低溫?zé)Y(jié)Li2TiO3基微波介質(zhì)陶瓷及其流延成型技術(shù)研究.pdf

1、在電子元器件日益趨向小型化、輕量化、集成化、多功能的今天，以低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)制作的電子元器件及各種功能模塊被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信、汽車(chē)電子、航空航天和計(jì)算機(jī)等方面，作為這些電子元器件關(guān)鍵材料的微波介質(zhì)陶瓷正向低溫共燒方向發(fā)展，新技術(shù)、新形勢(shì)對(duì)微波介質(zhì)陶瓷材料提出了更高的要求。本文在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，確定以Li2TiO3基陶瓷為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了Li2TiO3基陶瓷的低溫?zé)Y(jié)，通過(guò)改變配方、燒結(jié)工藝和成型工藝等改善了Li2TiO3基

2、陶瓷的微波介電性能，研制出適于流延工藝的Li2TiO3基陶瓷配方，研究了Li2TiO3基陶瓷與Ag電極的共燒行為，證明了Li2TiO3基陶瓷是一種可能實(shí)用化的低溫共燒微波介質(zhì)陶瓷材料。
　　 本文首先研究了符合化學(xué)計(jì)量比的Li2TiO3陶瓷的燒結(jié)特性及微波介電性能。通過(guò)TG/DTA分析和XRD檢測(cè)手段對(duì)Li2TiO3的預(yù)燒溫度作了初步判定，在此基礎(chǔ)上研究了燒結(jié)溫度對(duì)Li2TiO3陶瓷的燒結(jié)特性和微波介電性能的影響。Li2TiO3

3、的最佳預(yù)燒溫度是820℃，最佳燒結(jié)溫度是1200℃，在此條件下燒結(jié)的Li2TiO3陶瓷試樣有最大的致密度和最好的微波介電性能，其微波介電性能為：εr=23.29, Q×f=15525 GHz, τf=35.78 ppm/℃。陶瓷體密度為ρ=3.30g/cm3，相對(duì)理論密度為96.75％。
　　 考慮到Li元素高溫?fù)]發(fā)的性質(zhì)，研究了非化學(xué)計(jì)量比對(duì)Li2TiO3陶瓷的燒結(jié)特性及微波介電性能的影響。少量的Li過(guò)剩使在1200℃中溫?zé)Y(jié)

4、的Li2TiO3陶瓷Q×f值明顯升高，對(duì)其εr值及τf值影響不大。而少量Li過(guò)剩或Li缺乏均造成在900℃低溫?zé)Y(jié)的Li2TiO3陶瓷Q×f值下降，對(duì)陶瓷εr值及τf值影響不大。
　　 在滿足低溫共燒技術(shù)對(duì)陶瓷燒結(jié)溫度要求的基礎(chǔ)上，本文考察了不同種類(lèi)的燒結(jié)助劑、燒結(jié)助劑的不同添加方式（復(fù)合氧化物和對(duì)應(yīng)玻璃）、燒結(jié)助劑的配比和用量、預(yù)燒溫度、燒結(jié)溫度和不同成型工藝（等靜壓和單軸壓）等因素對(duì)Li2TiO3陶瓷相組成、顯微結(jié)構(gòu)、燒結(jié)特

5、性和微波介電性能的影響。添加H3BO3的Li2TiO3陶瓷晶粒較小而均勻，少量添加H3BO3促進(jìn)了陶瓷的燒結(jié)，對(duì)Li2TiO3基陶瓷的微波介電性能有利，H3BO3添加量超過(guò)2.5 wt％時(shí)， Li2TiO3基陶瓷的燒結(jié)致密度下降，陶瓷的微波介電性能惡化。適當(dāng)提高燒結(jié)溫度促進(jìn)了陶瓷晶粒生長(zhǎng)，陶瓷的微波介電性能提高；添加ZnO-B2O3玻璃的Li2TiO3陶瓷晶粒生長(zhǎng)較快，顯微結(jié)構(gòu)致密，Li2TiO3陶瓷晶粒尺寸隨玻璃添加量增加而增大。添加

6、2.5 wt％鋅硼玻璃后在900℃燒結(jié)2小時(shí)的Li2TiO3基陶瓷具有最好微波介電性能為：εr=23.06, Q×f=32275 GHz, τf=35.79 ppm/℃，陶瓷的孔隙率為0.08％。在添加少量H3BO3或ZnO-B2O3玻璃的Li2TiO3基陶瓷中均只檢測(cè)到唯一單斜Li2TiO3晶相；添加劑鋅硼玻璃的ZnO/B2O3比例越高，則玻璃的軟化點(diǎn)也高，玻璃的助燒能力降低，但玻璃對(duì)Li2TiO3基體的浸潤(rùn)性增加了，相應(yīng)的Li2Ti

7、O3 陶瓷的微波介電性能略有提高；添加鋅硼玻璃比添加等量的復(fù)合氧化物更有利于提高Li2TiO3 陶瓷的燒結(jié)特性和微波介電性能；用V2O5-ZnO-B2O3玻璃作燒結(jié)助劑的Li2TiO3 陶瓷可以用于流延，當(dāng)添加1.5～3.0wt％V2O5-ZnO-B2O3玻璃后， Li2TiO3陶瓷在920℃燒結(jié)，樣品中均發(fā)現(xiàn)有少量的Li3VO4第二相存在。隨著玻璃添加量增加，Li2TiO3陶瓷樣品中的晶粒有逐漸長(zhǎng)大的趨勢(shì)，陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)也變得更為致密

8、。ZnO-B2O3-V2O5玻璃的添加量以3.0wt％最為合適，此時(shí)樣品燒結(jié)致密高，微波介電性能較好。在摻雜量一定時(shí)，提高燒結(jié)溫度，樣品的相對(duì)介電常數(shù)及Q×f值起初均有提高，達(dá)到飽和值后開(kāi)始下降。飽和相對(duì)介電常數(shù)在樣品達(dá)到飽和體密度時(shí)得到，而最大Q×f值在樣品達(dá)到飽和體密度之后再略微提高燒結(jié)溫度時(shí)得到。在880～960℃范圍內(nèi)，提高燒結(jié)溫度對(duì)樣品的諧振頻率溫度系數(shù)影響不大；等靜壓成型比單軸壓成型更有利于提高Li2TiO3陶瓷的燒結(jié)特性和

9、微波介電性能。實(shí)驗(yàn)中，采用等靜壓成型工藝可將低溫?zé)Y(jié)Li2TiO3基陶瓷的燒結(jié)溫度降20～50℃。
　　 在研究Li2TiO3基陶瓷低溫?zé)Y(jié)的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步用CeO2和MnCO3摻雜改善了Li2TiO3基陶瓷的Q×f值, 用ZnNb2O6和Li2TiO3兩相復(fù)合改善了Li2TiO3基陶瓷的τf值。CeO2摻雜有促進(jìn)Li2TiO3基陶瓷燒結(jié)的作用，CeO2在Li2TiO3晶格中固溶度小，它在陶瓷中主要以第二相形式存在，適量Ce

10、O2摻雜明顯提高了Li2TiO3基陶瓷的品質(zhì)因子，0.9wt％ CeO2摻雜的Li2TiO3基陶瓷 (已含2wt％鋅硼玻璃)在920℃燒結(jié)，其微波介電性能為：εr=22.97, Q×f=34881GHz, τf=33.12 ppm/℃；MnCO3摻雜對(duì)促進(jìn)Li2TiO3基陶瓷燒結(jié)作用明顯，摻雜量大于0.3 wt％時(shí)，陶瓷中出現(xiàn)了不同程度的晶粒異常生長(zhǎng)現(xiàn)象，顯微結(jié)構(gòu)開(kāi)始惡化。在MnCO3摻雜的Li2TiO3基陶瓷中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的第二相。適

11、量MnCO3摻雜改善了920℃低溫?zé)Y(jié)Li2TiO3基陶瓷的微波介電性能；在ZnNb2O6和Li2TiO3復(fù)合陶瓷中，ZnNb2O6并不是獨(dú)立存在的，而是和Li2TiO3發(fā)生了復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，生成了ZnTiO3、Zn2TiO4和LiNbO3等新相。ZnNb2O6因固相反應(yīng)燒結(jié)機(jī)制促進(jìn)了陶瓷的燒結(jié)，在ZnNb2O6的含量為8 wt％左右，復(fù)合陶瓷的諧振頻率溫度系數(shù)可以被調(diào)節(jié)至近0。
　　 用流延法制備了Li2TiO3基低溫共燒微波

12、介質(zhì)陶瓷，研究了其燒結(jié)性能、顯微結(jié)構(gòu)及其與Ag電極的共燒行為。采用含有3 wt％ V2O5-ZnO-B2O3玻璃的Li2TiO3基陶瓷粉料進(jìn)行流延，流延膜片在920℃燒結(jié)1小時(shí)后陶瓷晶粒均勻，顯微結(jié)構(gòu)也較致密，其體密度為3.22 g/cm3，是其飽和密度的96.73％。Li2TiO3基陶瓷在與Ag電極共燒時(shí)界面清晰，接觸較為緊密，二者沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也沒(méi)有Ag滲透現(xiàn)象。這些研究進(jìn)一步證明，Li2TiO3基陶瓷可能是一種能夠?qū)嵱没男滦?/p>