CN104609850B - 一种低温共烧微波介质陶瓷基板材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温共烧微波介质陶瓷基板材料及其制备方法。该基板材料由5ZnO·2B₂O₃粉料和Pb_1.5Nb₂O_6.5粉料混合烧结而成，其中，Pb_1.5Nb₂O_6.5的摩尔百分比含量为4.5～7.0mol％，基板材料的主晶相为3ZnO·B₂O₃，次晶相为Pb_1.5Nb₂O_6.5，介电常数ε_r＝7.7～8.6，品质因数Q×f＝9974～16674GHz，谐振频率温度系数τ_f＝‑14～+21ppm/℃，满足电路对基板材料的微波介电性能要求，满足与银共烧的烧结温度要求和化学兼容性要求，能很好地实现与银电极的低温共烧，且原料价格低廉，工艺简单，生产成本低。

Description

一种低温共烧微波介质陶瓷基板材料及其制备方法

技术领域

本发明属于电子基板材料技术领域，更具体地，涉及一种低温共烧微波介质陶瓷基板材料及其制备方法。

背景技术

低温共烧陶瓷基板材料作为低温共烧技术中的关键基础材料，其性能要求主要有：(1)具有较低的介电常数(ε_r<10)，以缩短信号在芯片之间传播的延迟时间；(2)具有高品质因数，一般要求Q×f≥10000GHz，以保证优良的选频特性和降低高频下的插入损耗；(3)具有近零的谐振频率温度系数，一般要求-10ppm/℃≤τ_f≤+10ppm/℃，以保证器件的热稳定性。在工艺方面则要求其具有较低的烧结温度，以实现与一些电极材料(如银)的低温共烧。

公布号为CN102432280A的中国专利申请公开了一种配比为5ZnO·2B₂O₃、主晶相为3ZnO·B₂O₃的锌硼陶瓷基板材料及其制备方法，该材料体系存在如下不足：(1)材料的谐振频率温度系数τ_f＝-66～-94ppm/℃，无法满足器件对热稳定性的要求；(2)材料的烧结温度为950～1000℃，接近或高于银的熔点(961℃)，不能很好地实现与银电极的共烧。

公布号为CN 103288483A的中国专利申请公开了一种原料配方组成为ZnO、H₃BO₃、CaCO₃、TiO₂，烧结后主晶相为3ZnO·B₂O₃，次晶相为CaB₂O₄和Zn₂TiO₄的陶瓷基板材料及其制备方法，尽管该基板材料的烧结温度有所降低，为840～880℃，但谐振频率温度系数没有明显改善，仍无法满足器件对热稳定性的要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种低温共烧微波介质陶瓷基板材料及其制备方法，满足电路对基板材料的微波介电性能要求，满足与银共烧的烧结温度要求和化学兼容性要求，能很好地实现与银电极的低温共烧，且原料价格低廉，工艺简单，生产成本低。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种低温共烧微波介质陶瓷基板材料，其特征在于，由5ZnO·2B₂O₃粉料和Pb_1.5Nb₂O_6.5粉料混合烧结而成，其中，Pb_1.5Nb₂O_6.5的摩尔百分比含量为4.5～7.0mol％，所述基板材料的主晶相为3ZnO·B₂O₃，次晶相为Pb_1.5Nb₂O_6.5。

优选地，介电常数ε_r＝7.7～8.6，品质因数Q×f＝9974～16674GHz，谐振频率温度系数τ_f＝-14～+21ppm/℃，且能与Ag共烧。

按照本发明的另一方面，提供了一种上述低温共烧微波介质陶瓷基板材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将ZnO和H₃BO₃混合，预烧得到5ZnO·2B₂O₃粉末，该粉末的主晶相为3ZnO·B₂O₃；将PbO和Nb₂O₅混合，预烧得到Pb_1.5Nb₂O_6.5粉末；将5ZnO·2B₂O₃粉末和Pb_1.5Nb₂O_6.5粉末混合，加入去离子水，球磨得到均匀的混合物，将混合物烘干、造粒和过筛后压制成坯体，将坯体排胶后在890～910℃下烧结，得到低温共烧微波介质陶瓷基板材料。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，向5ZnO·2B₂O₃陶瓷中引入Pb_1.5Nb₂O_6.5，将5ZnO·2B₂O₃粉料和Pb_1.5Nb₂O_6.5粉料混合烧结得到基板材料，主晶相为3ZnO·B₂O₃，次晶相为Pb_1.5Nb₂O_6.5，具有以下有益效果：

(1)基板材料具有优良的微波介电性能，介电常数ε_r＝7.7～8.6，品质因数Q×f＝9974～16674GHz，谐振频率温度系数τ_f＝-14～+21ppm/℃，满足电路对基板材料的微波介电性能要求。

(2)基板材料具有较低的烧结温度，最佳烧结温度范围为890～910℃，满足与银共烧的烧结温度要求；另外，基板材料与银共烧时，不与银发生化学反应，满足与银共烧的化学兼容性要求，因而能很好地实现与银电极的低温共烧。

(3)原料价格低廉，工艺简单，生产成本低。

附图说明

图1(a)是标准3ZnO·B₂O₃(JCPDS 71-2063)XRD图谱；图1(b)是标准Pb_1.5Nb₂O_6.5(JCPDS 72-1492)XRD图谱；图1(c)是由实施例1-3制得的基板材料的XRD图谱；图1(d)是由实施例1-3过筛后的粉末团聚体添加Ag₂O后制得的陶瓷与银共烧体的XRD图谱；

图2是由实施例1-3制得的基板材料的SEM表面形貌；

图3是由实施例1-3过筛后的粉末团聚体添加Ag₂O后制得的陶瓷与银的共烧体的SEM表面形貌。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例的低温共烧微波介质陶瓷基板材料由5ZnO·2B₂O₃粉料和Pb_1.5Nb₂O_6.5粉料混合烧结而成，其中，Pb_1.5Nb₂O_6.5的摩尔百分比含量为4.5～7.0mol％，所述基板材料的主晶相为3ZnO·B₂O₃，次晶相为Pb_1.5Nb₂O_6.5。

上述低温共烧微波介质陶瓷基板材料的制备方法包括如下步骤：

将ZnO和H₃BO₃混合，预烧得到5ZnO·2B₂O₃粉末，该粉末的主晶相为3ZnO·B₂O₃；

将PbO和Nb₂O₅混合，预烧得到Pb_1.5Nb₂O_6.5粉末；

将5ZnO·2B₂O₃粉末和Pb_1.5Nb₂O_6.5粉末混合，加入去离子水，球磨得到均匀的混合物，将混合物烘干、造粒和过筛后压制成坯体，将坯体排胶后在890～910℃下烧结，得到低温共烧微波介质陶瓷基板材料。

上述方法中，坯体的形状优选为圆柱形，坯体的直径优选为25mm，厚度优选为12.5mm，采用粉末压片机进行压制，坯体的成型压力优选为50～100MPa。

实施例1

将纯度为99.7％以上的ZnO和纯度为99.5％以上的H₃BO₃按摩尔比5:4进行干法混合，混合均匀后，在室温下以100℃/h的速度升温至750℃预烧1h，合成5ZnO·2B₂O₃粉末，该粉末主晶相为3ZnO·B₂O₃。

将纯度为99.0％以上的PbO和纯度为99.99％的Nb₂O₅按摩尔比1.5:1配料，湿式球磨4h使其混合均匀，烘干后过40目筛，在密闭的氧化铝坩埚中以250℃/h的速度升温至750℃预烧4h，合成Pb_1.5Nb₂O_6.5粉末。

将合成的5ZnO·2B₂O₃粉末和Pb_1.5Nb₂O_6.5粉末湿式球磨1h，使其混合均匀，得到混合粉末，Pb_1.5Nb₂O_6.5在5ZnO·2B₂O₃和Pb_1.5Nb₂O_6.5中的摩尔百分比含量分别为4.5mol％、5.0mol％、5.5mol％、6.0mol％、6.5mol％和7.0mol％，对应表1的实施例编号为1-1至1-6；将混合粉末烘干后，造粒并过60目筛；将过筛后的粉末团聚体压制成坯体后，在空气气氛下，以100℃/h的速度升温至550℃，在550℃下保温排胶0.5h，排胶后以300℃/h的速度升温至890℃烧结3h，然后随炉冷却至室温，得到低温共烧微波介质陶瓷基板材料。

其中，球磨所用的球磨机为行星式球磨机，球磨介质为玛瑙球和去离子水；造粒所用的粘结剂采用质量浓度为8％的聚乙烯醇水溶液，剂量为混合粉末总质量的6％。

实施例2

Pb_1.5Nb₂O_6.5在5ZnO·2B₂O₃和Pb_1.5Nb₂O_6.5中的摩尔百分比含量分别为4.5mol％、5.0mol％、5.5mol％、6.0mol％、6.5mol％和7.0mol％，对应表1的实施例编号为2-1至2-6，烧结温度为900℃，其它部分与实施例1相同。

实施例3

Pb_1.5Nb₂O_6.5在5ZnO·2B₂O₃和Pb_1.5Nb₂O_6.5中的摩尔百分比含量分别为4.5mol％、5.0mol％、5.5mol％、6.0mol％、6.5mol％和7.0mol％，对应表1的实施例编号为3-1至3-6，烧结温度为910℃，其它部分与实施例1相同。

用Agilent E5701C型网络分析仪测量上述实施例1至3制得的低温共烧微波介质陶瓷基板材料的微波介电性能，结果如表1所示。

表1低温共烧微波介质陶瓷基板材料的微波介电性能

由表1可知，相同烧结温度下，随着Pb_1.5Nb₂O_6.5摩尔百分比含量的增加，介电常数ε_r总体上有增大的趋势，品质因数Q×f减小但是基本保持在10000GHz以上，谐振频率温度系数τ_f从负值逐渐变化到正值且数值接近于零。在相同的Pb_1.5Nb₂O_6.5摩尔百分比含量条件下，随烧结温度升高，ε_r略有下降，Q×f值上升，τ_f值有偏移。制得的基板材料具有优良的微波介电性能，介电常数ε_r＝7.7～8.6,品质因数Q×f＝9974～16674GHz，谐振频率温度系数τ_f＝-14～+21ppm/℃，满足电路对基板材料的微波介电性能要求。在Pb_1.5Nb₂O_6.5的摩尔百分比含量为5.0～6.0mol％时，基板材料的介电常数ε_r＝7.8～8.3，品质因数Q×f＝11523～15236，谐振频率温度系数τ_f＝-9.2～+6.6ppm/℃，具有更优的综合性能。

此外，基板材料在较低的烧结温度(890～910℃)下制得，且不与银发生化学反应，满足与银共烧的烧结温度要求和化学兼容性要求，能很好地实现与银电极的低温共烧。

以实施例1-3为例，向过筛后的粉末团聚体中加入20wt％的Ag₂O，混合均匀压制成坯体，排胶后在890℃下烧结3h得到陶瓷与银的共烧体。对实施例1-3制得的基板材料以及该陶瓷与银的共烧体进行XRD测试，结果分别如图1(c)和图1(d)所示，图1(a)和图1(b)分别是标准3ZnO·B₂O₃(JCPDS 71-2063)XRD图谱和标准Pb_1.5Nb₂O_6.5(JCPDS 72-1492)XRD图谱。对照图1(c)与图1(a)和图1(b)的衍射峰发现，制得的基板材料的主晶相为3ZnO·B₂O₃，次晶相为Pb_1.5Nb₂O_6.5；对照图1(c)与图1(d)的衍射峰发现，图1(d)只比图1(c)多了Ag的衍射峰，而没有任何含Ag化合物的衍射峰，说明陶瓷坯体与Ag共烧时具有很好的化学兼容性。对实施例1-3制得的基板材料以及该陶瓷与银的共烧体进行SEM测试，结果分别如图2和图3所示。对照图2与图3，配合能谱仪对样品微小区域进行元素分析发现，单质Ag在共烧体内普遍存在，再次验证了陶瓷坯体能与Ag共烧。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种低温共烧微波介质陶瓷基板材料，其特征在于，由5ZnO·2B₂O₃粉料和Pb_1.5Nb₂O_6.5粉料混合在890～910℃下烧结而成，其中，Pb_1.5Nb₂O_6.5的摩尔百分比含量为4.5～7.0mol％，所述基板材料的主晶相为3ZnO·B₂O₃，次晶相为Pb_1.5Nb₂O_6.5，介电常数ε_r＝7.7～8.6，品质因数Q×f＝9974～16674GHz，谐振频率温度系数τ_f＝-14～+21ppm/℃，且能与Ag共烧。

2.如权利要求1所述的低温共烧微波介质陶瓷基板材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将ZnO和H₃BO₃混合，预烧得到5ZnO·2B₂O₃粉末，该粉末的主晶相为3ZnO·B₂O₃；

将PbO和Nb₂O₅混合，预烧得到Pb_1.5Nb₂O_6.5粉末；

将5ZnO·2B₂O₃粉末和Pb_1.5Nb₂O_6.5粉末混合，加入去离子水，球磨得到均匀的混合物，将混合物烘干、造粒和过筛后压制成坯体，将坯体排胶后在890～910℃下烧结，得到低温共烧微波介质陶瓷基板材料。