透波超材料及其陶瓷介質基板和漿料的制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及透波超材料，尤其是涉及透波超材料所使用的陶瓷介質基板，以及陶 瓷介質基板、陶瓷介質基板漿料的制備方法。
【背景技術】
[0002] 超材料（Metamaterial)是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工 復合結構或復合材料。超材料的奇特性質源于其精密的幾何結構以及尺寸大小。超材料中 的微結構，大小尺度小于它作用的波長，因此得以對波施加影響。迄今發展出的超材料包括 左手材料、光子晶體、超磁性材料等。左手（LH)材料是一類在一定的頻段下同時具有負的 磁導率和負的介電常數的材料系統（對電磁波的傳播形成負的折射率）。與之相對的是， 大多數自然的材料是RH材料。超材料的奇異性質使它具有廣泛的應用前景，從高接收率天 線，雷達反射罩甚至是地震預警。
[0003] 從結構上看，超材料是由非金屬材料制成的基板和附著在基板表面上或嵌入在基 板內部的多個導電幾何結構構成的。基板可以虛擬地劃分為陣列排布的多個基板單元。每 個基板單元上附著有導電幾何結構，從而形成一個超材料單元。整個超材料是由很多這樣 的超材料單元組成的，就像晶體是由無數的晶格按照一定的排布構成的。每個超材料單元 上的導電幾何結構可以相同或者不完全相同。導電幾何結構是由導電材料組成的具有一定 幾何圖形的平面或立體結構。
[0004] 由于導電幾何結構的存在，每個超材料單元具有不同于基板本身的電磁特性，因 此所有的超材料單元構成的超材料對電場和磁場呈現出特殊的響應特性。通過對導電幾何 結構設計不同的具體結構和形狀，可以改變整個超材料的響應特性。
[0005] 透波超材料是能透過電磁波且幾乎不改變電磁波的性質(包括能量)的材料。為了 實現所需的性能，要求透波超材料的介質基板有較低的介電常數和介電損耗。同時由于超 材料的許多應用場合面對惡劣的環境，還需要介質基板有較高的機械強度和良好的熱學性 能。
[0006] 在多種指標的要求下，用于透波超材料的具有所需低介電常數和低介電損耗的材 質并不容易找到。
[0007] 陶瓷材料是透波超材料的介質基板的可選材料之一。目前陶瓷材料在電子元件中 的應用的研究發展迅速，尤其是低溫共燒陶瓷技術（LTCC)引人矚目。例如，中國專利公開 號CN102093031A披露一種低軟化點玻璃-陶瓷系低溫共燒陶瓷材料及其制備方法。它是 將玻璃粉和陶瓷粉混合，以流延成型法制成粗坯，并在800?950°C條件下燒結制得。低溫 共燒陶瓷的優點之一是，適合與通常作為導電層的金屬銀共燒。金屬銀的熔點為962°C，這 就需要燒結溫度在900°C以下。盡管該文獻宣稱可以制得低介電常數、低介電損耗的陶瓷材 料，但是其各個實施例的陶瓷基板材料，介電常數最低也達到了 5. 5,最高則達到7. 2。但是 這些介電常數對于透波超材料而言并不優良。
[0008] 美國電子科學實驗室提供的可商業獲得的用于制作介質基板的陶瓷流延帶，其主 要成分是氧化鋁和氧化硅，介電常數是4. 1，介電損耗是1(T2。但是這些介電常數和介電損 耗指標仍未令人滿意。而且這一陶瓷流延帶價格昂貴，提高了產品成本。

【發明內容】

[0009] 本發明的目的之一是提供一種陶瓷介質基板的漿料的制備方法，該漿料適于制備 具有更低介電常數和介電損耗的陶瓷介質基板。
[0010] 本發明的另一目的是提供一種具有更低介電常數和介電損耗的陶瓷介質基板及 其制備方法。
[0011] 本發明的另一目的是提供一種透波超材料，其介質基板為具有更低介電常數和介 電損耗的陶瓷介質基板。
[0012] 本發明所提出的陶瓷介質基板的漿料的制備方法，包括使用石英陶瓷粉和二氧化 硅系玻璃粉的混合物來準備制作陶瓷介質基板所需的漿料，其中該石英陶瓷粉的含量為 30?85wt%，該二氧化硅系玻璃粉的含量為15?70wt%。
[0013] 在本發明的一實施例中，該石英陶瓷粉為非晶態。
[0014] 在本發明的一實施例中，該石英陶瓷粉的顆粒大小在0. 5-3iim之間。
[0015] 在本發明的一實施例中，該二氧化硅系玻璃粉的粒徑在0. 5-4iim之間。
[0016] 在本發明的一實施例中，該二氧化硅系玻璃粉中二氧化硅的含量不低于95wt%。
[0017] 在本發明的一實施例中，該二氧化硅系玻璃粉還含有總含量不高于5wt%的氧化 錯、氧化鉀和氧化鈉。
[0018] 在本發明的一實施例中，該二氧化硅系玻璃粉的含量為30?50wt%。
[0019] 在本發明的一實施例中，使用該混合物準備制作陶瓷介質基板所需的漿料的步驟 包括：向該混合物中加入有機添加劑。
[0020] 本發明所提出的陶瓷介質基板的制備方法包括：按照前述的陶瓷介質基板的漿料 的制備方法準備漿料；將該漿料流延成型，制成流延片；該流延片上附著導電漿料；以及將 該流延片進行脫脂和低溫共燒，形成含有導電幾何結構的石英陶瓷-玻璃復相介質基板。
[0021] 本發明所提出用于透波超材料的陶瓷介質基板，包括基材和導電幾何結構，該基 材包括石英陶瓷和二氧化硅系玻璃，還包括不可避免的雜質，其中該石英陶瓷的含量為 30?85重量份數，該二氧化硅系玻璃的含量為15?70重量份數。
[0022] 在本發明的一實施例中，該石英陶瓷為非晶態。
[0023] 在本發明的一實施例中，該二氧化硅系玻璃中二氧化硅的含量不低于95重量份 數。
[0024] 在本發明的一實施例中，該二氧化硅系玻璃還含有不高于5重量份數的氧化鋁、 氧化鉀和氧化鈉的組合物。
[0025] 在本發明的一實施例中，該二氧化硅系玻璃的含量為30?50重量份數。
[0026] 本發明所提出的透波超材料，包括按照上述的方法形成的陶瓷介質基板。
[0027] 本發明所提出的透波超材料，包括如上所述的陶瓷介質基板。
[0028] 本發明由于采用以上技術方案，使之與現有技術相比，陶瓷介質基板在具有低溫 燒結特性和高機械強度的同時，還具有更低的介電常數和介電損耗，并且成本更低。
【附圖說明】
[0029] 為讓本發明的上述目的、特征和優點能更明顯易懂，以下結合附圖對本發明的具 體實施方式作詳細說明，其中：
[0030] 圖1示出根據本發明一實施例的陶瓷介質基板完整制作流程。
[0031] 圖2A示出根據本發明一實施例的陶瓷介質基板剖面示意圖。
[0032] 圖2B示出根據本發明一實施例的陶瓷介質基板俯視圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面結合具體實施例和附圖對本發明作進一步說明，在以下的描述中闡述了更多 的細節以便于充分理解本發明，但是本發明顯然能夠以多種不同于此描述的其它方式來實 施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下根據實際應用情況作類似推廣、演 繹，因此不應以此具體實施例的內容限制本發明的保護范圍。
[0034] 本發明的實施例基于低溫共燒陶瓷技術。低溫共燒陶瓷技術是將低溫燒結陶瓷粉 制成厚度精確而且致密的生瓷帶，作為基板材料，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精 密導體漿料印刷等工藝制出所需要的導電圖案。對于低溫共燒陶瓷技術而言，尋找符合設 計要求的陶瓷材料，以及在需要的情況下，尋找能夠降低燒結溫度且不會引起性能惡化的 玻璃是技術難點，亦是業界努力的方向。
[0035] 本發明實施例的一個特點是，使用石英陶瓷粉作為制作陶瓷介質基板的基礎。石 英陶瓷具有優良的介電性能、熱膨脹系數小、熱穩定性好、且成本較低。但是石英陶瓷的孔 隙度較大，機械強度并不突出。而且石英陶瓷的燒結溫度一般在1200°C以上，無法與低熔點 導電金屬，例如銀一起共燒。因此需要尋找一種能夠基本維持（至少不明顯惡化）石英陶瓷 的優點，而且能夠改良其缺點的介質玻璃。
[0036] 本申請的發明人從眾多材料中經過試驗及篩選，發現二氧化硅系玻璃能夠滿足上 述要求。二氧化硅系玻璃的主要成分是二氧化硅（Si02)，其次含有氧化鋁（A1203)、氧化鉀 (K20)和氧化鈉（Na20)。二氧化硅系玻璃的熔點一般