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(diǎn)。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(kuò)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(jī)制，后者屬于固相反應(yīng)燒結(jié)降溫機(jī)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(jìn)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(jì)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(yàn)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(jì)分析，提出形成穩(wěn)定鈦鐵礦結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)容差因子范圍和經(jīng)驗(yàn)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(kuò)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(xiàng)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(kuò)散現(xiàn)象；采用半無限大互擴(kuò)散偶模型，建立了互擴(kuò)散偶中離子濃度分布函數(shù)，計(jì)算了離子擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散激活能；通過理論計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，同一種離子，在不同的擴(kuò)散偶中，在不同溫度下，其擴(kuò)散系數(shù)有明顯不同，總體來說，各離子擴(kuò)散系數(shù)隨擴(kuò)散偶的變化趨勢為：HH2/NZC>ZMT1/NZC>

10、ZMT3/HH2；在ZMT1/NZC擴(kuò)散偶中，擴(kuò)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(kuò)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(shí)驗(yàn)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(kuò)散共燒體的理論擬合密度與實(shí)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(kuò)散層厚度越小，當(dāng)密度修正因子k為零時，表明沒有擴(kuò)散層出現(xiàn)；界面離子互擴(kuò)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(kuò)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