一种低温共烧陶瓷介质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介质材料及其制备方法，所述LTCC介质材料的组分包括高烧结温度的氧化物介质材料和氧化物活化剂，所述氧化物活化剂的含量为1～20 wt%，余量为高烧结温度的氧化物介质材料；所述高烧结温度的氧化物介质材料为M的氧化物，其中，M为Mg、Al、Ti、Ca、Zr、Nd、MgTi、MgAl、CaTi、NdAl中的至少一种；所述氧化物活化剂的组分包括A的氧化物和B的氧化物，A为Zn、Cu、Mn、Sn、Fe、Co、Ni中的至少一种，B为V、Nb、Ta、Ti、Si中的至少一种，所述A的氧化物的质量含量占氧化物活化剂总质量的10～100 wt%。

A Low Temperature Co-fired Ceramic Dielectric Material and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种低温共烧陶瓷介质材料及其制备方法
本专利技术涉及一种低温共烧陶瓷介质材料(LTCC介质材料)及其制备方法，具体涉及一种通过晶界活化烧结制备的具有介电常数可调的LTCC介质材料及其制备方法，属于LTCC介质材料领域。
技术介绍
作为无源集成和封装互联的核心技术之一，LTCC介质(Lowtemperatureco-firedceramics,LTCC)技术是将低温烧结陶瓷粉体制成生瓷带，利用打孔、微孔注浆、电极印刷等工艺在生瓷带上制出含有金金属电极、银金属电极或铜金属电极的电路图形，并可将多种无源元件(如电容、电阻、滤波器、耦合器等)埋入多层生瓷带中，然后将多层生瓷带叠压在一起后在950℃以下进行一体化烧结，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。在三维高密度电路或内置无源元件的三维电路基板的表面可以贴装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组件和系统。由于LTCC技术具有优异的电学、机械、热学及工艺特性，其已经在电子元器件小型化、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了广泛应用。为实现未来大数据量的高速无线信息传输，新一代LTCC无源元器件需要满足高频、宽带和低损耗的要求，而低介电损耗的LTCC介质材料是实现以上技术要求的关键。因此，研制能够满足30GHz乃至100GHz以上频率使用的高品质因子(低介电损耗)LTCC介质材料具有重要意义。为了满足LTCC介质材料能够与金、银或铜等金属电极在950℃以下共烧的工艺技术要求，通常需要在LTCC介质材料中引入大量低熔点的玻璃组成，以此降低LTCC介质材料的烧结温度。现有LTCC材料体系根据玻璃含量可分为三大类：微晶玻璃(玻璃含量50～80％)、玻璃+陶瓷复合(玻璃含量20～50％)、玻璃键合陶瓷(玻璃含量20％以下)。而从LTCC介质材料的介电常数和应用领域划分：一类材料是低介电常数(εr≤10)的LTCC介质材料，主要用于无源集成、系统级封装及多层电路基板。从原理上讲，低介电常数的LTCC介质材料的介电常数应尽可能低，以满足电路中信号高速传输的要求；另一类是具有中高介电常数(εr＞10)的LTCC介质材料，主要用于满足各类微波器件的小型化和其他特殊需要。由于玻璃材料的介电常数通常较低，因此，上述两类材料在结构和组成上往往不同：低介电常数LTCC介质材料的玻璃相含量一般较高，而中高介电常数的LTCC介质材料中的玻璃相含量相对低一些。值得一提的是，由于玻璃结构疏松，相比于陶瓷结晶相，玻璃强度低，热稳定性差，因此，大量低熔点玻璃的引入通常容易导致LTCC介质材料的机械强度和热导率等性能的下降。最重要的是，玻璃的无序结构使LTCC介质材料具有较大的本征介电损耗。因此，对于如何在实现低温烧结的同时保持良好的介电性能是LTCC介质材料研究者一直在探索的难题。近年来，国内外LTCC材料的研究者们开展了诸多有益的研究工作试图攻克这一难题：从玻璃的组成和结构设计出发，研制新型低损耗的LTCC玻璃(电子元件与材料,2012,31(6):1-5)；基于本征低熔点结晶化合物系列的无玻璃相LTCC介质材料研究，例如钼酸盐(CN201010192027)、碲酸盐(JournaloftheEuropeanCeramicSociety,2001,21:1735–1738)和钨酸盐(JournaloftheAmericanCeramicSociety,2012,95:318-323)等；基于低熔点液相烧结助剂的Li–Nb–Ti–O系LTCC微波介质材料(JournalofAsianCeramicSocieties,2013,1:2-8)；采用冷烧(Cold-sintering)技术获得(AngewandteChemieInternationalEdition2016,55:11457-11461)无玻璃相的新型低损耗LTCC介质材料等。尽管以上研究报道中的新型LTCC介质材料体系大都表现出了优异的介电性能和烧结特性，但这些材料体系仍然存在组分复杂、稳定性不理想、烧结工艺特殊和敏感等问题，部分体系还存在与银发生化学反应以及原料毒性等方面的问题。因此，距离LTCC介质材料的实际应用还有较远的距离。
技术实现思路
为了克服现有LTCC材料中依靠引入大量低熔点玻璃相降低LTCC介质材料烧结温度的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种无玻璃添加的低温共烧陶瓷介质材料及其制备方法。一方面，本专利技术提供了一种LTCC介质材料，所述LTCC介质材料的组分包括高烧结温度的氧化物介质材料和氧化物活化剂，所述氧化物活化剂的含量为1～20wt％，余量为高烧结温度的氧化物介质材料；所述高烧结温度的氧化物介质材料为M的氧化物，其中，M为Mg、Al、Ti、Ca、Zr、Nd、MgTi、MgAl、CaTi、NdAl元素中的至少一种；所述氧化物活化剂的组分包括A的氧化物和B的氧化物，A为Zn、Cu、Mn、Sn、Fe、Co、Ni中的至少一种，B为V、Nb、Ta、Ti、Si中的至少一种，所述A的氧化物的质量含量占氧化物活化剂总质量的10～100wt％。应注意，M为MgTi、MgAl、CaTi、NdAl时，其对应M的氧化物分别为MgTiO3、MgAl2O4、CaTiO3、NdAlO3。LTCC介质材料的介电性能和烧结温度可通过高烧结温度的氧化物及氧化物活化剂的组成和含量来进行调节。较佳地，当M为Mg、Al或Ca时，A为Zn、Cu、Mn、Sn、Fe、Co、Ni中的至少一种，B为V、Nb、Ta、Ti、Si中的至少一种。此时，可得到低介电常数LTCC介质材料，其介电常数εr≤10。较佳地，当M为MgTi、MgAl、Ti、CaTi、Zr或NdAl时，A为Zn、Cu、Mn、Sn、Fe、Co、Ni中的至少一种，B为V、Nb、Ta、Ti、Si中的至少一种。此时，可得到中、高介电常数的LTCC介质材料，其介电常数εr＞10。另一方面，本专利技术提供了一种如上所述LTCC介质材料的制备方法，包括：按照LTCC介质材料的组成称取M的氧化物粉体、氧化物活化剂粉体并混合，得到混合粉体；将所得混合粉体压制成型后，在850℃～950℃下烧结1～8小时，得到所述LTCC介质材料。在本公开中，在高烧结温度的氧化物介质材料(M的氧化物)的基础上，通过加入少量特定氧化物活化剂，然后在850℃～950℃下烧结，实现晶界活化烧结，从而获得可与银电极在950℃以下低温共烧的LTCC介质材料。在本公开中，LTCC介质材料的晶界活化烧结主要通过引入外来氧化物活化剂增加基体氧化物(高烧结温度的氧化物介质材料)中的氧缺陷浓度，加快晶格扩散。在氧化物活化剂选择方面，氧化物活化剂阳离子的化合价与基体氧化物阳离子的化合价要有所不同，且在烧结温区范围内会出现变价，为了电荷平衡，就可能出现空位或者间隙缺陷。氧化物活化剂的引入破坏了原有缺陷之间的平衡关系，进而加快晶格扩散速率。较佳地，所述M的氧化物粉体的粒径为0.2～0.8μm。较佳地，所述成型的方式为干压成型、流延成型中的至少一种。较佳地，所述混合的方式为球磨混合，所述球磨混合时间为4～24小时。有益效果：1、与传统含有玻璃相的LTCC介质材料相比，本公开制备的LT本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种LTCC介质材料，其特征在于，所述LTCC介质材料的组分包括高烧结温度的氧化物介质材料和氧化物活化剂，所述氧化物活化剂的含量为1～20 wt%，余量为高烧结温度的氧化物介质材料；所述高烧结温度的氧化物介质材料为M的氧化物，其中，M为Mg、Al、Ti、Ca、Zr、Nd、MgTi、MgAl、CaTi、NdAl中的至少一种；所述氧化物活化剂的组分包括A的氧化物和B的氧化物，A为Zn、Cu、Mn、Sn、Fe、Co、Ni中的至少一种，B为V、Nb、Ta、Ti、Si中的至少一种，所述A的氧化物的质量含量占氧化物活化剂总质量的10～100 wt%。

【技术特征摘要】
1.一种LTCC介质材料，其特征在于，所述LTCC介质材料的组分包括高烧结温度的氧化物介质材料和氧化物活化剂，所述氧化物活化剂的含量为1～20wt%，余量为高烧结温度的氧化物介质材料；所述高烧结温度的氧化物介质材料为M的氧化物，其中，M为Mg、Al、Ti、Ca、Zr、Nd、MgTi、MgAl、CaTi、NdAl中的至少一种；所述氧化物活化剂的组分包括A的氧化物和B的氧化物，A为Zn、Cu、Mn、Sn、Fe、Co、Ni中的至少一种，B为V、Nb、Ta、Ti、Si中的至少一种，所述A的氧化物的质量含量占氧化物活化剂总质量的10～100wt%。2.根据权利要求1所述的LTCC介质材料，其特征在于，当M为Mg、Al或Ca时，A为Zn、Cu、Mn、Sn、Fe、Co、Ni中的至少一种，B为V、Nb、Ta、Ti、Si中的至少一种。3.根据权利要求2所述的LTCC介质材料，其特征在于，所述LTCC介质材料为低介电常数LTCC介质材料，其介电常数εr≤10。4.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：马名生，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