K2O-B2O3-SiO2基玻璃陶瓷材料的改性研究

摘要

随着5G即将进入我们的生活，电子通信行业获得全面的发展。小型化和集成化是电子元器件的一个主流趋势。为了使器件具有更好的实用性和可行性，低温共烧陶瓷（LTCC）技术被普遍应用。具有低介电常数、低损耗、高弯曲强度和匹配的热膨胀系数的玻璃陶瓷材料是LTCC材料的重要分支。 本论文采用玻璃/陶瓷工艺和一次预烧工艺研究K2O-B2O3-SiO2基玻璃陶瓷的相关性能。第一种工艺采用一次预烧方法，在不添加玻璃的情况下，分别研究预烧温度、K2O含量、Na2O含量、BaO含量和CaO含量对材料相关性能的影响。在玻璃/陶瓷工艺中，以K2O-Al2O3-B2O3-SiO2玻璃和ZnO-B2O3-SiO2玻璃的混合物作为Al2O3的烧结助剂，研究不同质量分数的两种玻璃对材料性能的影响。 在第一种工艺中，合适的预烧温度有助于使各种氧化物初步发生化学反应并在烧结阶段提升固相反应的效率。K2O和Na2O具有断开玻璃网络的作用，因而能降低玻璃软化点，促进液相烧结效率。然而，由于离子运动，K2O和Na2O含量过高容易导致较高的介电损耗。在本研究中添加BaO的主要目的是依据压碱效应来降低碱金属离子的离子运动，从而降低材料的介电损耗。CaO的添加显著地提高了材料的烧结密度，降低气孔率。密度的增加是材料弯曲强度增加和热膨胀系数降低的主要原因。由于Ca2+的压碱作用，限制了两种碱金属离子的离子运动，这有助于降低介电损耗。当CaO质量分数为2.8%时，复合材料850℃烧结温度下在1MHz时介电常数为4.94、介电损耗为8×10-4，抗弯强度150MPa，热膨胀系数为8.5ppm/℃。良好的性能使一次预烧工艺下的K2O–B2O3–SiO2–Al2O3材料体系有望在LTCC技术中广泛应用。 在第二种工艺中，X射线衍射结果表明，通过调整玻璃混合物的成分，可以得到ZnAl2O4晶相。由于添加了富Si的KABS玻璃以及形成具有低介电常数的ZnAl2O4，介电常数在4.56和5.14之间。ZnAl2O4的形成和KABS玻璃的减少与Q×f的增加相对应。研究认为致密的微观结构和增强的ZnAl2O4晶相提高了抗弯强度。热膨胀系数值的增加是由于ZnAl2O4晶相的增强和液相的减少。KABS:ZBS质量比为6∶4的复合材料在850℃下具有最佳的烧结性能，具有高密度（2.89g/cm3）、低介电常数（4.92）和Q×f（6873GHz）、低热膨胀（5.5ppm/℃）等特点，这使其成为LTCC应用的一个有前景的候选材料。

目录

声明

第一章 前言

1.1 LTCC概述

1.2.1 烧结温度

1.2.2 介电性能

1.2.3 热膨胀系数

1.2.4 机械性能

1.2.5 与电极材料的化学兼容

1.3 LTCC基板材料的分类

1.3.1 微晶玻璃

1.3.2 玻璃/陶瓷

1.4.1 国内研究现状

1.4.2 国外研究现状

1.5.1 本论文的研究意义

1.5.2 本论文的研究内容

第二章 实验的设计以及制备分析

2.1 实验配方的设计

2.2 实验所用的原料以及设备

2.3.1 玻璃的配料制备

2.3.2 低温烧结复合物的制备

2.4 玻璃陶瓷复合材料的测试

2.4.1 SEM扫描电子显微镜

2.4.2X射线衍射分析（X-ray Diffraction Analysis, XRD）

2.4.3X射线光电子能谱分析(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)

2.4.4 介电性能

2.4.5 抗弯强度

2.4.6 热膨胀系数

2.4.7 密度

第三章 SiO2-B2O3-K2O基玻璃陶瓷材料的改性研究

3.1预烧温度对K2O–B2O3–SiO2–Al2O3复合材料性能影响

3.1.1 不同预烧温度对材料表面形貌的影响

3.1.2 不同预烧温度对材料物相结构的影响

3.1.3 不同预烧温度对材料介电性能的影响

3.1.4 不同预烧温度对材料抗弯强度的影响

3.1.5 不同预烧温度对材料热膨胀系数影响

3.2 K2O含量对K2O–B2O3–SiO2–Al2O3复合材料性能影响

3.2.1 不同K2O含量对材料表面形貌的影响

3.2.2 不同K2O含量对材料介电性能的影响

3.2.3 不同K2O含量对材料抗弯强度的影响

3.3 Na2O 含量对K2O–B2O3–SiO2–Al2O3复合材料性能影响

3.3.1 不同Na2O含量对材料表面形貌的影响

3.3.2 不同Na2O含量对材料介电性能的影响

3.4 BaO含量对K2O–B2O3–SiO2–Al2O3复合材料性能影响

3.4.1 不同BaO含量对材料表面形貌的影响

3.4.2 不同BaO含量对材料物相结构的影响

3.4.3 不同BaO含量对材料介电性能的影响

3.4.4 不同BaO含量对材料抗弯强度的影响

3.4.5 不同BaO含量对材料热膨胀系数的影响

3.5 CaO含量对K2O–B2O3–SiO2–Al2O3复合物材料性能影响

3.5.1 不同CaO含量对材料表面形貌的影响

3.5.2 不同CaO含量对材料物相结构的影响

3.5.3 复合材料的X射线光电子能谱分析

3.5.4 CaO含量对复合材料相关性能的影响

3.6 本章小结

第四章 低介电常数玻璃/陶瓷相关性能的研究

4.1 ZBS与KABS玻璃/陶瓷相关性能的研究

4.1.1 玻璃/ZnAl2O4陶瓷的反应机制

4.1.2 KABS/ZBS玻璃/ZnAl2O4陶瓷的表面形貌及其元素分布

4.1.3 在不同烧结温度下玻璃/ZnAl2O4陶瓷的介电性能与密度的关系

4.1.4 玻璃/ZnAl2O4陶瓷的XRD分析

4.1.5 玻璃/ZnAl2O4陶瓷的XPS分析

4.1.6 不同KABS/ZBS玻璃比例对玻璃/陶瓷相关性能的影响

4.2 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果