用于高频应用的低K介电组合物制造技术

本发明专利技术提供用于高频应用的低K介电组合物。低K值、高Q值、低烧制的介电材料和形成烧制的介电材料的方法。介电材料可以在950℃以下或1100℃以下烧制，在10GHz至30GHz下K值小于约8，在10GHz至30GHz下Q值大于500或大于1000。在烧制之前，介电材料包含固体部分，该固体部分包含二氧化硅粉末和玻璃组分。玻璃组分包含SiO2、B2O3、Al2O3、K2O、Na2O、Li2O和F。Li2O+Na2O+K2O的总量为玻璃组分的0.1摩尔％至30摩尔％。二氧化硅粉末可以是非晶或结晶的。

【技术实现步骤摘要】
用于高频应用的低K介电组合物
本专利技术主题涉及介电组合物，其可以在1100℃、950℃、或900℃或更低温度下烧结，一旦燃烧，则产生具有小于或等于4、或小于或等于6、或小于或等于8的低介电常数K(即介电材料的相对介电常数)的介电组分，其具有大于500、或大于1000的体系的Q值，用于高频应用，例如无线电、智能汽车(77GHZ至80GHZ)的移动式(2GHZ至27GHZ)汽车雷达、以及低温共烧陶瓷(LTCC)应用。
技术介绍
在通信应用中，需要具有高品质因数(Q)的介电材料来制造介电层，因为高Q材料具有低的能量损失率，因此在材料中产生的振荡持续更长时间而不会损失强度。介电材料的Q因子是1/tanθ，其中tanθ是介电损耗角正切。对于高频应用，对具有大于500或大于1000的非常高Q值的介电材料的需求不断增长。高Q材料通常基于结晶的氧化物材料，其在高于1000℃或高于1100℃的高温下烧结；例如，钛酸盐粉末，其K值大于约20。在电子工业包括微电子工业中，寻求较低K的材料，其需要具有较低的信号损耗(其与介电常数成比例)或较低的延迟，以及具有减少的两个导体线之间串扰的材料。这里，需求是K低于约6，优选低于4(甚至低于3.8)。为此，若干高Q、低K的氧化物陶瓷材料存在，例如二氧化硅(K～3.8)、β-锂霞石(LiAlSiO4)(K～4.8)、硅线石(Al2O3·SiO2)(K～5.3)、钠长石(NaAlSi3O8)(K～5.5)、磷酸镁(Mg2P2O7)(K～6.1)、磷酸铝(AlPO4)(K～6.1)、堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2)(K～6.2)和硅锌矿(2ZnO·SiO2)(K～6.6)，其中，符号“～”指“约等于”。然而，这些结晶的氧化物材料具有非常高的烧结温度(例如，大于1000℃或大于1100℃)，因此可能与电子组合件的其它部件的共烧不相容，所述其它部件例如存在于电气组合件中的银导体，其熔化温度约为960℃。现有技术的LTCC材料基于添加到介电体系中的玻璃，K为4至12。将传统的低软化温度的玻璃如ZnO-B2O3-SiO2玻璃添加至这些低K材料中可以降低烧结温度，例如低于1100℃、950℃或900℃，使得该烧结温度低于电气组合件中存在的银导体的熔化温度。然而，传统玻璃的这种添加也会导致降低Q值，或者增加这些低K材料的介电常数，并且如果没有添加足够的玻璃，则烧结温度保持很高，例如高于1100℃或高于950℃。因此，这些包括玻璃并且取决于添加到体系中玻璃量的体系可以具有大于4的K，具有降低的Q值，或具有大于950℃、或甚至大于1000℃、或甚至大于1100℃的更高的烧结温度。因此，生产出具有在高频下测量时高Q值、K值小于4以及烧结温度低于900℃的材料是非常困难的。因此，需要开发用于高频应用的改进的低K的介电组合物。在现有技术中，使用基于有机基板如FR-4印刷电路板材料或(CVD或PVD)生长的氟化玻璃(SiOF)无机玻璃材料。然而，即使对于这些材料，使用传统的铸造或烧结方法也不可能以体状(例如独立的体谐振器)制造它们。此外，这些材料通常在较低频率(低MHz)而不是较高频率下工作，不能处理较高的工作温度、较高的能量密度和较低的机械强度。因此，需要提供改进的组合物，以解决先前介电材料的缺点。
技术实现思路
与先前已知的组合物相关的困难和缺点在本专利技术的组合物、方法和体系中得到解决。在一个方面，本主题提供一种烧结的介电材料，其包含在烧结之前的固体部分，该固体部分包含10重量％至99重量％或10重量％至95重量％的二氧化硅粉末和1重量％至90重量％或5重量％至90重量％的玻璃组分(或玻璃料)。玻璃组分包含50摩尔％至90摩尔％的SiO2、5摩尔％至35摩尔％或0.1摩尔％至35摩尔％的B2O3、0.1摩尔％至10摩尔％或0.1摩尔％至25摩尔％的Al2O3、0.1摩尔％至10摩尔％的K2O、0.1摩尔％至10摩尔％的Na2O、0.1摩尔％至20摩尔％Li2O、0.1摩尔％至30摩尔％的F。Li2O+Na2O+K2O的总量为玻璃组分的0.1摩尔％至30摩尔％。当在低于1100℃下烧结时，烧结的介电材料具有小于8的介电常数和大于500的Q值。尽管不希望受理论束缚，但认为较重的碱离子如Cs+、Rb+在降低K值方面通常不如轻碱离子(Li+、Na+、K+)有效，原则上，这些较重的碱离子(例如，以Cs2O、Rb2O形式提供)仍然可以优先于可能会增加K值的较重的碱土金属氧化物如SrO，BaO加入以降低K值。另一方面，本专利技术主题提供一种形成介电组分的方法，包括提供包含固体部分的介电组合物，该固体部分包含10重量％至95重量％或10重量％至99重量％的D-50粒度为0.5μm至30μm的二氧化硅粉末，和5重量％至90重量％或1重量％至90重量％的玻璃组分。玻璃组分包含50摩尔％至90摩尔％的SiO2、5摩尔％至35摩尔％或0.1摩尔％至35摩尔％的B2O3、0.1摩尔％至10摩尔％或0.1摩尔％至25摩尔％的Al2O3、0.1摩尔％至10摩尔％的K2O、0.1摩尔％至10摩尔％的Na2O、0.1摩尔％至20摩尔％的Li2O、0.1摩尔％至30摩尔％的F。Li2O+Na2O+K2O的总量为玻璃组分的0.1摩尔％至30摩尔％。本方法包括将介电组合物加热至800℃至950℃、或700℃至900℃、或700℃至950℃或700℃至1100℃10分钟至10000分钟，以烧结固体部分，并由此形成介电组分。介电组分具有低于8的介电常数和高于500的Q值。如将认识到的，本文描述的主题能够具有其他和不同的实施方式，且其若干细节能够在各个方面进行调整而不偏离要求保护的主题。因此，附图和描述被认为是示例性的，而并非限定。附图说明图1是根据本专利技术主题的实施例1的烧制的介电材料的照片。图2是用于制备实施例1的烧制的介电材料的烧制温度分布图。图3和图4是实施例1的烧制的介电材料在不同放大倍数下的SEM图。图5是与根据本专利技术主题的实施例1相似、但包含石英而不是熔融石英的烧制的介电材料的照片。图6是与根据本专利技术主题的实施例1相似、但包含方石英而不是熔融石英的烧制的介电材料的照片。图7是根据本专利技术主题的实施例2的烧制的介电材料的照片。图8和图9是实施例2的烧制的介电材料在不同放大倍数下的SEM图。图10是对比例的烧制的介电材料的照片。具体实施方式本专利技术涉及低K的介电组合物，其可以在低于约1100℃，或低于约1000℃，或低于约950℃的峰值温度，或更优选低于约900℃的温度下烧制至大于90％的理论密度。当在5GHz至75GHz或10GHz至30GHz下测量时，介电组合物的K值小于或等于8(例如，K＝2至8)，或小于6(例如，K＝2至6)，优选小于4.0(例如，K＝2至4.0)，更优选小于3.8(例如，K＝2至3.8)，最优选小于3.5(例如，K＝2至3.5)；同时保持高Q值，例如Q值大于500、1000、2000、5000、10000、15000、20000、30000、40000或50000，或者上述之间的任何值，或者在较高GHz频率下测量时甚至更高。本专利技术的介电组合物适用于基于低介电常数的电介质的电子部件，例如谐振器、带通滤波器、振荡器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种烧结的介电材料，其在烧结之前包含固体部分，所述固体部分包含10重量％至99重量％的D‑50粒度为0.5μm至30μm的二氧化硅粉末和1重量％至90重量％的玻璃组分，所述玻璃组分包含：50摩尔％至90摩尔％的SiO2，0.1摩尔％至35摩尔％的B2O3，0.1摩尔％至25摩尔％的Al2O3，0.1摩尔％至10摩尔％的K2O，0.1摩尔％至10摩尔％的Na2O，0.1摩尔％至20摩尔％的Li2O，0.1摩尔％至30摩尔％的F，和Li2O+Na2O+K2O的总量为玻璃组分的0.1摩尔％至30摩尔％，其中，当在低于1100℃下烧结时，所述烧结的介电材料具有低于8的介电常数和高于500的Q值。

【技术特征摘要】
2017.11.07 US 62/582,3431.一种烧结的介电材料，其在烧结之前包含固体部分，所述固体部分包含10重量％至99重量％的D-50粒度为0.5μm至30μm的二氧化硅粉末和1重量％至90重量％的玻璃组分，所述玻璃组分包含：50摩尔％至90摩尔％的SiO2，0.1摩尔％至35摩尔％的B2O3，0.1摩尔％至25摩尔％的Al2O3，0.1摩尔％至10摩尔％的K2O，0.1摩尔％至10摩尔％的Na2O，0.1摩尔％至20摩尔％的Li2O，0.1摩尔％至30摩尔％的F，和Li2O+Na2O+K2O的总量为玻璃组分的0.1摩尔％至30摩尔％，其中，当在低于1100℃下烧结时，所述烧结的介电材料具有低于8的介电常数和高于500的Q值。2.根据权利要求1所述的烧结的介电材料，其中所述固体部分还包含选自以下物质中的一种结晶的化合物：0.1重量％至10重量％的硅酸锂钙，0.1重量％至10重量％的β-锂霞石，0.1重量％至10重量％的硼酸锂铝，0.1重量％至10重量％的硅酸镁铝，0.1重量％至10重量％的硅线石，0.1重量％至10重量％的钠长石，0.1重量％至10重量％的磷酸镁，0.1重量％至10重量％的磷酸铝，0.1重量％至10重量％的堇青石，0.1重量％至10重量％的硅锌矿，0.1重量％至10重量％的莫来石，0.1重量％至10重量％的硅灰石，0.1重量％至10重量％的硼酸钙，0.1重量％至10重量％的镁橄榄石，0.1重量％至10重量％的氧化铝，0.1重量％至10重量％的多孔或空心玻璃颗粒，0.1重量％至20重量％的碱金属氟化物，0.1重量％至30重量％的硼酸铝，0.1重量％至20重量％的硼硅酸镁，0.1重量％至20重量％的铝硅酸镁，0.1重量％至20重量％的碱土金属氟化物，0.1重量％至20重量％的硼酸锌，0.1重量％至20重量％的钛酸锌，和其组合。3.根据权利要求1所述的烧结的介电材料，其中所述二氧化硅粉末是非晶的二氧化硅粉末。4.根据权利要求1所述的烧结的介电材料，其中所述二氧化硅粉末是结晶的二氧化硅粉末，其选自石英、方石英、鳞石英、及其组合。5.根据权利要求1所述的烧结的介电材料，其中所述固体部分还包含5重量％至50重量％的选自以下物质中的一种：Bi-B-Si氧化物玻璃料、基于氧化锌的玻璃料、碱金属-钛-硅酸盐玻璃料、碱土金属硅酸盐玻璃料、硅酸镁玻璃料、硅酸钙玻璃料、硅酸锶玻璃料、硅酸钡玻璃料和其组合，所述Bi-B-Si氧化物玻璃料包含：5摩尔％至85摩尔％的Bi2O3，5摩尔％至75摩尔％的B2O3+SiO2，0.1摩尔％至40摩尔％的Li2O+Na2O+K2O，0.1摩尔％至55摩尔％的ZnO，和0.1摩尔％至20摩尔％的TiO2+ZrO2，所述基于氧化锌的玻璃料包含：5摩尔％至65摩尔％的ZnO，10摩尔％至65摩尔％的SiO2，和5摩尔％至55摩尔％的B2O3，所述碱金属-钛-硅酸盐玻璃料包含：5摩尔％至55摩尔％的Li2O+Na2O+K2O+Cs2O+Rb2O，2摩尔％至26摩尔％的TiO2+ZrO2，5摩尔％至75摩尔％的B2O3+SiO2，0.1摩尔％至30摩尔％的TeO2+V2O5+Sb2O5+P2O5，0.1摩尔％至20摩尔％的MgO+CaO+BaO+SrO，和0.1摩尔％至20摩尔％的F，所述碱土金属硅酸盐玻璃料其包含：15摩尔％至75摩尔％的BaO+CaO+SrO+MgO，5摩尔％至75摩尔％的B2O3+SiO2，0.1摩尔％至55摩尔％的ZnO，0.1摩尔％至40摩尔％的Li2O+Na2O+K2O+Cs2O+Rb2O，和0.1摩尔％至20摩尔％的TiO2+ZrO2，所述硅酸镁玻璃料包含：15摩尔％至75摩尔％的MgO，5摩尔％至75摩尔％的B2O3+SiO2，0.1摩尔％至55摩尔％的ZnO，0.1摩尔％至40摩尔％的Li2O+Na2O+K2O+Cs2O+Rb2O，和0.1摩尔％至20摩尔％的TiO2+ZrO2，所述硅酸钙玻璃料包含：15摩尔％至75摩尔％的CaO，5摩尔％至75摩尔％的B2O3+SiO2，0.1摩尔％至55摩尔％的ZnO，0.1摩尔％至40摩尔％的Li2O+Na2O+K2O+Cs2O+Rb2O，和0.1摩尔％至20摩尔％的TiO2+ZrO2，所述硅酸锶玻璃料包含：15摩尔％至75摩尔％的SrO，5摩尔％至75摩尔％的B2O3+SiO2，0.1摩尔％至55摩尔％的ZnO，0.1摩尔％至40摩尔％的Li2O+Na2O+K2O+Cs2O+Rb2O，和0.1摩尔％至20摩尔％的TiO2+ZrO2，所述硅酸钡玻璃料包含：15摩尔％至75摩尔％的BaO，5摩尔％至75摩尔％的B2O3+SiO2，0.1摩尔％至55摩尔％的ZnO，0.1摩尔％至40摩尔％的Li2O+Na2O+K2O+Cs2O+Rb2O，和0.1摩尔％至20摩尔％的TiO2+ZrO2。6.根据权利要求1所述的烧结的介电材料，其中所述固体部分还包含0.1重量％至10重量％的平均尺寸为10nm至30μm的颗粒，和其中，所述颗粒选自空心二氧化硅球、空心玻璃颗粒、多孔硅酸盐玻璃颗粒、多孔有机硅酸盐玻璃颗粒、干凝胶颗粒、气凝胶颗粒、云母颗粒、沸石颗粒及其组合。7.根据权利要求1所述的烧结的介电材料，其中所述固体部分包含10重量％至95重量％的二氧化硅粉末和5重量％至90重量％的玻璃组分。8.根据权利要求1所述的烧结的介电材料，其还包含0.1重量％至30重量％的添加剂，所述添加剂包含以下物质中的一种或多于一种：a)D50粒度为5nm至500nm的纳米二氧化硅，b)Al2O3粉末，c)ZrO2粉末，d)TiO2粉末，e)SiC粉末，f)Si3N4粉末，g)Y2O3粉末，或h)MgO粉末。9.一种电子部件...

【专利技术属性】
技术研发人员：科迪·J·格利森，约翰·J·马洛尼，斯里尼瓦桑·斯里哈兰，乔治·E·萨科斯科，彼得·马利，穆罕默德·H·麦格赫希，叶·纱因·赫尔，奥维尔·W·布朗，杰基·D·戴维斯，托马斯·约瑟夫·科菲，埃伦·S·陶梅，王志丞，大卫·L·维德莱夫斯基，
申请(专利权)人：费罗公司，
类型：发明
国别省市：美国,US