鋰鎂鈦系微波介質陶瓷的低溫燒結方法
【專利摘要】本發明公開了一種鋰鎂鈦系微波介質陶瓷的低溫燒結方法，其組成為Li2MgTi3O8-mwt％ZBS；其中，ZBS為外加添加劑，即ZnO-B2O3-SiO2玻璃低熔點燒結助劑，其原料組分及其質量百分比含量為60％ZnO-30％B2O3-10％SiO2；m為外加添加劑占原料的質量百分比含量，0.2≤m≤7。先將化學原料Li2CO3、MgO和TiO2按Li2MgTi3O8的化學計量比稱量配料，采用傳統固相法，加入ZBS燒結助劑，成型后于850～975℃燒結，制得介電常數為18～26、品質因數32,000～47,650GHz、諧振頻率溫度系數為2.02ppm/℃～19.2ppm/℃的微波介質陶瓷。本發明制備工藝簡單，過程無污染，是一種理想的LTCC材料，具有廣泛的應用前景。
【專利說明】鋰鎂鈦系微波介質陶瓷的低溫燒結方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬于電子信息材料與元器件領域，尤其涉及一種新型鋰鎂鈦系微波介質陶 瓷的低溫燒結方法。

【背景技術】
[0002] 隨著通訊設備朝著高頻、小型、輕量、高集成、多功能、高可靠性和低成本方向發 展，以微波介質陶瓷為基礎的微波電路元器件需要具備更佳的介電性能及工藝性能以滿足 應用要求。微波介質陶瓷作為制造這些器件的關鍵材料，其性能指標在很大程度上決定了 微波通信器件與系統的性能。而LTCC技術正是實現微波元器件向高頻、高速、輕質、薄型等 方向發展的重要途徑，LTCC技術要求微波介質陶瓷材料的燒結溫度低于950°C，且與電極 材料Ag (熔點961°C )共燒不發生化學反應。目前研究的大多數微波介質陶瓷材料的燒結 溫度都在1200°C以上，無法與金屬電極材料在低溫下共燒。因此，降低微波介質陶瓷的燒結 溫度及開發固有燒結溫度低、介電性能優良的微波介質陶瓷材料具有重大實用價值。
[0003] 尖晶石結構的鋰鎂鈦（Li2MgTi308)系陶瓷材料具有優良的介電性能、較低的燒結 溫度和較低的原料成本等優勢，這使其在微波通信系統中獲得廣泛應用。如果能將燒結溫 度降低至950°C以下，使其可與Ag共燒，并且保持較高的％和QX f值，將是理想的LTCC 介質材料。


【發明內容】

[0004] 本發明的目的，是克服現有技術的燒結溫度較高、不能滿足LTCC技術對溫度的要 求的缺點，提供一種以Li 2C03、MgO、Ti02為主要原料、并加入少量的Zn0-B20 3_Si02(ZBS)玻 璃低熔點燒結助劑，使其燒結溫度成功降低至975°C以下，同時保持良好的微波介電性能的 鋰鎂鈦系微波介質陶瓷。
[0005] 本發明通過如下技術方案予以實現。
[0006] 一種鋰鎂鈦系微波介質陶瓷的低溫燒結方法，具有如下步驟：
[0007] (1)鋰鎂鈦系微波介質陶瓷的組成為Li2MgTi30 8-m wt% ZBS ;
[0008] 其中，ZBS為外加添加劑，即Zn0-B203-Si0 2玻璃低熔點燒結助劑，其原料組分及其 質量百分比含量為60% Zn0-30% B203-10% Si02 ;
[0009] m為外加添加劑占原料的質量百分比含量，0. 2彡m彡7 ;
[0010] 將化學原料Li2C03、Mg0和Ti02按Li 2MgTi308的化學計量比稱量配料，配置成主粉 體；
[0011] (2)將步驟（1)配制的主粉體放入球磨罐中，加入氧化鋯球和去離子水，球磨6小 時，再將球磨后的原料烘干，過40目篩，獲得顆粒均勻的粉料；
[0012] (3)將步驟⑵處理好的粉料于900°C預燒3小時，并在此溫度下保溫4小時，合 成主晶相；再將預燒粉料粉碎，向其中加入原料的重量百分比含量0. 2?7wt%的玻璃低熔 點燒結助劑ZBS ;
[0013] (4)將步驟（3)所得產物放入球磨罐中，向粉料中加入氧化鋯球和去離子水，球磨 6小時，烘干后外加原料的質量百分比含量6?10%的石蠟作為粘合劑造粒，過80目篩后， 用粉末壓片機壓制成型為坯體；
[0014] (5)將步驟⑷的坯體于850?975°C燒結，保溫2?6小時，制成鋰鎂鈦系微波 介質陶瓷。
[0015] 所述步驟（1)的化學原料的純度大于99. 9%。
[0016] 所述步驟⑷的述體是在4?6MPa的壓強下壓制成型，為Φ 10mmX 5mm的圓柱體。
[0017] 所述步驟（5)的燒結溫度為925°C，保溫4小時。
[0018] 本發明以Li2MgTi308微波介質陶瓷為基礎，采用傳統固相法，加入ZBS為燒結 助劑，成功地將其燒結溫度降低至975°C以下，制備了介電常數為18?26,品質因數 32, 000?47, 650GHz，諧振頻率溫度系數為2. 02ppm/°C?19. 2ppm/°C的微波介質陶瓷。此 夕卜，本發明制備工藝簡單，過程無污染，改善了其諧振頻率溫度系數，是一種理想的LTCC材 料，具有廣泛的應用前景。

【具體實施方式】
[0019] 本發明采用Li2C03、Mg0、Ti02分析純原料制備微波介質陶瓷，具體實施例如下：
[0020] 實施例1
[0021] (1)實施例 1 的組成為 Li2MgTi308 - 0· 2wt% ZBS ;
[0022] ZBS為外加添加劑，即Zn0-B203-Si02玻璃低熔點燒結助劑，其原料組分及其質量 百分比含量為 60% Zn0-30% B203-10% Si02 ;
[0023] 將 Li2C03、MgO、Ti02 按摩爾比 Li2C03 :MgO :Ti02 = 1:1:3 配置成主粉體。
[0024] (2)將步驟（1)配制的主粉體放入聚酯罐中，加入去離子水和氧化鋯球，在行星式 球磨機上球磨6小時，球磨機轉速為1000轉/分；再將球磨后的原料在1500W的紅外干燥 箱里烘干，烘干后過40目篩，獲得顆粒均勻的粉料。
[0025] (3)將步驟（2)處理好的粉料于900°C預燒3小時，在此溫度下保溫4小時，合成 主晶相；再將預燒粉料粉碎，稱取20g，向其中加入原料的重量百分比含量0. 2wt %的玻璃 低熔點燒結助劑ZBS，二次配料。
[0026] (4)將步驟⑶所得產物放入球磨罐中，向粉料中加入氧化鋯球和去離子水，在行 星式球磨機上球磨6小時，球磨機轉速為1000轉/分，再于紅外干燥箱里烘干，烘干后外 加原料的質量百分比含量8%的石蠟作為粘合劑造粒，過80目篩后，用粉末壓片機以4? 6MPa的壓強下壓成Φ 10mm X 5mm的圓柱述體。
[0027] (5)將步驟⑷的圓柱坯體于975°C燒結，保溫6小時，制成鋰鎂鈦系微波介質陶 瓷。
[0028] 最后，采用網絡分析儀及相關測試夾具測試其微波介電性能。該材料的微波介電 性能為：ε r = 18, QXf = 32000GHz，τ f = 2. 02ppm/°C。
[0029] 實施例2
[0030] (1)實施例 1 的組成為 Li2MgTi308-l. Owt% ZBS ;
[0031] ZBS為外加添加劑，即Zn0-B203-Si02玻璃低熔點燒結助劑，其原料組分及其質量 百分比含量為 60% Zn0-30% B203-10% Si02 ;
[0032] 將 Li2C03、MgO、Ti02 按摩爾比 Li2C03 :MgO :Ti02 = 1:1:3 配置成主粉體。
[0033] (2)將步驟（1)配制的主粉體放入聚酯罐中，加入去離子水和氧化鋯球，在行星式 球磨機上球磨6小時，球磨機轉速為1000轉/分；再將球磨后的原料在1500W的紅外干燥 箱里烘干，烘干后過40目篩，獲得顆粒均勻的粉料。
[0034] (3)將步驟（2)處理好的粉料于900°C預燒3小時，在此溫度下保溫4小時，合成 主晶相；再將預燒粉料粉碎，稱取20g，向其中加入原料的重量百分比含量1. Owt %的玻璃 低熔點燒結助劑ZBS，二次配料。
[0035] (4)將步驟⑶所得產物放入球磨罐中，向粉料中加入氧化鋯球和去離子水，在行 星式球磨機上球磨6小時，球磨機轉速為1000轉/分，再于紅外干燥箱里烘干，烘干后外 加原料的質量百分比含量8%的石蠟作為粘合劑造粒，過80目篩后，用粉末壓片機以4? 6MPa的壓強下壓成Φ 10mm X 5mm的圓柱述體。
[0036] (5)將步驟⑷的圓柱坯體于950°C燒結，保溫5小時，制成鋰鎂鈦系微波介質陶 瓷。
[0037] 最后，采用網絡分析儀及相關測試夾具測試其微波介電性能。該材料的微波介電 性能為：ε r = 21. 23, QXf = 36321GHz，τ f = 1. 68ppm/°C。
[0038] 實施例3
[0039] (1)實施例 1 的組成為 Li2MgTi308_3. Owt% ZBS ;
[0040] ZBS為外加添加劑，即Zn0-B203-Si02玻璃低熔點燒結助劑，其原料組分及其質量 百分比含量為 60% Zn0-30% B203-10% Si02 ;
[0041] 將1^20)3、]\%0、1102按摩爾比1^20) 3:]\%0:1102 = 1:1:3配置成主粉體。
[0042] (2)將步驟（1)配制的主粉體放入聚酯罐中，加入去離子水和氧化鋯球，在行星式 球磨機上球磨6小時，球磨機轉速為1000轉/分；再將球磨后的原料在1500W的紅外干燥 箱里烘干，烘干后過40目篩，獲得顆粒均勻的粉料。
[0043] (3)將步驟⑵處理好的粉料于900°C預燒3小時，在此溫度下保溫4小時，合成 主晶相；再將預燒粉料粉碎，稱取20g，向其中加入原料的重量百分比含量3. Owt %的玻璃 低熔點燒結助劑ZBS，二次配料。
[0044] (4)將步驟⑶所得產物放入球磨罐中，向粉料中加入氧化鋯球和去離子水，在行 星式球磨機上球磨6小時，球磨機轉速為1000轉/分，再于紅外干燥箱里烘干，烘干后外 加原料的質量百分比含量8%的石蠟作為粘合劑造粒，過80目篩后，用粉末壓片機以4? 6MPa的壓強下壓成Φ 10mm X 5mm的圓柱述體。
[0045] (5)將步驟（4)的圓柱坯體于925°C燒結，保溫4小時，制成鋰鎂鈦系微波介質陶 瓷。
[0046] 最后，采用網絡分析儀及相關測試夾具測試其微波介電性能。該材料的微波介電 性能為：ε r = 24. 23, QXf = 47650GHz，τ f = 8. 72ppm/°C。
[0047] 實施例4
[0048] (1)實施例 1 的組成為 Li2MgTi308_5. Owt% ZBS ;
[0049] ZBS為外加添加劑，即Zn0-B203-Si02玻璃低熔點燒結助劑，其原料組分及其質量 百分比含量為 60% Zn0-30% B203-10% Si02 ;
[0050] 將 Li2C03、MgO、Ti02 按摩爾比 Li2C03 :MgO :Ti02 = 1:1:3 配置成主粉體。
[0051] (2)將步驟（1)配制的主粉體放入聚酯罐中，加入去離子水和氧化鋯球，在行星式 球磨機上球磨6小時，球磨機轉速為1000轉/分；再將球磨后的原料在1500W的紅外干燥 箱里烘干，烘干后過40目篩，獲得顆粒均勻的粉料。
[0052] (3)將步驟（2)處理好的粉料于900°C預燒3小時，在此溫度下保溫4小時，合成 主晶相；再將預燒粉料粉碎，稱取20g，向其中加入原料的重量百分比含量5. Owt %的玻璃 低熔點燒結助劑ZBS，二次配料。
[0053] (4)將步驟⑶所得產物放入球磨罐中，向粉料中加入氧化鋯球和去離子水，在行 星式球磨機上球磨6小時，球磨機轉速為1000轉/分，再于紅外干燥箱里烘干，烘干后外 加原料的質量百分比含量8%的石蠟作為粘合劑造粒，過80目篩后，用粉末壓片機以4? 6MPa的壓強下壓成Φ 10mm X 5mm的圓柱述體。
[0054] (5)將步驟（4)的圓柱坯體于900°C燒結，保溫3小時，制成鋰鎂鈦系微波介質陶 瓷。
[0055] 最后，采用網絡分析儀及相關測試夾具測試其微波介電性能。該材料的微波介電 性能為：ε r = 26, QXf = 42330GHz，τ f = 13. 22ppm/°C。
[0056] 實施例5
[0057] (1)實施例 1 的組成為 Li2MgTi308_7· Owt% ZBS ;
[0058] ZBS為外加添加劑，即Zn0-B203-Si02玻璃低熔點燒結助劑，其原料組分及其質量 百分比含量為 60% Zn0-30% B203-10% Si02 ;
[0059] 將 Li2C03、MgO、Ti02 按摩爾比 Li2C03 :MgO :Ti02 = 1:1:3 配置成主粉體。
[0060] (2)將步驟（1)配制的主粉體放入聚酯罐中，加入去離子水和氧化鋯球，在行星式 球磨機上球磨6小時，球磨機轉速為1000轉/分；再將球磨后的原料在1500W的紅外干燥 箱里烘干，烘干后過40目篩，獲得顆粒均勻的粉料。
[0061] (3)將步驟（2)處理好的粉料于900°C預燒3小時，在此溫度下保溫4小時，合成 主晶相；再將預燒粉料粉碎，稱取20g，向其中加入原料的重量百分比含量7. Owt %的玻璃 低熔點燒結助劑ZBS，二次配料。
[0062] (4)將步驟⑶所得產物放入球磨罐中，向粉料中加入氧化鋯球和去離子水，在行 星式球磨機上球磨6小時，球磨機轉速為1000轉/分，再于紅外干燥箱里烘干，烘干后外 加原料的質量百分比含量8%的石蠟作為粘合劑造粒，過80目篩后，用粉末壓片機以4? 6MPa的壓強下壓成Φ 10mm X 5mm的圓柱述體。
[0063] (5)將步驟⑷的圓柱坯體于850°C燒結，保溫2小時，制成鋰鎂鈦系微波介質陶 瓷。
[0064] 最后，采用網絡分析儀及相關測試夾具測試其微波介電性能。該材料的微波介電 性能為：ε r = 22. 35, QXf = 38578GHz，τ f = 19. 2ppm/°C。
【權利要求】
1. 一種鋰鎂鈦系微波介質陶瓷的低溫燒結方法，具有如下步驟： (1) 鋰鎂鈦系微波介質陶瓷的組成為Li2MgTi308-m wt% ZBS ; 其中，ZBS為外加添加劑，即Zn0-B203-Si02玻璃低熔點燒結助劑，其原料組分及其質量 百分比含量為 60% Zn0-30% B203-10% Si02 ; m為外加添加劑占原料的質量百分比含量，0. 2彡m彡7 ; 將化學原料Li2C03、MgO和Ti02按Li2MgTi 308的化學計量比稱量配料，配置成主粉體； (2) 將步驟（1)配制的主粉體放入球磨罐中，加入氧化鋯球和去離子水，球磨6小時，再 將球磨后的原料烘干，過40目篩，獲得顆粒均勻的粉料； (3) 將步驟（2)處理好的粉料于900°C預燒3小時，并在此溫度下保溫4小時，合成主 晶相；再將預燒粉料粉碎，向其中加入原料的重量百分比含量〇. 2?7wt%的玻璃低熔點燒 結助劑ZBS ; (4) 將步驟（3)所得產物放入球磨罐中，向粉料中加入氧化鋯球和去離子水，球磨6小 時，烘干后外加原料的質量百分比含量6?10 %的石蠟作為粘合劑造粒，過80目篩后，用粉 末壓片機壓制成型為坯體； (5) 將步驟⑷的坯體于850?975°C燒結，保溫2?6小時，制成鋰鎂鈦系微波介質 陶瓷。
2. 根據權利要求1所述的鋰鎂鈦系微波介質陶瓷的低溫燒結方法，其特征在于，所述 步驟（1)的化學原料的純度大于99. 9%。
3. 根據權利要求1所述的鋰鎂鈦系微波介質陶瓷的低溫燒結方法，其特征在于，所述 步驟⑷的述體是在4?6MPa的壓強下壓制成型，為Φ 10mmX5mm的圓柱體。
4. 根據權利要求1所述的鋰鎂鈦系微波介質陶瓷的低溫燒結方法，其特征在于，所述 步驟（5)的燒結溫度為925°C，保溫4小時。
【文檔編號】C04B35/465GK104140260SQ201410364534
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2014年7月28日
【發明者】張平, 劉健 申請人:天津大學