專利名稱：：一種超低介電常數(shù)的微波介質(zhì)陶瓷材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種微波介質(zhì)陶瓷材料，具體為一種超低介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料，通過調(diào)整材料成分或燒結(jié)工藝參數(shù)，還可以使其為負(fù)收縮率或零收縮率。該微波介質(zhì)陶瓷材料不僅適用于制造高集成度微波通信基板，還能用于制造高品質(zhì)微帶天線和天線罩等重要元器件。
背景技術(shù)：
：隨著工作頻率逐漸向高頻端擴展，特別是進入毫米波時代后，傳統(tǒng)基板材料與電極之間存在交叉耦合(Cross-Coupling)的現(xiàn)象，且信號延遲時間明顯增加，這嚴(yán)重制約了毫米波高速信號通信系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用。為了解決上述問題，必須采用具有低介電常數(shù)的微波介質(zhì)材料，但目前介電常數(shù)小于5且具有優(yōu)越綜合性能的超低介電常數(shù)微波介質(zhì)材料非常少，因此研究制備出超低介電常數(shù)微波介質(zhì)材料具有非常重要的意義。同時，人們對通信產(chǎn)品小型化、多功能和可靠性要求的日益提高，各種電子元器件必須同時集成在同一微小的基片上。通常，在基片生坯上需要完成電極印刷、打孔或開槽等工序，然后將單層或多層生坯基片疊層在高溫下保溫?zé)Y(jié)，形成定位精確、性能可靠，能滿足多功能化要求的高集成模塊。眾所周知，材料經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)成陶瓷后通常存在1520%的收縮率，這給材料基片上元器件精確定位帶來巨大困難。TorstenRabe等發(fā)現(xiàn)當(dāng)陶瓷基片的收縮率為0.5%時，在8inX8in尺寸范圍內(nèi)沿χ和y方向上的不確定度為100μm。因此，需要基片材料在燒結(jié)前后的尺寸幾乎沒有發(fā)生變化(<0.5%)，這就是所謂的零收縮。鑒于材料通常具有正收縮率，因此必須通過研究合適的制備工藝才能實現(xiàn)材料的零收縮。目前常見的零收縮工藝包括限制燒結(jié)(ConstrainedSintering)和自限制燒結(jié)(Self-ConstrainedSintering)，前者是通過外壓力或表層的犧牲基板(SacrificialTape)來抑制中間層生坯材料在燒結(jié)過程中的收縮行為，后者是利用層間對稱分布且致密化溫度范圍不相交的生坯材料在燒結(jié)過程中自我約束、相互制約收縮的行為來保證多層材料的零收縮。但若材料自身具有很大的收縮率，那么無論采用哪種零收縮燒結(jié)工藝，都有可能在陶瓷表面出現(xiàn)分布不均勻的氣孔甚至裂紋，直接導(dǎo)致材料失效。因此，必須研制出收縮率小的材料體系，但在紛繁復(fù)雜的正收縮材料家族中，若能尋找到具有負(fù)收縮率的材料體系與之相復(fù)合，就有望實現(xiàn)上述目標(biāo)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種超低介電常數(shù)的微波介質(zhì)陶瓷材料，該材料的介電常數(shù)小于5；本發(fā)明進一步的目的在于提供一種負(fù)收縮率或零收縮率的超低介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料。為實現(xiàn)發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是超低介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料，由(l-x)MO-O.5xNa20_(1-0.5x)Al2O3-(2+x)SiO2構(gòu)成，其中MO為BaO或Sr0，0≤χ≤0.6。為實現(xiàn)進一步的發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的改進的技術(shù)方案是當(dāng)χ=0時，不預(yù)燒或預(yù)燒溫度小于1100°C、燒結(jié)溫度為14501525°C，保溫后能獲得負(fù)收縮率陶瓷材料。當(dāng)X=0.4時，當(dāng)MO為BaO時，不預(yù)燒，經(jīng)1050°C保溫10小時或經(jīng)1100°C保溫3小時后獲得零收縮率陶瓷材料。當(dāng)χ=0.4時，當(dāng)MO為SrO時，不預(yù)燒，經(jīng)1000°C保溫10小時或經(jīng)1050°C保溫10小時后獲得零收縮率陶瓷材料。本發(fā)明的陶瓷材料體系中Na2O為燒結(jié)助劑，主要作用是降低本發(fā)明材料的燒結(jié)溫度，使材料能在小于iioo°c的溫度下進行燒結(jié)，燒結(jié)后的陶瓷體晶粒生長均勻，具有高致密度，且介電常數(shù)小于5，使其適用于制造片式疊層結(jié)構(gòu)器件。采用本發(fā)明改進的技術(shù)方案，通過改變Na2O添加劑含量和燒結(jié)工藝參數(shù)來控制收縮率大小，最終實現(xiàn)材料的零收縮。具體實施例方式下面通過借助實施例更加詳細(xì)地說明本發(fā)明，但以下實施例僅是說明性的，本發(fā)明的保護范圍并不受這些實施例的限制。實施例1試樣1#中，MO為Ba0，x=0，選用分析純的Al203、Si02、BaC03粉末為原料，按照設(shè)定的配方配料，以鋯球為介質(zhì)、酒精為分散劑，利用球磨機將粉末混合攪拌3小時，其轉(zhuǎn)速為360轉(zhuǎn)/分鐘。待漿料烘干后經(jīng)10501150°C預(yù)燒3小時，二次球磨后，將5wt%的聚乙烯醇(PVA)粘接劑加入干燥的粉末中造粒，然后利用IOOMPa壓力將其壓制成厚度與直徑比為0.40.6的圓柱形試樣。將生坯試樣在550°C溫度下排膠后，再以5°C/min的升溫速率升高到14501525°C溫度范圍內(nèi)保溫，當(dāng)溫度以2V/min的降溫速率降至800°C后隨爐冷卻到室溫。利用金剛石磨拋機將燒結(jié)體試樣打磨光潔后，測試其外形尺寸并計算試樣收縮率。在Agilent4294A型網(wǎng)絡(luò)分析儀上用平行板諧振器法測試材料的介電常數(shù)和品質(zhì)因數(shù)，諧振模式為TEtlll,測試頻率約為10GHz。然后將試樣放入溫控箱內(nèi)，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試試樣在2080°C溫度范圍內(nèi)的諧振頻率溫度系數(shù)，其表達(dá)式如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>其中，測試溫度范圍為2080°C，f(I\)和f(Ttl)分別為樣品在80°C和20°C時的諧振頻率溫度系數(shù)。所得到材料的燒結(jié)工藝、收縮率和微波介電性能如表1所示。由表1可知，當(dāng)預(yù)燒溫度一定時，陶瓷的負(fù)收縮率隨燒結(jié)溫度的升高呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢；而當(dāng)燒結(jié)溫度一定時，陶瓷的負(fù)收縮率隨預(yù)燒溫度的升高而先增大然后減小，在當(dāng)預(yù)燒溫度為1050°c時出現(xiàn)最大值，高達(dá)-3.6%。當(dāng)材料經(jīng)1100°C和1500°C分別保溫3h燒結(jié)成陶瓷后，其綜合微波介電性能最佳εr=4.33、Qf=14480GHz、τf=-30.16ppm/°C，此時的收縮率為-1.5%0實施例2試樣2#中，MO為Sr0，x=0。由表1可知，材料的收縮率和微波介電性能隨預(yù)燒溫度和燒結(jié)溫度的變化規(guī)律與實施例1相似。當(dāng)材料經(jīng)1100°c和1500°C分別保溫3h燒結(jié)成陶瓷后，其綜合微波介電性能最佳εr=3.90,Qf=12230GHz、τf=-33.63ppm,C，此時的收縮率為_3.2%。實施例3試樣3#中，MO為Ba0，x=0.4。由于體系中引入Na2CO3燒結(jié)助劑，材料的燒結(jié)溫度明顯降低，負(fù)收縮率有所降低。當(dāng)材料經(jīng)iioo°c保溫3h小時燒結(jié)成陶瓷后，其收縮率為0，出現(xiàn)“零收縮”現(xiàn)象。同時，Na2CO3燒結(jié)助劑促使材料的品質(zhì)因數(shù)大大降低到2000GHz左右，介電常數(shù)也降低至4以下。實施例4試樣4#中，MO為Sr0，x=0.4。由表1可知，此時陶瓷的負(fù)收縮現(xiàn)象消失，出現(xiàn)微弱的正收縮，其收縮率均小于0.5%，能滿足零收縮要求。實施例5試樣5#中，MO為BaO，χ=0.6。與試樣3#相比，試樣5#中Na2O含量增加，燒結(jié)后燒結(jié)體的收縮率也略有增大。而且當(dāng)燒結(jié)溫度升高到1050°C時，試樣出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，表面局部發(fā)生“熔塌”，導(dǎo)致陶瓷品質(zhì)因數(shù)明顯降低。實施例6試樣6#中，MO為SrO，χ=0.6。與試樣4#相比，試樣6#中Na2O含量增加，燒結(jié)后燒結(jié)體的收縮率也略有增大。而且當(dāng)燒結(jié)溫度升高到1050°C時，試樣發(fā)生嚴(yán)重的“熔塌”現(xiàn)象，導(dǎo)致測試時諧振峰非常微弱而無法獲得材料的微波介電性能。以上所述為本發(fā)明的較佳實施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實施例公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護的范圍。表1主要發(fā)明材料的燒結(jié)工藝、收縮率和微波介電性能<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權(quán)利要求一種超低介電常數(shù)的微波介質(zhì)陶瓷材料，其特征在于，該微波介質(zhì)陶瓷材料由(1-x)MO-0.5xNa2O-(1-0.5x)Al2O3-(2+x)SiO2構(gòu)成，其中MO為BaO或SrO，0≤x≤0.6。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波介質(zhì)陶瓷材料，其特征在于當(dāng)χ=0時，不預(yù)燒或預(yù)燒溫度小于1100°C、燒結(jié)溫度為小于14501525°C，保溫后能獲得負(fù)收縮率陶瓷材料。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波介質(zhì)陶瓷材料，其特征在于當(dāng)χ=0.4時，當(dāng)MO為BaO時，不預(yù)燒，經(jīng)1050°c保溫10小時或經(jīng)1100°C保溫3小時后獲得零收縮率陶瓷材料。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波介質(zhì)陶瓷材料，其特征在于當(dāng)X=0.4時，當(dāng)MO為SrO時，不預(yù)燒，經(jīng)1000°C保溫10小時或經(jīng)1050°C保溫10小時后獲得零收縮率陶瓷材料。全文摘要本發(fā)明公開了一種超低介電常數(shù)的微波介質(zhì)陶瓷材料，由(1-x)MO-0.5xNa2O-(1-0.5x)Al2O3-(2+x)SiO2構(gòu)成，其中MO為BaO或SrO，0≤x≤0.6。當(dāng)x＝0時，材料在1500～1525℃范圍內(nèi)保溫3小時后能獲得負(fù)收縮率大于-3.0％的最佳綜合性能，能與其它常見的具有正收縮率的材料復(fù)合形成零收縮材料，將會成為一種具有應(yīng)用前景的電子材料。當(dāng)x＝0.4時，材料在1000～1100℃范圍內(nèi)燒結(jié)后能獲得零收縮陶瓷，不僅適用于制造高集成度微波通信基板，還能用于制造高品質(zhì)微帶天線和天線罩等重要元器件。文檔編號C04B35/63GK101805172SQ201010111148公開日2010年8月18日申請日期2010年2月5日優(yōu)先權(quán)日2010年2月5日發(fā)明者呂文中,昂然,梁飛,雷文申請人:華中科技大學(xué)