中介電常數(shù)低溫共燒微波介質(zhì)陶瓷及其器件研究.pdf

1、現(xiàn)代移動(dòng)通信、無(wú)線局域網(wǎng)、軍事雷達(dá)等設(shè)備正趨向于小型、輕量、高頻、多功能及低成本化方向發(fā)展,對(duì)以微波介質(zhì)陶瓷為基礎(chǔ)的微波元器件提出了更高的要求.為滿足此要求,利用低溫共燒陶瓷(LOW Temperature Co-fired Ceramics,簡(jiǎn)稱LTCC)技術(shù)設(shè)計(jì)制造片式多層微波器件已成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn).低溫共燒技術(shù)的核心是研制能與高電導(dǎo)率 Ag 或 Cu 電極共燒的LTCC微波介質(zhì)陶瓷. Ca[(Li<,1/3>Nb<,2/

2、3>),Ti]O<,3-δ>(CLNT)、MgTiO<,3>陶瓷具有介電常數(shù)適中、介電損耗低、頻率溫度系數(shù)可調(diào)等特點(diǎn),如能降低燒結(jié)溫度,并和LTCC技術(shù)制造工藝匹配,將是理想的LFCC介質(zhì)材料.目前,已有部分低溫?zé)Y(jié)的研究報(bào)道,但存在以下問(wèn)題:(1)液相燒結(jié)機(jī)制研究少,降溫困難; (2)燒結(jié)溫度可降至Ag電極熔點(diǎn)以下,但低燒陶瓷介電性能大幅度降低,如添加2wt﹪B<,2>O<,3>-6wt﹪Bi<,2>O<,3>復(fù)合助劑的CLNT陶瓷在

3、920℃燒結(jié)致密,Q×f急劇惡化,僅為10600GHz;(3)材料研發(fā)與器件設(shè)計(jì)和制備工藝相脫節(jié),材料的工藝匹配性較差.如由于B<,2>O<,3>易與粘合劑發(fā)生膠凝反應(yīng),添加B<,2>O<,3>助劑的陶瓷粉料經(jīng)流延工藝不能獲得高密度的生瓷帶. 本文從材料制備與器件設(shè)計(jì)、制造工藝相結(jié)合的角度出發(fā),以CLNT和MgTiO<,3>陶瓷為研究對(duì)象,通過(guò)不同燒結(jié)助劑對(duì)陶瓷體系降溫效果研究,揭示出低溫?zé)Y(jié)內(nèi)在機(jī)制;系統(tǒng)研究了各種燒結(jié)助劑對(duì)微

4、波介質(zhì)陶瓷燒結(jié)特性、相組成、微觀結(jié)構(gòu)和介電性能的影響,闡明低溫?zé)Y(jié)陶瓷相組成、微觀結(jié)構(gòu)與介電性能之間的內(nèi)在規(guī)律;研究了LTCC微波介質(zhì)陶瓷CLNT和MgTiO<,3>工程化應(yīng)用問(wèn)題(料漿特性及其與Ag電極的共燒行為);通過(guò)降溫效果、介電性能、料漿特性以及與銀電極共燒等方面協(xié)調(diào)優(yōu)化,獲得最佳燒結(jié)助劑及工藝條件.在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建多層片式微波器件模型,通過(guò)器件仿真,利用LTCC技術(shù)制造工藝制備出滿足性能要求的片式多層帶通濾波器. (一

5、)通過(guò)添加劑對(duì)CLNT和MgTiO<,3>陶瓷降溫效果研究,結(jié)合陶瓷燒結(jié)特性、相組成和微觀結(jié)構(gòu),揭示出低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷液相燒結(jié)機(jī)制,為燒結(jié)助劑的選擇提供依據(jù). (1)燒結(jié)助劑與基體材料反應(yīng)形成低溫液相,可有效促進(jìn)陶瓷的低溫致密燒結(jié).添加.Bi<,2>O<,3>的CLNT陶瓷,在燒結(jié)過(guò)程中,Bi<,2>O<,3>與基體材料反應(yīng)形成Li<,2>O-Bi<,2>O<,3>、Bi<,2>O<,3>-TiO<,2>等低熔點(diǎn)液相;LiF可與CL

6、NT反應(yīng)生成CaF<,2>等第二相物質(zhì),LiF同CaF<,2>在766℃共熔成液相;Bi<,2>O<,3>和V<,2>O<,5>與MgTiO<,3>基體材料在低溫下反應(yīng)生成Bi<,4>V<,1.5>Ti<,0.5>O<,10.85>、BiVO<,4>等新相,在815～850℃,新相熔化成液相. (2)硼硅酸鹽玻璃具有較低的軟化溫度,低溫下可轉(zhuǎn)變成低粘度的玻璃液相,有效降低陶瓷的燒結(jié)溫度.ZnO-B<,2>O<,3>-SiO<,2>(ZB

7、S)和Li<,2>O-B<,2>O<,3>-SiO<,2>(LBS)玻璃的軟化溫度分別為638℃和402℃,可分別降低CLNT和MgTiO<,3>陶瓷的燒結(jié)溫度至930℃和890℃. (3)與單一助劑相比,復(fù)合燒結(jié)助劑有著更好的降溫效果.Bi<,2>O<,3>、ZBS助劑可分別將CLNT陶瓷的燒結(jié)溫度降至1020℃和930℃.復(fù)合添加Bi<,2>O<,3>和ZBS玻璃,形成低軟化點(diǎn)的ZnO-Bi<,2>O<,3>-B<,2>O<,3>-

8、SiO<,2>玻璃液相,促使CLNT陶瓷在900℃燒結(jié)致密.采用復(fù)合添加LiF和ZBS玻璃助劑,氟離子部分取代ZBS玻璃骨架中的橋氧,使玻璃負(fù)離子團(tuán)解聚,導(dǎo)致玻璃熔體粘度降低,加速液相燒結(jié)進(jìn)行. (二)揭示出低溫?zé)Y(jié)陶瓷相組成、微觀結(jié)構(gòu)與介電性能之間的內(nèi)在規(guī)律.研究表明:(1)第二相物質(zhì)(包括引入的燒結(jié)助劑以及反應(yīng)生成的雜質(zhì)相)對(duì)陶瓷介電性能產(chǎn)生重要影響.低介高損耗的ZBS和LBS玻璃可分別使CLNT和MgTiO<,3>陶瓷ε<

9、,r>和Q×f值降低,τf向負(fù)值方向移動(dòng);復(fù)合添加Bi<,2>O<,3>和V<,2>O<,5>的MgTiO<,3>樣品,當(dāng)V<,2>O<,5>添加量為1～2mol﹪時(shí),Bi<,2>O<,3>和V<,2>O<,5>與基體材料反應(yīng)生成大量高介電損耗的Bi<,2>Ti<,2>O<,7>和Bi<,4>V<,1.5>Ti<,0.5>O<,10.85>相,造成陶瓷低的Q×f值.當(dāng)V<,2>O<,5>添加量增加,此兩相逐漸減少并消失,Q×f值急劇增加

10、.(2)陶瓷體微觀結(jié)構(gòu)(如氣孔、晶粒)也是影響介電性能的一個(gè)重要因素.Bi<,2>O<,3>等物質(zhì)的揮發(fā)造成CLNT陶瓷氣孔含量增加,體積密度P和εr減小,Q×f值下降;LiF等的揮發(fā)造成CLNT陶瓷的多孔結(jié)構(gòu),P和εr隨LiF含量增加急劇下降;BiVO<,4>導(dǎo)致MgTiO<,3>晶粒的異常長(zhǎng)大,造成結(jié)構(gòu)不均勻性增加,Q×f急劇下降.(3)晶格缺陷對(duì)材料的介電性能產(chǎn)生較大影響.復(fù)合添加Bi<,2>O<,3>和ZBS玻璃的低燒CLNT陶

11、瓷中,由于Bi<'3+>在鈣鈦礦的A位對(duì)Ca<'2+>的不等價(jià)置換,形成Ca<'2+>空位,使晶格松弛,造成εr,增大,Q×f顯著下降,τf向負(fù)值方向移動(dòng);LiF和ZBS玻璃協(xié)同作用,引起Ca[(Li<,1/3>Nb<,2/3>),Ti]O<,3-δ>相向化學(xué)計(jì)量Ca[(Li<,1/4>Nb<,3/4>),Ti]O<,3>相轉(zhuǎn)化,降低了陶瓷體中的氧空位,對(duì)提高Q×f值有利. (三)系統(tǒng)研究了LTCC微波介質(zhì)陶瓷料漿特性、Ag電極

12、共燒行為等工程化應(yīng)用技術(shù),為L(zhǎng)TCC微波介質(zhì)陶瓷產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ). (1)V<,2>O<,5>易與PVB、PVA等粘合劑發(fā)生膠凝反應(yīng),導(dǎo)致添加Bi<,2>O<,3>-V<,2>O<,5>助劑的MgTiO<,3>陶瓷料漿粘度很大,不適宜流延,將Bi<,2>O<,3>-V<,2>O<,5>預(yù)反應(yīng)形成BiVO<,4>可以克服MgTiO<,3>陶瓷因游離V<,2>O<,5>存在而難以流延的問(wèn)題.(2)添加LiF的CLNT陶瓷與Ag電極共燒界面清晰

13、,但由于兩者收縮不匹配,造成分層現(xiàn)象,而且Ag電極有著不規(guī)整多孔結(jié)構(gòu),限制了該陶瓷材料的應(yīng)用,而采用LiF-ZBS玻璃復(fù)合助劑,解決了單獨(dú)添加LiF引起Ag電極多孔結(jié)構(gòu)的問(wèn)題.(3)添加Bi<,2>O<,3>-ZBS或LiF-ZBS的CLNT陶瓷和添加LBS玻璃的MgTiO<,3>-CaTiO<,3>陶瓷,避免了B<,2>O<,3>等助劑對(duì)陶瓷料漿特性的不利影響,流延得到的膜片表面光潔,陶瓷與Ag電極共燒界面結(jié)合狀況良好,化學(xué)相容性好,

14、無(wú)明顯擴(kuò)散反應(yīng)現(xiàn)象. (四)通過(guò)降溫效果、介電性能、料漿特性以及與銀電極共燒等方面協(xié)調(diào)優(yōu)化,獲得兩種介電性能優(yōu)良的能產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的配方及工藝. (1)選用LiF和ZBS玻璃協(xié)同降低CLNT陶瓷的燒結(jié)溫度,制備出在900℃燒結(jié)致密的LTCC微波介質(zhì)陶瓷,其介電性能為:ε<,r>=34.28,Qxf=17400GHz,tf=-4.6×10<'-6>/℃.與文獻(xiàn)報(bào)道相比,低溫共燒CLNT陶瓷Q×f值有大幅度的提高.(2)采用低軟化點(diǎn)的自

15、制LBS玻璃為燒結(jié)助劑,通過(guò)引入CaTiO<,3>組分協(xié)調(diào)MgTiO<,3>陶瓷的tf值,在890℃燒結(jié),制備出介電性能為ε<,r>=16.38,Qxf=11640GHz,tf=-1.45ppm/℃的LTCC微波介質(zhì)陶瓷.與文獻(xiàn)報(bào)道相比,ε<,r>,明顯提高,Qxf值得到改善. (五)基于片式多層濾波器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理,采用寬邊耦合帶狀線模型,借助.Ansoft HFSS軟件進(jìn)行帶通濾波器的結(jié)構(gòu)構(gòu)建和性能仿真.采用添加LiF-Z