文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
低温烧结Li2TiO3基微波介质陶瓷及其流延成型技术研究
姓名:梁军
申请学位级别:博士
专业:微电子学与固体电子学
指导教师:吕文中
2010-05-29
华中科技大学博士学位论文
摘要
在电子元器件日益趋向小型化、轻量化、集成化、多功能的今天,以低温共烧陶
瓷()技术制作的电子元器件及各种功能模块被广泛应用于现代通信、汽车电
子、航空航天和计算机等方面,作为这些电子元器件关键材料的微波介质陶瓷正向低
温共烧方向发展,新技术、新形势对微波介质陶瓷材料提出了更高的要求。本文在大
量实验基础上,确定以 Li2TiO3 基陶瓷为研究对象,实现了 Li2TiO3 基陶瓷的低温烧结,
通过改变配方、烧结工艺和成型工艺等改善了 Li2TiO3 基陶瓷的微波介电性能,研制
出适于流延工艺的 Li2TiO3 基陶瓷配方,研究了 Li2TiO3 基陶瓷与 Ag 电极的共烧行为,
证明了 Li2TiO3 基陶瓷是一种可能实用化的低温共烧微波介质陶瓷材料。
本文首先研究了符合化学计量比的 Li2TiO3 陶瓷的烧结特性及微波介电性能。通
过 TG/DTA 分析和 XRD 检测手段对 Li2TiO3 的预烧温度作了初步判定,在此基础上研
究了烧结温度对 Li2TiO3 陶瓷的烧结特性和微波介电性能的影响。Li2TiO3 的最佳预烧
温度是 820 ℃,最佳烧结温度是 1200 ℃,在此条件下烧结的 Li2TiO3 陶瓷试样有最大
的致密度和最好的微波介电性能,其微波介电性能为:εr=, Q×f=15525 GHz,
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τf= ppm/℃。陶瓷体密度为ρ= g/cm ,相对理论密度为 %。
考虑到 Li 元素高温挥发的性质,研究了非化学计量比对 Li2TiO3 陶瓷的烧结特性
及微波介电性能的影响。少量的 Li 过剩使在 1200 ℃中温烧结的 Li2TiO3 陶瓷 Q×f 值
明显升高,对其εr 值及τf 值影响不大。而少量 Li 过剩或 Li 缺乏均造成在 900 ℃低温
烧结的 Li2TiO3 陶瓷 Q×f 值下降,对陶瓷εr 值及τf 值影响不大。
在满足低温共烧技术对陶瓷烧结温度要求的基础上,本文考察了不同种类的烧结
助剂、烧结助剂的不同添加方式(复合氧化物和对应玻璃)、烧结助剂的配比和用量、
预烧温度、烧结温度和不同成型工艺(等静压和单轴压)等因素对 Li2TiO3 陶瓷相组
成、显微结构、烧结特性和微波介电性能的影响。添加 H3BO3 的 Li2TiO3 陶瓷晶粒较
小而均匀,少量添加 H3BO3 促进了陶瓷的烧结,对 Li2TiO3 基陶瓷的微波介电性能有
利,H3BO3 添加量超过 wt%时, Li2TiO3 基陶瓷的烧结致密度下降,陶瓷的微波介
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电性能恶化。适当提高烧结温度促进了陶瓷晶粒生长,陶瓷的微波介电性能提高;添
加 ZnO-B2O3 玻璃的 Li2TiO3 陶瓷晶粒生长较快,显微结构致密,Li2TiO3 陶瓷晶粒尺
寸随玻璃添加量增加而增大。添加 wt%锌硼玻璃后在 900 ℃烧结 2 小时的 Li2TiO3
基陶瓷具有最好微波介电性能为:εr=, Q×f =32275 GHz, τf= ppm/℃,陶瓷的
孔隙率为 %。在添加少量 H3BO3 或 ZnO-B2O3 玻璃的 Li2TiO3 基陶瓷中均只检测到
唯一单斜 Li2TiO3 晶相;添加剂锌硼玻璃的 ZnO/B2O3 比例越高,则玻璃的软化点也高,
玻璃的助烧能力降低,但玻璃对 Li2TiO3 基体的浸润性增加了,相应的 Li2TiO3 陶瓷
的微波介电性能略有提高;添加锌硼玻璃比添加等量的复合氧化物更有利于提高
Li2TiO3 陶瓷的烧结特性和微波介电性能;用 V2O5-ZnO-B2O3 玻璃作烧结助剂的
Li2TiO3 陶瓷可以用于流延,当添加 ~ wt%V2O5-ZnO-B2O3 玻璃后, Li2TiO3 陶
瓷在 920 ℃烧结,样品中均发现有少量的 Li3VO4 第二相存在。随着玻璃添加量增加,
Li2TiO3 陶瓷样品中的晶粒有逐渐长大的趋势,陶瓷的显微结构也变得更为致密。
ZnO-B2O3- V2O5 玻璃的添加量以 wt%最为合适,此时样品烧结致密高,微波介电
性能较好。在掺杂量一定时,提高烧结温度,样品的相对介电常数及 Q×f 值起初均有
提高,达到饱和值后开始下降。饱和相对介电常数在样品达到饱和体密度时得到,而
最大 Q×f 值在样品达到饱和体密度之后再略