一种铌镁酸铋基锂钛共替换微波介电陶瓷材料及制备方法

摘要

本发明涉及微波介电陶瓷材料制造技术领域，具体地说是铌镁酸铋基微波介电陶瓷材料及制备方法。本发明通过调整介电功能添加剂的合理比例，所述材料的组分按摩尔百分比计算为：Bi2O359%～60%，MgO6.9%～7.0%，Nb2O530%～33.2%为主体材料，Li2CO3、TiO2各为0.15%～3%，为介电功能添加剂。利用传统固相合成法制备的铌镁酸铋基陶瓷材料，介电常数为188～213，介电损耗为0.00027～0.00031，介电温度系数为-683ppm/℃~-523ppm/℃；本发明的铌镁酸铋基微波介电陶瓷材料可用于集成电路中介质压控微波器件。

说明书

技术领域

本发明涉及微波介电陶瓷材料制造技术领域，具体地说是铌镁酸铋基微波介电陶瓷材料及制备方法。

背景技术

为适应集成电路的快速发展，科学家做了大量的研究工作；近几年，Bi立方焦绿石结构相得到了广泛的研究，具有这种相结构的陶瓷拥有非常高的介电常数和介电调谐率，室温下在相当大的测试频率范围内拥有低的介电损耗，并且烧结温度也比较低，这些性能使Bi基立方焦绿石结构陶瓷在多层电容器和集成设备中具有较好的应用前景。

早在20世纪60年代，Ba_xSr_1?xTiO₃(BST)铁电材料的微波介电调谐性能就引起了人们的广泛兴趣。BST陶瓷材料的特点是介电调谐率高，但介电损耗较大，相关的研究比较多；近年来，研究发现某些铋基焦绿石结构陶瓷材料具有较高的介电调谐性能，介电损耗小，适中的介电常数，温度系数小，是一种极具发展前景的微波介电可调材料。

组成为Bi_1.5ZnNb_1.5O₇的铋基BZN材料具有焦绿石结构，介电常数适中。但是，BZN陶瓷材料调谐率低，要达到一定的调谐率，调谐电场要求很高；相对于BZN陶瓷材料，另外一个以铋为基体、具有立方焦绿石结构、以三元体系的Bi₂O₃—MgO—Nb₂O₅为基础的介电陶瓷体系(简称BMN基陶瓷)在嵌入式电容器应用领域开始得到关注，原因就是这个体系所具有的高的介电常数和低的介电损耗；研究表明，化合物Bi₂Mg_2/3Nb_4/3O₇的介电常数非常之高，高达210。而化合物Bi₂Zn_2/3Nb_4/3O₇的介电常数仅为86，二价镁离子的引入可能起到了增强介电响应的效果，BMN铋基焦绿石材料是一种非常有前途的新型微波介质可调材料。

微波介质陶瓷材料的制备方法很多，有固相反应合成法、水热合成法、化学共沉积法（CVD）、溶胶凝胶法（Sol-gel）等，其中采用固相合成法的最多，固相反应合成法的优点是方法简单易操作，且成本较低。

国内外许多学者在制备铋基介电陶瓷材料方面做了大量工作，主要成果如下：宾夕法尼亚州立大学的W.Ren等人用金属有机沉积（MOD）方法在Pt/Si基片上制备了立方相的BZN薄膜，首先发现了BZN的介电可调性；R.L.Thayer等人在用金属有机沉积(MOD)法制备BZN薄膜的过程中发现了Bi₂O₃-ZnO-Nb₂O₅体系中的一种低温相Bi_1.5Zn_0.5Nb_1.5O_6.5，该低温相是在退火温度低于600℃的条件下获得的，立方烧绿石结构，介电常数为180，可调率为26%，温度系数TCC为–230ppm/℃；电子科技大学的S.W.Jiang等人用脉冲激光沉积 (PLD) 法在Pt/SiO₂/Si基片上制备BZN薄膜，其可调率大于6%，损耗低于0.004；S.W.Jiang等用Mg²⁺取代BZN材料中的Zn²⁺离子，采用PLD法制备了 Bi_1.5MgNb_1.5O₇(BMN)铋基焦绿石薄膜，所制备的BMN薄膜介电损耗小(约0.002)，介电常数适中(约86)，随温度变化较小(介电温度系数TCC约?500ppm/K)；电子科技大学的齐增亮、蒋书文等人采用磁控溅射的方法制备Bi_1.5ZnNb_1.5O₇(BZN)铋基焦绿石薄膜的介电损耗为0.002~0.004，介电调谐率约为20%；此外AEHOON P、JIWEI W L等人研究发现BMN基陶瓷材料在移相器中也存在应用；本发明采用固相合成法直接制备出多组分掺杂的微波介电铌镁酸铋基陶瓷材料。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种产品性能良好、生产成本低、方法简单，可适合于工业化生产的微波介电陶瓷材料。

本发明的目的之二是提供一种铌镁酸铋基微波介电陶瓷材料的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种Bi_1.5MgNb_1.5O₇基微波介电陶瓷材料，其特征在于：所述材料的组分按摩尔百分比计算为：Bi₂O₃59%～60%，MgO6.9%～7.0%，Nb₂O₅30%～33.2%为主体材料，Li₂CO₃、TiO₂各为0.15%～3%，为介电功能添加剂。

所述的一种Bi_1.5MgNb_1.5O₇基微波介电陶瓷材料的制备方法，其特征在于：利用传统固相合成法制备Bi_1.5MgNb_1.5O₇基微波介电陶瓷材料：按照如下摩尔百分比组分进行配料，Bi₂O₃59%～60%，MgO6.9%～7.0%，Nb₂O₅30%～33.2%为主体材料，Li₂CO₃、TiO₂各为0.15%～3%为介电功能添加剂；采用玛瑙球和不锈钢罐，无水乙醇为球磨介质，玛瑙球：配料粉：无水乙醇的质量比为2：1：1，在行星式高能球磨机中湿磨10h，转速为150rpm；球磨好的浆料在70 ℃保温24 h成干粉；采用质量分数为2%的PVA水溶液作为粘结剂，粉料和PVA溶液质量比为9:1，然后过150目标准分样筛，用20MPa压力保压5min压制，使粉料成坯；将坯体放入硅钼棒高温电炉中，以3℃/min的速率从室温升至950℃，空气气氛中保温150min，随炉冷却至室温，完成对胚体的预烧；预烧后将胚体打碎进行二次球磨，二次球磨参数与一次球磨相同，球磨好的浆料在70 ℃保温24 h成干粉；采用质量分数为2%的PVA水溶液作为粘结剂，粉料和PVA溶液质量比为10:1，然后过100目标准分样筛，用45MPa压力保压5min压制，使粉料成坯；将坯体放入硅钼棒高温电炉中，以1℃/min的速率从室温升至550℃，空气气氛中保温300min，后以2℃/min的速率升至烧结温度1130℃，空气气氛中保温90min，随炉冷却至室温。

烧结完成后，对坯体表面用细砂纸打磨抛光，保证坯体两面光滑平整，无缺陷，然后将陶瓷体两面涂覆银浆，在烘干箱中于70℃烘干；将烘干后的样品放到电阻炉中，由室温升至600℃，保温30min，形成银电极，即得铌镁酸铋基陶瓷材料。

本发明通过调整介电功能添加剂的合理比例，结合制备方法制备的铌镁酸铋基陶瓷材料，介电常数为188～213，介电损耗为0.00027～0.00031，介电温度系数为-683ppm/℃~-523ppm/℃；本发明的铌镁酸铋基微波介电陶瓷材料可用于集成电路中介质压控微波器件。

技术优势

1、制备过程简单，可重复性较高，且成本较低，便于实现大规模生产

2、通过调整介电功能添加剂的比例，BMN基陶瓷材料介电性能得到较大改善；之前报道的Bi_1.5MgNb_1.5O₇介电陶瓷材料介电常数为86左右，介电损耗小于0.005，介电温度系数为-550ppm/℃；与此对比，所制备的陶瓷材料介电损耗更小，介电常数得到提高，介电温度系数更小，弛豫温度远远低于室温，使BMN基陶瓷材料可以更好地服务于集成电路中。

具体实施方式

现将本发明的实施例叙述于后。

实施例l

1）利用传统固相合成法制备铌镁酸铋基微波介电陶瓷靶材：按照如下摩尔百分比组分进行配料，Bi₂O₃：59.0866%，MgO：6.931%，Nb₂O₅：33.137%，Li₂CO₃：0.1588%，TiO₂：0.6866%。

2）采用玛瑙球、不锈钢罐，无水乙醇为球磨介质，玛瑙球：配料粉：无

水乙醇的质量比为2：1：1，在行星式高能球磨机中湿磨10h，转速为150rpm；球磨好的浆料在70 ℃保温24 h成干粉；采用质量分数为2%的PVA水溶液作为粘结剂，粉料和PVA溶液质量比为9:1，然后过150目标准分样筛后，用20MPa压力保压5min压制，使粉料成坯；将坯体放入硅钼棒高温电炉中，以3℃/min的速率从室温升至950℃，空气气氛中保温150min，随炉冷却至室温，完成对胚体的预烧。

3）预烧后将胚体打碎进行二次球磨，二次球磨参数与一次球磨相同；球

磨好的浆料在70 ℃保温24 h成干粉；采用质量分数为2%的PVA水溶液作为粘结剂，粉料和PVA溶液质量比为10:1，然后过100目标准分样筛，用45MPa压力保压5min压制，使粉料成坯。

4）将坯体放入硅钼棒高温电炉中，以1℃/min的速率从室温升至550℃，

空气气氛中保温300min，后以2℃/min的速率升至烧结温度1130℃，空气气氛中保温90min，随炉冷却至室温。

5）对坯体表面用细砂纸打磨抛光，保证坯体两面光滑平整，无缺陷。最

后将陶瓷体两面涂覆银浆，在烘干箱中于70℃烘干；将烘干后的样品放到电阻炉中，由室温升至600℃，保温30min，形成银电极，即得铌镁酸铋基陶瓷材料。

本实施例所制作的铌镁酸铋基微波介电陶瓷材料经性能测试，介电常数为188.4959，介电损耗为0.00030，介电温度系数为-523ppm/℃。

实施例2

本实例中，按照如下摩尔百分比组分进行配料，Bi₂O₃：59.358%，MgO：

6.9627%，Nb₂O₅：32.1403%，Li₂CO₃：0.1595%，TiO₂：1.3795%，采用与实施例1相同的工艺步骤制作成铌镁酸铋基陶瓷材料。

本实施例所制作的铌镁酸铋基微波介电陶瓷薄膜材料经性能测试，介电常数为198.6450，介电损耗为0.00029，介电温度系数为-621ppm/℃。

实施例3

本实例中，按照如下摩尔百分比组分进行配料，Bi₂O₃：59.906%，MgO：

7.027%，Nb₂O₅：30.121%，Li₂CO₃：0.161%，TiO₂：2.785%，采用与实施例1相同的工艺步骤制作成铌镁酸铋基陶瓷材料。

本实施例所制作的铌镁酸铋基微波介电陶瓷薄膜材料经性能测试，介电常数为188.4959，介电损耗为0.00027，介电温度系数为-683ppm/℃。