王平进
身份证号码：33072419621xxxx016;浙江新纳陶瓷新材有限公司 浙江东阳 322118
摘要：当前，电子元件正在向小型化、片式化、集成化方向发展，使得低温共烧陶瓷(Low-temperaturecofiredceramic，LTCC)技术越来越引起人们的关注。目前，新一代基于LTCC技术的电子元件已经成为当前主流的电子元件，而该技术要求微波介质陶瓷能够与高电导率的银、铜等电极材料实现低温共烧。然而，大多数性能优异的微波介质陶瓷的烧结温度都比较高，难以达到与金属电极低温共烧的要求。为了降低其烧结温度，通常在基体中加入一定量低熔点的烧结助剂，但过多的烧结助剂往往会引起材料介电性能劣化。因此，探索新型固有烧结温度低的微波介质陶瓷仍将是研究微波介质陶瓷材料领域的一个热点方向。高频化是微波元器件发展的必然趋势，随着通讯设备工作频率向毫米波段拓展，信号延迟问题会变得更加突出，因此，对作为通讯设备关键材料的微波介质陶瓷性能参数提出了更高的要求。与中、高介电常数材料相比，低介电常数材料能够降低基板与金属电极间的交互耦合损耗，缩短芯片间信号传播的延迟时间。
关键词：低介电常数；微波介质；陶瓷研究
1钨酸盐体系
目前对钨酸盐低介电常数微波介质陶瓷的研究主要集中在AWO4(A=Mg、Mn、Zn、Ca、Sr、Ba、Cd)体系上，其晶体结构与A2+的半径有关。当A2+的半径较大时(如Ca、Ba、Sr)，易形成四方相白钨矿结构，空间点群为I41/a;当A2+的半径较小时(如Mg、Zn、Mn、Cd)，则会形成单斜相黑钨矿结构，空间点群为P2/c。1988年，Nishigaki等［8］研究WO3对BaO-4TiO2陶瓷微波介电性能影响时，发现掺杂少量WO3显著提高了陶瓷的品质因数，这是因为形成了BaWO4第二相。随后，他们以Ba-CO3和WO3粉末为原料于1200℃制备出BaWO4单相陶瓷，并首次报道其微波介电性能:εr=8.2，Q×f=18000GHz，τf=－33×10－6/℃。近年来，人们对AWO4(A=Mg、Mn、Zn、Ca、Sr、Ba、Cd)体系微波介质陶瓷材料进行了深入系统的研究。除AWO4(A=Mg、Mn、Zn、Ca、Sr、Ba、Cd)系陶瓷外，常见的钨酸盐低介电常数微波介质陶瓷还有Li2WO4、Li2Mg2W3O12等。其中，Li2WO4具有硅铍石结构，属于三方晶系，空间群为Ｒ3，经640℃烧结即可致密且不与Ag、Al发生反应，其微波介电性能为:εr=5.5，Q×f=62000GHz，τf=－146×10－6/℃。为了补偿Li2WO4陶瓷负谐振频率温度系数，Guo等［14］向Li2WO4中掺杂TiO2，当掺入50%(摩尔分数)TiO2时，材料的谐振频率温度系数被调节至2.6×10－6/℃，介电常数升高到11，品质因数降低至32800GHz。早在1994年，Fu等报道了Li2Mg2W3O12属于正交晶系，空间群为Pnma。2014年，Guo等首次报道了Li2Mg2W3O12陶瓷的微波介电性能，经875℃烧结，陶瓷具有较好的微波介电性能:εr=7.72，Q×f=29600GHz，τf=－15.5×10－6/℃，且可以与Ag兼容。随后，Fang等将其预烧温度由800℃改为600℃，经720℃烧结即可制备出Li2Mg2W3O12陶瓷，介电常数与品质因数得到了一定改善(εr=8.4，Q×f=56700GHz)，然而谐振频率温度系数却被恶化(τf=－72.8×10－6/℃)。钨酸盐微波介质陶瓷具有较好的微波介电性能，然而其较难烧结成瓷，烧结体有较多的气孔，且原料价格较为昂贵，应用受到限制，但仍然是一种极具潜力的低介电常数LTCC陶瓷体系。
2硅酸盐系陶瓷
2.1Zn2SiO4
Zn2SiO4是硅锌矿构造，属三角晶系，空间点群为Ｒ3，该结构中Zn原子和Si原子均位于氧四面体的中心位置。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆2006年，Guo等首先报道了Zn2SiO4陶瓷经1340℃固相反应烧结后具有优异的微波介电性能:εr=6.6，Q×f=219000GHz，适合用于制作微波基板和毫米波器件。然而Zn2SiO4陶瓷的τf值较负(－61×10－6℃－1)，并且烧结温度较高，使其应用范围受到极大地限制。为了改善Zn2SiO4陶瓷烧结特性和负值较大的τf值，Zuo等［9］选择具有较低烧结温度(1100℃)和正τf值(+52×10－6℃－1)的Ba3(VO4)2化合物与Zn1.87SiO3.87陶瓷进行复合，发现与Ba3(VO4)2复合虽然可以降低Zn2SiO4系陶瓷的烧结温度，调节其τf值近零，但Ba3(VO4)2自身较大的介电损耗和较小的复相陶瓷晶粒尺寸会使其介电损耗明显增大。此外，Yue等［10］研究了TiO2添加量对溶胶-凝胶法制备的Zn2SiO4-TiO2复合陶瓷烧结特性和介电性能的影响规律:随着TiO2添加量的增大，Zn2SiO4-TiO2的致密化烧结温度逐渐降低，εr线性增大，Q×f值逐渐减小，τf值由负值转变为正值;与通过常规固相法烧结Zn2SiO4陶瓷相比，当TiO2添加量为11%(质量分数)时，采用溶胶-凝胶法制备的复合陶瓷具有较高的Q×f值(150800GHz)，且烧结温度降低约100℃。最近，Tang等通过加入20%(质量分数)ZnO-B2O3-SiO2玻璃将Zn2SiO4陶瓷的烧结温度降低至900℃，其仍保持较好的微波介电性能，能够用于制作LTCC微波元器件。
2.2Mg2SiO4
Mg2SiO4是橄榄石结构，属正交晶系，空间群为Pnma，具有低的介电常数(6.8)和极高的Q×f值(240000GHz)，是微波通讯、雷达天线以及航空航天等诸多领域的关键材料。与Al2O3陶瓷相比，它具有原料成本低廉、介电常数低和烧结温度低等优点，但其τf值为(－61～－73)×10－6℃－1，且在烧结过程中易产生第二相，严重限制了其应用范围。为了将Mg2SiO4陶瓷的τf值调节近零，选择常见的正τf值化合物(TiO2、CaTiO3、Ba3(VO4)2)与Mg2SiO4陶瓷进行复合。可以看出，CaTiO3和Ba3(VO4)2能够有效地将Mg2SiO4陶瓷的τf值调节近零，而TiO2和Mg2SiO4之间会发生反应，不能起到改善其τf值的作用。
2.3Mg2Al4Si5O18
堇青石(Mg2Al4Si5O18)的基本结构单元是［(Si，Al)O4］六元环，介电常数为6.0，品质因数为40000GHz，谐振频率温度系数为－25×10－6℃－1。与Zn2SiO4、Mg2SiO4陶瓷相比，堇青石的谐振频率温度系数更近零，热膨胀系数更小，非常适合用于制作微波基板。然而，其烧结温度范围较窄，难以致密，且Q×f值较低，无法满足高品质微波/毫米波介质元器件的应用需求。
3结论
通过两种不同形貌、粒径的金粉制备的通孔金浆料在FEＲＲO公司的A6生瓷上进行填孔实验，实验结果表明，当金粉形貌为球形，且颗粒分布集中，所制备的金导体浆料烧结后在陶瓷上的突出高度小于10μm，符合一般LTCC技术要求，金浆料均与生瓷片烧结匹配良好，金层致密无裂纹;片状金粉所制金浆料烧结收缩小，突出高度较大，与生瓷匹配较差，金层表面出现微裂纹。本研究的结果对A6生瓷体系的LTCC通孔金浆料研制提供了技术支持，也为研发其他体系LTCC通孔金浆料提供了参考。
参考文献：
[1]胡杰,吕学鹏,张天宇,李真,陈昊元,徐文盛.低介电常数微波介质陶瓷研究进展[J].材料导报,2017,31(S2):107-111+114.
[2]冯琴琴.低介电常数微波介质陶瓷的低温烧结及性能调控[D].陕西师范大学,2017.
[3]王楠.低介电微波陶瓷的设计、制备及性能优化[D].桂林理工大学,2017.
[4]程子凡.低介电常数聚阴离子型微波电介质陶瓷的研究[D].华南理工大学,2017.
论文作者:王平进
论文发表刊物:《防护工程》2018年第18期
论文发表时间:2018/11/6
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