CN101481214A - 高频介电陶瓷元件的浆料、制造方法及其玻璃陶瓷复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频介电陶瓷元件的浆料、制造方法及其玻璃陶瓷复合材料。玻璃陶瓷复合材料包括5％～30％的氧化铝或氧化钛，以及70％～95％的铋锌硼硅铝玻璃，或包括7％～31％的氧化铝或氧化钛，以及69％～93％的锂铝硅锌硼玻璃。本发明利用玻璃陶瓷复合材料与有机载体混合形成浆料，并将浆料制成生胚以及将生胚致密化，完成低温可烧结致密的高频介电陶瓷元件的制造。

Description

高频介电陶瓷元件的浆料、制造方法及其玻璃陶瓷复合材料

技术领域

本发明涉及一种高频介电陶瓷元件的浆料、制造方法及其玻璃陶瓷复合材料。

背景技术

近年来，随着蜂巢式汽车电话、可携式无线电话或全球卫星定位等无线行动通讯***快速地成长，体积小、重量轻的手持式设备，在商业化强烈竞争需求下，成为未来发展的必然趋势。因此缩小元件或是电路基板尺寸，乃当前研发上一个不可或缺的课题。

为因应这个需求，当前市面上已开发出多层结构的电子元件以增加体积效率，故高频元件或基板也朝向此多层及更微小型化发展。然而，在此高频元件或基板中，必须与低损失的导体如铜和银等共烧。而铜导体必须在无氧的气氛，如氮气气氛下烧结，以避免形成氧化铜，但在无氧的气氛下，陶瓷粉末内的有机粘结剂移除困难，而使生产成本提高。而银导体虽然可在大气气氛下烧结，然而其熔点为962℃，远低于现今可烧结致密高频介电材料的烧结温度，而致无法实际应用。

此外，氧化铝虽然具高介电常数及高品质因子，但其缺点是所需烧结温度超过1700℃。又，氧化钛虽然具高介电常数及高品质因子，但其缺点是烧结温度仍需1450℃且必需至少2小时才可烧结完成，而且温度系数高达400ppm/℃。如前述数据显示，氧化铝与氧化钛的烧结温度均至少为1400℃以上，皆远高于962℃而不能使用银导体。基于前述原因，现今高频通讯组件的尺寸无法进一步微型化。

发明内容

本发明提供一种高频介电陶瓷元件的浆料、制造方法及其玻璃陶瓷复合材料，以兼具烧结温度低于962℃、高品质因子与高介电常数的功效。

本发明提供一种用以制备高频陶瓷元件的玻璃陶瓷复合材料，其包括5％～30％的氧化铝或氧化钛，以及70％～95％的铋锌硼硅铝玻璃。

该玻璃陶瓷复合材料优选是包括15％～25％的氧化铝或氧化钛，以及75％～85％的铋锌硼硅铝玻璃。

上述铋锌硼硅铝玻璃可包括0.5％～2.5％的氧化铋、20％～50％的氧化锌、35％～75％的氧化硼、1％～15％的氧化硅以及1％～15％的氧化铝。铋锌硼硅铝玻璃更佳是包括1％～2％的氧化铋、30％～40％的氧化锌、45％～60％的氧化硼、5％～10％的氧化硅以及5％～10％的氧化铝。

本发明另提供一种用以制备高频陶瓷元件的玻璃陶瓷复合材料，其包括7％～31％的氧化铝或氧化钛，以及69％～93％的锂铝硅锌硼玻璃。

上述锂铝硅锌硼玻璃可包括1％～15％的氧化锂、20％～50％的氧化锌、30％～70％的氧化硼以及1％～20％的氧化硅。更佳地，锂铝硅锌硼玻璃可包括1％～10％的氧化锂、30％～40％的氧化锌、45％～55％的氧化硼以及5％～15％的氧化硅。

本发明提供一种用以制备高频陶瓷元件的浆料，其包括35％～45％的有机载体，以及65％～55％之上述玻璃陶瓷复合材料。

上述有机载体可包括聚乙二醇、聚乙烯缩丁醛及聚乙烯醇的粘结剂、正丙醇、甲苯及乙醇的有机溶剂、缩二丁醛的塑化剂或其组合。

本发明提供一种制备高频介电陶瓷元件的方法，其包括下列步骤：提供前述玻璃陶瓷复合材料；混合玻璃陶瓷复合材料与有机载体，以形成浆料；将浆料制成生胚；以及致密化生胚。

综上所述，本发明高频介电陶瓷元件的浆料、制造方法及其玻璃陶瓷复合材料中，因将氧化铝或氧化钛陶瓷材料加入铋锌硼硅铝玻璃或锂铝硅锌硼玻璃而得烧结温度低于至962℃的玻璃陶瓷复合材料，此玻璃陶瓷复合材料可与高导电性金属(如银)共烧而得低温可烧结致密的高频介电陶瓷元件。此外，所得介电陶瓷元件的品质因子与共振频率乘积完全符合业界关于高品质因子与介电常数的标准。

附图说明

图1绘示本发明高频介电陶瓷元件制造方法的流程图。

图2绘示图1中步骤S16的详细流程图。

附图标记说明

S10-S16、S160-S162：流程步骤

具体实施方式

本发明玻璃陶瓷复合材料是由氧化铝(或氧化钛)与铋锌硼硅铝玻璃形成。氧化铝或氧化钛于玻璃陶瓷复合材料的重量比可以是5％～30％，优选是15％～25％。铋锌硼硅铝玻璃于玻璃陶瓷复合材料的重量比可以是70％～95％，优选是75％～85％。此外，前述玻璃陶瓷复合材料可与高导电性金属(如银)共烧。

此外，铋锌硼硅铝玻璃可包括0.5％～2.5％的氧化铋、20％～50％的氧化锌、35％～75％的氧化硼、1％～15％的氧化硅以及1％～15％的氧化铝。铋锌硼硅铝玻璃更佳是包括1％～2％的氧化铋、30％～40％的氧化锌、45％～60％的氧化硼、5％～10％的氧化硅以及5％～10％的氧化铝。

另外，本发明玻璃陶瓷复合材料也可以改由氧化铝(或氧化钛)与锂铝硅锌硼玻璃所形成。氧化铝或氧化钛于玻璃陶瓷复合材料的重量比可以是7％～31％，优选是13％～25％。锂铝硅锌硼玻璃于玻璃陶瓷复合材料的重量比可以是69％～93％，优选是75％～87％。此外，前述玻璃陶瓷复合材料可与高导电性金属(如银)共烧。

此外，锂铝硅锌硼玻璃可包括1％～15％的氧化锂、20％～50％的氧化锌、30％～70％的氧化硼以及1％～20％的氧化硅。更佳地，锂铝硅锌硼玻璃可包括1％～10％的氧化锂、30％～40％的氧化锌、45％～55％的氧化硼以及5％～15％的氧化硅。

之后，混合65％～55％的前述玻璃陶瓷复合材料与35％～45％的有机载体，即可得到用以制备高频陶瓷元件的浆料。

在上述浆料中，有机载体可包括聚乙二醇、聚乙烯缩丁醛及聚乙烯醇的粘结剂、正丙醇、甲苯及乙醇的有机溶剂、缩二丁醛的塑化剂或其组合。

请参阅图1，其为本发明高频介电陶瓷元件制造方法的流程图。如图1所示，首先，执行步骤S10，提供前述玻璃陶瓷复合材料。接着，执行步骤S12，混合玻璃陶瓷复合材料与有机载体，以形成浆料。然后，执行步骤S14，将浆料制成生胚。最后，执行步骤S16，致密化生胚，进而完成低温可烧结致密的高频介电陶瓷元件的制造。

此外，请参阅图2，其为图1中步骤S16的详细流程图。如图2所示，首先，执行子步骤S160，将生胚进行脱脂，以去除生胚内的有机载体。然后，执行子步骤S162，烧结生胚，以使生胚致密化。

在此实施例中，上述的致密化生胚(步骤S16)优选是在空气或氮/氢气中进行。此外，生胚可以于不高于962℃的温度进行致密化。生胚优选是在750℃至900℃的温度进行烧结，烧结时间优选为10至60分钟。生胚更佳是在550至750℃的温度进行烧结时，烧结时间为10至60分钟。本发明所得的介电陶瓷元件于2至5GHz具7至11的介电常数及800至5000的品质因子与共振频率乘积，符合业界高品质因子与介电常数的标准。

此外，本发明制备高频介电陶瓷元件的方法中，还可以包括在生胚上网印低熔点且低阻抗的导体。然后，将多个生胚叠压成层叠陶瓷生胚。最后，致密化层叠陶瓷生胚，进而完成低温可烧结致密的层叠高频介电陶瓷元件制造。

以下兹举数个实验范例，进一步说明本发明。

实验范例1

首先，将不同比例的氧化铝与铋锌硼硅铝玻璃以如下表一所示方式加以混合。之后，量取总重10克不同比例的玻璃陶瓷粉末，加入10cc的正丙醇(1-propyl alcohol)、5wt％聚乙二醇(polyethylene glycol 200，PEG 200)，及10颗直径10mm氧化锆磨球，以三维空间悬臂混粉机混合2小时。然后，在80℃烘干1小时后以研钵与杵研磨。如非特别说明，试片均为量秤粉末2.5g，放入直径15mm的圆形压模，以9MPa的压力维持15秒，将粉末压片成生胚。然后，将准备好的生胚在550℃至750℃条件下烧结10至60分钟。最后，将烧结后的试片利用LCR meter量测1MHz下的低频性质，且利用Hakkiand Coleman的方法，测量其高频介电常数及品质因子，而共振频率温度系数的测量的范围为-20℃至80℃。此实验范例1得到的结果如下表一所示。

表一

 

玻璃(％)	氧化铝(％)	介电常数	品质因子×共振频率系数@2.4GHz
				92	8	9.0	370
86	14	10.5	1080
				82	18	11.9	2880
78	22	11.0	369
				74	26	8.6	120

此外，上述的烧结工艺主要分成二阶段。第一阶段为脱脂：使生胚在5℃/min的加热速度下，缓慢清除生胚胎内的有机粘结剂，为确实完全清除，温度在500℃停留1小时；第二阶段则以5至15℃/min的加热速度到达烧结温度，停留10至60分钟后炉冷。

实验范例2

除了改以氧化钛取代氧化铝，且氧化钛与铋锌硼硅铝玻璃混合比如下表二所示之外，其余与实验范例1相同。所得到的结果如下表二所示。

表二

 

玻璃(％)	氧化钛(％)	介电常数	品质因子×共振频率系数@2.4GHz	共振频率温度系数
					93	7	7.2	960	-
90	10	9.5	2146	-5
					87	13	16.4	4430	-27
84	16	11.0	634	-
					81	19	6.5	120	-

实验范例3

除了改以锂铝硅锌硼玻璃取代铋锌硼硅铝玻璃，且氧化铝与锂铝硅锌硼玻璃混合比如下表三所示之外，其余与实验范例1相同。所得到的结果如下表三所示。

表三

 

玻璃(％)	氧化铝(％)	介电常数	品质因子×共振频率系数@2.4GHz
				83	17	7.8	530
80	20	8.0	550
				76	24	8.2	578
71	29	7.8	540
				69	31	7.3	450

实验范例4

除了改以氧化钛取代氧化铝，且氧化钛与锂铝硅锌硼玻璃混合比如下表四所示之外，其余与实验范例3相同。所得到的结果如下表四所示。

表四

 

玻璃(％)	氧化钛(％)	介电常数	品质因子×共振频率系数@2.4GHz	共振频率温度系数
					93	7	4.80	640.0
90	10	6.33	1430.7	-7.5
					87	13	10.93	2953.3	-25.5
84	16	7.33	1624.7
					81	19	4.33	550.0

由前述各实验范例的结果可知，本发明的玻璃陶瓷复合材料的烧结温度系可于962℃以下进行烧结，而且所得介电陶瓷元件的品质因子与共振频率乘积完全符合业界关于高品质因子与介电常数的标准。

综上所述，本发明高频介电陶瓷元件的浆料、制造方法及其玻璃陶瓷复合材料中，因将氧化铝或氧化钛陶瓷材料加入铋锌硼硅铝玻璃而得烧结温度低于至962℃的玻璃陶瓷复合材料，此玻璃陶瓷复合材料可与高导电性金属(如银)共烧而得低温可烧结致密的高频介电陶瓷元件。此外，所得介电陶瓷元件的品质因子与共振频率乘积完全符合业界关于高品质因子与介电常数的标准。

通过以上优选具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所披露的优选具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。因此，本发明所申请的专利范围的范畴应该根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及具相等性的安排。

Claims (20)

1.一种玻璃陶瓷复合材料，包括：

氧化铝或氧化钛；以及

铋锌硼硅铝玻璃或锂铝硅锌硼玻璃。

2.如权利要求1所述的玻璃陶瓷复合材料，其中该铋锌硼硅铝玻璃占70％～95％，氧化铝或氧化钛占5％～30％。

3.如权利要求1所述的玻璃陶瓷复合材料，其中该铋锌硼硅铝玻璃包括0.5％～2.5％的氧化铋、20％～50％的氧化锌、35％～75％的氧化硼、1％～15％的氧化硅以及1％～15％的氧化铝。

4.如权利要求1所述的玻璃陶瓷复合材料，其中该锂铝硅锌硼玻璃占69％～93％，氧化铝或氧化钛占7％～31％。

5.如权利要求1所述的玻璃陶瓷复合材料，其中该锂铝硅锌硼玻璃包括1％～15％的氧化锂、20％～50％的氧化锌、30％～70％的氧化硼以及1％～20％的氧化硅。

6.一种用以制造高频介电陶瓷元件的浆料，包括：

35～45％的有机载体；以及

65～55％的玻璃陶瓷复合材料，包括：

氧化铝或氧化钛；以及

铋锌硼硅铝玻璃或锂铝硅锌硼玻璃。

7.如权利要求6所述的浆料，其中该铋锌硼硅铝玻璃占70％～95％，氧化铝或氧化钛占5％～30％。

8.如权利要求6所述的浆料，其中该铋锌硼硅铝玻璃包括0.5％～2.5％的氧化铋、20％～50％的氧化锌、35％～75％的氧化硼、1％～15％的氧化硅以及1％～15％的氧化铝。

9.如权利要求6所述的浆料，其中该锂铝硅锌硼玻璃占69％～93％，氧化铝或氧化钛占7％～31％。

10.如权利要求6所述的浆料，其中该锂铝硅锌硼玻璃包括1％～15％的氧化锂、20％～50％的氧化锌、30％～70％的氧化硼以及1％～20％的氧化硅。

11.如权利要求6所述的浆料，其中该有机载体包括聚乙二醇、聚乙烯缩丁醛及聚乙烯醇的粘结剂、正丙醇、甲苯及乙醇的有机溶剂、缩二丁醛的塑化剂或其组合。

12.一种制造高频介电陶瓷元件的方法，包括下列步骤：

提供玻璃陶瓷复合材料；

混合该玻璃陶瓷复合材料与有机载体，以形成浆料；

将该浆料制成生胚；以及

致密化该生胚；

其中该玻璃陶瓷复合材料，包括：

氧化铝或氧化钛；以及

铋锌硼硅铝玻璃或锂铝硅锌硼玻璃。

13.如权利要求12所述的方法，其中该铋锌硼硅铝玻璃占70％～95％，氧化铝或氧化钛占5％～30％。

14.如权利要求12所述的方法，其中该锂铝硅锌硼玻璃占69％～93％，氧化铝或氧化钛占7％～31％。

15.如权利要求12所述的方法，其中致密化该生胚是在空气或氮/氢气中进行。

16.如权利要求12所述的方法，其中致密化该生胚包括下列步骤：

去除该生胚内的该有机载体；以及

烧结该生胚。

17.如权利要求16所述的方法，其中烧结该生胚的温度低于962℃。

18.如权利要求12所述的方法，其中该铋锌硼硅铝玻璃包括0.5％～2.5％的氧化铋、20％～50％的氧化锌、35％～75％的氧化硼、1％～15％的氧化硅以及1％～15％的氧化铝。

19.如权利要求12所述的方法，其中该锂铝硅锌硼玻璃包括1％～15％的氧化锂、20％～50％的氧化锌、30％～70％的氧化硼以及1％～20％的氧化硅。

20.如权利要求12所述的方法，其中该有机载体包括聚乙二醇、聚乙烯缩丁醛及聚乙烯醇的粘结剂、正丙醇、甲苯及乙醇的有机溶剂、缩二丁醛的塑化剂或其组合。

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