Ceramic substrate for microwave and terahertz systems and method of producing this substrate

• Main Authors: KULAWIK, JAN, SYNKIEWICZ, BEATA, SZWAGIERCZAK, DOROTA
• Format: Patent
• Language: English; Polish
• Published: 03.10.2022
• Subjects: ARTIFICIAL STONE; BASIC ELECTRIC ELEMENTS; CABLES; CEMENTS; CERAMICS; CHEMISTRY; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDINGMATERIALS; CONCRETE; CONDUCTORS; ELECTRICITY; INSULATORS; LIME, MAGNESIA; METALLURGY; REFRACTORIES; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING ORDIELECTRIC PROPERTIES; SLAG; TREATMENT OF NATURAL STONE

Przedmiotem wynalazku jest podłoże ceramiczne dla układów mikrofalowych i terahercowych na bazie boranu miedzi oraz sposób wytwarzania tego podłoża. Przedmiotowe podłoże stanowi kształtka z boranu miedzi CuB2O4 i/lub Cu2B2O5. Podłoże to może zawierać do 8% wagowych jednego z dodatków obniżających temperaturę spiekania, korzystnie CuBi2O4, AlF3-CaB4O7 lub Li2WO4. Przedmiotem zgłoszenia jest też sposób wytwarzania ceramicznego podłoża. W sposobie wytwarzania ceramicznego podłoża najpierw sporządza się mieszaninę tlenku miedzi CuO i kwasu borowego H3BO3, po czym  uzyskany w wyniku reakcji proszek zawierający jeden z boranów miedzi CuB2O4 i/lub Cu2B2O5 miele się w młynku kulowym przez 5 - 8 h. Do uzyskanego proszku dodaje się 1% wagowy alkoholu poliwinylowego w postaci 3% roztworu wodnego. Z uzyskanego granulatu prasuje się kształtki, które spieka się w temp. 860 - 960°C przez 2 - 4 godzin. The subject matter of the invention is a ceramic substrate for microwave and terahertz circuits based on copper borates and a method for producing this substrate. The substrate in question is a ceramic shaped body or LTCC multilayer ceramics containing one of the copper borates CuB2O4, Cu2B2O5 or Cu3B2O6 or a mixture of CuB2O4 with Cu2B2O5 or Cu3B2O6. This substrate may contain up to 8% by weight of one of the additives lowering sintering , preferably CuBi2O4, AlF3-CaB4O7, Li2WO4 or LiBO2. The substrate exhibits a low dielectric constant of 5.4-6.6 and a low dissipaction factor of 0.001-0.012 in the frequency range of 0.2-2 THz.In the method for producing a ceramic substrate according to the invention, a mixture of copper oxide CuO and boric acid H3BO3 is first prepared, after which the powder obtained from the solidstate synthesis reaction, containing one of the copper borates CuB2O4, Cu2B2O5 or Cu3B2O6 is milled in a ball mill for 5 - 8 h. Polyvinyl alcohol is added to the resulting powder or mixture of copper borate powders with sintering aids. The resulting granulate is pressed into pellets which are sintered at a temperature of 860 - 960°C for 2 - 4 hours. The substrate can also be produced by tape casting, lamination and co-firing of multilayer LTCC ceramics with screen-printed conductive layers at a temperature of 860-900°C for 1 - 2 hours.