Mg2SO4基微波介質(zhì)陶瓷的性能優(yōu)化及低溫燒結(jié)研究.pdf

1、現(xiàn)代通信電子產(chǎn)品的快速發(fā)展對微波模塊的性能要求不斷提升。作為微波電路基板、封裝以及一些無源元器件的關(guān)鍵材料，微波介質(zhì)陶瓷的性能優(yōu)化和低溫燒結(jié)技術(shù)已成為研究熱點。
　　Mg2SnO4陶瓷具有低介電常數(shù)、低介電損耗的特點，是一種優(yōu)良的低介微波介質(zhì)材料。目前該體系的研究主要集中在Mg2SnO4的離子摻雜改性等方面，然而仍存在以下問題有待解決:(1)陶瓷的燒結(jié)溫度為1600℃左右，燒結(jié)時SnO2揮發(fā)等原因?qū)е職饪纵^多、致密度低;燒結(jié)溫度過

2、高，無法與Ag-Pd電極共燒。(2)諧振頻率溫度系數(shù)負值過大。
　　本文通過非化學計量比、離子取代的方法調(diào)控晶體結(jié)構(gòu)，改善其燒結(jié)特性，并優(yōu)化了微波介電性能;引入玻璃、低熔點化合物和復合助劑降低Mg2SnO4陶瓷燒結(jié)溫度，研究添加劑對陶瓷燒結(jié)特性、相組成、微觀形貌和微波介電性能的影響;引入CaTiO3對溫度系數(shù)進行調(diào)整;研究了陶瓷與Ag-Pd電極的共燒性能。
　?。ㄒ唬┎捎梅腔瘜W計量比優(yōu)化Mg2SnO4陶瓷燒結(jié)特性，提升微波介

3、電性能。化學計量比Mg2SnO4陶瓷的XRD結(jié)構(gòu)精修表明，陶瓷為完全反轉(zhuǎn)的尖晶石結(jié)構(gòu)，O以面心立方密堆，一半Mg2+離子占據(jù)四面體位置，另一半Mg2+離子同Sn4+離子共同占據(jù)八面體位置。使用固相法制備Mg過量的Mg2+xSnO4陶瓷，過量的Mg固溶于Mg2SnO4晶格間隙，引起的晶格畸變，從而提升陶瓷燒結(jié)特性，陶瓷介電性能也隨致密度提升而得到優(yōu)化。1620℃燒結(jié)的Mg2.15SnO4陶瓷獲得了良好的微波介電性能:εr=7.42，Q×f

4、=76800GHz，τf=-50 ppm/℃。
　?。ǘ┭芯苛薃l3+摻雜對Mg2SnO4晶體結(jié)構(gòu)的影響及其對微波介電性能影響機理。XRD精修結(jié)果表明，摻雜的Al3+同時進入氧四面體和八面體位置，引起氧多面體的扭轉(zhuǎn)和畸變、降低其對稱性。Al3+的摻雜提高燒結(jié)活性，燒結(jié)時間由4h縮短至1h;適量摻雜改善Mg2SnO4陶瓷的燒結(jié)性能，同時增大了陶瓷的Q×f值;另一方面，計算發(fā)現(xiàn)Al3+摻雜導致了晶體結(jié)構(gòu)中正離子鍵價升高，從而降低其τ

5、f值。Al3+摻雜量為0.05的陶瓷1620℃燒結(jié)1h獲得良好的微波介電性能:εr=7.77,Q×f=53200 GHz,τf=-49 ppm/℃。
　?。ㄈ┎捎勉G酸鹽玻璃、硼硅酸鹽玻璃助劑降低MgSnO4陶瓷的燒結(jié)溫度，研究了玻璃助劑添加的陶瓷體系物相組成、微觀形貌與其介電性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。(1)玻璃在加熱時形成的低粘度液相可促進燒結(jié)、降低陶瓷燒結(jié)溫度，15wt.％的鉍酸鹽玻璃或20wt.％硼硅酸鹽玻璃添加可以將Mg2SnO

6、4燒結(jié)溫度從1620℃分別降至1350℃和1250℃附近;(2)添加玻璃助劑的Mg2SnO4陶瓷在燒結(jié)過程可能反應生成新的物相，影響陶瓷介電性能。鉍酸鹽玻璃添加的陶瓷中，玻璃含量20 wt.％時析出Bi2O3，阻礙陶瓷致密化，嚴重降低材料Q×f值;硼硅酸鹽玻璃添加的陶瓷中，B2O3含量較少時會出現(xiàn)Mg2SiO4相，由于其本身具有極低的介電損耗，對添加硼硅酸鹽玻璃助劑的Mg2SnO4陶瓷體系的介電性能有積極作用。(3)由于玻璃相的存在，添

7、加玻璃助劑的Mg2SnO4陶瓷微波介電損耗較大。
　　（四）采用復合助劑LiF-Fe2O3-V2O5將Mg2SnO4燒結(jié)溫度降低至1050℃，研究了復合助劑協(xié)同降溫機制以及對微波介電性能的影響。燒結(jié)時，復合助劑熔化，形成典型液相燒結(jié);同時，F(xiàn)e3+離子進入晶格，導致晶格畸變，促進燒結(jié)傳質(zhì)過程。兩種機制協(xié)同作用，使得添加復合助劑添相比單一助劑用量更少且具有更好的降溫效果。加4 wt.％ LiF-Fe2O3-V2O5復合燒結(jié)助劑的Mg