一种低温共烧陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种低温共烧陶瓷材料及其制备方法，低温共烧陶瓷粉体的组成化学式为xR2O-yR’O-zM2O3-wM’O2，其中，R为Li、Na、K中的至少一种，R’为Mg、Ca、Sr、Ba、Zn、Cu中的至少一种，M为B、Al、Ga、In、Bi、Nd、Sm、La中的至少一种，M’为Si、Ge、Sn、Ti、Zr中的至少一种，x、y、z、w为质量百分数，x≥0，y≥0，z≥20%，w≥15%，x+y+z+w=1，制备方法包括：根据所述低温共烧陶瓷粉体的组成，分别称量R2O粉体、R’O粉体、M2O3粉体、M’O2粉体，均匀混合后作为原料粉体；将原料粉体置于马弗炉中预烧后研磨，得到低温共烧陶瓷粉体，预烧的工艺参数包括：先在350-450℃下保温，然后升温，每升高50-100℃，在该温度下保温一次，最高预烧温度不高于950℃。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及低温共烧陶瓷材料及其制备领域，具体涉及一种通过全固相反应制备高品质因子无玻璃相低温共烧陶瓷材料的方法，由此得到低介电损耗多元复合低温共烧陶瓷材料。
技术介绍
低温共烧陶瓷(LTCC)技术是无源集成和封装互联的核心技术之一，是将低温烧结陶瓷粉制成生瓷带，在生瓷带上利用打孔、微孔注浆、电极印刷等工艺制出所需要的电路图形，并可将多种无源元件(如电容、电阻、滤波器、耦合器等)埋入多层陶瓷基板中，然后叠压在一起，在950℃以下烧结，制成三维高密度电路，也可制成内置无源元件的三维电路基板，在其表面可以贴装IC和有源器件，制成无源/有源集成的功能模块，特别适合用于高频通讯用组件。由于其优异的电学、机械、热学及工艺特性，LTCC技术已成为电子元器件小型化、集成化、模块化的核心技术，在航空、航天、军事、汽车电子、无线通讯等领域得到广泛应用。随着下一代移动通信、卫星导航定位系统、智能网络、无人机等的发展，大数据量高速无线信息传输是未来的发展趋势，因此，新一代LTCC无源元器件需要满足高频、宽带、低损耗的要求。低温共烧陶瓷材料是LTCC技术应用的基础，新一代LTCC无源元器件的研制需要有能够满足30GHz乃至100GHz以上频率使用的LTCC微波介质材料。玻璃陶瓷和玻璃+陶瓷是最典型的LTCC材料组成体系，实现低温烧结常需要引入玻璃相，但玻璃相的无序结构使之具有较大的本征损耗，如果在实现低温烧结的同时保持良好的微波介电性能是材料研究者一直在探索的难题。很多研究者以期开发基于低熔点结晶化合物的无玻璃相LTCC微波介质材料，比如钼酸盐(CN201010192027)、钨酸盐(Journal of the American Ceramic Society,V95,No.1,p.318-23,2012)、碲酸盐(Journal of the European Ceramic Society,V21,p.1735–1738,2001)、磷酸盐(Journal of the European Ceramic Society,V33,No.1,p.87-93,2013)等化合物。这些单一相结晶化合物虽然自身表现出优异的微波介电和烧结性能，但由于材料性能由各自本征特性决定，很难跟其它材料配合形成相互适应的材料体系，因此距实际应用还有很远的距离。美国专利5258335及相关专利专利技术一种微晶玻璃基LTCC微波介质材料，通过使CaO-B2O3-SiO2体系玻璃在900℃左右烧结使之结晶，获得介电常数低于7.8，损耗小于10-3的高性能LTCC微波介质材料，由此发展的Ferro A6M材料可以在10GHz乃至100GHz频
率范围使用。但该专利的方法是通过控制烧结温度制度来使材料结晶，由于材料性能与结晶相的种类和结晶相的含量有很大关系，材料的性能对烧结工艺参数很敏感。微晶玻璃的制备方法是先把原料在高温下熔融，通过水淬等工艺快速冷却来得到玻璃相，然后再在一定温度下进行热处理来使玻璃相结晶形成具有微小晶粒的化合物，最终得到由微小结晶相弥散于玻璃相中的微晶玻璃，微小结晶相的化合物种类和含量对微晶玻璃的性能有决定性的影响。微晶玻璃的组成一般是由可以形成结晶相化合物的元素组成，因此也可能通过直接固相合成得到相应的结晶相。但是，目前尚无通过直接固相合成制备得到性能优异的LTCC陶瓷材料的报道。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术无法直接固相法制备性能优异的LTCC用陶瓷材料的缺陷，本专利技术提供了一种LTCC陶瓷材料及其制备方法。本专利技术提供了一种LTCC陶瓷粉体的制备方法，其特征在于，所述LTCC陶瓷粉体的组成化学式为xR2O-yR’O-zM2O3-wM’O2，其中，R为Li、Na、K中的至少一种，R’为Mg、Ca、Sr、Ba、Zn、Cu中的至少一种，M为B、Al、Ga、In、Bi、Nd、Sm、La中的至少一种，M’为Si、Ge、Sn、Ti、Zr中的至少一种，x、y、z、w为质量百分数，x≥0，y≥0，z≥20％，w≥15％，x+y+z+w＝1，所述制备方法包括：1)根据所述LTCC陶瓷粉体的组成，分别称量R2O粉体、R’O粉体、M2O3粉体、M’O2粉体，均匀混合后，作为原料粉体；2)将原料粉体置于马弗炉中预烧后研磨，得到所述LTCC陶瓷粉体，预烧的工艺参数包括：先在350-450℃下保温，然后升温，每升高50-100℃，在该温度下保温一次，最高预烧温度不高于1000℃。较佳地，当R为碱金属Li、Na、K元素中的至少一种，R’为Mg、Ca、Ba、Zn、Cu元素中的至少一种，M包括B和Bi元素中的至少一种、以及Al、Ga、Nd、Sm、La元素中的至少一种，M’为Si、Ge、Sn、Ti、Zr元素中的至少一种，x≥0，y≥0，z≥40％，w≥15％，所述LTCC陶瓷粉体为低软化点多元复合结晶相材料，所述LTCC陶瓷粉体的熔点＜850℃，优选，所述LTCC陶瓷粉体的熔点≤750℃。较佳地，当R为碱金属Li、Na、K元素中的至少一种，R’为Mg、Ca、Sr、Ba、Zn、Cu元素中的至少一种，M为B、Al、Bi、Nd、Sm、La元素中的至少一种，M’为Si、Ge、Sn、Ti、Zr元素中的至少一种，x≥0，y≥0，40％＞z≥20％，w≥20％，所述LTCC陶瓷粉体为高软化点多元复合结晶相材料，所述LTCC陶瓷粉体的熔点≥850℃，优选，所述
LTCC陶瓷粉体的熔点≥950℃。较佳地，步骤2)中，每次保温1-4小时，升温速率2-8℃/分钟，优选升温速率5℃/分钟。较佳地，步骤2)中，先在400℃下保温，然后升温，每升高50℃，在该温度下保温一次，最高预烧温度不高于950℃，保温时间2-3小时。较佳地，所述LTCC陶瓷粉体粒径0.5-3微米。本专利技术还提供了一种LTCC陶瓷材料，所述LTCC陶瓷材料采用上述方法制备的LTCC陶瓷粉体烧结得到，优选在750℃-950℃烧结得到。又，本专利技术还提供了一种LTCC复合陶瓷材料，所述LTCC复合陶瓷材料为采用LTCC复合陶瓷粉体烧结得到，所述LTCC复合陶瓷粉体包括上述方法制备的至少一种低软化点多元复合结晶相材料、以及上述方法制备的至少一种高软化点多元复合结晶相材料，在所述LTCC复合陶瓷粉体中，低软化点多元复合结晶相材料的含量低于20wt％。较佳地，所述LTCC复合陶瓷材料为采用LTCC复合陶瓷粉体在850℃-950℃烧结得到，优选在850℃-920℃下烧结得到。较佳地，在所述LTCC复合陶瓷粉体中，低软化点多元复合结晶相材料的含量低于15wt％。本专利技术的有益效果：本专利技术提出了通过全固相合成工艺来制备多元复合高品质LTCC微波介质材料。采用可以形成微晶玻璃的原料，通过多步固相反应预烧合成多元复合的结晶相陶瓷原料，通过调节原料的组成和配比来调控材料的结晶相组成、最终软化点、烧结温度、微波介电性能等综合性能。由于材料是多元多相组成，该方法得到的材料具有微波介电性能、烧结工艺制度、力学及化学稳定性等综合性能易调控等优点。附图说明图1为实施例1中多步预烧后LTCC陶瓷粉体的XRD图谱；图2为实施例1中制备的LTCC陶瓷粉体经低温烧结得到陶瓷的TEM照片；图3实施例2中多步预烧后LTCC陶瓷粉体的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低温共烧陶瓷粉体的制备方法，其特征在于，所述低温共烧陶瓷粉体的组成化学式为xR2O‑yR’O‑zM2O3‑wM’O2，其中，R为Li、Na、K中的至少一种，R’为Mg、Ca、Sr、Ba、Zn、Cu中的至少一种，M为B、Al、Ga、In、Bi、Nd、Sm、La中的至少一种，M’为Si、Ge、Sn、Ti、Zr中的至少一种，x、y、z、w为质量百分数，x≥0，y≥0，z≥20%，w≥15%，x+y+z+w=1，所述制备方法包括：1）根据所述低温共烧陶瓷粉体的组成，分别称量R2O粉体、R’O粉体、M2O3粉体、M’O2粉体，均匀混合后，作为原料粉体；2）将原料粉体置于马弗炉中预烧后研磨，得到所述低温共烧陶瓷粉体，预烧的工艺参数包括：先在350‑450℃下保温，然后升温，每升高50‑100℃，在该温度下保温一次，最高预烧温度不高于950℃。

【技术特征摘要】
1.一种低温共烧陶瓷粉体的制备方法，其特征在于，所述低温共烧陶瓷粉体的组成化学式为xR2O-yR’O-zM2O3-wM’O2，其中，R为Li、Na、K中的至少一种，R’为Mg、Ca、Sr、Ba、Zn、Cu中的至少一种，M为B、Al、Ga、In、Bi、Nd、Sm、La中的至少一种，M’为Si、Ge、Sn、Ti、Zr中的至少一种，x、y、z、w为质量百分数，x≥0，y≥0，z≥20%，w≥15%，x+y+z+w=1，所述制备方法包括：1）根据所述低温共烧陶瓷粉体的组成，分别称量R2O粉体、R’O粉体、M2O3粉体、M’O2粉体，均匀混合后，作为原料粉体；2）将原料粉体置于马弗炉中预烧后研磨，得到所述低温共烧陶瓷粉体，预烧的工艺参数包括：先在350-450℃下保温，然后升温，每升高50-100℃，在该温度下保温一次，最高预烧温度不高于950℃。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，当R为碱金属Li、Na、K元素中的至少一种，R’为Mg、Ca、Ba、Zn、Cu元素中的至少一种，M包括B和Bi元素中的至少一种、以及Al、Ga、Nd、Sm、La元素中的至少一种，M’为Si、Ge、Sn、Ti、Zr元素中的至少一种，x≥0，y≥0，z≥40%，w≥15%，所述陶瓷粉体为低软化点多元复合结晶相材料，所述陶瓷粉体的熔点＜850℃，优选，所述陶瓷粉体的熔点≤750℃。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，当R为碱金属Li、Na、K元素中的至少一种，R’为Mg、Ca、Sr、Ba、Zn、Cu元素中的至少一种，M为B、Al、Bi、Nd、Sm、La元素中的至少一种，M’为Si、Ge、S...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志甫，李永祥，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31