近来电器和电子器具的小型化、轻盈和智能的大趋势要求
电路板 上的代用器件的尺寸和数量大幅减少,还要求这些器件具有高性能。 为满足这些需求,进行了大量尝试,其中某些尝试是将处于
电路板上 的部分制成多层,然后同时烧结介电体和
电极。
但是,为实现电路板和零部件的多层化和同时烧结,常规介电材 料的高烧
结温度需要在内电极结构中使用高熔点金属,如Mo或W。
但是,在内电极结构中采用Mo或W时,由于其高成本而带来 经济上的
缺陷。最重要的是,由于存在射频
电流停留在靠近导体表面 的趋肤效应,所以为减少介电损耗,需要在电极结构中使用低
电阻的 金属。因此,必不可少地使用较为廉价且具有高电导率的金属,如Ag或Cu。
当Ag或Cu用于内电极结构中时,一个极为重要的研究课题是 找到一种可以在低于Ag(960℃)或Cu(1083℃)的熔点的温度下烧结的 介电材料。
通常,低温烧成的介电体通过液相烧结一种混合物制成,所述的 混合物含有具有高
介电常数和低介电损耗的高温烧成材料和少量的低 熔点材料,例如玻璃粉或诸如CuO、PbO和Bi2O3、V2O5等的一种添 加剂,或通过烧结含有陶瓷作为填料的玻璃陶瓷制成。
当使用后者时,所得的基于玻璃的介电基质的介电常数为10或 10以下。
由于低介电常数在
加速信号处理和改善
信号传输方面具有优点, 具有10或10以下的介电常数的材料广泛应用于
低温共烧陶瓷 (LTCC)。
同时,根据应用电路的性质,由具有低介电常数和中等介电常数 (15-100)的介电体制成的基质通常可能在电路设计和功能方面具有优 势,而且不延迟信号的处理。
但是,通常来说,使用具有高介电常数的介电体使导波的
波长变 短,这使得电路的尺寸减小。因此,这样的介电体对强调电气元件尺 寸的用途非常有用,而且还具有减少电路的介入损耗或
频率偏移的优 点。
较大的介电常数能够把传输线的宽度与介电体的厚度的比降至更 大的程度,这给予电路设计者一个设计更好的叠层结构的机会。
美国
专利5,470,808公开了介电常数为大约40或40以上的、基 于ZrO2-AO-B2O5-TiO2(A=Zn、Mg、Co、Mn,B=Nb、Ta)的介电组合 物。这些介电组合物可以在1,300℃或更高的温度下烧结,该温度太 高而不能共烧Ag电极。也就是说,基于ZrO2-AO-B2O5-TiO2(A=Zn、 Mg、Co、Mn,B=Nb、Ta)的介电组合物单独用于TLCC时有困难。
本发明的介电组合物以具有低介电损耗和高介电常数(>45)的 ZrO2-ZnO-Nb2O5-TiO2为
基础,含有ZnO-B2O3-SiO2玻璃粉作为助烧结 剂,从而表现出30或30以上的高介电常数及低介电损耗(Q>1,000(在 3GHz),Q=1/tanδ),并能够与Ag电极结构共烧。
可以在该组合物中进一步加入至少一种选自由MgO、CoO、SiO2、 Sb2O3、Sb2O5、MnO2和Ta2O5组成的组中的
氧化物,和/或CuO。在 该介电组合物中,氧化物用来增进介电性能,而CuO充当助烧结剂。
如上所述,该ZrO2-ZnO-Nb2O5-TiO2陶瓷组合物具有低介电损耗 和45 或45以上的介电常数,并在1,300℃烧结。该高烧结温不可能 使该陶瓷组合物与由熔点为961℃的Ag制成的电极一起进行烧结。
按照本发明,基础陶瓷组合物ZrO2-ZnO-Nb2O5-TiO2的成分的摩 尔比改变,并在其中并入了一定量的玻璃粉,这样就有可能共烧该陶 瓷组合物和Ag电极。用于本发明中的该基础陶瓷组合物 ZrO2-ZnO-Nb2O5-TiO2含有5.0-45摩尔%的ZrO2(x)、1.5-19.0摩尔%的ZnO(y)、 1.5-19.0摩尔%的Nb2O5(w)和40-59.0摩尔%的TiO2(z),条件是 x+y+w+z=100。
如果ZnO或Nb2O5的含量低于1.5摩尔%,该基础陶瓷组合物不 能在1,300℃烧结,以致于不能测定其介电性能。如果高于1.5摩尔%, ZnO和Nb2O5都能起到改进烧结性能的作用。增加ZnO和Nb2O5的含 量使该基础陶瓷组合物的介电常数增加,并使频率的温度系数(TCF) 从负向正方向增加。另一方面,如果ZnO或Nb2O5的含量高于19.0 摩尔%,烧结
密度下降,而共振频率的温度系数在正方向上过度增大。
如果ZrO2的含量低于5摩尔%,则共振频率的温度系数在正方向 上太高,以致于无法在实践中使用该基础陶瓷组合物。另一方面,如 果ZrO2的含量超过45摩尔%,则即使在1,400℃该基础陶瓷组合物也 不能烧结。
由ZrO2、ZnO和Nb2O5的预定摩尔比,TiO2的含量范围定为40- 59.0摩尔%。
可用于本发明中的是基于ZnO-B2O3-SiO2的玻璃粉。优选该玻璃 粉含有30-70重量%的ZnO、5-30重量%的B2O3、5-40重量%的SiO2 和2-40重量%的PbO。
B2O3降低玻璃的
粘度并促进本发明的介电陶瓷组合物的稠化。 B2O3的用量低于5重量%时,在低于900℃的温度下,该介电陶瓷组 合物很可能不能被烧结。B2O3的用量超过30重量%时,该介电陶瓷 组合物的耐湿性较差。因此,优选其在玻璃粉中的含量范围为5-30重 量%。
SiO2的含量超过40重量%会导致玻璃粉的
软化温度过度增大, 这样玻璃粉就不能充当助烧结剂。当SiO2的含量低于5重量%时,不 能发挥其作用。因此,优选SiO2的用量在5-40重量%的范围内。
当PbO的含量低于2重量%时,玻璃粉的软化温度(Ts)太高,从 而无助于该介电陶瓷组合物的稠化。另一方面,如果PbO的含量超过 40重量%,则会降低玻璃粉的Ts从而促进组合物的稠化,但存在一 个问题,就是Q值下降。考虑到上述事实,限定PbO在玻璃粉中的 含量范围为2-40重量%。
优选ZnO的用量为30-70重量%。过多的使用ZnO导致玻璃粉 的软化温度增大,使得不可能进行低温烧结。
按照本发明的另一个实施方案,在本发明的介电陶瓷组合物中进 一步使用至少一种选自由MgO、CoO、SiO2、Sb2O3、Sb2O5、MnO2和 Ta2O5组成的组中的氧化物,以提高介电性能。与主组分ZrO2、ZnO、 Nb2O5和TiO2的电荷和离子半径类似,氧化物MgO、CoO、SiO2、Sb2O3、 Sb2O5、MnO2和Ta2O5影响主组分的离子键而降低介电损耗,起到增 大Q值的作用,而介电常数和共振频率的温度系数没有大的变化。氧 化物的用量为1.5重量%或1.5重量%以下。如果氧化物的添加量超过 1.5重量%,介电常数和Q值都会显著下降。
按照本发明的另一个实施方案,进一步在本发明的陶瓷组合物中 使用CuO。CuO与玻璃粉一起充当助烧结剂,增大介电常数。另外, CuO还在控制频率的温度系数,使Q值不发生大的变化方面发挥作 用。优选其用量为5重量%或5重量%以下。如果超过在介电体中的
溶解度界限,CuO就会处于表面上,使Q值显著上升。
以下将描述本发明的介电陶瓷组合物的制备。
按照所需要的组合物xZrO2-yZnO-wNb2O5-zTiO2称量纯度 为99.0%或99.0%以上的起始物质ZrO2、ZnO、Nb2O5和TiO2,并将 这些物质以湿法混合。关于这一点,湿法混合是通过在一台棒磨机中, 借助3Φ氧化锆球在去离子
水中碾磨起始物质约16小时进行的。干燥 并
煅烧如此得到的浆料。优选以5℃/分的加热速率,在1,000-1,030℃ 下煅烧约2小时。当煅烧温度低于1,000℃时,大量的ZrO2残留在未 反应相中,使收缩率增大。另一方面,当煅烧温度高于1,030℃时, 粉末变得过于粗糙而无法在以后
磨碎。
按照所需要的组合物称量以后,玻璃粉组分在1,200-1,400℃熔 化、用水淬火并以干法磨碎。之后,将粗糙的颗粒在
乙醇中精磨为大 小为0.5~1.0μm的粉末。
将基础介电陶瓷组合物与玻璃粉组合物、适宜量的CuO和适宜 量的至少一种选自由MgO、CoO、SiO2、Sb2O3、Sb2O5、MnO2和Ta2O5 组成的组中的添加剂在一批中混合,然后将所得混合物磨碎。
干燥后,在600-700℃下二次煅烧如此获得的粉末。第二次煅烧 的温度比玻璃粉的软化温度(Ts)稍高,使介电体与玻璃粉为均相,从 而提高了介电陶瓷组合物烧结后的均匀性。
接下来,进一步将煅烧的粉末分解至所需的粒子尺寸、与一种粘 合剂混合,并模塑为所需要的形状如圆盘状或片状。
然后,煅烧圆盘状或片状电极,并在低于900℃的温度下共烧, 得到所需要的器件。
以上概括说明了本发明,参照某些特定的
实施例可以进一步理解 本发明,在本文中列出这些实施例的目的是仅用于说明,除非另有说 明,无意限制本发明。
实施例1
根据下表1中的数据,按照组合物xZrO2-yZnO-wNb2O5-zTiO2 称量ZrO2、ZnO、Nb2O5和TiO2,并使用一台棒磨机,在3Φ氧 化锆球的存在下,将其在去离子水中混合16小时。
表1中,基础组合物9进一步含有MnO2。如下表2和3所示, 向基础组合物4和5中加入一种或两种选自MnO2、Ta2O5、MgO、Sb2O5 和SiO2中的添加剂。
将如此获得的浆料干燥,在研钵中粗磨,以5℃/分的加热速率加 热到1,000-1,030℃,并在该温度下煅烧2小时。
随后,首先在研钵中
研磨,之后使用行星式
轧机以200转/分(rpm) 的转速研磨30分钟,磨碎煅烧的粉末。与一种
粘合剂结合后,通过 单轴
压缩机,使用14mmΦ的模具,以2.0吨/平方厘米(cm2)的压
力将 磨碎的粉末模塑为一个圆盘。将试样在1,300℃烧结3小时,并测定 其介电常数(K)、Q值、TCF和烧结密度。结果列在下表1-3中。
存表1-3中,通过Hakki & Coleman法测定介由常数(K)和Q值, 通过空腔谐振法测定共振频率的温度系数(TCF)。在20-85℃之间测量 TCF。关于这一点,试样保持在20℃后测定试样的共振频率,然后加 热到85℃并在该温度下保持30分钟后,测定共振频率。通过该测量, 测得了TCF。
表1 编 号 基础组合物 (摩尔%) 添加剂 (重量%) K Q TCF (ppm/℃) 烧结密度 (g/cm3) X Y W Z 1 46.2 1.4 1.4 51.0 - 20.0 880 -45.0 4.0 2 41.8 3.5 3.0 51.7 - 40.2 12,700 -15.0 4.82 3 34.0 7.7 7.3 51.0 - 43.5 11,800 -10.0 4.88 4 28.2 9.3 9.5 53.0 - 42.6 12,000 -2.0 4.85 5 25.8 10.8 10.5 52.9 - 45.2 8,200 5.0 4.89 6 16.8 13.5 13.0 56.7 - 47.0 5,000 9.0 4.82 7 4.9 19.2 19.1 56.8 - 65 2,800 50 4.5 8 11.5 18.5 18.6 51.4 - 48.2 11,700 15.0 5.0 9 32.0 13.0 13.2 41.8 MnO2:0.2 41.5 15,000 -5.0 5.2
表2 编 号 基础组合物 (摩尔%) 添加剂 (重量%) K Q TCF (ppm/℃) 烧结密度 (g/cm3) X Y W Z 5 25.8 10.8 10.5 52.9 45.2 8.200 5.0 4.89 5-1 MgO:0.1 46.0 9,430 6.0 4.88 5-2 MgO:0.5 46.2 9,470 8.0 4.87 5-3 MgO:1.6 43.2 4,890 15.0 4.78 5-4 Ta2O5:0.1 45.0 11,700 2.5 4.87 5-5 Sb2O5:0.1 44.8 13,400 4.2 4.87 5-6 MgO:0.1 +MnO2:0.1 45.8 10,170 3.0 4.92 5-7 MgO:0.1 +MnO2:0.2 45.9 10,400 1.0 4.93 5-8 MgO:0.3 +MnO2:0.1 46.0 10,420 5.0 4.92 5-9 Ta2O5:0.1 +MnO2:0.1 45.6 12,860 2.0 4.93 5-10 Ta2O5:0.1 +MnO2:0.3 45.8 13,700 -0.5 4.94
表3 编 号 基础组合物 (摩尔%) 添加剂 (重量%) K Q TCF (ppm/℃) 烧结密度 (g/cm3) X Y W Z 4 28.2 9.3 9.5 53.0 42.6 12,000 -2.0 4.85 4-1 MnO2:0.1 43.0 12,526 -3.0 4.87 4-2 MgO:0.1 43.2 13,180 -4.0 4.88 4-3 Sb2O5:0.1 43.0 12,840 -1.0 4.86 4-4 SiO2:0.1 44.2 13,100 -3.8 4.87
如表1所示,随基础陶瓷组合物中ZnO和Nb2O5含量的增大, 介电常数和TCF上升。当基础组合物分别含有约10重量%的ZnO和 Nb2O5时,其TCF显著地从负值变为正值。
另外与此相反,也可看出在某些组合物中,当ZnO和Nb2O5的 含量分别超过10摩尔%时,介电常数上升,但Q值减小。原因是当ZnO和Nb2O5的用量分别为10摩尔%或10摩尔%以下时,其形成一种Zr(Zn,Nb)TiO4
固溶体,但当其含量分别超过10摩尔%时,ZnO和Nb2O5形 成减小Q值的次生相(ZnNb)TiO4。而且,次生相(ZnNb)TiO4的TCF 高至+70ppm/℃,这使得当ZnO或Nb2O5的含量为19摩尔%时,基础 介电陶瓷组合物的TCF达+50。因此,在实践中不能使用含有超过19 摩尔%的ZnO和Nb2O5的组合物。
从表2的数据明显看出,通过向表1的5号组合物中添加一种或 两种选自MgO、Ta2O5、Sb2O5和MnO2的添加剂,Q值增大较大,而 介电常数变化不大。
从组合物5-1至5-3号可以看出,添加MgO,介电常数和Q值增 大,但当用量超过1.6重量%时,介电常数和Q值显著下降。
另外,表3的数据证明添加MnO2、MgO、Sb2O5或SiO2极大地 增大Q值,而保持介电常数和共振频率的温度系数变化不大。
实施例2
表1组合物8和9分别在研钵中被粗磨后,按下表5所示向每种 组合物中分别加入3.0-25.0重量%的玻璃粉。
玻璃粉的制备方法为:按表4的组合物称量其组分,使各组分在 1,200-1,400℃
熔化,用水淬火,干法研磨为粗颗粒,及将其在乙醇中 研磨至尺寸为0.5-1.0μm。
接下来,将混合物干燥,并在600-700℃下煅烧2小时。
随后,先在研钵中研磨煅烧的粉末,后在行星式轧机中以200rpm 的转速研磨30分钟。与一种粘合剂结合后,通过单轴压缩机,使用14mm Φ的模具,以2.0吨/平方厘米的压力将磨碎的粉末模塑为一个圆盘。 将试样在900或1,050℃烧结30分钟,并测定其介电常数(K)、Q值、 TCF和烧结密度。结果列在下表5中。
在表5中,通过在1,050℃下,分别烧结比较组合物1和5制备 比较组合物2和6。另外,还分析了试样的烧结状态,结果列于表5 中。
以与实施例1相同的方式测定介电性能,包括介电常数(K)、Q 值和TCF。
表4 玻璃粉编号 B2O3 SiO2 ZnO PbO 实施例G1 20 10 55 15 实施例G2 15 20 58 7 比较例G3 3 27 60 10 比较例G4 35 20 40 5 比较例G5 20 3 55 22 比较例G6 15 45 35 5 比较例G7 20 30 49 1 比较例G8 10 15 32 43 比较例G9 12 10 75 3
表5 介电体 编号 介电组合物 玻璃粉 (重量%) CuO (重量%) K Q TCF (ppm/℃) 烧结温度 (℃) 备注 种 类 量 (重量%) 比较例1 8 98.0 2.0(G1) 0 - 900 1P.S 比较例2 8 98.0 2.0(G1) 0 40 7,800 14.1 1050 烧结 实施例1 8 97.0 3.0(G1) 0 35 6,360 13.0 900 烧结 实施例2 8 96.0 3.0(G1) 1.0 41.3 5,830 12.5 900 烧结 实施例3 8 96.0 4.0(G1) 0 36.5 6,010 12.0 900 烧结 实施例4 8 92.0 8.0(G1) 0 38.5 4,930 8.5 900 烧结 实施例5 8 85.0 15.0(G1) 0 38.9 3,170 5.0 900 烧结 实施例6 8 75.0 25.0(G1) 0 32.5 2,020 -14.5 900 烧结 比较例3 8 73 27.0(G1) 0 25.9 500 -25.0 900 烧结 实施例7 8 94.0 3.0(G1) 3.0 44.3 5,600 11.0 900 烧结 实施例8 8 92.0 3.0(G1) 5.0 41.2 5,410 10.0 900 烧结 比较例4 8 91.0 3.0(G1) 6.0 35.0 400 6.0 900 烧结 比较例5 9 98.0 2.0(G2) 0 - - - 900 1P.S. 比较例6 9 98.0 2.0(G2) 0 39.5 12,000 -6.0 1050 烧结 实施例9 9 97.0 3.0(G2) 0 32.8 7,830 -5.5 900 烧结 实施例10 9 96.0 3.0(G2) 1.0 37.5 7,360 -4.5 900 烧结 实施例11 9 96.0 4.0(G2) 0 33.9 7,160 -6.1 900 烧结 实施例12 9 92.0 8.0(G2) 0 35.8 4,120 -7.9 900 烧结 实施例13 9 85.0 15.0(G2) 0 36.4 3,270 -12.5 900 烧结 实施例14 9 75.0 25.0(G2) 0 33.8 2,170 -15.5 900 烧结 比较例7 9 73 27.0(G2) 0 27.5 660 -21.6 900 烧结 实施例15 9 94.0 3.0(G2) 3.0 38.4 7,000 -3.4 900 烧结 实施例16 9 92.0 3.0(G2) 5.0 36.8 5,000 -2.5 900 烧结 比较例8 8 92.0 8.0(G3) 0 - - - - 1P.S. 比较例9 8 92.0 8.0(G4) 0 32 4,100 -12 900 2P.M. 比较例10 8 92.0 8.0(G5) 0 - - - - 1P.S. 比较例11 8 92.0 8.0(G6) 0 - - - - 1P.S. 比较例12 8 92.0 8.0(G7) 0 - - - - 1P.S. 比较例13 8 97.0 3.0(G8) 0 36.0 420 9.0 900 Q不 好 比较例14 8 92.0 8.0(G9) 0 - - - - 1P.S.
1烧结不好
2耐湿性不好
如表5所示,本发明的介电陶瓷组合物1-16除了在低至900℃下 烧结以外,其还具有32.5或32.5以上的介电常数、2,000或2,000以 上的Q值和±20.0ppm/℃的TCF。
相反,比较组合物1-14在900℃烧结不好,即使烧结,性能也不 好。
如上文所述,本发明提供可以与Ag电极一起在低至900℃的温 度下共烧的介电陶瓷组合物。添加了玻璃粉和CuO的该介电陶瓷组合 物表现出30或30以上的介电常数、1,000或1,000以上的Q值和 ±20.0ppm/℃的TCF,因此这些组合物适用于多层化的
LC滤波器。
以举例的方式描述了本发明,但应当理解所用的术语意在用于说 明而非用于限制。按照上述教导,有可能对本发明进行多种改变和变 化。因此,应当理解在附带的
权利要求书的范围内,本发明可以在除 特定描述的内容以外进行实践。