BaWO4微波陶瓷的低温烧结及其性能研究

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在5G通信市场中,微波介质陶瓷扮演着不可或缺的角色。为了实现信号传输延迟小和损耗低的目的,低介低损耗陶瓷材料越来越受到人们的关注。而在当今数字IC技术遵循摩尔定律的发展中,电子产品尺寸越来越小,器件多层化与集成化成为当下技术发展的主流,低温共烧陶瓷(Low-temperature co-fired ceramics,LTCC)技术为小型化器件发展提供了解决方案。Ag、Cu的熔点在960~1000℃附近,陶瓷材料的烧结温度低于950℃是为了实现与Ag和Cu等电极的共烧,满足LTCC技术的要求。同时高的Q×f值和近零的τf值也是LTCC陶瓷材料所具备的另一优点。BaWO4作为介电常数为8,品质因数为57,500 GHz的介质材料,有着十分广阔的应用前景。因此,本文基于BaWO4陶瓷,采用不同的玻璃降低其烧结温度,使用TiO2调节它的τf值,并通过不同的测试手段对其物相结构和微波介电性能进行分析,最后将掺杂LBBC玻璃的BaWO4陶瓷作为介质材料制备成微带贴片天线。具体的研究内容可分为以下几个部分:1.本文首先研究不同掺量的LBS玻璃对BaWO4陶瓷的作用,对其降烧效果进行分析。结合DSC曲线和影像烧结分析,LBS玻璃的熔点为693.1℃。XRD结果证明了掺杂后的物相仍为BaWO4相。随着温度的升高(800℃、850℃、900℃和950℃),陶瓷的介电性能呈现下降的趋势。综合各方面性能分析,陶瓷样品在LBS玻璃含量为2 wt.%,烧结温度为800℃时,微波介电性能表现优异:εr=8.11,Q×f=37,375 GHz,τf=-61.2 ppm/℃。2.研究不同掺量的LBBC玻璃在不同的烧结温度下对BaWO4陶瓷的降烧效果,对其性能分析。结合DSC和影像烧结可以确定玻璃的软化点在742.8℃左右。XRD结果证明了掺杂后仍为BaWO4晶相。当烧结温度由850℃升高到900℃,陶瓷的介电性能呈现下降的趋势。实验表明,当LBBC玻璃含量为1 wt.%,烧结温度为850℃时,陶瓷样品表现出最优的微波介电性能:Q×f=58,855 GHz,εr=8.33和τf=-61.43 ppm/℃。3.用TiO2调节BaWO4-1 wt.%LBBC的τf值。TiO2有着较大的正τf值(+450ppm/℃),对负的τf值有补偿作用,通过调节TiO2的含量,可以使τf值近零。通过XRD分析可知,复合陶瓷随着TiO2的掺入,逐渐产生第二相TiO2,且BaWO4晶相与TiO2晶相共存。但同时也由于TiO2第二相的产生,复合陶瓷体系的介电常数增大,而Q×f值则有了一定程度的减小。综合温度系列化和含量系列化分析,当烧结温度为950℃时,BaWO4-1 wt.%LBBC-9 wt.%TiO2有最佳性能:εr=12.05,Q×f=17,488 GHz,τf=-1.2 ppm/℃。4.研究掺杂了LBS玻璃和LBBC玻璃的BaWO4陶瓷体系的烧结动力学。采用热膨胀仪测量排胶后的生胚样品的热收缩曲线,设定几组恒定的升温速率,基于Arrhenius方程模型,拟合计算出两组样品的烧结活化能。根据拟合曲线计算出掺杂LBS玻璃的烧结活化能为300.22 k J mol-1,掺杂LBBC玻璃的烧结活化能为345.81 k J mol-1。5.选择BaWO4-1 wt.%LBBC陶瓷作为介质材料设计出了微带贴片天线,由HFSS仿真拟合结果和实验测量结果得出,天线的辐射效率为80%左右,增益为3d B左右。
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