低温烧结玻璃陶瓷粉及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 低温烧结玻璃陶瓷粉及其制备方法和应用 (Low-temperature sintered glass ceramic powder and preparation method and application thereof ) 是由 李程峰 余明先 向明 王伟江 戴高环 刘建国 于 2021-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种低温烧结玻璃陶瓷粉,由第一粉体和第二粉体复合而成,其中,按质量份数计,所述第一粉体为3-10份,所述第二粉体为1份。备所述第一粉体的原料包括1-50质量份的B-(2)O-(3)、35-65质量份的CaO和10-65质量份的SiO-(2)。制备所述第二粉体的原料包括1-50质量份的H-(3)BO-(3)、35-65质量份的CaO和10-65质量份的C-(8)H-(20)Si。还提供一种低温烧结玻璃陶瓷粉的制备方法,包括对所述第一粉体的原料进行混合、熔炼、淬冷、烘干、研磨和热处理。对所述第二粉体的原料进行溶解及喷雾造粒。还提供一种低温烧结玻璃陶瓷粉在低温共烧陶瓷基板中的应用。本发明的低温烧结玻璃陶瓷粉及其制备方法和应用,有效降低了介质材料的高频损耗、介电常数及热膨胀系数,使介质材料具有更优的综合性能。(The invention provides low-temperature sintered glass ceramic powder which is formed by compounding 3-10 parts by weight of first powder and 1 part by weight of second powder. The raw material for preparing the first powder comprises 1-50 parts by mass of B 2 O 3 35-65 parts by mass of CaO and 10-65 parts by mass of SiO 2 . The raw material for preparing the second powder comprises 1-50 parts by mass of H 3 BO 3 35-65 parts by mass of CaO and 10-65 parts by mass of C 8 H 20 And (3) Si. Also provides a preparation method of the low-temperature sintered glass ceramic powder, which comprises the steps of mixing, smelting, quenching, drying, grinding and heat treatment of the raw materials of the first powder. And dissolving and spray granulating the raw material of the second powder. Also provides the application of the low-temperature sintered glass ceramic powder in a low-temperature co-fired ceramic substrate. The low-temperature sintered glass ceramic powder and the preparation method and the application thereof effectively reduce the high-frequency loss, the dielectric constant and the thermal expansion coefficient of the dielectric material, so that the dielectric material has better comprehensive performance.)
技术领域
本发明属于功能陶瓷技术领域，特别是涉及一种低温烧结玻璃陶瓷粉及其制备方法和应用。
背景技术
随着电子通信技术的快速发展，每单元体积中的电子元器件数量急剧增加，业内对高频、低介电常数低温共烧陶瓷基板的需求与日俱增，这就要求制备陶瓷基板的介质材料具备介电常数低、高频损耗低、热膨胀系数与芯片相近和热导率高等性能。
目前，低温共烧陶瓷基板常常出现高频损耗高、介电常数随频率变化大、与金属浆料共烧时出现翘曲、热导率低等问题。高频损耗高主要与介质材料中无定形玻璃相过多有关，在高频下玻璃相中的离子电导是介质损耗的主要来源。对于陶瓷/玻璃体系材料中，由于玻璃材料为非结晶玻璃，烧结后仍主要以无定型结构存在，如此一来就大幅提升了介质材料在高频下的介电损耗。玻璃陶瓷体系材料中，虽然一部分结晶玻璃在烧结过程会因为表面析晶过程形成晶体结构，但是仍存在较大部分的结晶玻璃仍以无定形结构存在，同样影响介质材料的高频损耗性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，并提供一种低温烧结玻璃陶瓷粉及其制备方法和应用，以解决低温烧结介质材料高频损耗高、介电常数随频率变化大的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种低温烧结玻璃陶瓷粉，由第一粉体和第二粉体复合而成，其中，按质量份数计，所述第一粉体为3-10份，所述第二粉体为1份；
制备所述第一粉体的原料包括1-50质量份的B2O3、35-65质量份的CaO和10-65质量份的SiO2；
制备所述第二粉体的原料包括1-50质量份的H3BO3、35-65质量份的CaO和10-65质量份的C8H20Si。
对上述技术方案的进一步改进是：
所述第一粉体的粒径为1-10μm，和/或所述第二粉体的粒径为10-200nm。
所述第一粉体在与所述第二粉体复合之前需进行热处理，所述热处理的温度为700-900℃，热处理的加热时间为30-120min。
本发明还提供一种低温烧结玻璃陶瓷粉的制备方法，包括以下步骤：
制备第一粉体：分别称取1-50质量份的B2O3、35-65质量份的CaO和10-65质量份的SiO2，混合后进行熔炼，得到熔融物，将所述熔融物进行淬冷、烘干、研磨、及热处理后得到所述第一粉体；
制备第二粉体：分别称取1-50质量份的H3BO3、35-65质量份的CaO和10-65质量份的C8H20Si，混合后溶解于水中，经喷雾造粒后得到所述第二粉体；
混合：将所述第一粉体和所述第二粉体按照3-10：1的质量比例进行混合，得到所述低温烧结玻璃陶瓷粉。
进一步地，所述熔炼的温度范围为1200-1500℃，熔炼时间为20-40min。
进一步地，所述热处理的温度范围为700-900℃，热处理的加热时间为30-120min。
进一步地，所述喷雾造粒的温度范围为900-1100℃。
进一步地，所述第一粉体的粒径为1-10μm。
所述第二粉体的粒径为10-200nm。
本发明还提供一种低温烧结玻璃陶瓷粉在低温共烧陶瓷基板中的应用，所述低温烧结玻璃陶瓷粉上述的低温烧结玻璃陶瓷粉的制备方法制备而成。
根据本发明的技术方案可知，本发明的低温烧结玻璃陶瓷粉为CaO-B2O3-SiO2体系，其通过合理选配制备第一粉体和第二粉体的原料，使得低温共烧形成的介质材料中，无定形玻璃相控制在合理范围内，既不过多，也不过少，并且能够有效降低介质材料高频损耗偏大的问题。本发明的低温烧结玻璃陶瓷粉的制备方法，通过对第一粉体进行晶化热处理，一方面减少低温共烧介质材料中无定形玻璃结构的含量，提高了低温烧结玻璃陶瓷粉的结晶度，同时使第一粉体的致密化温度不发生改变，从而降低了介质材料的介电常数以及热膨胀系数，解决了致密化温度过高共烧时介质材料与金属导体匹配性差的问题。
附图说明
图1为本发明实施例的低温烧结玻璃陶瓷粉的制备方法的流程示意图。
图2为本发明实施例1制备的测试样品1的结晶度检测结果。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例：本实施例提供一种低温烧结玻璃陶瓷粉，由第一粉体和第二粉体复合而成，其中所述第一粉体为3-10质量份，所述第二粉体为1质量份。
制备所述第一粉体的原料包括1-50质量份的B2O3(氧化硼)，35-65质量份的CaO(氧化钙)和10-65质量份的SiO2(氧化硅)。所述第一粉体的粒径为1-10μm。
制备所述第二粉体的原料包括1-50质量份的H3BO3(硼酸)，35-65质量份的CaO(氧化钙)和10-65质量份的C8H20Si(四乙基硅烷)。所述第二粉体的粒径为10-200nm。
在具体的实施例中，所述第一粉体的原料可以包括10质量份的B2O3，45质量份的CaO和45质量份的SiO2，或者包括5质量份的B2O3，47.5质量份的CaO和47.5质量份的SiO2，或者包括10质量份的B2O3，50质量份的CaO和40质量份的SiO2。
在具体的实施例中，所述第二粉体的原料可以包括20质量份的H3BO3，40质量份的CaO和40质量份的C8H20Si，或者包括25质量份的H3BO3，37.5质量份的CaO和37.5质量份的C8H20Si，或者包括20质量份的H3BO3，50质量份的CaO和30质量份的C8H20Si。
如图1所示，本实施例还提供一种低温烧结玻璃陶瓷粉的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备第一粉体：分别称取1-50质量份的B2O3、35-65质量份的CaO和10-65质量份的SiO2，充分混合后，置于刚玉坩锅或铂金坩锅中进行熔炼，熔炼的温度范围为1200-1500℃，熔炼时间为20-40min，得到熔融物，将所述熔融物倾倒入水中进行淬冷。对淬冷后的熔融物进行烘干后，球磨破碎至1-10μm的粒径范围。再将其置于马弗炉中进行热处理，热处理的加热温度范围为700-900℃，热处理的加热时间为30-120min，得到所述第一粉体。
S2、制备第二粉体：分别称取1-50质量份的H3BO3、35-65质量份的CaO和10-65质量份的C8H20Si，充分混合后，按照5-10wt％的浓度溶解于水中，经喷雾塔喷雾雾化并熔炼后得到所述第二粉体，所述喷雾雾化的温度范围为900-1100℃。所述第二粉体的粒径范围为10-200nm。
S3、混合：将所述第一粉体和所述第二粉体按照3-10：1的质量比例进行混合，得到所述低温烧结玻璃陶瓷粉。在具体的实施例中，所述第一粉体和所述第二粉体的质量比可以是4：1、5：1、8：1或9：1等等。
实施例1：本实施例的低温烧结玻璃陶瓷粉的制备方法，具体的步骤如下：
S1、制备第一粉体：分别称取10质量份的B2O3、45质量份的CaO和45质量份的SiO2，充分混合后，置于刚玉坩锅或铂金坩锅中进行熔炼，熔炼的温度为1400℃，熔炼时间为30min，得到熔融物，将所述熔融物倾倒入水中进行淬冷。对淬冷后的熔融物进行烘干后，球磨破碎后的粒径为5μm。再将其置于马弗炉中进行热处理，热处理的加热温度为850℃，热处理的加热时间为1h，得到所述第一粉体。
S2、制备第二粉体：分别称取20质量份的H3BO3、40质量份的CaO和40质量份的C8H20Si，充分混合后，按照8wt％的浓度溶解于水中，经喷雾塔喷雾雾化并熔炼后得到所述第二粉体，所述喷雾雾化的温度为1000℃。所述第二粉体的粒径为15nm。
S3、混合：将所述第一粉体和所述第二粉体按照5：1的质量比例进行混合，静止一段时间后得到复合后的所述低温烧结玻璃陶瓷粉。
为便于后续对该实施例制备的低温烧结玻璃陶瓷粉的性能进行验证，可以将所述低温烧结玻璃陶瓷粉流延成型后，于850℃下保温10min，制成测试样品1，用于进行性能测试。
实施例2：本实施例的低温烧结玻璃陶瓷粉的制备方法，与实施例1的步骤基本相同，在此不再赘述，不同的是：
S1、制备第一粉体：分别称取5质量份的B2O3、47.5质量份的CaO和47.5质量份的SiO2。充分混合后，置于刚玉坩锅或铂金坩锅中进行熔炼，熔炼的温度范围为1500℃，球磨破碎后的粒径为3-4μm。热处理的加热温度为800℃。
S2、制备第二粉体：分别称取25质量份的H3BO3、37.5质量份的CaO和37.5质量份的C8H20Si，充分混合后，按照10wt％的浓度溶解于水中。
S3、混合：将所述第一粉体和所述第二粉体按照8：1的质量比例进行混合。
为便于后续对该实施例制备的低温烧结玻璃陶瓷粉的性能进行验证，可以将所述低温烧结玻璃陶瓷粉流延成型后，于850℃下保温10min，制成测试样品2，用于进行性能测试。
实施例3：本实施例的低温烧结玻璃陶瓷粉的制备方法，与实施例1的步骤基本相同，在此不再赘述，不同的是：
S1、制备第一粉体：分别称取10质量份的B2O3、50质量份的CaO和40质量份的SiO2。球磨破碎后的粒径为5-8μm。热处理的加热温度为780℃，热处理的加热时间为1.5h。
S2、制备第二粉体：分别称取20质量份的H3BO3、50质量份的CaO和30质量份的C8H20Si，充分混合后，按照6wt％的浓度溶解于水中。所述第二粉体的粒径为50nm。
S3、混合：将所述第一粉体和所述第二粉体按照4：1的质量比例进行混合。
为便于后续对该实施例制备的低温烧结玻璃陶瓷粉的性能进行验证，可以将所述低温烧结玻璃陶瓷粉流延成型后，于850℃下保温10min，制成测试样品3，用于进行性能测试。
对比例1：本对比例提供一种低温共烧介质材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备第一粉体：分别称取10质量份的B2O3、45质量份的CaO和45质量份的SiO2。充分混合后，置于马弗炉中进行熔炼，熔炼的温度为1400℃，熔炼时间为30min，得到熔融物，将所述熔融物倾倒入水中进行淬冷。对淬冷后的熔融物进行烘干后，球磨破碎后的粒径为3-5μm，得到所述第一粉体。
S2、制备第二粉体：分别称取30质量份的B2O3、40质量份的CaO和40质量份的C8H20Si，充分混合后，置于马弗炉中进行熔炼，熔炼的温度为1300℃，熔炼时间为30min，得到熔融物，将所述熔融物倾倒入水中进行淬冷。对淬冷后的熔融物进行烘干后，球磨破碎后的粒径为3-5μm，得到所述第二粉体。
S3、混合：将所述第一粉体和所述第二粉体按照1：1的质量比例进行混合。
为便于后续对该实施例制备的低温烧结玻璃陶瓷粉的性能进行验证，可以将所述低温烧结玻璃陶瓷粉流延成型后，于850℃下保温10min，制成测试样品4，用于进行性能测试。
对比例2：本对比例提供一种低温共烧介质材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备第一粉体：分别称取10质量份的B2O3、45质量份的CaO和45质量份的SiO2。充分混合后，置于马弗炉中进行熔炼，熔炼的温度为1400℃，熔炼时间为30min，得到熔融物，将所述熔融物倾倒入水中进行淬冷。对淬冷后的熔融物进行烘干后，球磨破碎后的粒径为3-5μm，得到所述第一粉体。
S2、制备第二粉体：将石英砂置于马弗炉中进行熔炼，熔炼的温度为1600℃，熔炼时间为30min，得到熔融物，将所述熔融物倾倒入水中进行淬冷。对淬冷后的熔融物进行烘干后，球磨破碎后的粒径为3-5μm，得到所述第二粉体。
S3、混合：将所述第一粉体和所述第二粉体按照1：1的质量比例进行混合。
为便于后续对该实施例制备的低温烧结玻璃陶瓷粉的性能进行验证，可以将所述低温烧结玻璃陶瓷粉流延成型后，于850℃下保温10min，制成测试样品5，用于进行性能测试。
对上述五个测试样品进行测试，测试结果如表1所示。
表1
由上表数据可知，相较于两个对比例，由本发明实施例1至3所制备的低温烧结玻璃陶瓷粉具有较低的介电常数、较低的介电损耗、较低的热膨胀系数和较高的结晶度，其综合性能更优。
本发明的低温烧结玻璃陶瓷粉的制备方法，首先通过对第一粉体进行晶化热处理，一方面减少低温共烧介质材料中无定形玻璃结构的含量，另一方面不改变第一粉体的致密化温度。采用纳米级别的第二粉体作为降低介质材料致密化温度的关键材料。使第一粉体和第二粉体的混合物在烧结后的结晶度达到90％以上，既解决了高频损耗偏大的问题，同时还解决了致密化温度过高导致的共烧匹配性差的问题。
本发明还提供一种低温烧结玻璃陶瓷粉在低温共烧陶瓷基板中的应用，所述低温烧结玻璃陶瓷粉由实施例1至3任意一个所述的制备方法制备而成。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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