一种钙钛矿基低温共烧陶瓷及其制备方法、应用

本发明涉及电子陶瓷材料及其制造，尤其是一种钙钛矿基低温共烧陶瓷及其制备方法、应用。

背景技术：

1、随着通讯技术的快速发展，小到便携式终端、人工智能设备的制造，大到卫星通信、相控阵雷达的研发，都对电子设备和产品小型化、高频化和多功能化提出了更高的要求。低温共烧陶瓷(low temperature co-fired ceramics，ltcc)技术作为基于多层陶瓷的高密度封装技术，是解决以上需求的首选方案。但与其他高密度集成技术一样，ltcc技术在无源元件(电容和电感)的集成上也面临诸多困难。众所周知，无源元件对电子装备的体积和可靠性有着重要影响。无源元件数量众多，且绝大多数贴装在基板表面，使器件/组件的尺寸难以进一步缩小，组装密度也难以进一步提高。

2、将电容、电感等通过图形设计和叠层工艺集成到ltcc多层基板中可以进一步提高组装密度。具体做法是将电容等无源单元埋置在ltcc多层基板内部，射频芯片、mems和微处理器等无法集成到基板内部的元件则贴装在基板表面。显然，无源元件的内埋可以大幅降低基板表面贴装元件的数量和组装面积，从而大幅提高组装密度。

3、ltcc基板材料一般选用低介电常数(εr：5～8)材料体系以降低信号延迟时间，而要实现大容量的内埋电容，则需要采用较高εr的介质材料。高εr介质材料可以是流延工艺得到的生瓷带，或是轧制得到的介质浆料，二者均可作为内埋电容集成到ltcc基板中，电容值可以通过调整介质材料的介电常数值、层间厚度或面积来实现。

4、目前具有低介电常数的ltcc基板材料已经比较成熟，并且已经形成了多个商业化的材料体系。相比之下，具有高介电常数的ltcc材料体系则相对较少。高介电常数ltcc材料除了可以作为内埋电容集成到ltcc基板中，还可以用于制备多层片式元件，如滤波器、微波介质谐振器和介质天线等。

5、catio3陶瓷具有较高的介电常数，且结构简单，可以用于制备高介电常数ltcc材料。但catio3陶瓷的烧结温度较高(＞1400℃)，与低介电常数ltcc基板材料的烧结温度(＜950℃)差异较大，因此需要进一步降低烧结温度以满足ltcc技术的要求。

技术实现思路

1、本发明提供一种钙钛矿基低温共烧陶瓷及其制备方法、应用，用于满足多层陶瓷内埋电容和多层片式元件对高介电常数ltcc材料的需求。

2、为实现上述目的，本发明提出一种钙钛矿基低温共烧陶瓷，所述低温共烧陶瓷由锂硼硅系玻璃和catio3组成，所述锂硼硅系玻璃与catio3的质量比为(10～30):(90～70)；所述锂硼硅系玻璃由摩尔比(30～50)∶(0～10)∶(30～50)∶(10～30)∶(0～5)∶(0～5)的li2co3、bi2o3、b2o3、sio2、al2o3和cao组成。

3、为实现上述目的，本发明还提出一种如上述所述钙钛矿基低温共烧陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

4、s1：按摩尔比(30～50)∶(0～10)∶(30～50)∶(10～30)∶(0～5)∶(0～5)称取li2co3、bi2o3、b2o3、sio2、al2o3和cao，混合均匀，然后在空气气氛中加热保温，直至得到熔融玻璃液，将熔融玻璃液倒入去离子水中，得到锂硼硅系玻璃渣；

5、s2：对所述锂硼硅系玻璃渣进行球磨、压滤、烘干和过筛，得到锂硼硅系玻璃粉末；

6、s3：按摩尔比约1：1称量caco3和tio2，混合均匀，然后在空气气氛中加热保温，得到预烧catio3粉末；

7、s4：对所述预烧catio3粉末进行砂磨、烘干、过筛，得到纳米catio3粉末；

8、s5：按质量比(10～30):(90～70)称取所述锂硼硅系玻璃粉末和纳米catio3粉末，混匀，经球磨、压滤和烘干，再过筛，得到原料粉体；

9、s6：将所述原料粉体与聚乙烯醇溶液混合进行造粒、压制，得到生坯；

10、s7：在空气气氛中，将所述生坯从室温升温至425～475℃并保温2～4h，然后继续升温至850～900℃并保温烧结1～3h，随炉冷却至室温，得到钙钛矿基低温共烧陶瓷。

11、为实现上述目的，本发明还提出一种钙钛矿基低温共烧陶瓷的应用，将上述所述低温共烧陶瓷或者上述所述制备方法制备的低温共烧陶瓷应用于对小型化和集成度要求较高的电子元器件中，例如低温共烧陶瓷(ltcc)基板中的内埋电容。与通常采用的基板材料(在部分基板的两面制备电极)制备的内埋电容相比，制备同等大小的电容，采用该方案可以降低电容的面积达80％以上。

12、与现有技术相比，本发明的有益效果有：

13、本发明提供的钙钛矿基低温共烧陶瓷由锂硼硅系玻璃和catio3组成，锂硼硅系玻璃与catio3的质量比为(10～30):(90～70)，锂硼硅系玻璃由摩尔比(30～50)∶(0～10)∶(30～50)∶(10～30)∶(0～5)∶(0～5)的li2co3、bi2o3、b2o3、sio2、al2o3和cao组成。本发明通过选择各个组分并控制各个组分的比例来获得软化点低、高温粘度小的锂硼硅系玻璃，以用来降低钙钛矿的烧结温度，同时极大减少低温共烧陶瓷致密所需玻璃含量，从而改善低温共烧陶瓷的微波介电性能；然后通过控制低温共烧陶瓷的成分及比例、陶瓷的粒径来调控其介电常数。相比于目前主流的ltcc介质材料，本发明的钙钛矿基低温共烧陶瓷的介电常数较高为85～110。

技术特征：

1.一种钙钛矿基低温共烧陶瓷，其特征在于，所述低温共烧陶瓷由锂硼硅系玻璃和catio3组成，所述锂硼硅系玻璃与catio3的质量比为(10～30):(90～70)；所述锂硼硅系玻璃由摩尔比(30～50)∶(0～10)∶(30～50)∶(10～30)∶(0～5)∶(0～5)的li2co3、bi2o3、b2o3、sio2、al2o3和cao组成。

2.如权利要求1所述的低温共烧陶，其特征在于，所述低温共烧陶的烧结温度为850～900℃，介电常数为85～110，品质因数为1367～3413ghz。

3.如权利要求1所述的低温共烧陶，其特征在于，所述锂硼硅系玻璃的软化点为400～500℃。

4.一种如权利要求1～3任一项所述钙钛矿基低温共烧陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤s1中，所述加热保温的加热速率为5～15℃/min，加热温度为1100～1200℃，保温时间为1～3h。

6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤s2中，所述锂硼硅系玻璃粉末的粒径为2～3μm。

7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤s3中，所述加热保温的加热速率为5～15℃/min，加热温度为1225～1275℃，保温时间为1～3h。

8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤s4中，所述砂磨的时间为1～2h；所述纳米catio3粉末的d50＝120～150μm，d90＝200～800μm。

9.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤s5中，所述原料粉体的d50＝120～150μm，d90＝200～300μm。

10.一种钙钛矿基低温共烧陶瓷的应用，其特征在于，将权利要求书1～3任一项所述低温共烧陶瓷或者权利要求4～9任一项所述制备方法制备的低温共烧陶瓷应用于电子元器件中。

技术总结
本发明公开一种钙钛矿基低温共烧陶瓷及其制备方法、应用，该低温共烧陶瓷由锂硼硅系玻璃和CaTiO<subgt;3</subgt;组成，锂硼硅系玻璃与CaTiO<subgt;3</subgt;的质量比为(10～30):(90～70)。本发明通过选择各个组分并控制各个组分的比例来获得软化点低、高温粘度小的锂硼硅系玻璃，以用来降低钙钛矿的烧结温度，同时极大减少低温共烧陶瓷致密所需玻璃含量，从而改善低温共烧陶瓷的微波介电性能；然后通过控制低温共烧陶瓷的成分及比例、陶瓷的粒径来调控其介电常数。相比于目前主流的LTCC介质材料，本发明的钙钛矿基低温共烧陶瓷的介电常数较高为85～110，且同时满足LTCC技术低温烧结的要求，使其与基板材料共烧的匹配性更好，满足实际应用需求。

技术研发人员：陈兴宇,张为军,章晋贤,毛海军,刘卓峰,白书欣,汪丰麟,李巍
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/6