前提下，在较低的烧结温度(800?1000°C)范围内烧结致密成瓷，由于这种微波介质陶瓷性能使得本发明的(1-x)Bi2O3-(X)Ln2O3-MoO3材料能够应用于制备微波介质器件。
[0022]本发明的钥基低温烧结微波介质陶瓷材料的化学组成简单，物相单一。其介电常数可调，随成分在21?31之间变化，品质因数高，Qf分布在20，300?32，300GHz，谐振频率温度系数在TCF在-110至-70ppm/°C之间可调。
[0023]本发明采用了简单有效的固相反应烧结的方法，首先通过选取合适比例的配方，选取合适的初始氧化物，通过一次球磨使得原料混合均匀，通过预烧结过程使得原料进行初步的化学反应，再通过二次球磨细化反应物的颗粒尺寸，最后通过烧结过程得到陶瓷材料产品。本发明制备方法操作简单，环境友好，使之适用于LTCC技术的需要，能够用于制备微波介质器件，扩大了其应用范围。
【具体实施方式】
[0024]下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
[0025]本发明的用于制备微波介质器件的钥基低温烧结微波介质陶瓷材料的组成表达式为:(1-X)Bi2O3-(X)Ln2O3-MoO3,式中 Ln=La 或 Nd, 0.001 ≤ x ≤0.3 ;是一种Bi2O3-Ln2O3-MoO3 三兀化合物。
[0026]所述的微波介质器件为射频多层陶瓷电容器、片式微波介质谐振器或滤波器、低温共烧陶瓷系统、陶瓷基板或多芯片组件。
[0027]所述的钥基低温烧结微波介质陶瓷材料具体制备方法是:
[0028]将化学原料Bi203、La203、Nd203 和 MoO3 按配方通式(l_x) Bi2O3- (x) Ln2O3-MoO3 配料，式中Ln=La或Nd，0.001 ≤ x ≤ 0.3 ;将混合后的原料充分球磨4-6h，磨细后烘干、过筛、压块，然后在500-600°C下保温4-IOh ;
[0029]将保温后的块体粉碎后进行二次球磨，磨细后烘干、造粒、过80目与120目的双层筛网，得到所需的二次颗粒；
[0030]将二次颗粒压制成型，在800-1000°C下烧结I-3h，得到钥基低温烧结微波介质陶瓷材料。
[0031]实施例1
[0032]一种钥基低温烧结微波介质陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤:
[0033]I)将分析纯度的化学原料Bi203、La2O3和MoO3按配方通式
0.999Bi203-0.0OlLa2O3-MoO3配料，混合后，充分球磨4.5h，然后在200°C下烘干，过150目筛后压块，然后在550°C下保温5h，得到样品烧块；
[0034]2)将样品烧块粉碎后，二次球磨5h后，在200°C下烘干后，造粒，然后经80目与120目筛网双层过筛，即可得到所需的二次颗粒；
[0035]3)将二次颗粒按需要压制成型(片状或者柱状)，然后在800-90(TC空气下烧结2h成瓷，得到钥基低温烧结微波介质陶瓷材料。
[0036]该组陶瓷材料的性能达到如下指标:
[0037]800-900°C空气中烧结成瓷，微波频段下的介电性能ε r=31.0 (7.15GHz)，品质因子Q=2，980，Qf=21, 300GHz，微波下的谐振频率温度系数TCF=_105ppm/°C (25-90°C)。
[0038]实施例2
[0039]一种钥基低温烧结微波介质陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤:
[0040]I)将分析纯度的化学原料Bi203、La203和MoO3按配方通式0.9Bi203_0.1La2O3-MoO3配料，混合后，充分球磨4.5h，然后在20(TC下烘干，过150目筛后压块，然后在550°C下保温5h，得到样品烧块；
[0041]2)将样品烧块粉碎后，二次球磨5h后，在200°C下烘干后，造粒，然后经80目与120目筛网双层过筛，即可得到所需的二次颗粒；
[0042]3)将二次颗粒按需要压制成型(片状或者柱状)，然后在850-950°C空气下烧结2h成瓷，得到钥基低温烧结微波介质陶瓷材料。
[0043]该组陶瓷材料的性能达到如下指标:
[0044]850-950°C空 气中烧结成瓷，微波频段下的介电性能ε 26.0 (7.27GHz)，品质因子Q=3，350，Qf=24, 300GHz，微波下的谐振频率温度系数TCF=-1IOppm/°C (25-90°C)。
[0045]实施例3[0046]—种钥基低温烧结微波介质陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤:
[0047]I)将分析纯度的化学原料Bi203、La203和MoO3按配方通式0.8Bi203_0.2La203_Mo03配料，混合后，充分球磨4.5h，然后在20(TC下烘干，过150目筛后压块，然后在550°C下保温5h，得到样品烧块；
[0048]2)将样品烧块粉碎后，二次球磨5h后，在200°C下烘干后，造粒，然后经80目与120目筛网双层过筛，即可得到所需的二次颗粒；
[0049]3)将二次颗粒按需要压制成型(片状或者柱状)，然后在900?1000°C空气下烧结2h成瓷，得到钥基低温烧结微波介质陶瓷材料。
[0050]该组陶瓷材料的性能达到如下指标:
[0051]900?1000°C空气中烧结成瓷，微波频段下的介电性能ε r=23.5 (7.4IGHz),品质因子Q=4，360,Qf=32, 300GHz，微波下的谐振频率温度系数TCF=_95.8ppm/°C (25?90°C)。
[0052]实施例4
[0053]一种钥基低温烧结微波介质陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤:
[0054]I)将分析纯度的化学原料Bi203、La203和MoO3按配方通式0.7Bi203_0.3La203_Mo03配料，混合后，充分球磨4.5h，然后在20(TC下烘干，过150目筛后压块，然后在550°C下保温5h，得到样品烧块；
[0055]2)将样品烧块粉 碎后，二次球磨5h后，在200°C下烘干后，造粒，然后经80目与120目筛网双层过筛，即可得到所需的二次颗粒；
[0056]3)将二次颗粒按需要压制成型(片状或者柱状)，然后在950?1000°C空气下烧结2h成瓷，得到钥基低温烧结微波介质陶瓷材料。
[0057]该组陶瓷材料的性能达到如下指标:
[0058]950?1000°C空气中烧结成瓷，微波频段下的介电性能ε =21.0 (8.64GHz)，品质因子Q=2，750，Qf=23, 600GHz，微波下的谐振频率温度系数TCF=_87ppm/°C (25?90°C )。
[0059]实施例5
[0060]一种钥基低温烧结微波介质陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤:
[0061]I)将分析纯度的化学原料Bi203、Nd2O3和MoO3按配方通式
0.999Bi203-0.0OlNd2O3-MoO3配料，混合后，充分球磨4h，然后在180°C下烘干，过140目筛后压块，然后在500°C下保温10h，得到样品烧块；
[0062]2)将样品烧块粉碎后，二次球磨4h后，在180°C下烘干后，造粒，然后经80目与120目筛网双层过筛，即可得到所需的二次颗粒；
[0063]3)将二次颗粒按需要压制成型(片状或者柱状)，然后在800?90(TC空气下烧结Ih成瓷，得到钥基低温烧结微波介质陶瓷材料。
[0064]该组陶瓷材料的性能达到如下指标:
[0065]800?900°C空气中烧结成瓷，微波频段下的介电性能ε 30.4 (7.03GHz)，品质因子Q=2890，Qf=20, 300GHz，微波下的谐振频率温度系数TCF=-10 lppm/°C (25?90°C)。
[0066]实施例6
[0067]一种钥基低温烧结微波介质陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤:
[0068]I)将分析纯度的化学原料Bi203、Nd203和MoO3按配方通式0.9Bi203-0.1Nd2O3-MoO3配料，混合后，充分球磨4h，然后在180°C下烘干，过140目筛后压块，然后在50(TC下保温10h，得到样品烧块；
[0069]2)将样品烧块粉碎后，二次球磨4h后，在180°C下烘干后，造粒，然后经80目与120目筛网双层过筛，即可得到所需的二次颗粒；
[0070]3)将二次颗粒按需要压制成型(片状或者柱状)，然后在850-950°C空气下烧结Ih成瓷，得到钥基低温烧结微波介质陶瓷材料。
[0071]该组陶瓷材料的性能达到如下指标:
[0072]850-950°C空气中烧结成瓷，微波频段下的介电性能ε -26.4 (7.33GHz)，品质因子Q=3050，Qf=22, 300GHz，微波下的谐振频率温度系数TCF=_102ppm/°C (25-90°C )。
[0073]实施例7
[0074]一种钥基低温烧结微波介质陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤:
[0075]I)将分析纯度的化学原料Bi203、Nd203和MoO3按配方通式0.8Bi203_0.2Nd203_Mo03配料，混合后，充分球磨6h，然后在20(TC下烘干，过160目筛后压块，然后在60(TC下保温4h，得到样品烧块；
[0076]2)将样品烧块粉碎后，二次球磨6h后，在200°C下烘干后，造粒，然后经80目与120目筛网双层过筛，即可得到所需的二次颗粒；
[0077]3)将二次颗粒按需要压制成型(片状或者柱状)，然后在900-1000°C空气下烧结3h成瓷，得到钥基低温烧结微波介质陶瓷材料。
[0078]该组陶瓷材料的性能达到如下指标:
[0079]900-1000°C空气中烧结成瓷，微波频段下的介电性能ε =24.0 (7.40GHz)，品质因子Q=4200，Qf=31, 100GHz，微波下的谐振频率温度系数TCF=_85ppm/°C (25-90°C )。
[0080]实施例8
[0081]一种钥基低温烧结微波介质陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤:
[0082]I)将分析纯度的化学原料Bi203、Nd203和MoO3按配方通式0.7Bi203_0.3Nd203_Mo03配料，混合后，充分球磨4.5h，然后在220°C下烘干，过150目筛后压块，然后在550°C下保温5h，得到样品烧块；
[0083]2)将样品烧块粉碎后，二次球磨5h后，在220°C下烘干后，造粒，然后经80目与120目筛网双层过筛，即可得到所需的二次颗粒；
[0084]3)将二次颗粒按需要压制成型(片状或者柱状)，然后在950-1000°C空气下烧结2h成瓷，得到钥基低温烧结微波介质陶瓷材料。
[0085]该组陶瓷材料的性能达到如下指标:
[0086]950-1000°C空气中烧结成瓷，微波频段下的介电性能ε r=22.0 (7.90GHz)，品质因子Q=3120，Qf=24, 500GHz，微波下的谐振频率温度系数TCF=_70ppm/°C (25-90°C )。
[0087]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的【具体实施方式】仅限于此，对于本发明所属【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
【权利要求】
1.一种钥基低温烧结陶瓷材料在制备微波介质器件中的应用，其中，所述的钥基低温烧结陶瓷材料的组成表达式为:(1-X)Bi2O3-(X)Ln2O3-MoO3, Ln=La 或 Nd，0.001 ≤ x ≤ 0.3。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述的微波介质器件为射频多层陶瓷电容器、片式微波介质谐振器或滤波器、低温共烧陶瓷系统、陶瓷基板或多芯片组件。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述的钥基低温烧结陶瓷材料的微波介电常数ε r=21?31，谐振频率温度系数TCF=-1lO?_70ppm/°C，高品质因数Qf=20，300?32，300GH。
4.一种如权利要求1所述的钥基低温烧结微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:1)将原料Bi203、La203、Nd2O3 和 MoO3 按组成通式(1-X)Bi2O3-(X)Ln2O3-MoO3 配料，式中Ln=La 或 Nd，0.001 ≤ x ≤0.3 ;2)将混合后的原料充分球磨，球磨后烘干、过筛并压制成块状体，然后在500?600°C下保温4?10h，得到样品烧块；3)将样品烧块粉碎，充分球磨后烘干，然后造粒，造粒后过筛，得到所需的二次颗粒；4)将二次颗粒压制成型，在800?1000°C下烧结I?3h，得到钥基低温烧结微波介质陶瓷材料。
5.根据权利要求4所述的钥基低温烧结微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)的球磨是将混合后的原料置于尼龙罐中，加入酒精后，球磨4?6h ;烘干是在180?220°C的条件下进行的；过筛是用140?160目的筛网。
6.根据权利要求4所述的钥基低温烧结微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3)的球磨时间为4?6h ;烘干是在180?220°C的条件下进行的；过筛是经80目与120目的双层筛网。
7.根据权利要求4所述的钥基低温烧结微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤4)所述的压制成型是压制成片状或柱状。
8.根据权利要求4所述的钥基低温烧结微波介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤4)所述的烧结是在空气氛围下的烧结。
【文档编号】C04B35/622GK103435340SQ201310360119
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月16日 优先权日:2013年8月16日
【发明者】庞利霞, 刘卫国, 周迪, 折文汇, 徐萍 申请人:西安工业大学