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为了满足器件小型化、集成化以及模块化需求,低温共烧陶瓷LTCC(LowTemperature Co-fired Ceramics)技术以其优异的电学、机械、热学及工艺特性,是一个非常重要的集成技术广泛用于小型化器件制造中。本论文以Ba4LiNb3O12、Ba4LiTa3O12、Li2CoTi3O8、Li2Co1-xZnxTi3O8、Li2+xMgTi3O8+0.5x、Li2+xZnTi3O8+0.5x陶瓷为研究对象,通过实验研究,开发出一系列中等介电常数,且能与Ag电极共烧的LTCC微波介质陶瓷配方体系,并对其烧结机理进行了研究和总结。
(1)以Ba4LiNb3O12、Ba4LiTa3O12为研究对象,采用少量的BaCu(B2O5)(BCB)为烧结助剂,将Ba4LiNb3O12、Ba4LiTa3O12陶瓷由1160℃、1325℃左右的相变温度点降至950℃以下,并且陶瓷的烧结温度得到有效的降低,从1275℃、1450℃降至950℃以下,谐振频率温度系数得到有效的改善,微波介电性能恶化不大,并且这三种低烧陶瓷与 Ag电极具有很好的化学兼容性,是理想的LTCC微波介质陶瓷材料。
(2)通过传统的固相反应法合成了锂基尖晶石型Li2CoTi3O8陶瓷和Li2ZnxCo1-xTi3O8陶瓷固溶体,该类陶瓷具有重量轻、材料成本低、烧结温度低以及微波介电性能优异等优点。Li2ZnxCo1-xTi3O8(X=0.2-0.8)陶瓷的微波介电性能随着Zn取代量的不同介于端元化合物Li2ZnTi3O8和Li2CoTi3O8之间,呈线性变化趋势,其最佳烧结温度随x值的增加而增加。当烧结温度为1050℃时,Li2Zn0.4Co0.6Ti3O8陶瓷展现了一个最佳的微波介电性能:介电常数(～27.7),高的品质因数(～57100 GHz),以及较低的谐振频率温度系数(～-1.0 ppm／℃)。通过添加少量的BCB、B2O3烧结助剂,Li2CoTi3O8陶瓷的烧结温度由1025℃烧结温度降至900℃,微波介电性能影响不大,谐振频率温度系数得到了有效的提高。通过对比研究解释了液相低温烧结机制,并且BCB及B2O3添加后的低烧陶瓷都能与Ag电极能很好的兼容,是理想的LTCC备选材料。
(3)通过采用固相反应法对尖晶石结构的Li2+xATi3O8+0.5x(A=Zn,Mg)陶瓷进行非化学计量比的研究,以缺陷控制和微结构调控来优化介质材料的微波介电性能。对于Li缺失的陶瓷,随着Li含量逐渐减小,第二相逐渐出现,陶瓷的致密度逐渐降低,介电常数升高,Q×f值先上升再下降谐振频率温度系数逐渐升高。对于Li过量的陶瓷,随着Li含量逐渐增大,Li2+xMgTi3O8+0.5x陶瓷逐渐生成了LiTiO2的相,介电常数逐渐降低,Q×f值逐渐下降,谐振频率温度系数基本保持不变。Li缺失的Li1.95ZnTi3O7.975、Li过量的Li2.1MgTi3O8.05陶瓷分别获得最佳的综合微波介电性能。
(4)结合本文各章节材料实验研究,对低温液相烧结过程进行了详细阐述,解释了出现异常晶粒长大的原因有液相分布不均匀、原料粒度分布不均匀、第二相出现等,揭示了低温液相烧结机理。