本發(fā)明屬于微波電子陶瓷材料及其制造領(lǐng)域，涉及一種具有諧振頻率溫度系數(shù)近零(τ_f～0ppm/℃)和高Q_f值特性的低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)材料及其制備方法，具體為一種Mg₂SiO₄-Li₂TiO₃復合體系LTCC材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，LTCC技術(shù)受到廣泛關(guān)注。LTCC技術(shù)廣泛用于國防軍工、汽車及信息資訊產(chǎn)品中。其最大的特點是LTCC材料能在低燒結(jié)溫度(<960℃)下燒結(jié)。

隨著微波通信技術(shù)和雷達系統(tǒng)的發(fā)展，可利用的通信頻率從微波擴展到毫米波。微波通信頻率的高端化及大的信息傳輸量要求開發(fā)高Q_f值和趨于零的τ_f值。高Q_f值是為了降低能量散失和增強頻率選擇性，趨于零的τ_f值是為了保證頻率的穩(wěn)定性。

Mg₂SiO₄微波介電陶瓷由于具有高Qf值被廣泛研究。Ohsato等(Ohsato H,Tsunooka T,Sugiyama T,et al.Forsterite ceramics for millimeterwave dielectrics[J].Journal of Electroceramics,2006,17(2):445-450)對Mg₂SiO₄介電性能進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)Mg₂SiO₄微波介電陶瓷具有高Qf值(～270,000GHz)。但其燒結(jié)溫度高(～1450℃)，且諧振頻率溫度系數(shù)τ_f偏離零較大(～-67ppm/℃)。使其不能滿足LTCC應(yīng)用需求。

Li₂TiO₃微波介電陶瓷具有較低燒結(jié)溫度和諧振頻率正溫度系數(shù)。Bian等(Bian J J,DongY F.New high Q microwave dielectric ceramics with rock salt structures:(1-x)Li₂TiO₃+xMgO system(0≤x≤0.5)[J].Journal of the European Ceramic Society,2010,30(2):325-330)研究發(fā)現(xiàn)Li₂TiO₃在1300℃下燒結(jié)，其介電性能：ε_r～22，Qf～65,000GHz，τ_f～20ppm/℃。同樣由于其燒結(jié)溫度高，且諧振頻率溫度系數(shù)τ_f偏離零較大使其不能滿足于LTCC應(yīng)用需求。將兩種正負τ_f的微波介電材料進行復合，可得到近零τ_f的微波介電復合陶瓷。再添加一定的助燒劑可實現(xiàn)低溫燒結(jié)，同時獲得高Qf值和溫度穩(wěn)定型的LTCC材料。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述存在問題或不足，本發(fā)明提供了一種Mg₂SiO₄-Li₂TiO₃復合體系LTCC材料及其制備方法，該材料能在低溫(800～950℃)燒結(jié)實現(xiàn)致密化，且介電常數(shù)在9～18間可調(diào)，使其在LTCC集成基板和器件中具有良好的應(yīng)用前景。

該溫度穩(wěn)定型高Qf值LTCC材料，包含Mg₂SiO₄、LiTiO₂和Li₂TiSiO₅三相，化學通式為(1-x)Mg₂SiO₄–xLi₂TiO₃-yLiF，其中x(0.35～0.85)，y(6～10wt％)；

Mg₂SiO₄的原料組成為：MgO和SiO₂按摩爾比MgO:SiO₂＝2:1配料；Li₂TiO₃的原料組成為：Li₂CO₃和TiO₂按摩爾比Li₂CO₃:TiO₂＝2:1配料；LiF為助燒劑，所占比例y為Mg₂SiO₄與Li₂TiO₃之和質(zhì)量百分比。

其燒結(jié)溫度為800～950℃，ε_r＝9.0～18.0，Q×f值50,000～250,000GHz，τ_f＝-15～15ppm/℃。

上述LTCC材料的具體制備方法如下：

步驟1、將分析純的MgO和SiO₂按摩爾比MgO:SiO₂＝2:1配料；然后將其進行一次球磨使配料混合均勻，按照配料與去離子水質(zhì)量比1:0.8～1.5加入去離子水，在球磨轉(zhuǎn)速250～300rpm下，球磨4～12h，球磨后將所得粉料在100～120℃下烘干備用。

步驟2、將步驟1所得的烘干粉料過40～100目篩網(wǎng)，過篩后放入坩堝中壓實，按2～5℃/min的升溫速率升至1150～1350℃進行預燒，保溫3～5h，隨爐冷卻得到Mg₂SiO₄預燒料。

步驟3、將分析純的Li₂CO₃和TiO₂按摩爾比Li₂CO₃:TiO₂＝2:1配料；將配好的原料進行一次球磨使配料混合均勻，按照配料與去離子水質(zhì)量比1:0.8～1.5加入去離子水，在球磨轉(zhuǎn)速250～300rpm下，球磨4～12h，球磨后將所得粉料在100～120℃下烘干備用。

步驟4、將步驟3所得的烘干粉料過40～100目篩網(wǎng)，過篩后放入坩堝中壓實，按2～5℃/min的升溫速率升至800～900℃進行預燒，保溫3～5h，隨爐冷卻得到Li₂TiO₃預燒料。

步驟5、將步驟2和步驟4得到預燒料以及LiF，按照(1-x)Mg₂SiO₄–xLi₂TiO₃-yLiF配比進行稱量配料，其中x＝0.35～0.85，y＝6～10wt％；然后按照配料與去離子水質(zhì)量比1:0.8～1.5加入去離子水，在球磨轉(zhuǎn)速250～300rpm下，球磨4～12h，球磨后將粉料在100～120℃下烘干備用。

步驟6、將步驟5所得烘干粉料添加入占其20wt％～30wt％的PVA溶液作為粘結(jié)劑，進行造粒并在6～10MPa單軸干壓成型。

步驟7、將步驟6所得產(chǎn)物放入燒結(jié)爐中，按2～5℃/min的升溫速率升至400～600℃排膠3～6h，然后隨爐冷卻至室溫，獲得排膠后的生坯樣品。

步驟8、將步驟7所得生坯樣品再放入燒結(jié)爐中，按2～5℃/min的升溫速率升至800℃～950℃進行燒結(jié)，并保溫3～6h，后隨爐冷卻至室溫，即可獲得溫度穩(wěn)定型高Qf值LTCC材料。

所述步驟6中PVA溶液的濃度為8～10wt％。

本發(fā)明提供的LTCC材料，基于Mg₂SiO₄和Li₂TiO₃復合體系，通過固相法獲得；實現(xiàn)燒結(jié)溫度800～950℃低于960℃(Ag熔點)，ε_r＝9.0～18.0，且具有50,000～250,000GHz的高Qf值和近零τ_f＝-15～15ppm/℃，在LTCC技術(shù)領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用前景和價值?？蓮V泛應(yīng)用于LTCC基板、疊層微波器件和模塊中。

附圖說明

圖1為樣品在850℃燒結(jié)下的X-射線衍射(XRD)圖譜；

圖2為樣品在850℃燒結(jié)下的介電性能圖。

具體實施方式

下面以實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。

步驟1：將分析純的MgO和SiO₂按摩爾比MgO:SiO₂＝2:1稱料配置原料；將配好的原料進行一次球磨使原料混合均勻，按照粉料與去離子水質(zhì)量比1:1加入去離子水，在球磨轉(zhuǎn)速300rpm下，球磨4h。球磨完將粉料在120℃下烘干備用。

步驟2：將步驟1所得的烘干粉料過60目篩網(wǎng)，過篩后放入坩堝中壓實，按2℃/min的升溫速率升至1350℃進行預燒，保溫4h，隨爐冷卻得到Mg₂SiO₄預燒料。

步驟3：將分析純的Li₂CO₃和TiO₂按摩爾比Li₂CO₃:TiO₂＝2:1稱料配置原料；將配好的原料進行一次球磨使原料混合均勻，按照粉料與去離子水質(zhì)量比1:1加入去離子水，在球磨轉(zhuǎn)速300rpm下，球磨4h。球磨完將粉料在120℃下烘干備用。

步驟4：將步驟3所得的烘干粉料過60目篩網(wǎng)，過篩后放入坩堝中壓實，按2℃/min的升溫速率升至900℃進行預燒，保溫4h，隨爐冷卻得到Li₂TiO₃預燒料。

步驟5：將步驟2和步驟4得到預燒料按照(1-x)Mg₂SiO₄–xLi₂TiO₃-yLiF(其中x＝0.35～0.85，y＝6～10wt％)配比進行稱量；按照配得粉料與去離子水質(zhì)量比1:1加入去離子水，在球磨轉(zhuǎn)速300rpm下，球磨4h。球磨完將粉料在120℃下烘干備用。

步驟6：將步驟5所得粉料添加入占其20wt％的PVA溶液作為粘結(jié)劑，進行造粒并在10MPa單軸干壓成直徑×厚度＝12mm×6mm圓柱；

步驟7：將步驟6所得產(chǎn)物放入燒結(jié)爐中，按2℃/min的升溫速率升至600℃排膠4h，然后隨爐冷卻至室溫，獲得排膠后的生坯樣品；

步驟8：將步驟7所得生坯樣品再放入燒結(jié)爐中，按2℃/min的升溫速率升至850℃進行燒結(jié)，并保溫4h，后隨爐冷卻至室溫，獲得溫度穩(wěn)定型高Qf值的LTCC材料。

實施例選取了當x＝0.35，0.45，0.55，0.65，0.75和0.85的值。

圖1為850℃燒結(jié)時，實施例x不同取值對應(yīng)的XRD圖譜。從圖中可以看出樣品含有Mg₂SiO₄、LiTiO₂和Li₂TiSiO₅三相的特征峰。

圖2為850℃燒結(jié)時，實施例x不同取值對應(yīng)的ε_r值、Qf值和τ_f值。

從實施例可見，本發(fā)明提供的LTCC材料，基于Mg₂SiO₄和Li₂TiO₃復合體系，通過固相法獲得；實現(xiàn)燒結(jié)溫度800～950℃低于960℃(Ag熔點)，且具有高Qf值和近零τ_f，在LTCC技術(shù)領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用前景和價值。