ZnO-TiO-,2-系介電陶瓷-NiZnCu鐵氧體疊層低溫共燒兼容特性研究.pdf

1、近年來，電子元件隨科技發(fā)展和市場需求不斷向片式化、小型化、多功能化等趨勢發(fā)展，其中，片式化是小型化、多功能化發(fā)展的基礎(chǔ)。因此，片式化材料和器件的研究成為熱點。在片式化多層結(jié)構(gòu)中，為了使用銀、銅內(nèi)電極，降低元件制作成本，低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics，LTCC)技術(shù)成為近年來興起的一種令人矚目的多學(xué)科交叉的整合組件技術(shù)。制造片式多功能器件，例如EMI多層片式LC濾波器的關(guān)鍵技術(shù)是異種材料間

2、的共燒兼容性。本文選取znTiO<,3>系介電材料和NiZnCu鐵氧體材料作為研究對象，從介電材料的低溫?zé)Y(jié)和摻雜改性入手，通過調(diào)節(jié)成型壓力，成型方式，疊層結(jié)構(gòu)，以及采用零收縮技術(shù)，零收縮差技術(shù)，加入中間層等工藝技術(shù)和結(jié)構(gòu)的改變，來研究層狀共燒體的收縮率匹配，界面反應(yīng)，界面擴散和介電性能，最終解決兩種材料之間的共燒兼容問題，獲得可低溫?zé)Y(jié)(900℃)的無翹曲變形，無開裂等缺陷且界面結(jié)合良好的疊層共燒體。 采用不同原料制備鈦酸鋅陶

3、瓷，發(fā)現(xiàn)陶瓷的低溫?zé)Y(jié)對原料活性極為敏感。添加適量V<,2>O<,5>和WO<,3>燒結(jié)助劑結(jié)合采用化學(xué)法工藝有效地將鈦酸鋅陶瓷的燒結(jié)溫度降低到900℃以下；前者主要是液相燒結(jié)降溫機制，后者屬于固相反應(yīng)燒結(jié)降溫機制；900℃燒結(jié)的摻雜1.0％V<,2>O<,5>陶瓷的微波介電性能為Q×f=8061GHz，ε<,r>=21.3。V<,2>O<,5>-B<,2>O<,3>復(fù)合摻雜將鈦酸鋅陶瓷燒結(jié)溫度從1100℃降至900℃以下，與V<,2>

4、O<,5>摻雜相比，V<,2>O<,5>-B<,2>O<,3>復(fù)合摻雜試樣的介電常數(shù)和介電損耗均減小。 Mg對ZnTiO<,3>的A位取代增加了六方相的熱穩(wěn)定性，但同時提高了陶瓷的燒結(jié)溫度；V<,2>O<,5>摻雜結(jié)合化學(xué)法有效的將(Zn,Mg)TiO<,3>(ZMT)陶瓷燒結(jié)溫度從1200～1300℃降至900℃以下。875℃燒結(jié)的ZMT3陶瓷介電常數(shù)ε<,r>=22，介電損耗tanδ=5.7×10<'-4>。Sn對ZnTiO

5、<,3>的B位取代促進了六方相向立方固溶相Zn<,2>(Ti<,1-x>Sn<,x>)O<,4>轉(zhuǎn)變，900℃時，Sn的固溶限為0.08mol。V<,2>O<,5>摻雜結(jié)合化學(xué)法有效的將ZnO-(1-x)TiO<,2>-xSnO<,2>陶瓷燒結(jié)溫度從1300℃降至1000℃；900℃燒結(jié)的試樣，當(dāng)x=0.12時，取得ε的最大值和tanδ的最小值，分別為ε<,r>=29，tanδ=9.86×10<'-5>，具有很好的應(yīng)用前景。 建

6、立了ABO<,3>型鈦鐵礦的容差因子計算公式，經(jīng)過分析具有鈦鐵礦結(jié)構(gòu)的MgTiO<,3>、 NiTiO<,3>、 CoTiO<,3>、ZnTiO<,3>以及(Zn<,1-x>，M<,x>)TiO<,3>(M為Mg、Ni、Co)復(fù)合鈦鐵礦的穩(wěn)定性，驗證了容差因子公式的合理性；通過對己發(fā)現(xiàn)的具ABO<,3>型鈦鐵礦結(jié)構(gòu)的化合物的統(tǒng)計分析，提出形成穩(wěn)定鈦鐵礦結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗容差因子范圍和經(jīng)驗電負(fù)性差值，即：t>0.80，e>1.465。 采

7、用拉膜工藝和二次燒成法制備出無分層、翹曲、開裂等缺陷的ZT(ZnTiO<,3>)/ZC (NiZnCu)疊層共燒體；共燒體界面處發(fā)生了反應(yīng)擴散。通過對ZMT3((Zn<,0.7>Mg<,0.3>)TiO<,3>)和NZC燒結(jié)動力學(xué)研究，建立了兩種材料的收縮動力學(xué)方程；研究發(fā)現(xiàn)，ZMT3/NZC共燒體產(chǎn)生翹曲與否與兩種材料在燒結(jié)溫度時的收縮匹配程度有重要關(guān)系，而燒結(jié)前期徑向收縮率差異的影響不明顯。建立了描述ZMT3/NZC共燒體產(chǎn)生翹曲變

8、形的幾何學(xué)方程。研究發(fā)現(xiàn)，收縮率差越大，翹曲程度越嚴(yán)重；收縮率隨成型壓力增大呈二次多項式分布，通過對疊層體施加單向壓力，利用模壓時產(chǎn)生的壓力梯度來調(diào)節(jié)兩種材料的收縮率不匹配，明顯減小了共燒體翹曲程度。 選取HH2(ZMT3和NZC按重量比1∶1混合粉)和ZMT1 ((Zn<,0.9>Mg<,0.1>)TiO<,3>)作為中間層材料，采用單向模壓成型方式，獲得了無翹曲變形，無開裂的ZMT3/HH2/NZC和ZMT3/ZMT1/NZ

9、C疊層共燒體。在疊層共燒體的四組界面處均發(fā)生界面擴散現(xiàn)象；采用半無限大互擴散偶模型，建立了互擴散偶中離子濃度分布函數(shù)，計算了離子擴散系數(shù)和擴散激活能；通過理論計算擬合了Zn<'2+>，Ti<'4+>，F(xiàn)e<'3+>，Ni<'2+>離子的歸一化濃度分布，擬合結(jié)果和實驗結(jié)果基本吻合。實驗結(jié)果表明，同一種離子，在不同的擴散偶中，在不同溫度下，其擴散系數(shù)有明顯不同，總體來說，各離子擴散系數(shù)隨擴散偶的變化趨勢為：HH2/NZC>ZMT1/NZC>

10、ZMT3/HH2；在ZMT1/NZC擴散偶中，擴散激活能大小為：Q<,d>(Fe<'3+>)>Q<,d>(Ti<'4+>)>Q<,d>(Ni<'2+>)>Q<,d>(Zn<'2+>)；900℃時，擴散系數(shù)大小為：D(Zn<'2+>)>D(Ni<'2+>)>D(Ti<'4+>)>D(Fe<'3+>)。 提出零收縮差“三明治”疊層共燒體結(jié)構(gòu)模型，實驗結(jié)果表明：以收縮率大的ZMT3材料作為夾層材料，以收縮率相對小的NZC材料作為收縮控

11、制層，可以防止裂紋，翹曲變形等缺陷出現(xiàn)，獲得界面結(jié)合緊密，無翹曲變形、開裂等缺陷的共燒體；通過比較無擴散共燒體的理論擬合密度與實際共燒體密度之間的差異，提出密度修正因子k，k越接近于零，則擴散層厚度越小，當(dāng)密度修正因子k為零時，表明沒有擴散層出現(xiàn)；界面離子互擴散引起界面處密度下降，只要參予共燒的兩種材料之間存在密度差異和界面擴散，就會引起界面致密度下降。 對疊層共燒體介電性能的研究表明，“三明治”疊層共燒體的介電損耗小于ZT/N