復(fù)合雙性LTCC材料基礎(chǔ)研究.pdf

1、隨著電子技術(shù)在自動化、工業(yè)控制、醫(yī)學(xué)、航天航空和日常生活等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，高密度、寬溫域、小尺寸、多功能、高品質(zhì)等特性日益成為其發(fā)展的必然趨勢，同時這些特性給傳統(tǒng)封裝技術(shù)及工藝帶來了巨大的挑戰(zhàn)。在眾多的封裝技術(shù)中，低溫共燒陶瓷LTCC(LowTemperatureCo-firedCeramic)技術(shù)成為了國際研究的焦點(diǎn)，因為利用LTCC技術(shù)制備的產(chǎn)品不僅能具備高電流密度、小體積，而且還具備高可靠性和優(yōu)良的電性能、傳輸特性及密封性。

2、 LTCC技術(shù)是一種先進(jìn)的混合電路封裝技術(shù)。它將四大無源器件，即變壓器(T)、電容器(C)、電感器(L)、電阻器(R)集成，配置于多層布線基板中，與有源器件(如：功率MOS、晶體管、IC電路模塊等)共同集成為一完整的電路系統(tǒng)。因此LTCC技術(shù)又稱為混合集成技術(shù)，它能有效地提高電路的封裝密度及系統(tǒng)的可靠性。 本文圍繞LTCC技術(shù)中的低溫共燒鐵氧體LTCF(LowTemperatureCo-firedFerrite)材料采用理論、

3、實驗及應(yīng)用三位一體的研究模式，開發(fā)了一種新型LTCC復(fù)合介質(zhì)材料，不但對該材料的復(fù)合機(jī)理進(jìn)行了理論模擬而且對其在LTCC濾波器中的應(yīng)用展開了研究。本論文在理論模型、材料制備和器件設(shè)計上做了一些探索性和創(chuàng)新性的工作，具體內(nèi)容如下： 一、探索性地建立了針對LTCC陶瓷的低溫?zé)Y(jié)模型：模型基于液相燒結(jié)理論，以液相在晶粒邊界引起的毛細(xì)管壓力及溶解-淀析過程中化學(xué)勢能的變化為燒結(jié)驅(qū)動力，將燒結(jié)溫度、時間與燒結(jié)后的最終晶粒大小、相對密度聯(lián)系

4、起來，模擬出低溫?zé)Y(jié)動態(tài)過程中相對密度的變化趨勢。 二、首次提出鐵電－鐵磁復(fù)合材料的復(fù)合理論并給予了系統(tǒng)的分析：討論了復(fù)合材料中兩相成分的化學(xué)結(jié)構(gòu)及電磁性能在理論上對復(fù)合可能性的影響，根據(jù)材料的微觀結(jié)構(gòu)建立了復(fù)合模型，模型中假設(shè)鐵電相均勻分布于鐵磁相晶粒表面，并和氣孔一起形成非磁性薄層將鐵磁晶粒之間隔斷，使鐵磁顆粒孤立。通過對復(fù)合結(jié)構(gòu)中鐵磁晶粒內(nèi)場變化的分析，推導(dǎo)出復(fù)合材料鐵電/鐵磁成分比與復(fù)合磁導(dǎo)率的關(guān)系方程；另外，利用微觀結(jié)

5、構(gòu)中電流流通的等效電路，推導(dǎo)得到不同鐵電/鐵磁成分比時復(fù)合材料復(fù)數(shù)介電常數(shù)與頻率的關(guān)系表達(dá)式。 三、研究了工藝條件對材料電磁性能的影響：按照工藝流程改變工藝參數(shù)預(yù)燒溫度、二次球磨時間、燒結(jié)曲線中升溫降溫速度、燒結(jié)溫度和保溫時間，通過電鏡掃描SEM、X射線衍射等分析手段了解改變工藝參數(shù)對鐵氧體材料微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，通過對材料介電常數(shù)頻譜、磁導(dǎo)率頻譜及品質(zhì)因數(shù)的測量得知工藝參數(shù)對材料電磁性能的影響規(guī)律，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)結(jié)果得到最佳鐵氧

6、體燒結(jié)工藝參數(shù)。 四、研究了不同摻雜離子及助熔劑的加入對低溫?zé)Y(jié)鐵氧體LTCF材料的微觀結(jié)構(gòu)及電磁性能影響：首先研究了不同MnCO3和CuO含量對NiZn鐵氧體燒結(jié)特性、微觀結(jié)構(gòu)及電磁性能的影響，首次發(fā)現(xiàn)了摻雜Mn離子的NiZn鐵氧體其電磁性能對燒結(jié)溫度具有敏感性。其次研究了不同助熔劑Bi2O3、WO3和Nb2O5對NiCuZn鐵氧體燒結(jié)特性、微觀結(jié)構(gòu)及電磁性能的影響，實驗揭示W(wǎng)6+離子對材料微觀結(jié)構(gòu)的改善；最后對低溫NiCuZ

7、n鐵氧體進(jìn)行改性摻雜，研究稀土氧化物CeO2對其微觀結(jié)構(gòu)及電磁性能的影響，并給出NiCuZn鐵氧體摻雜稀土元素時的磁頻譜及介頻譜。 五、開發(fā)了一新型的基于不同低溫?zé)Y(jié)NiCuZn鐵氧體與高介電常數(shù)(BaTiOk+X)鈣鈦礦的具有電感、電容雙性的鐵電－鐵磁復(fù)合材料，研究了不同鐵電－鐵磁含量對各組復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及電容電感雙性的影響。并研究了不同助熔劑Bi2O3、WO3和Nb2O5對其燒結(jié)特性、微觀結(jié)構(gòu)及電容電感雙性的影響。最后對復(fù)

8、合材料進(jìn)行稀土摻雜改性，研究稀土氧化物CeO2對其微觀結(jié)構(gòu)及電容電感雙性的影響。 六、設(shè)計并制作出兩種使用第六章LTCC復(fù)合雙性材料的3G通訊設(shè)備用帶通濾波器，采用AnsoftHFSS電磁仿真軟件對所建立的濾波器模型進(jìn)行模擬仿真，通過調(diào)節(jié)濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)使濾波器各性能指標(biāo)達(dá)到目標(biāo)要求，并實現(xiàn)生產(chǎn)制備。制得帶通中心頻率3.5GHz，插損＜2.8dB，帶寬＞400MHz，阻帶衰減大于35dB的微帶式帶通濾波器和帶通中心頻率1.4GHz