一种无助熔剂低损耗LTCC材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于微波介质材料及其制造领域，具体涉及一种无助熔剂低损耗LTCC材料及其制备方法。本发明专利技术材料的化合式为：Zn

【技术实现步骤摘要】
一种无助熔剂低损耗LTCC材料及其制备方法
本专利技术属于微波介质材料及其制造领域，涉及一种低介低损耗低温共烧陶瓷(LTCC)材料及其制备方法。
技术介绍
微波介质材料在无线通讯及高集成度的电子系统里非常重要，通常被用于制作滤波器、电容器和双工器等无源器件或者封装基板材料。随着电子产品的快速发展，元器件趋于小型化、高性能、高可靠性，电子封装趋于高集成度、多功能、小型化发展，LTCC陶瓷材料是微波介质材料的一种，它最大的特点是烧结温度在900℃附近，利用LTCC叠层技术，通过与电阻率小的金属银三维叠层共烧，实现器件的小型化、低损耗、高集成度、高可靠性、低成本等优点。目前，LTCC器件已经广泛应用于移动设备、通讯基站、卫星等对小型化及对高可靠性有需求的其他场合，而LTCC材料是制作LTCC器件的基础，目前高性能LTCC材料主要依赖国外进口(如美国、日本)。因此，开发拥有自主知识产权的高性能LTCC微波材料非常重要，为研发和生产拥有完全自主知识产权的高性能LTCC微波器件提供材料基础。微波介质材料的组成体系非常丰富，包括硅酸盐、钛酸盐、钨酸盐、硼酸盐等，但是，大部分材料的固有烧结温度都高于900℃，无法直接应用于LTCC技术，为了降低材料的烧结温度，通常需要向材料加入助熔剂(低熔点的玻璃或者化合物)。一般情况下，加入助熔剂降低烧结温度后，材料的介质损耗会比高温烧结的条件下更高，而且玻璃助熔剂的加入可能会带来LTCC工艺的不兼容问题。因此，如果能开发出无需助熔剂掺杂即能获得优良介电性能的电子陶瓷材料体系，那么在LTCC技术将有很好的应用前景。根据文献报道，具有单斜晶系结构的Zn3B2O6陶瓷具有较低的烧结温度(925℃烧结致密)和较好的微波介电性能(εr＝6.7,Q×f＝58500GHz，τf＝-58ppm/℃)“X.G.Wu,H.Wang,Y.H.Chen,D.Zhou,SynthesisandmicrowavedielectricpropertiesofZn3B2O6Ceramicsforsubstrateapplication,J.Am.Ceram.Soc.95(2012)1793–1795.)”。但其距满足LTCC要求的900℃或以下低温烧结还有一些距离，且材料Qf值还不算太高。
技术实现思路
为了向高性能的LTCC器件开发提供综合性能优良的LTCC微波陶瓷材料，针对目前单斜晶系结构的Zn3B2O6陶瓷还不能应用于LTCC技术，且材料Qf值还不算太高的问题；本专利技术提供了一种无助熔剂低损耗LTCC材料及其制备方法。具体技术方案如下：一种无助熔剂低损耗LTCC材料，化学分子式为：Zn3-x-yCoxCuyB2O6(0.05≤x≤0.20,0.02≤y≤0.12)，烧结温度：825℃～875℃，相对介电常数：5.85～6.95，Q×f：63400GHz～165000GHz，谐振频率温度系数：-25ppm/℃～-70ppm/℃。本专利技术提供的材料是无助熔剂掺杂且具有很低介电损耗的低介电常数LTCC陶瓷材料，以ZnO、CoO、CuO和H3BO3为原料按配比(H3BO3过量8～10wt％)，由传统的固相反应法合成，制备工艺成熟，成本低，适合作为LTCC基板材料和LTCC微波器件材料。上述无助熔剂低损耗LTCC材料的制备方法如下：步骤一：以ZnO、CoO、CuO、H3BO3为原料，按摩尔比ZnO:CoO:CuO:H3BO3＝(3-x-y):x:y:2(0.05≤x≤0.25,0.02≤y≤0.12)计算出原料的质量百分比，由于硼酸在预烧过程中容易挥发，需要过量(过量8～10wt％)H3BO3以抵消其挥发的影响，按照质量百分比称量原料，将原料放进尼龙管里并加入去离子水充当球磨介质，进行第一次球磨；步骤二：将步骤一球磨后的浆料烘干，烘干后的块体材料粉碎，过筛，得到粉料；步骤三：将步骤二得到的粉料放进坩埚中，在马弗炉中进行预烧，升温速率为1℃～4℃/min，预烧温度：800℃～875℃，保温2～3小时，然后自然冷却降温；步骤四：将步骤三获得的预烧料进行第二次球磨；步骤五：将第二次球磨后的浆料烘干过筛(40～100目)得到粉料；步骤六：向步骤五得到的粉料加入占粉料质量百分比(譬如粉料取100克，那么加10～15克的PVA胶水)为10～15％的PVA胶水，造粒，干压成型；步骤七：将步骤六得到的生坯样品放在承烧板上，在马弗炉中进行烧结，常温升温到500℃～600℃(升温速率1～3/分)，保温1～4小时(排胶)，继续升温到825℃～875℃(升温速率2～5℃/分)，保温2～4小时(烧结)，再按2～5/分的降温速率匀速降温到500℃～600℃，然后自然降温到常温得到烧结样品。进一步的，所述步骤四的陶瓷预烧料在进行二次球磨时还复合加入了具有正谐振频率温度系数的添加物(如CaTiO3、TiO2等)，以优化调节材料体系的谐振频率温度系数(近零)。但由于CaTiO3、TiO2等正温度系数陶瓷的介电常数和介电损耗都较高，复合调整温度系数后整个材料体系的介电常数和损耗也会适当提升。在本专利技术中，我们通过Co、Cu离子共替代的方式，将材料体系的烧结温度降低至825～875℃，完全满足LTCC低温烧结的要求，且材料损耗还能够大幅度的下降，具有很好的应用前景。综上可见，本专利技术提供的LTCC微波陶瓷材料的具有以下技术效果：(1)合成原料廉价，合成工艺成熟，适合大规模生产，生产成本低；(2)本材料为纯陶瓷材料，无玻璃助熔剂掺杂，降低了材料制备的成本，同时避免玻璃掺杂带来的损耗增大及LTCC工艺的不兼容问题；(3)相对介电常数为5.85～6.95，可广泛应用于LTCC基板、LTCC微波器件和模块中；(4)Q×f最高达165000GHz，介质损耗极低，有效降低信号传输过程中的能量损耗。附图说明图1为本专利技术的制备工艺流程示意图。具体实施方式下面以Zn2.89Co0.05Cu0.06B2O6微波陶瓷为例，进一步说明本专利技术提供的一种低损耗LTCC微波陶瓷材料及其制备方法。步骤一：以ZnO、CoO、CuO、H3BO3为原料，按照Zn2.89Co0.05Cu0.06B2O6(x＝0.05,y＝0.06)的元素摩尔比计算出原料的质量百分比，按质量百分比称量原料(硼酸过量10wt％)，将原料放进尼龙罐，按照去离子水：原料＝3：1的(质量比)加入去离子水充当球磨介质，在行星式球磨机中球磨6h，转速为300转/分钟；步骤二：将步骤一得到的浆料放进烘箱烘干，烘箱温度设置为100℃；步骤三：将步骤二得到的块体材料放在研钵中，研磨，过40目筛网，将过筛后的粉料在刚玉坩埚中，在马弗炉中预烧，常温2℃/min升温到825℃，保温3小时，自然降温，得到预烧粉料；步骤四：将预烧粉料放进尼龙罐中，按照去离子水：预烧粉料＝2:1(质量比)加入去离子水充当球磨介质，在行星式球磨机球磨6小时，转速为30本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无助熔剂低损耗LTCC材料，其特征在于：/n该材料的化学分子式为：Zn

【技术特征摘要】
1.一种无助熔剂低损耗LTCC材料，其特征在于：
该材料的化学分子式为：Zn3-x-yCoxCuyB2O6，0.05≤x≤0.20,0.02≤y≤0.12；烧结温度：825℃～875℃，相对介电常数：5.85～6.95，Q×f：63400GHz～165000GHz，谐振频率温度系数：-25ppm/℃～-70ppm/℃。
以ZnO、CoO、CuO和H3BO3为原料，按配比进行称量配制，通过固相法制得；其中H3BO3过量8～10wt％。


2.如权利要求1所述无助熔剂低损耗LTCC材料的制备方法，具体如下：
步骤一：以ZnO、CoO、CuO、H3BO3为原料，按摩尔比ZnO:CoO:CuO:H3BO3＝(3-x-y):x:y:2配料，0.05≤x≤0.25,0.02≤y≤0.12；其中H3BO3过量8～10wt％；将原料放进尼龙管里并加入去离子水充当球磨介质，进行第一次球磨；
步骤二：将步骤一球磨后的浆料烘干，烘干后的块体材料粉碎，过筛，得到粉料；
步骤三：将步骤二得到的粉料放进坩埚中，在马弗炉中进行预烧，升温速率为1℃～4℃/min，预烧温度800℃～875...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏桦，钟茂峰，唐晓莉，荆玉兰，李元勋，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51