低介电LTCC氧化铝基陶瓷配方及流延研究

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随着5G时代的到来,通讯电子设备向着微型化发展的趋势进一步增强,以微波介质材料为代表的关键电子功能材料成为人们关注的焦点。LTCC技术可进一步实现器件的高密度化,具有高可靠性与低成本等优点,同时Ag等高电导率电极材料能显著降低器件的电导损耗,因此开发烧结温度低(<950℃)且综合性能优异的新型电子基板材料是大势所趋。本文主要围绕Al2O3的降烧展开,分别制备了降烧效果优异的K2O-B2O3-SiO2(KBS)、BaO-ZnO-Al2O3-CaO-MgO-B2O3-SiO2(BZACMBS)和ZnO-B2O3-SiO2(ZBS)低熔点玻璃,再与Al2O3复合后制备性能优异的玻璃陶瓷;并探索了玻璃陶瓷的烧结动力学与析晶动力学;最后对KBS-Al2O3玻璃陶瓷粉体进行流延研究。本文首先研究了KBS玻璃的组成,实验表明:当K2O=3 wt.%、B/Si=2/3mol.%时,玻璃降烧效果最佳。该玻璃与Al2O3的降烧实验中发现,KBS玻璃相与Al2O3陶瓷相之间发生了液相烧结,烧结过程中产生的液相会填充到晶粒间隙,提高致密度。当KBS添加量为57.5 wt.%时在850℃保温30min,样品综合性能最佳:εr=5.27,tanδ=3.3×10-3,ρ=2.57 g/cm3,σ=140 MPa,αL=4.9 ppm/℃。此外,与Ag的共烧实验表明银浆与玻璃陶瓷匹配性良好。为了实现介电常数连续变化,分别使用等量的SiO2和TiO2去替换上述两个配方中的Al2O3,介电常数分别扩展至4.184.96,5.276.01。其次,制备了BZACMBS玻璃。通过XRD分析发现,BZACMBS玻璃与Al2O3在烧结过程中产生了新的晶相,这也意味着二者间发生了活化反应。当加入55 wt.%的BZACMBS玻璃、烧结温度为950℃时样品取得最佳性能:εr=7.4,tanδ=2.4×10-3,ρ=3.18 g/cm3,σ=208 MPa。晶相组成为:Al2O3、六方BaAl2Si2O8、单斜BaAl2Si2O8和ZnAl2O4;由于烧结温度接近Ag的熔点,无法与Ag电极共烧,在原有玻璃配方中额外掺入一定量BaO来提高玻璃的降烧效果。实验表明:额外加入4 wt.%的BaO的BaO-BZACMBS玻璃与45 wt.%Al2O3在875℃下保温2h获得优异性能:εr=7.6;tanδ=2.6×10-3;σ=194 MPa;ρ=3.23 g/cm3。与Ag导体材料具备良好的匹配性,在LTCC材料领域具有广阔的应用前景;此外,还制备了ZBS玻璃。实验表明:55ZBS-45Al2O3组分样品在850℃下保温30min,具有优异的介电性能:εr=6.3;tanδ=6.8×10-4。相较于KBS-Al2O3和BaO-BZACMBS-Al2O3体系,ZBS-Al2O3系玻璃陶瓷介电损耗明显降低,一方面是因为ZBS玻璃与Al2O3陶瓷相之间的浸润性更好,另一方面是结晶度更高。此外,本文还采用基于Arrhenious的恒定升温速率模型计算了57.5KBS-42.5Al2O3和55BaO-BZACMBS-45Al2O3玻璃陶瓷样品的烧结激活能。结果表明,前者的烧结激活能为318.60±32.23 kJ/mol,后者的烧结活化能为701.57±98.59kJ/mol。烧结激活能相差较大,但二者的烧结温度却相近,均能够在850℃左右烧结致密。这是因为BaO-BZACMBS与Al2O3在烧结过程中发生的活化烧结为体系提供了能量,从而实现在较低温度下致密烧结;由于BaO-BZACMBS玻璃与Al2O3陶瓷相在烧结过程中析出了新的晶相。根据析晶动力学的原理,通过Kissinger分析法和Ozawa分析法分别计算BaO-BZACMBS对BaO-BZACMBS-Al2O3玻璃陶瓷体系析晶活化能的影响。实验结果表明,BaO-BZACMBS玻璃的加入能够显著降低体系的析晶活化能。最后介绍了流延工艺,并以KBS-Al2O3玻璃陶瓷粉体为基体材料进行流延成型工艺研究。确定溶剂为乙醇;分散剂最佳添加量为0.8 wt.%;由PVB60和PVB30组成的复合粘结剂含量为8 wt.%时,流延效果最好。
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