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(Ca,Nd)TiO_3微波介质陶瓷离子置换、低温烧结及应用特性的研究

孙慧萍  
【摘要】: 低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics,LTCC)技术是近年来兴起的一种组件整合技术,已成为目前实现电路中各类微波器件微型化、集成化、模块化和低成本化的首选方式,被广泛应用于军用及民用通讯领域。微波介质陶瓷是LTCC技术的关键材料,其中高介电常数微波介质陶瓷主要用于工作在微波低频段的民用移动通讯系统中作为谐振器、滤波器等,具有广阔的市场前景。从器件微型化及降低生产成本等角度出发,LTCC技术要求微波介质陶瓷具有高的介电常数(ε_r),并可与熔点较低的Ag或Cu电极在低温下共烧。 我国对于中、低介电常数微波介质陶瓷体系的开发和应用研究相对较为成熟,而对ε_r大于80的高介电常数低温共烧微波介质陶瓷的研究却相对薄弱。CaO-Li_2O-Ln_2O_3-TiO_2体系ε_r高达100以上,并具有介电损耗低、频率温度系数(τ_f)可调等特点,是一种具有应用潜力的材料,但目前的研究中仍然存在以下问题:(1)τ_f虽可调节至零,但Q×f值随之剧烈下降;(2)低温烧结方面的研究有待加强,现有报道虽可通过添加烧结助剂将烧结温度降低至900℃左右,但ε_r显著降低,难以达到高介电常数的要求;(3)LTCC工艺适应性及与Ag共烧匹配性等应用特性的研究鲜有报道。因此,研究如何在保持较高ε_r和Q×f值的前提下降低CaO-Li_2O-Ln_2O_3-TiO_2陶瓷的烧结温度,使其可与Ag电极共烧,对高介电常数LTCC微波介质材料的应用研究及我国民用通讯产业的发展具有重要意义。 本文以制备高介电常数(ε_r80)LTCC微波介质材料为目的,对(Ca_(1-x)Nd_(2x/3))ZiO_3陶瓷进行了离子置换改性、低温烧结以及LTCC工艺适应性的研究,具体研究成果如下: (一)对(Ca_(1-x)Nd_(2x/3))TiO_3陶瓷进行A位、B位及A/B位离子置换以改善其微波介电性能。(1)分别采用Sm~(3+)和Bi~(3+)置换Nd~(3+),用Zn~(2+)和Mg~(2+)置换Ca~(2+),对(Ca_(1-x)Nd_(2x-3))TiO_3陶瓷进行A位离子置换改性。Bi~(3+)置换Nd~(3+)使陶瓷的ε_r升高,但Q×f值降低,无法达到改善陶瓷微波介电性能的要求。除Bi以外,随着A位置换离子Sm~(3+)、Zn~(2+)、Mg~(2+)半径依次减小,置换改性陶瓷的烧结温度、ε_r和τ_f逐渐降低,同时Q×f值升高。Sm~(3+)置换Nd~(3+)可使ε_r保持在100以上,并使τ_f和Q×f值有所改善。当组成为(Ca_(0.61)Sm_(0.26))TiO_3时,陶瓷在1300℃保温2h烧结可获得介电性能:ε_r=102.59,Q×f=12782GHz,τ_f=+183ppm/℃。(2)分别采用Mn和Sn离子置换(Ca_(1-x)Nd_(2x/3))TiO_3陶瓷B位的Ti离子。Mn和Sn离子均可置换Ti离子形成钙钛矿结构的连续固溶体。由于Mn是变价元素,故有受主和等价置换两种方式。随着Mn置换量的增加,陶瓷的ε_r先增大后减小,τ_f减小,而Q×f值由于受到的影响因素较多,随置换量的变化无明显规律,但均比未置换的CNT陶瓷的Q×f值低。随着Sn~(4+)置换量的增加,陶瓷的ε和τ_f减小,Q×f值先增大后减小。当组成为(Ca_(0.61)Nd_(0.26))(Ti_(0.98)Sn_(0.02))O_3时,陶瓷在1350℃保温2h烧结可获得最佳介电性能:ε_r=103.19,Q×f=13498GHz,τ_f=+145ppm/℃。(3)采用Zn~(2+)和Sn~(4+)协同置换Ca~(2+)和Ti~(4+)离子改性(Ca_(1-x)Nd_(2x/3))TiO_3陶瓷。A/B位离子协同置换未能改善陶瓷的介电性能,反而导致其恶化。随着置换量的增加,陶瓷的ε_r、Q×f、值和τ_f均减小。(4)综上所述,Sn~(4+)置换Ti~(4+)有效改善了陶瓷的介电性能,在一定程度上改进了微波介质陶瓷高ε、高Q×f值和低τ_f难以同时满足的现象,(Ca_(0.61)Nd_(0.26))(Ti_(0.98)Sn_(0.02))O_3为最佳陶瓷配方,但需要降低其烧结温度以满足LTCC工艺的要求。 (二)添加复合烧结助剂降低(Ca,Nd)(Ti,Sn)O_3陶瓷的烧结温度。(1)采用H_3BO_3-CuO复合烧结助剂,当添加量不低于5wt%时,可将(Ca,Nd)(Ti,Sn)O_3陶瓷的致密化温度降低到1000℃。H_3BO_3-CuO助剂添加量为5wt%的(Ca,Nd)(Ti,Sn)O_3陶瓷在1000℃保温2h烧结具有较好的微波介电性能:ε_r=91.94,Q×f=9250GHz,τ_f=+139ppm/℃。(2)采用BaCu(B_2O_5)复合烧结助剂,在烧结过程中BaCu(B_2O_5)与(Ca,Nd)(Ti,Sn)O_3反应生成BaNd_2Ti_5O_(14)第二相,降温效果变差,仅能使烧结温度降低到1100℃左右,且随着助剂添加量的增加,陶瓷介电性能变差。(3)采用H_3BO_3-CuO-Li_2CO_3复合烧结助剂能够将(Ca,Nd)(Ti,Sn)O_3陶瓷的致密化温度降低到925~950℃。随着Li_2CO_3添加量的增加,陶瓷的s,增大,Q×f值和τ_f减小。当助剂添加量为5wt%(H_3BO_3-CuO)-0.5wt%Li_2CO_3时,在950℃保温2h烧结的(Ca,Nd)(Ti,Sn)O_3陶瓷综合微波介电性能最好:ε_r=94.57,Q×f=8296GHz,解决了低温烧结陶瓷s,显著下降的难题。但τ_f=+183ppm/℃,仍然偏高,需要进一步将τ_f调节至接近于零,以满足应用要求。 (三)采用(Li_(1/2)Nd_(1/2))TiO_3与(Ca,Nd)(Ti,Sn)O_3陶瓷复合调节频率温度系数。以H_3BO_3-CuO-Li_2CO_3作为烧结助剂的(Ca,Nd)(Ti,Sn)O_3-(Li_(1/2)Nd_(1/2))TiO_3陶瓷可在900℃烧结致密。在所研究的组分范围内陶瓷的相组成为正交晶系的钙钛矿结构固溶体主晶相,并伴随有少量的金红石型TiO_2第二相。随着(Li_(1/2)Nd_(1/2))TiO_3添加量的增加,陶瓷的ε_r、Q×f值和τ_f均减小。组成为0.4(Ca,Nd)(Ti,Sn)O_3-0.6(Li_(1/2)Nd_(1/2))TiO_3的陶瓷,以H_3BO_3-CuO-Li_2CO_3为烧结助剂,在900℃保温2h烧结可获得优良的微波介电性能:ε_r=90.57,Q×f=3426GHz,τ_f=+9ppm/℃,具有较高的介电常数和良好的温度稳定性,能够满足微波器件设计的要求。 (四)(Ca,Nd)(Ti,Sn)O_3-(Li_(1/2)Nd_(1/2))TiO_3陶瓷浆料的LTCC工艺适应性以及膜片与Ag电极共烧匹配性的研究。采用WB4010乳液型粘结剂配置水基陶瓷浆料,有效避免了烧结助剂中的H_3BO_3与浆料中的粘结剂PVB或PVA发生胶凝反应的现象。0.4(Ca,Nd)(Ti,Sn)O_3-0.6(Li_(1/2)Nd_(1/2))TiO_3陶瓷水基流延浆料均匀、稳定,流延成型膜片表面平整、结构均匀。研究表明陶瓷膜片与Ag电极共烧界面结合紧密,元素无扩散现象,具有良好的共烧匹配性,是一种极具应用价值的高介电常数LTCC微波介质材料,可用于多层微波元器件的制造。


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