一种高Q透明YAG微波介质陶瓷材料及其应用

摘要

本发明属于电子信息功能材料与器件技术领域，具体涉及一种具有高品质因素的透明YAG微波介质陶瓷及其应用，其特点有：(1)选用高纯原料，避免杂质的影响，(2)考虑了磨球种类和磨损的影响，(3)微量掺杂烧结助剂，避免了杂相生成，(4)采用真空气氛烧结，烧结温度更高，促进元素扩散移动，陶瓷体更加致密；获得的YAG微波介质陶瓷相对密度更高≥99.9％，几乎不含有气孔，为纯YAG单相陶瓷，经过抛光后呈现透明状，其在1064nm波长处透过率≥80％；再者，透明YAG微波介质陶瓷的由于所含杂质少、没有气孔的纯YAG相组成，因此获得的品质因素Q值更高为95000～171000GHz。适和用作微波介质基板材料，可以制作成现代通信技术中的介质谐振器和介质滤波器等微波通信元器件。

权利要求

1.一种高Q透明YAG微波介质陶瓷材料，其特征在于所述陶瓷材料在1064nm波长处透过率≥80％，并具有微波介电性能：介电常数为9.1～10.8，Q﹡f值为95000～171000GHz，频率温度系数为-30～-40ppm/℃；其性能适合作为微波介质基板材料应用于微波通信元器件领域；其制备方法包括以下步骤：步骤1：配料，选择Al2O3、Y2O3、TEOS和Mg(NO3)2为原料，按照设计配方称量原料：基料组成Y3Al5-xO12，其中﹢0.001≤x≤+0.005；烧结助剂组成为基料总质量的0.40～0.55wt％TEOS和0.06～0.10wt％MgO，其中MgO通过Mg(NO3)2水溶液的形式加入；原料中，Al2O3和Y2O3的纯度≥99.99％，Mg(NO3)2的纯度≥99.9％；

步骤2：球磨，将步骤1备好的原料Al2O3、Y2O3、TEOS和Mg(NO3)2水溶液依次放入装有氧化铝磨球的球磨罐中，然后倒入无水乙醇，在行星球磨机上以220r/min的转速球磨10小时；其中，YAG原料粉体、氧化铝磨球和无水乙醇的质量比为：1:5.7:1.6；所述YAG原料粉体为原料Al2O3、Y2O3、TEOS和Mg(NO3)2；

步骤3：预烧，将经过步骤2球磨的浆料在80℃烘干，再过100目尼龙筛，然后在800℃预烧4小时；

步骤4：成型，将经过步骤3获得的预烧料粉体先在20MPa压力下干压成型，然后再在

200MPa压力下冷等静压5分钟，获得陶瓷坯体；

步骤5：烧结，将步骤4所得陶瓷坯体在真空气氛下的1750～1800℃烧结10～30h，再在

1500℃退火，即得到致密的YAG微波介质陶瓷材料；

步骤6：抛光，将步骤5得到的YAG微波介质陶瓷材料抛光，即得到具有高Q特征的透明YAG微波介质陶瓷材料。

2.一种如权利要求1所述高Q透明YAG微波介质陶瓷材料的应用，其特征在于作为微波介质基板材料应用于微波通信元器件领域。

说明书

一种高Q透明YAG微波介质陶瓷材料及其应用

技术领域

[0001] 本发明属于电子信息功能材料与器件技术领域，具体涉及一种具有高品质因素的透明YAG微波介质陶瓷材料及其应用，适合用作微波介质基板材料，可以制作成现代通信技术中的介质谐振器、介质滤波器等微波通信元器件。技术背景

[0002] 随着微波通信技术快速发展的需要，对微波设备提出了体积要小、质量要轻、可靠性要高、性能要优异和成本要低等要求，这就促成了微波技术与集成电路的结合，产生了微波集成电路。微波集成电路技术对传输系统的基本要求之一就是它必须要有平面型结构，从而可以通过调整单一平面尺寸来控制其传输特性，以实现微波电路的集成化。带状线、微带线及耦合微带线正是适应上述发展趋势而出现的。这些传输系统的材料除了金属薄膜导体外，就是微波介质基板材料了。随着通信设备运行频率的不断提高，信号延迟现象会变得更加明显，系统损耗和发热量也会随之增大，系统稳定性会逐渐变差，因此，对制造通信器件的关键材料———微波介质材料的性能参数提出了更高的要求。低介电常数能减小材料与电极之间的交互耦合损耗，并提高电信号的传输速率，高品质因数有利于提高器件工作频率的可选择性，近零的谐振频率温度系数，有助于提高器件的频率温度稳定特性。目前在较低频段范围内，微波介质陶瓷通常选用介电常数≤15的高分子或陶瓷材料。但随着通信频率不断升高，介电损耗不断增大，器件发热量迅速增加，材料的热导率成为一个需要重点考虑的因素，由于陶瓷材料的热导率是有机材料的20倍左右，故可简化热设计，利于器件小型化，并能明显提高器件的寿命和可靠性。

[0003] 对于具有石榴石结构的Y3Al5O12(YAG)透明陶瓷材料，其被广泛研究用于激光增益介质材料，如1995年日本科学家Ikesue等(Ikesue,A.；Kinoshita,T.；Kamata,K.；Yoshida,K.Fabrication and optical properties of high-performance polycrystalline Nd:YAG ceramics for solid-state lasers,Journal of the American Ceramic Society,
1995,78,1033–1040)采用固相反应法制备了散射损耗低达0.009cm-1的Nd:YAG激光透明陶瓷，其折射率、热导率、硬度等物理特性的测量结果表明，Nd:YAG激光透明陶瓷与Nd:YAG单晶类似。而对于YAG陶瓷的微波介电性能研究的较少，特别是对于内部缺陷更少的透明YAG陶瓷，其微波介电性能的报道几乎没有。对于未掺杂的YAG陶瓷微波介电性能，Annrose Sunny等(Annrose S.；Varsha V.；Kuzhichalil P.S.；Mailadil T.S.The effect of Ga3+addition on the sinter ability and microwave dielectric properties of 
3+ 3+ 3+ 3+
RE3Al5O12(Tb ,Y ,Er and Yb )garnet ceramics,Ceramics International,2014,40:
4311–4317)报道在1650℃烧结的样品微波介电性能为：介电常数10.1，Q﹡f＝65000GHz，频率温度系数-45ppm/℃；对于掺杂改性后的YAG微波介质陶瓷，2015年Xiaorong Zhang等(Zhang,X.R.；Wang X.C.；Fu P.；Lu W.Z.Mirowave dielectric properties of YAG ceramics prepared by sintering pyrolysised nano-sized powders,Ceramics International,2015,41:7783-7789)报道了正硅酸乙酯(TEOS)和TiO2掺杂的在1520℃烧结的YAG陶瓷微波介电性能：介电常数9.9，Q﹡f＝71738GHz，频率温度系数-30ppm/℃；以及
2010年Zhou Yuanyuan等(Zhou Y.Y.；Yue Z.X.；Li L.T.Preparation and microwave dielectric properties of TiO2-doped YAG ceramics.Ferroelectrics,2010,407(1):
69-74)报道掺杂TiO2的YAG陶瓷在1550℃烧结获得的微波介电性能：介电常数10.2，Q﹡f＝
80100GHz，频率温度系数-30ppm/℃。

[0004] 综上所述，采用常规方法制备的YAG透明陶瓷其烧结温度大约在1500～1650℃，获得的陶瓷样品相对密度大都小于99％，含有大量气孔或杂相，不透明，微波介电性能约为：介电常数约等于10.0，Q﹡f小于90000GHz，频率温度系数小于等于-30ppm/℃。而对于在激光增益介质领域研究非常多的，采用激光透明陶瓷工艺制备的透明YAG陶瓷其相对密度大于
99.9％，内部几乎没有气孔或其他缺陷存在，具有纯的YAG相，应当具有非常低的介电损耗，但是其微波介电性能和在微波介质基板材料上的应用还未有报道。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于研究采用激光透明陶瓷工艺制备的透明YAG陶瓷的微波介电性能，为不断向高频发展的无线通信元器件提供一种介电常数小，品质因素高，并且透明的微波介质陶瓷基板材料。

[0006] 本发明的技术方案如下：

[0007] 一种高Q透明YAG微波介质陶瓷，其在1064nm波长处透过率≥80％，并且具有微波介电性能：介电常数为9.1～10.8，Q﹡f值为95000～171000GHz，频率温度系数为-30～-40ppm/℃。

[0008] 上述高Q透明YAG微波介质陶瓷适合作为微波元器件的透明介质基板材料应用。

[0009] 一种高Q透明YAG微波介质陶瓷材料，包括基料和微量烧结助剂组成。所述基料化学式组成为Y3Al5-xO12，其中-0.001≤x≤+0.005，具体所用到的原料为Y2O3和Al2O3；烧结助剂为基料总质量的0.40～0.55wt％TEOS和0.06～0.10wt％MgO，其中MgO通过Mg(NO3)2水溶液的形式加入。引入Al元素的变量x是考虑了在原料球磨过程中，Al2O3磨球产生的磨损会引起基料中Al元素的偏多，固在配方设计时可以通过变量x达到平衡Al元素的目的。烧结助剂TEOS起到促进烧结的作用；MgO起到抑制晶粒异常长大的作用。由于烧结助剂TEOS和MgO的添加量很少，在烧结后的YAG微波介质陶瓷经XRD物相分析只含有具有立方结构的YAG单相，有助于提高透明YAG微波介质的Q值，抛光后呈现透明的特征。

[0010] 此透明YAG微波介质陶瓷在真空气氛下1700～1800℃烧结10～30h，并在1500℃退火，再经过抛光后，其在1064nm波长处透过率≥80％，介电常数为9.1～10.8，Q﹡f值为95000～171000GHz，频率温度系数为-30～-40ppm/℃。

[0011] 上述高Q透明YAG微波介质陶瓷材料的具体制备方法如下：

[0012] 步骤1：配料。选择Al2O3、Y2O3、TEOS和Mg(NO3)2为原料，按照设计配方称量原料：基料化学式组成为Y3Al5-xO12，其中-0.001≤x≤+0.005；烧结助剂组成为基料总质量的0.40～0.55wt％TEOS和0.06～0.10wt％MgO，其中MgO通过添加Mg(NO3)2水溶液的形式加入。其中，Al2O3和Y2O3的纯度≥99.99％，Mg(NO3)2的纯度≥99.9％。

[0013] 步骤2：球磨。将步骤1备好的原料Al2O3、Y2O3、TEOS和Mg(NO3)2水溶液依次放入装有氧化铝磨球的球磨罐中，然后倒入无水乙醇。在行星球磨机上以220r/min的转速球磨10小时；其中，YAG原料粉体、氧化铝磨球和无水乙醇的质量比为：1:5.7:1.6。所述YAG原料粉体为原料Al2O3、Y2O3、TEOS和Mg(NO3)2。

[0014] 步骤3：预烧。将经过步骤2球磨的浆料在80℃烘干，再过100目尼龙筛，然后在800℃预烧4小时。

[0015] 步骤4：成型。将经过步骤3获得的预烧料粉体先在20MPa压力下干压成型，然后再在200MPa压力下冷等静压5分钟，获得陶瓷坯体。

[0016] 步骤5：烧结。将步骤4所得陶瓷坯体在真空气氛下的1700～1800℃烧结10～30h，再在1500℃退火，即得到致密的YAG微波介质陶瓷材料。

[0017] 步骤6：抛光。将步骤5得到的YAG微波介质陶瓷材料经过抛光，即得到透明YAG微波介质陶瓷材料。

[0018] 本发明还提供了上述高Q透明YAG微波介质陶瓷材料的应用，作为微波介质基板材料应用于微波通信元器件领域。

[0019] 相比于已经报道过的采用常规方法制备的基于YAG相的微波介质陶瓷材料，本发明提供的YAG微波介质陶瓷材料采用工艺要求更高的激光透明陶瓷制备工艺方法制备：(1)选用高纯原料，避免杂质的影响，(2)考虑了磨球种类和磨损的影响，(3)微量掺杂烧结助剂，避免了杂相生成，(4)采用真空气氛烧结，烧结温度更高，促进元素扩散移动，陶瓷体更加致密；其次，获得的YAG微波介质陶瓷相对密度更高≥99.9％，几乎不含有气孔，为纯YAG单相陶瓷，经过抛光后呈现透明状，其在1064nm波长处透过率≥80％；再者，获得的透明YAG微波介质陶瓷由于所含杂质少、没有气孔、纯的YAG相组成，其微波介电损耗更低，因此获得的品质因素值更高，Q﹡f为95000～171000GHz。基于上述优异微波介电性能，此透明YAG陶瓷具有全新的应用领域，即作为微波介质基板材料应用于微波元器件中。

附图说明

[0020] 图1为本发明实施例6制备的透明YAG微波介质陶瓷的XRD图。

[0021] 图2为本发明实施例6制备的透明YAG微波介质陶瓷的透过率图。

具体实施方式

[0022] 一种高Q透明YAG微波介质陶瓷材料，其组成包括基料和微量烧结助剂两部分。所述基料为化学式Y3Al5-xO12，其中-0.001≤x≤+0.005，具体所用到的原料为高纯Y2O3和Al2O3；烧结助剂为基料总质量的0.40～0.55wt％TEOS和0.06～0.10wt％MgO，其中MgO通过Mg(NO3)2水溶液的形式加入。引入Al元素的变量x是考虑了在原料球磨过程中，Al2O3磨球产生的磨损会引起基料中Al元素的偏多，固在配方设计时可以通过改变x的值达到平衡Al元素的目的。烧结助剂TEOS起到促进烧结的作用；MgO起到抑制晶粒异常长大的作用。此透明YAG微波介质陶瓷在真空气氛下的1700～1800℃烧结10～30h，并在1500℃退火，获得的YAG微波介质陶瓷相对密度更高≥99.9％，几乎不含有气孔，为纯YAG单相陶瓷，经过抛光后呈现透明状，其在1064nm波长处透过率≥80％，介电常数为9.1～10.8，Q﹡f值为95000～171000GHz，频率温度系数为-30～-40ppm/℃。基于上述优异微波介电性能，此透明YAG陶瓷具有全新的应用领域，即作为微波介质基板材料应用于微波元器件中。

[0023] 实施例1～9

[0024] 制得这些实施例高Q透明YAG微波介质陶瓷的具体实施步骤如下：

[0025] (1)选择Al2O3、Y2O3、TEOS和Mg(NO3)2为原料，按照设计配方称量原料：基料组成为Y3Al5-xO12，其中-0.001≤x≤+0.005；烧结助剂组成为基料总质量的0.40～0.55wt％TEOS和0.06～0.10wt％MgO，其中MgO通过Mg(NO3)2水溶液的形式加入。原料中，Al2O3和Y2O3的纯度≥99.99％，Mg(NO3)2的纯度≥99.9％。

[0026] (2)将备好的原料Al2O3、Y2O3、TEOS和Mg(NO3)2水溶液依次放入装有氧化铝磨球的球磨罐中，然后倒入无水乙醇。在行星球磨机上以220r/min的转速球磨10小时；其中，YAG原料粉体、氧化铝磨球和无水乙醇的质量比为：1:5.7:1.6。

[0027] (3)将经过球磨的浆料在80℃烘干，再过100目尼龙筛，然后在800℃预烧4小时。

[0028] (4)将获得的预烧料粉体先在20MPa压力下干压成型，然后再在200MPa压力下冷等静压5分钟，获得陶瓷坯体。

[0029] (5)将所得陶瓷坯体在真空气氛下的1700～1800℃烧结10～30h，再在1500℃退火，即得到致密的YAG微波介质陶瓷材料。

[0030] (6)将经过烧结和退火的YAG微波介质陶瓷材料抛光，即得到透明YAG微波介质陶瓷材料。

[0031] (7)根据Hakki-Coleman介质谐振法，用网络分析仪(Agilent Technologies E5071C)测试透明YAG微波介质陶瓷的介电性能；频率温度系数由公式计算所得，其中t1＝25℃、t2＝80℃， 分别为上述两个温
度点对应的谐振频率。

[0032] 图1为本发明实施例6制备的透明YAG微波介质陶瓷的XRD图。图2为本发明实施例6制备的透明YAG微波介质陶瓷的透过率图。

[0033] 实施例1～9所制备的透明YAG陶瓷的微波介电性能测试结果如表1所示。

[0034] 表1实施例1～9的样品组成、烧结温度和时间、微波介电性能

[0035]

[0036]

[0037] 本发明提供的高Q透明YAG微波介质陶瓷，由于介电常数约等于10，特别是介电损耗极低，适合作为微波元器件的透明微波介质基板材料应用。其应用时主要的工艺技术路线为：将高Q透明YAG微波介质陶瓷按照尺寸要求切割成基板材料；对将高Q透明YAG微波介质陶瓷基板进行抛光；在高Q透明YAG微波介质陶瓷基板表面镀上金属电路，成为微波元器件。