高品质低介微波介质材料的制备及其应用

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低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics LTCC)技术已成为实现各类电子元器件制造、集成及其封装的主流技术,低介电常数微波介质陶瓷由于其介电常数低、品质因数高、温度系数近似为零等优点被广泛应用于LTCC基板材料中,成为微波介质陶瓷研究的热点。本论文中选取CaO-SiO2-B2O3作为研究体系,采用多步固相法制备低介电常数微波介质陶瓷材料,分别研究了Ca/Si比和B2O3的改变对材料晶相组成、微观形貌和介电性能的影响。在最佳Ca/Si比和适当B2O3含量的基础上,添加适量陶瓷助溶剂BBAS粉,以降低陶瓷粉体的烧结温度,最终获得可用于制备LTCC基板材料的陶瓷粉料。采用X-射线衍射(XRD)法、扫描电子显微镜(SEM)、阿基米德原理和Zeta电位分析对陶瓷粉料的物相、表面形貌、密度和Zeta电位进行表征。精选CBS陶瓷粉体后通过不断调配浆料配比和工艺参数,采用流延工艺制备出可应用的LTCC生瓷带,在此基础上制备LC谐振天线,并对其谐振频率进行测试。研究结果表明,当CaO:SiO2:B2O3=21:13:16(质量比),煅烧温度为900℃时,所得样品C中除了有主晶相b-CaSiO3和Ca2B2O4外,含有少量a-SiO2相。由该粉体制备的陶瓷样品中,晶粒以板条状为主,晶粒间气孔较少,结构比较致密,具有较大的密度。此时该样品具有最佳的介电性能,其介电常数为6.3、品质因数为2.4×104GHz(f=11.7 GHz)、温度系数为-67 ppm/℃,热导率为3.6W/m×K。在样品C的配方基础上,添加适量陶瓷助溶剂BBAS粉,以降低该组分的烧结温度。研究发现,添加陶瓷助溶剂BBAS粉后,晶体的结构没有明显改变,晶粒的形貌仍以板条状的为主,一些小的粒状晶粒分散在其中。当烧结温度降低至920℃时,所得陶瓷样品C6的晶粒粒径介于1.0-2.0mm之间,并且陶瓷颗粒在水溶液中显负电性,颗粒之间的稳定性较差。该样品具有较好的介电性能,其介电常数为6.3,品质因数为1.1×104 GHz(f=12.7 GHz),温度系数为-84 ppm/℃。以所得陶瓷粉料C6为填充物,有机物(乙酸乙酯和酒精的混合物)作为溶剂,通过调节粘结剂PVB和增塑剂的含量,制备不同配比的流延浆料。采用流延法制备LTCC生瓷带,再经丝网印刷、打孔、叠层、温水等静压、排胶、共烧等LTCC工艺后,通过CAD绘图,制备可用于测试应变的LC谐振天线,并采用接触法和非接触法测试其共振频率。结果表明,所制备的天线的共振频率约为f=155 MHz,与设计目标f=120MHz接近。
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