專利名稱：微波介電玻璃陶瓷材料及其組成物的制作方法
微波介電玻璃陶瓷材料及其組成物技術領域
本發明關于一種微波介電玻璃陶瓷材料，尤指一種具備低介電常數與高質量因子的輝石類微波介電玻璃陶瓷材料。
背景技術：
為了符合現今半導體產業中通訊組件小型化、高穩定性、高容量化及高移動性的需求，微波介電材料成為目前亟需發展的一種具備絕佳頻率選擇性及穩定頻率的通訊用材料。
在制作微波介電材料的技術中，可透過玻璃、陶瓷或玻璃陶瓷材料所制得。其中，陶瓷材料由無機非金屬材料所組成，經過1200至1350°C的高溫燒結步驟后，可獲得具有一定機械強度的多晶燒結體；玻璃材料是一種由溶融狀態急速冷卻后，各分子間沒有足夠時間形成結晶體的一種固體；而玻璃陶瓷材料則是一種主要包含玻璃相的多晶固體材料，其制造過程是先將玻璃熔融形成玻璃相，再經過熱處理的結晶化步驟后，使其形成具有結晶體的多晶固體材料。
目前已有許多人投入微波介電材料的研究，于中國臺灣專利公告第1248429號中，揭示一種ZST微波介電陶瓷材料，其是以(Zrx，Sny) TizO4-(1-1i)MO作為本體基材，并在本體基材中添加一玻璃基材，使其能于1000°C以下的燒結溫度進行燒結，同時保有QXf大于5000的良好微波介電特性。
此外，于中國臺灣專利公告第1339196及1339197號中，揭示一種微波介電陶瓷材料，其是以Mg2SiO4(鎂橄欖石)作為主相成分，并以Ti02、SrTi03、CaTiO3為二次相成分，制作出適合于1000°C以下的低溫進行燒結，以產生介電常數⑷介于9至10之間的微波介電陶瓷材料。發明內容
本發明有別于現有技術的微波介電材料，發展出一種微波介電玻璃陶瓷材料，其能結合輝石類玻璃陶瓷材料與介電材料的特性，制作出同時具備低介電常數、高質量因子與穩定性的微波介電陶瓷組成物，藉以提升玻璃陶瓷材料于半導體產業的應用價值。
為達成上述目的，本發明提供一種微波介電玻璃陶瓷材料，包括:一主相成分，該主相成分包含至少一玻璃陶瓷材 料，該玻璃陶瓷材料的結構式為CaxMgySiz0(x+y+2z)，其中X為O至50摩爾百分比，y為O至50摩爾百分比,且z為O至50摩爾百分比；以及一第二相成分，該第二相成分是由混合該主相成分及至少三種介電材料并且于一預定溫度下共同燒結所生成，該介電材料是選自下列所組成的群組:鈦酸鈣(CaTi03)、鈦酸鎂(MgTi03)、鈦酸鋯(ZrTiO4)及二氧化鈦(TiO2)。
在本發明的微波介電玻璃陶瓷材料中，主相成分中的玻璃陶瓷材料為輝石類的玻璃陶瓷材料，其可通過混合至少兩種氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)或二氧化硅(SiO2)的氧化物，在1500°C至1800°C下先形成一玻璃態，再將該玻璃態在700°C至1000°C下燒結所生成。于此，以氧化鎂、氧化鈣及二氧化硅的總量為100摩爾百分比，該氧化鎂及氧化鈣的添加量分別為O至50摩爾百分比，且該二氧化硅的添加量為O至50摩爾百分比。依據不同的添加比例，在1500°C至1800°C下燒成一玻璃態，并將該玻璃態在700°C至1000°C下燒結，較佳為900°C以下的溫度進行燒結時，可制成各種不同相結構的輝石類玻璃陶瓷材料，例如:CaSiO3(娃灰石(wollastonite))、Ca3MgSi208(續薔薇輝石(merwinite)) Xa2MgSi2O7(續黃長石(Akermanite))或CaMgSi2O6(透輝石(diopside))。由上述方法所制得的各種輝石類玻璃陶瓷材料，其介電常數(K)皆低于10以下，甚至可低于9以下；而玻璃陶瓷材料的質量因子(QXf)皆大于7000GHz以上。據此，當使用輝石類玻璃陶瓷材料與其它介電材料共同燒結時，可獲得具備絕佳特性的微波介電玻璃陶瓷材料。
在本發明的微波介電玻璃陶瓷材料中，第二相成分是由上述主相成分及至少三種或四種介電材料相互混合并且于一預定溫度共同燒結所生成。于此，于該第二相成分中，以主相成分及介電材料的總量為100重量百分比，介電材料的含量介于O至30重量百分比之間，較佳是介于O至20重量百分比之間，更佳是介于13至15重量百分比之間。據此，當該等介電材料添加于上述至少一種主相成分，并在900°C以下，較佳為700°C至900°C的預定溫度下共同燒結時，是生成如:包含鈦酸鈣(CaTiO3)、硅酸鎂(Mg2SiO4)、二氧化鈦(TiO2)或氧化鋯(ZrO2)的第二相 成分。
另一方面,本發明亦提供一種用于制備前述微波介電玻璃陶瓷材料的微波介電玻璃陶瓷粉末組成物，其包括:至少一玻璃陶瓷材料，該玻璃陶瓷材料的結構式為CaxMgySiz0(x+y+2z)，其中X為O至50摩爾百分比，y在O至50摩爾百分比，且Z在O至50摩爾百分比；以及一陶瓷粉末，其包含選自由鈦酸鈣(CaTiO3)、鈦酸鎂(MgTiO3)、鈦酸鋯(ZrTiO4)及二氧化鈦(TiO2)所組成的群組中的至少三種介電材料。
據此，由上述比例共同燒結后所制得的微波介電玻璃陶瓷材料可具備下列幾項特性:(I)、低介電常數(K):該組成物的介電常數介于7至9之間；(2)、高質量因子(QXf):該組成物的質量因子超過7000GHz，較佳是大幅提升至15000GHz以上；(3)、穩定的溫度飄移系數(Tf):該組成物的溫度飄移系數可控制于±20或±25ppm之間；(4)、穩定的電容溫度系數(temperature coefficient of capacitance,TCC):該組成物的電容溫度系數可控制于±28或±35ppm之間。
綜上所述，本發明結合輝石類玻璃陶瓷材料與不同介電材料的特性，適合于低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics,LTCC)的燒結溫度下進行燒結,獲得具備絕佳電性質量與穩定性的微波介電玻璃陶瓷材料，藉以提升現有技術中玻璃陶瓷材料于半導體產業的應用價值。


圖1為本發明微波介電陶瓷材料的X射線繞射圖。
具體實施方式
以下，將透過下列實施例對本發明的內容作進一步的說明，但應明了的是，該實施例僅用以說明之用，而不應被視為實施本發明的限制。
實施例
本發明結合玻璃陶瓷材料與介電材料所具備的特性，在一定的混合比例下共同燒結制作出具備絕佳電性質量與穩定性的微波介電玻璃陶瓷材料。
1、制備作為主相成分的玻璃陶瓷材料
混合氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)及二氧化硅(SiO2)三種氧化物粉末，并在900°C的溫度下燒結后形成各種不同相結構的輝石類玻璃陶瓷材料，分別為CaSiO3 “硅灰石(wollastonite) ”、Ca3MgSi2O8 “續薔薇輝石”、Ca2MgSi2O7 “續黃長石(Akermanite) ” 或CaMgSi2O6“透輝石(diopside)”。其中，各種氧化物的添加量及其玻璃陶瓷材料的介電常數與質量因子測試結果如表I所示。
表1:各種氧化物添加量及其制成的玻璃陶瓷材料的介電常數與質量因子。
權利要求
1.一種微波介電玻璃陶瓷材料，包括: 一主相成分，該主相成分包含至少一玻璃陶瓷材料，該玻璃陶瓷材料的結構式為CaxMgySizO(x+y+2z)，其中X為O至50摩爾百分比，y為O至50摩爾百分比，且z為O至50摩爾百分比；以及， 一第二相成分，該第二相成分是由混合所述主相成分及至少三種介電材料并且在一預定溫度下共同燒結所生成，所述介電材料選自下列所組成的群組:鈦酸鈣、鈦酸鎂、鈦酸鋯及二氧化鈦。
2.如權利要求1所述的微波介電玻璃陶瓷材料,其中，所述主相成分的玻璃陶瓷材料是由混合至少兩種氧化物，在150(TC至180(TC下融熔形成一玻璃態，再將該玻璃態在700°C至1000°C下燒結所生成，所述氧化物是選自下列所組成的群組:氧化鎂、氧化鈣及二氧化硅，其中，以氧化鎂、氧化鈣及二氧化硅的總量為100摩爾百分比，所述氧化鎂及氧化鈣的添加量分別為O至50摩爾百分比，且所述二氧化硅的添加量為O至50摩爾百分比。
3.如權利要求1所述的微波介電玻璃陶瓷材料，其中，所述玻璃陶瓷材料為CaSi03、Ca3MgSi2O8' CaMgSi2O6 或 Ca2MgSi2O70
4.如權利要求1所述的微波介電玻璃陶瓷材料，其中，所述第二相成分為鈦酸鈣、硅酸鎂、二氧化鈦或二氧化鋯。
5.如權利要求1所述的微波介電玻璃陶瓷材料，于所述第二相成分中，以所述主相成分及所述介電材料的總量為100重量百分比，所述介電材料的含量為O至30重量百分比。
6.如權利要求1所述的微波介電玻璃陶瓷材料，其中，所述預定溫度為700°C至900°C。
7.如權利要求1-6任一項所述的微波介電玻璃陶瓷材料,其介電常數低于10。
8.如權利要求1-6 任一項所述的微波介電玻璃陶瓷材料，其質量因子大于7000GHz。
9.如權利要求1-6任一項所述的微波介電玻璃陶瓷材料，其溫度飄移系數介于±20ppm 之間。
10.如權利要求1-6任一項所述的微波介電玻璃陶瓷材料，其電容溫度系數介于±28ppm 之間。
11.一種微波介電玻璃陶瓷粉末組成物，其包括: 至少一玻璃陶瓷材料，該玻璃陶瓷材料的結構式為CaxMgySizO(x+y+2z)，其中X為O至50摩爾百分比，y為O至50摩爾百分比，且z為O至50摩爾百分比；以及 一陶瓷粉末，其包含選自由鈦酸鈣、鈦酸鎂、鈦酸鋯及二氧化鈦所組成的群組中的至少三種介電材料。
全文摘要
本發明提供一種微波介電玻璃陶瓷材料，包括一主相成分，該主相成分包含至少一玻璃陶瓷材料CaxMgySizO(x+y+2z)，其中x、y分別為0至50mole％，且z為0至50mole％；以及第二相成分，該第二相成分可為CaTiO3、Mg2SiO4、ZrO2、TiO2或其組合，其是由混合該主相成分及至少三種或四種介電材料，并在900℃下共同燒結所生成，其中，介電材料是選自于CaTiO3、MgTiO3、ZrTiO4以及TiO2所構成的群組。本發明亦提供一種用于制備微波介電玻璃陶瓷材料的微波介電玻璃陶瓷粉末組成物。據此，本發明的微波介電玻璃陶瓷材料可同時具備低介電常數、高質量因子、低溫度飄移系數與低電容溫度系數等特性，成為一種具備高度應用價值的微波介電玻璃陶瓷材料。
文檔編號C03C10/04GK103193389SQ20121000355
公開日2013年7月10日 申請日期2012年1月5日 優先權日2012年1月5日
發明者周振嘉, 馮奎智, 陳書纓, 朱立文, 莊朝棟 申請人:東莞華科電子有限公司