Li2MgSiO4系LTCC材料制备与性能研究

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微波通讯领域高速发展,这对电子元器件的小型化、高集成化和多功能化等提出了更高要求。近年来,LTCC技术在微电子领域迅速崛起。LTCC材料要求低烧结温度(<960℃),适合的介电常数?r、较高Q?f值和近零的温度系数?f,同时保证与电极材料共烧时有着良好的化学兼容性。Li2MgSiO4陶瓷为本文的主要研究对象,并通过传统的固相合成法制得。详细研究了Li2MgSiO4陶瓷的微波介电性能和不同玻璃作为烧结助剂对Li2MgSiO4陶瓷降烧的研究,另外尝试利用TiO2来调节降烧后Li2MgSiO4陶瓷的温度系数。具体研究内容如下:1.通过固相合成法制备Li2MgSiO4陶瓷,利用差热分析来确定Li2MgSiO4粉体的预烧温度。通过XRD来比较不同预烧温度下粉体的物相,当预烧温度为800℃时,粉体中存在少许未反应的MgO和SiO2,同时有第二相Li2SiO3的生成;随着预烧温度的升高,MgO和SiO2持续减少,但第二相Li2SiO3反而增多。在850℃下预烧,并在1250℃保温2小时后制得的Li2MgSiO4陶瓷可获得较好的微波介电性能:?r=6.08,Q?f=31872GHz,?f=-76.5 ppm/℃。2.为实现Li2MgSiO4陶瓷的低温烧结,本文拟采用几种不同的玻璃La2O3-B2O3-ZnO(LBZ)、Li2O-Al2O3-B2O3(LAB)、ZnO-B2O3-SiO2(ZBS)作为烧结助剂对Li2MgSiO4陶瓷进行低温烧结研究。其具体内容如下:(1)通过加入0.5wt%2.0wt%的La2O3-B2O3-ZnO(LBZ)玻璃能有效将Li2MgSiO4陶瓷的烧结温度降低至900℃,XRD分析表明,当LBZ玻璃添加量增大时,样品的主晶相均为Li2MgSiO4,但会出现第二相Mg2SiO4和微量未反应的SiO2。当添加1.0wt%LBZ玻璃于900℃下烧结时,Li2MgSiO4陶瓷可获得以下微波介电性能:?r=6.01,Q?f=28507GHz,?f=-29.84 ppm/℃;(2)通过添加0.25wt%1.0wt%的Li2O-Al2O3-B2O3(LAB)玻璃后,Li2MgSiO4陶瓷于925℃烧结后可获得较高致密度。经XRD分析后发现,样品的主晶相均为Li2MgSiO4,当体系中LAB玻璃增多时,没有第二相的生成。添加0.5wt%LAB玻璃的Li2MgSiO4陶瓷于925℃下烧结时可获得以下的微波介电性能:?r=6.2,Q?f=33368GHz,?f=-64.3 ppm/℃;(3)ZnO-B2O3-SiO2(ZBS)玻璃作为助烧剂时能将Li2MgSiO4陶瓷的烧结温度从1250℃降至925℃。由XRD分析可知,样品中没有第二相产生,表明样品为Li2MgSiO4单相陶瓷材料。添加1.0wt%ZBS玻璃的Li2MgSiO4陶瓷在925℃下烧结时可获得以下微波介电性能:?r=6.13,Q?f=31992GHz,?f=-79.6 ppm/℃。3.添加TiO2对Li2MgSiO4-1.0wt%LBZ陶瓷的温度系数进行调节,研究发现,TiO2能有效地调节Li2MgSiO4-1.0wt%LBZ陶瓷的?f值,但Q?f值会明显降低,介电常数稍有增大。由XRD分析可知,随着TiO2含量的增大,体系中会产生第二相Li2TiO3、Li2TiSiO5和Mg2SiO4,这会影响到陶瓷的微波介电性能。当添加20wt%TiO2,Li2MgSiO4-1.0wt%LBZ陶瓷于930℃下烧结时,可得到较小的?f值:?r=7.51,Q?f=12019GHz,?f=-16.14 ppm/℃。
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