本發(fā)明涉及介電陶瓷材料，特別是涉及用于制造微波頻率使用的陶瓷基板、諧振器與濾波器等微波元器件的介電陶瓷材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

微波介電陶瓷是指應(yīng)用于微波頻段(主要是UHF和SHF頻段)電路中作為介質(zhì)材料并完成一種或多種功能的陶瓷，在現(xiàn)代通訊中被廣泛用作諧振器、濾波器、介質(zhì)基片和介質(zhì)導(dǎo)波回路等元器件，是現(xiàn)代通信技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，已在便攜式移動電話、汽車電話、無繩電話、電視衛(wèi)星接受器和軍事雷達(dá)等方面有著十分重要的應(yīng)用，在現(xiàn)代通訊工具的小型化、集成化過程中正發(fā)揮著越來越大的作用。

應(yīng)用于微波頻段的介電陶瓷，應(yīng)滿足如下介電特性的要求：(1)系列化介電常數(shù)ε_r以適應(yīng)不同頻率及不同應(yīng)用場合的要求；(2)高的品質(zhì)因數(shù)Q值或低的介電損耗tanδ以降低噪音，一般要求Qf≥3000GHz；(3)諧振頻率的溫度系數(shù)τ_f盡可能小以保證器件具有好的熱穩(wěn)定性，一般要求-10ppm/℃≤τ_f≤+10ppm/℃。國際上從20世紀(jì)30年代末就有人嘗試將電介質(zhì)材料應(yīng)用于微波技術(shù),并制備出TiO₂微波介質(zhì)濾波器，但其諧振頻率溫度系數(shù)τ_f太大而無法實(shí)用化。上世紀(jì)70年代以來，開始了大規(guī)模的對介質(zhì)陶瓷材料的開發(fā)工作,根據(jù)相對介電常數(shù)ε_r的大小與使用頻段的不同，通常可將已被開發(fā)和正在開發(fā)的微波介質(zhì)陶瓷分為4類。

(1)超低介電常數(shù)微波介電陶瓷，主要代表是Al₂O₃-TiO₂、Y₂BaCuO₅、MgAl₂O₄和Mg₂SiO₄等，其ε_r≤20，品質(zhì)因數(shù)Q×f≥50000GHz，τ_f≤10ppm/℃。主要用于微波基板以及高端微波元器件。

(2)低ε_r和高Q值的微波介電陶瓷，主要是BaO-MgO-Ta₂O₅,BaO-ZnO-Ta₂O₅或BaO-MgO-Nb₂O₅,BaO-ZnO-Nb₂O₅系統(tǒng)或它們之間的復(fù)合系統(tǒng)MWDC材料。其ε_r＝20～35,Q＝(1～2)×10⁴(在f≥10GHz下),τ_f≈0。主要應(yīng)用于f≥8GHz的衛(wèi)星直播等微波通信機(jī)中作為介質(zhì)諧振器件。

(3)中等ε_r和Q值的微波介電陶瓷，主要是以BaTi₄O₉、Ba₂Ti₉O₂₀和(Zr、Sn)TiO₄等為基的MWDC材料,其ε_r＝35～45，Q＝(6～9)×10³(在f＝3～－4GHz下)，τ_f≤5ppm/℃。主要用于4～8GHz頻率范圍內(nèi)的微波軍用雷達(dá)及通信系統(tǒng)中作為介質(zhì)諧振器件。

(4)高ε_r而Q值較低的微波介電陶瓷，主要用于0.8～4GHz頻率范圍內(nèi)民用移動通訊系統(tǒng)，這也是微波介電陶瓷研究的重點(diǎn)。80年代以來，Kolar、Kato等人相繼發(fā)現(xiàn)并研究了類鈣鈦礦鎢青銅型BaO—Ln₂O₃—TiO₂系列(Ln＝La、Sm、Nd或Pr等,簡稱BLT系)、復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)CaO—Li₂O—Ln₂O₃—TiO₂系列、鉛基系列材料、Ca_1-xLn_2x/3TiO₃系等高ε_r微波介電陶瓷，其中BLT體系的BaO—Nd₂O₃—TiO₂材料介電常數(shù)達(dá)到90，鉛基系列(Pb,Ca)ZrO₃介電常數(shù)達(dá)到105。

以上這些材料體系的燒結(jié)溫度一般高于1300℃，不能直接與Ag和Cu等低熔點(diǎn)金屬共燒形成多層陶瓷電容器。近年來，隨著低溫共燒陶瓷技術(shù)(Low Temperature Co-fired Ceramics,LTCC)的發(fā)展和微波多層器件發(fā)展的要求，國內(nèi)外的研究人員對一些低燒體系材料進(jìn)行了廣泛的探索和研究，主要是采用微晶玻璃或玻璃-陶瓷復(fù)合材料體系，因低熔點(diǎn)玻璃相具有相對較高的介質(zhì)損耗，玻璃相的存在大大提高了材料的介質(zhì)損耗。因此研制無玻璃相的低燒微波介質(zhì)陶瓷材料是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

在探索與開發(fā)新型可低燒微波介電陶瓷材料的過程中，固有燒結(jié)溫度低的Li基化合物、Bi基化合物、鎢酸鹽體系化合物和碲酸鹽體系化合物等材料體系得到了廣泛關(guān)注與研究，但是由于微波介電陶瓷的三個(gè)性能指標(biāo)(ε_r與Q·f和τ_f)之間是相互制約的關(guān)系(見文獻(xiàn)：微波介質(zhì)陶瓷材料介電性能間的制約關(guān)系，朱建華，梁飛，汪小紅，呂文中，電子元件與材料，2005年3月第3期)，滿足三個(gè)性能要求且可低溫?zé)Y(jié)的單相微波介質(zhì)陶瓷非常少，主要是它們的諧振頻率溫度系數(shù)通常過大或者品質(zhì)因數(shù)偏低而無法實(shí)際應(yīng)用要求。目前對微波介質(zhì)陶瓷的研究大部分是通過大量實(shí)驗(yàn)而得出的經(jīng)驗(yàn)總結(jié),卻沒有完整的理論來闡述微觀結(jié)構(gòu)與介電性能的關(guān)系，因此，在理論上還無法從化合物的組成與結(jié)構(gòu)上預(yù)測其諧振頻率溫度系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)等微波介電性能，這在很大程度上限制了低溫共燒技術(shù)及微波多層器件的發(fā)展。探索與開發(fā)既能低溫?zé)Y(jié)同時(shí)具有近零諧振頻率溫度系數(shù)(-10ppm/℃≤τ_f≤+10ppm/℃)與較高品質(zhì)因數(shù)的微波介電陶瓷是本領(lǐng)域技術(shù)人員一直渴望解決但始終難以獲得成功的難題。我們對組成為Ca₃In₂TiO₈、Ca₃In₂SiO₈與Sr₃In₂TiO₈的陶瓷進(jìn)行了燒結(jié)與微波介電性能研究，發(fā)現(xiàn)它們的燒結(jié)溫度低于1200℃，其中Ca₃In₂TiO₈具有近零諧振頻率溫度系數(shù)與高品質(zhì)因數(shù)，Ca₃In₂SiO₈與Sr₃In₂TiO₈為半導(dǎo)體，其介電損耗大而沒有諧振峰，因此無法作為可實(shí)用化的微波介質(zhì)陶瓷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種具有良好的熱穩(wěn)定性與低損耗的超低介電常數(shù)微波介電陶瓷材料及其制備方法。

本發(fā)明的微波介電陶瓷材料的化學(xué)組成為Ca₃In₂TiO₈。

本微波介電陶瓷材料的制備方法步驟為：

(1)將純度為99.9％(重量百分比)以上的CaCO₃、In₂O₃和TiO₂的原始粉末按Ca₃In₂TiO₈的組成稱量配料。

(2)將步驟(1)原料濕式球磨混合12小時(shí)，球磨介質(zhì)為蒸餾水，烘干后在1100℃大氣氣氛中預(yù)燒6小時(shí)。

(3)在步驟(2)制得的粉末中添加粘結(jié)劑并造粒后，再壓制成型，最后在1150～1200℃大氣氣氛中燒結(jié)4小時(shí)；所述的粘結(jié)劑采用質(zhì)量濃度為5％的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇添加量占粉末總質(zhì)量的3％。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：Ca₃In₂TiO₈陶瓷燒結(jié)溫度較低，原料成本低；其品質(zhì)因數(shù)Qf值高達(dá)78500-92000GHz,介電常數(shù)達(dá)到6.9～7.4，其諧振頻率的溫度系數(shù)τ_f小，溫度穩(wěn)定性好；可廣泛用于各種介質(zhì)基板、諧振器和濾波器等微波器件的制造，可滿足低溫共燒技術(shù)及微波多層器件的技術(shù)需要。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例：

表1示出了構(gòu)成本發(fā)明的不同燒結(jié)溫度的3個(gè)具體實(shí)施例及其微波介電性能。其制備方法如上所述，用圓柱介質(zhì)諧振器法進(jìn)行微波介電性能的評價(jià)。

本陶瓷可廣泛用于各種介質(zhì)基板、諧振器和濾波器等微波器件的制造，可滿足移動通信和衛(wèi)星通信等系統(tǒng)的技術(shù)需要。

表1：