[发明专利]一种微波介质陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及微波介质陶瓷材料技术领域，具体是一种近零谐振频率温度系数的超低温烧结微波介质陶瓷及其制备方法。

背景技术

微波介质陶瓷是指应用于微波频段，主要是UHF、SHF频段的电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷材料，是现代通信领域中广泛使用的谐振器、滤波器、介质基片、介质导波回路等微波元器件的关键材料。

随着现代通讯技术的不断发展，移动通信设备和便携式终端正趋向小型化、便携化、多功能、高可靠和低成本化，这就要求微波介质陶瓷具有如下性能：(1)高的相对介电常数ε_r以减小器件尺寸，一般要求ε_r≥20；(2)高的品质因子Q以降低噪音，一般要求Q×f≥3000GHz；(3)接近零的谐振频率温度系数τ_f以保证器件的温度稳定性，一般要求-10ppm/℃≤τ_f≤1Oppm/℃。通信终端的小型化使微波频率下的多层集成电路技术(MLIC)得到发展，而基于低温共烧陶瓷技术(Low Temperature Co-fired Ceramics，简称LTCC)的多层片式元件如片式微波介质谐振器、滤波器及具有优良高频性能的片式陶瓷电容器等是实现这一目标的唯一途径。微波元器件的片式化要求微波介质陶瓷材料能与高电导率的金属电极共烧。从低成本和环保的角度考虑，低熔点的Ag(961℃)或Cu(1064℃)等贱金属是内电极材料的不错选择，而这就要求微波介质陶瓷能够低温烧结。因此，与Ag、Cu等金属电极共烧的低温烧结微波介质陶瓷是目前及今后的研究热点，对于实现片式微波元器件的工业化具有重要意义。

具有铌铁矿结构的ZnNb₂O₆具有较好的介电性能，其ε_r＝25，Q＝8370，烧结温度为1150℃，通过掺杂改性可将陶瓷的烧结温度降至900℃左右，如Kim等人添加5wt％CuO可将ZnNb₂O₆的烧结温度降到980℃。Feng Gao等在ZnNb₂O₆中添加1wt％V₂O₅+1wt％Bi₂O₃+2.5wt％CuO可将陶瓷的烧结温度降到880℃，介电性能为：ε_r＝23.4，Q×f＝46975GHz，τ_f＝-44.89ppm/℃。Zn₃Nb₂O₈是Zn-Nb-O体系中另外一种稳定的化合物，不仅具有优异的微波介电性能，且可以降低ZnNb₂O₆陶瓷的烧结温度。在公开号为CN 101747037A的发明创造中，公开了一种高Q值复相微波介质陶瓷及其制备方法。描述将ZnNb₂O₆和Zn₃Nb₂O₈按(1-x)ZnNb₂O₆-xZn₃Nb₂O₈复合可制备出性能优异的微波介质陶瓷，当x＝0.3时复相陶瓷综合性能最佳，ε_r＝22.19，Q×f＝149642GHz，τ_f＝-69ppm/℃，烧结温度为1150℃。西北工业大学刘佳冀在其毕业论文Zn-Nb-O基微波介质陶瓷结构与性能研究中提出了一种降低0.7ZnNb₂O₆-0.3Zn₃Nb₂O₈复相陶瓷烧结温度的方法。该论文提出的技术方案中，对复相陶瓷进行掺杂，发现掺杂0.8wt％CuO+1.0wt％V₂O₅或掺杂1.6wt％CuV₂O₆均可将陶瓷的烧结温度降低到900℃，但陶瓷的谐振频率温度系数绝对值仍很高。P-S Anjana等对Zn₃Nb₂O₈-ZnNb₂O₆体系进行研究，表明加入质量分数为12％的ZnCuB₂O₅助烧剂可将0.5Zn₃Nb₂O₈-0.5ZnNb₂O₆陶瓷的烧结温度降至875℃，介电性能为：ε_r＝18.3，Q×f＝39750GHz，τ_f＝-88ppm/℃。以上研究表明Zn₃Nb₂O₈-ZnNb₂O₆体系微波介电性能较好，但其谐振频率温度系数绝对值很高，烧结温度也较高，无法与低熔点电极材料共烧，限制了材料的应用。寻找一种物质在降低陶瓷烧结温度的同时又可调节其谐振频率温度系数，将对材料的实际应用带来很大帮助。