CN101298368B - 低温快速烧成高频低损耗玻璃陶瓷及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低温快速烧成高频低损耗玻璃陶瓷及其制备方法，该玻璃陶瓷由硅硼、硼硅酸盐玻璃、成核剂和粘结剂烧结而成。用本发明配料，能实现钙硅硼、硼硅酸盐玻璃的低温熔制，玻璃料可在680℃左右烧结，烧结体介电性能优良(ε r为6～8，tanδ＜0.0005 25MHz)。
Description
技术领域
本发明涉及一种低温快速烧成高频低损耗玻璃陶瓷及其制备方法，属于陶瓷材料领域。
背景技术
低温快速烧成技术是各类陶瓷制品制备技术的发展趋势。低温快速烧成技术能够大大减少能量消耗、提高生产效率、降低成本、扩大原料来源等诸多优点。在全球范围内，不论是日用陶瓷，还是用于高新技术领域的陶瓷制品，研究人员都在努力降低其烧成温度，缩短烧成周期，而所得制品的性能却与传统方法相近，甚至优于传统制品。低温共烧陶瓷(Low Temperature co-fired Ceramics，LTCC)技术是低温快速烧成技术的重要应用之一。LTCC最初是由休斯公司于1982年开发的新材料技术，用于实现高集成度、高性能电子制品的封装。LTCC采用低熔点高电导率的银、铜等金属布线，不仅改变了高温共烧陶瓷不得不采用低电导率高熔点的钨、钼、锰等金属的无奈局面，而且可以通过调整LTCC基片组成获得不同物理与电气性能的材料，使之成为备受关注的热点课题之一。
在全球范围内，只有美国等少数国家对LTCC材料进行了深入的研究，并在高频微电子领域的实际生产中得到广泛应用。但他们制备玻璃料的温度较高，对熔制设备的材质有较高的要求，且其制品的烧成温度也相对较高。我国虽然在LTCC方面的研究起步较晚，但逐渐受到重视并取得明显进展。目前，国内外在制备LTCC材料时，都采用慢速升降温的烧成制度，大大延长了生产周期。而没有在高温直接保温、室温快速冷却方面的研究。
发明内容
本发明的目的在于降低玻璃料的熔制温度，进一步降低制品的烧成温度，通过高温直接保温、室温快速冷却实现低温烧成和快速烧成的结合，提供一种低温快速烧成高频低损耗的玻璃。本发明的另一个目的是提供上述玻璃的制备方法。
本发明的技术方案为：一种低温快速烧成高频低损耗玻璃陶瓷，其特征在于其原料组份和各组份占原料总量的重量百分比分别为：玻璃料85～95％，粘结剂5～15％。
其中上述的玻璃料由硼硅酸盐系玻璃、钙硅硼系玻璃和成核剂组成；其中硼硅酸盐系玻璃占玻璃料总重量的50～90％，钙硅硼系玻璃占玻璃料总重量的5～45％，成核剂占玻璃料总量的0.5～10％。
所述的硼硅酸盐系玻璃料化学组份和各组份占硼硅酸盐系玻璃总量的重量百分比分别为：CaO 30～50％，SiO2 10～30％，B2O3 20～55％，ZnO 0.5～10％，MgO0.5～10％；所述的钙硅硼系玻璃料化学组份和各组份占钙硅硼系玻璃总量的重量百分比分别为：SiO2 50～60％，B2O3 10～30％，CaO 5～25％，Na2O 0.5～2％，Li2O0.5～2％，K2O 0.5～2％；所述的成核剂至少为TiO2、ZrO2或MoO3中的任意一种。
所述的粘结剂为蒸馏水或聚乙烯醇水溶液(市售)。
本发明还提供了上述的低温快速烧成高频低损耗玻璃的制备方法，其制备的具体步骤如下：
A.分别按硼硅酸盐系玻璃配方称取CaCO3、SiO2、H3BO3、ZnO和MgO，按钙硅硼系玻璃配方称取SiO2、H3BO3、CaCO3、Na2O、Li2O、和K2O，混合均匀；
B.分别在铂金坩埚内加热保温，使其完全熔化和均匀化，倒入蒸馏水中得到透明的碎玻璃；
C.分别将得到的碎玻璃经湿法球磨得到硼硅酸盐和钙硅硼玻璃粉末；
D.按硼硅酸盐玻璃占玻璃料总重量的50～90％，钙硅硼系玻璃占玻璃料总重量的5～45％的比例称取上述步骤C所制得的硼硅酸盐和钙硅硼玻璃粉末，再加入占玻璃料总量的0.5～10％的成核剂，在球磨罐中混合3～6h得玻璃料；
E.称取占原料总量的重量百分比为85～95％的步骤D所制得的玻璃料，加入占原料总量的重量百分比为5～15％的粘结剂造粒后，压制成型；
F.将上述样品在680～750℃下直接放入电热炉中，保温15～60min后，直接从炉中将样品取出在空气中冷却即得本发明的高频低损耗玻璃陶瓷。
其中步骤B中的加热温度为1000～1250℃，保温时间为0.5～1h；步骤C中硼硅酸盐和钙硅硼玻璃粉末的平均粒径为40～75μm；步骤E中压制成型的压力控制为100～200Mpa。
有益效果
(1)本发明中，玻璃料的熔制温度低，在1000～1250℃；
(2)玻璃的烧成温度低，在680～750℃左右；
(3)玻璃的烧成制度简单，烧成速度快，可直接在680～750℃保温15～60min后，直接室温快速冷却；
(4)烧结体具有优良的介电性能：在25MHz，介电常数低(6～8)，介电损耗稳定在10-4数量级上；抗热冲击性好，经保温后，可直接室温快速冷却。
具体实施方式
在实施例1-3中所用到的硼硅酸盐玻璃料的化学组成见表1，钙硅硼玻璃料的化学组成见表2；其中玻璃料在铂金坩埚内加热1000℃保温1h，湿法球磨得到平均粒径为65μm的玻璃料粉末。
表1硼硅酸盐玻璃料的化学组成/wt％
| 代号 | CaO | SiO2 | B2O3 | ZnO | MgO |
| GA1 | 40 | 15 | 30 | 7.5 | 7.5 |
表2钙硅硼玻璃料的化学组成/wt％
| 代号 | SiO2 | B2O3 | CaO | Na2O | Li2O | K2O |
| GB1 | 56 | 22 | 19 | 1.0 | 1.0 | 1.0 |
实施例1
表3示出本发明具体实施例1的各成分含量。按质量百分比分别称取各物料，经4h混匀后，加入粘结剂造粒，在120MPa下压制成型。将样品直接在685℃保温40min，然后直接取出，室温冷却。对烧结体进行性能测试如表4所示。
表3高频低损耗玻璃陶瓷各组分含量(wt％)
表4高频低损耗玻璃陶瓷的性能
| 编号 | 密度(g·cm-3) | 介电损耗(×103) | 介电常数(25MHz) |
| No 1 | 2.72 | 2.89 | 7.27 |
| No 2 | 2.78 | 3.37 | 6.14 |
| No 3 | 2.74 | 4.14 | 7.08 |
| No 4 | 2.76 | 3.83 | 6.84 |
| No 5 | 2.78 | 4.24 | 6.25 |
实施例2
表5示出本发明具体实施例2的各成分含量。按质量百分比分别称取各物料，经4h混合均匀，加入粘结剂造粒后，在150MPa下压制成型。将样品直接在685℃保温40min，然后直接取出，室温冷却。对烧结体进行性能测试如表6所示。
表5高频低损耗玻璃陶瓷各组分含量(wt％)
表6高频低损耗玻璃陶瓷的性能
| 编号 | 密度(g·cm-3) | 介电损耗(×104) | 介电常数(25MHz) |
| No 6 | 2.72 | 1.55 | 7.78 |
| No 7 | 2.78 | 1.65 | 7.79 |
| No 8 | 2.74 | 2.54 | 7.89 |
| No 9 | 2.76 | 1.58 | 7.82 |
| No 10 | 2.78 | 2.01 | 7.78 |
实施例3
表7示出本发明具体实施例3的各成分含量。按质量百分比分别称取各物料，经4h混合均匀，加入粘结剂造粒后，在180MPa下压制成型。将样品直接在685℃保温40min，然后直接取出，室温冷却。对烧结体进行性能测试如表8所示。
表7高频低损耗玻璃陶瓷各组分含量(wt％)
表8高频低损耗玻璃陶瓷的性能
| 编号 | 密度(g·cm-3) | 介电损耗(×104) | 介电常数(25MHz) |
| No 11 | 2.75 | 1.46 | 7.89 |
| No 12 | 2.77 | 2.21 | 7.76 |
| No 13 | 2.79 | 1.58 | 7.88 |
| No 14 | 2.76 | 1.87 | 7.91 |
| No 15 | 2.75 | 1.62 | 7.77 |
实施例4
在本实施例中所用到的硼硅酸盐玻璃料的化学组成见表9，钙硅硼玻璃料的化学组成见表10；其中玻璃料在铂金坩埚内加热1200℃保温0.5h，湿法球磨得到平均粒径为45μm的玻璃料粉末。
表9硼硅酸盐玻璃料的化学组成/wt％
| 代号 | CaO | SiO2 | B2O3 | ZnO | MgO |
| GA2 | 30 | 20 | 48 | 1 | 1 |
表10钙硅硼玻璃料的化学组成/wt％
| 代号 | SiO2 | B2O3 | CaO | Na2O | Li2O | K2O |
| GB2 | 50 | 30 | 15 | 2 | 2 | 1 |
表11示出本发明具体实施例的各成分含量。按质量百分比分别称取各物料，经6h混合均匀，加入粘结剂造粒后，在100MPa下压制成型。将样品直接在750℃保温20min后，直接从炉中取出，室温快速冷却。对烧结体进行性能测试如表12所示。
表11高频低损耗玻璃陶瓷各组分含量(wt％)
表12高频低损耗玻璃陶瓷的性能
| 编号 | 密度(g·cm-3) | 介电损耗(×104) | 介电常数(25MHz) |
| No 16 | 2.71 | 2.19 | 7.62 |
| No 17 | 2.78 | 2.83 | 7.89 |
| No 18 | 2.72 | 2.69 | 7.73 |
| No 19 | 2.77 | 1.98 | 7.85 |
| No 20 | 2.73 | 2.08 | 7.93 |
Claims (3)
1.一种低温快速烧成的高频低损耗玻璃陶瓷，其特征在于其原料组份和各组份占原料总量的重量百分比分别为：玻璃料85～95％，粘结剂5～15％；其中玻璃料由硼硅酸盐系玻璃、钙硅硼系玻璃和成核剂组成；其中硼硅酸盐系玻璃占玻璃料总重量的50～90％，钙硅硼系玻璃占玻璃料总重量的5～45％，成核剂占玻璃料总量的0.5～10％；所述的硼硅酸盐系玻璃料化学组份和各组份占硼硅酸盐系玻璃总量的重量百分比分别为：CaO 30～50％，SiO2 10～30％，B2O3 20～55％，ZnO 0.5～10％，MgO 0.5～10％；所述的钙硅硼系玻璃料化学组份和各组份占钙硅硼系玻璃总量的重量百分比分别为：SiO2 50～60％，B2O3 10～30％，CaO 5～25％，Na2O 0.5～2％，Li2O 0.5～2％，K2O 0.5～2％；所述的成核剂至少为TiO2、ZrO2或MoO3中的任意一种；其制备的具体步骤如下：
A.分别按硼硅酸盐系玻璃配方称取CaCO3、SiO2、H3BO3、ZnO和MgO，按钙硅硼系玻璃配方称取SiO2、H3BO3、CaCO3、Na2O、Li2O和K2O，混合均匀；
B.分别在铂金坩埚内加热保温，使其完全熔化和均匀化，倒入蒸馏水中得到透明的碎玻璃；
C.分别将得到的碎玻璃经湿法球磨得到硼硅酸盐系玻璃和钙硅硼系玻璃粉末；
D.按硼硅酸盐系玻璃占玻璃料总重量的50～90％，钙硅硼系玻璃占玻璃料总重量的5～45％的比例称取上述步骤C所制得的硼硅酸盐系玻璃和钙硅硼系玻璃粉末，再加入占玻璃料总量的0.5～10％的成核剂，在球磨罐中混合3～6h得玻璃料；
E.称取占原料总量的重量百分比为85～95％的步骤D所制得的玻璃料，加入占原料总量的重量百分比为5～15％的粘结剂造粒后，压制成型；
F.将上述样品在680～750℃下直接放入电热炉中，保温15～60min后，直接从炉中将样品取出在空气中冷却即得高频低损耗玻璃陶瓷。
2.根据权利要求1所述的高频低损耗玻璃陶瓷，其特征在于所述的粘结剂为蒸馏水或聚乙烯醇水溶液。
3.根据权利要求1所述的高频低损耗玻璃陶瓷，其特征在于步骤B中的加热温度为1000～1250℃，保温时间为0.5～1h；步骤C中硼硅酸盐系玻璃和钙硅硼系玻璃粉末的列产品平均粒径为40～75μm；步骤E中压制成型的压力控制为100～200Mpa。
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