中介电常数BaO-TiO-NbO体系低温共烧微波介质陶瓷

摘要

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小型化、模块化以及低成本化的重要途径，广泛应用于通信等领域，适用于LTCC技术的微波介质陶瓷正成为研究热点。目前低介电常数(εr)的LTCC微波介质陶瓷体系的应用较为成熟，而中、高介电常数LTCC微波介质陶瓷的研究和开发相对比较薄弱，特别是εr在45～70之间微波介质陶瓷体系更是鲜有报道，其难点在于既要降低烧结温度，又要兼顾材料介电性能以及LTCC工艺适应性(浆料制备以及与电极共烧等)。
　　 本文以制备中介电常数(εr=45～70)LTCC微波介质材料为目标，对Ba3Ti4Nb4O21(简称BTN)陶瓷进行了低温烧结、离子置换改性以及LTCC工艺适应性的研究，解决三者难以兼顾的问题，研究内容及成果如下：
　　 (一)以降低BTN陶瓷的烧结温度和提高介电性能为目的，研究了B2O3、CuO、MnCO3-CuO以及ZBS等多种助剂对BTN陶瓷烧结特性、显微结构及介电性能的影响。研究结果表明：烧结助剂在烧结过程中有液相生成，主要以溶解-沉淀方式进行传质，从而有效地促进了陶瓷在低温下烧结。单一B2O3或CuO助剂降温效果有限，1wt％/B2O3与1wt％CuO将BTN陶瓷的烧结温度从1280℃分别降至1100℃和975℃.采用预烧合成的MnCO3-CuO(简称MC)助剂在保持CuO降温效果的同时改善了陶瓷的Q×f值。MC和ZBS复合掺杂更好地促进了BTN陶瓷的烧结，添加1wt％MC与2wt％ZBS复合助剂的BTN陶瓷在900℃烧结致密，其Q×f值等于13500GHz，优于文献报道的添加LBS玻璃的Q×f值(仅为3000GHz)，但频率温度系数τf偏大，达到42×10-6/℃。
　　 (二)为减小低温烧结BTN陶瓷的τf系统研究了A位(Ba2+)、B位(Ti4+)离子置换对BTN陶瓷微波介电性能的影响。Mg2+、Ca2+置换Ba2+产生了大量MgTi2O5、Ti1/2Mg1/6Nb1/3O2、CaNb2O6、Ca3Nb2Ti3O14等第二相，导致Q×f值大幅度降低。Sr2+置换Ba2+则形成连续固溶体并导致品格收缩，无其它杂质相形成，陶瓷的εr与τf略有增加。Zr4+、Sn4+、(Zn1/3Nb2/3)4+和(Fe1/2Nb1/2)4+置换Ti4+均形成了连续固溶体，B位离子置换导致氧八面体倾斜加剧有效减小了BTN陶瓷的τf。(Zn1/3Nb2/3)针置换Ti4+后所得的陶瓷各项性能最佳，当置换量为50mol％时，τf降至20×10-6/℃，Q×f值提高到15700GHz。其它A位、B位离子置换不同程度地降低了BTN陶瓷的Q×f值。
　　 (三)在BTN陶瓷低温烧结及离子置换改性基础上，系统研究了其浆料特性以及与银电极共烧匹配性，获得了具有应用价值的配方及工艺。添加1wt％MC和1wt％ZBS的Ba3Ti2(Zn1/3Nb2/3)2Nb4O21陶瓷在900℃烧结致密，其介电性能：εr=53，Q×f=14800GHz，τf=6×10-6/℃。该陶瓷粉料能配制成均匀稳定的水基流廷浆料，流延成型的膜片表面平整致密。陶瓷膜片与Ag电极共烧界面结合紧密，无明显扩散反应现象，具有良好的共烧匹配性，是一种具有应用价值的中介电常数LTCC微波介质材料。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

第一章 绪论

1.1引言

1.2 LTCC技术概述

1.3 LTCC微波介质材料的研究概况

1.4中介电常数LTCC微波介质材料研究现状

1.5立题依据

第二章 实验过程及测试方法

2.1样品制备

2.2测试方法

第三章 单一助剂掺杂的Ba3Ti4Nb4O21陶瓷低温烧结

3.1引言

3.2 Ba3Ti4Nb4O21陶瓷的结构与性能

3.3添加B2O3低温烧结Ba3Ti4Nb4O21陶瓷

3.4添加CuO低温烧结Ba3Ti4Nb4O21陶瓷

3.5本章小结

第四章 复合助剂掺杂的Ba3Ti4Nb4O21陶瓷低温烧结

4.1引言

4.2添加MnCO3和CuO低温烧结Ba3Ti4Nb4O21陶瓷

4.3添加预合成的MnCO3-CuO低温烧结Ba3Ti4Nb4O21陶瓷

4.4添加MnCO3-CuO与ZBS复合助剂低温烧结Ba3Ti4Nb4O21陶瓷

4.5本章小结

第五章 A位离子置换改性Ba3Ti4Nb4O21陶瓷

5.1引言

5.2 Mg2+置换Ba2+对Ba3Ti4Nb4O21陶瓷结构及性能的影响

5.3 Ca2+置换Ba2+对Ba3Ti4Nb4O21陶瓷结构及性能的影响

5.4 Sr2+置换Ba2+对Ba3Ti4Nb4O21陶瓷结构及性能的影响

5.5本章小结

第六章 B位离子置换改性Ba3Ti4Nb4O21陶瓷

6.1引言

6.2 Zr4+置换Ti4+对Ba3Ti4Nb4O21陶瓷结构及性能的影响

6.3 Sn4+置换Ti4+对Ba3Ti4Nb4O21陶瓷结构及性能的影响

6.4(Li1/4Nb3/4)4+置换Ti4+对Ba3Ti4Nb4O21陶瓷结构及性能的影响

6.5(Zn1/3Nb2/3)4+置换Ti4+对Ba3Ti4Nb4O21陶瓷结构及性能的影响

6.6(Fe1/2Nb1/2)4+置换Ti4+对Ba3Ti4Nb4O21陶瓷结构及性能的影响

6.7 Ba3Ti4Nb4O21陶瓷介电性能与结构的关系

6.8本章小结

第七章 Ba3Ti2(zn1/3Nb2/3)2Nb4O21陶瓷的低温烧结及LTCC工艺适应性研究

7.1引言

7.2 Ba3Ti2(Zn1/3Nb2/3)2Nb4O21陶瓷的低温烧结

7.3浆料特性及流廷成型

7.4陶瓷膜片与银共烧

7.5本章小结

第八章 全文总结

参考文献

作者简介及攻读博士期间发表论文