用于LTCC應(yīng)用的新型微波介質(zhì)陶瓷

前言：

隨著近年來無線通信技術(shù)的革命，第五代通信技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。微波介質(zhì)陶瓷在提高通信系統(tǒng)傳輸效率方面發(fā)揮著重要作用。在工業(yè)應(yīng)用中，微波介質(zhì)陶瓷需要具有合適的介電常數(shù)(?r)、高品質(zhì)因數(shù)(Q×f)和近零溫度系數(shù)(τf)。隨著先進(jìn)的無源集成和混合電路封裝技術(shù)的發(fā)展，低溫共燒陶瓷(LTCC)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。此外，LTCC要求介質(zhì)陶瓷在共燒過程中與內(nèi)電極沒有化學(xué)反應(yīng)，并且具有較低的燒結(jié)溫度。

迄今為止，已有相當(dāng)數(shù)量的低燒陶瓷具有優(yōu)異的介電性能，如釩酸鹽、鎢酸鹽、鉬酸鹽、碲酸鹽和硼酸鹽。BaMnV2O7陶瓷具有良好的介電性能，并且Mn2+(r=0.75?)的半徑接近Zn2+(r=0.68?)，BaMnV2O7陶瓷的雙電子性能值得探索。

本文系統(tǒng)地研究了BaMnV2O7陶瓷的合成工藝、晶體結(jié)構(gòu)和微波介電性能。利用遠(yuǎn)紅外光譜對(duì)樣品的固有介電損耗進(jìn)行了表征。此外，還詳細(xì)研究了銀共燒BaMnV2O7陶瓷在LTCC中的應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)程序:

通過傳統(tǒng)的固態(tài)反應(yīng)制備BaMnV2O7陶瓷，高純度BaCO3(99.8%)、MnCO3(99.95%)和NH4VO3(99%)首先根據(jù)化學(xué)計(jì)量進(jìn)行稱重。將制備的粉末與氧化鋯球和乙醇磨機(jī)混合6h，不同鋯球的質(zhì)量比為1:1。然后在750℃下煅燒混合物持續(xù)4小時(shí)，重新研磨并干燥。然后，將10wt%聚乙烯醇粘合劑與粉末混合并研磨，直到粉末粒化。粉末在20MPa壓力下壓入研磨工具后，圓筒在810–870℃壓力下燒結(jié)持續(xù)4小時(shí)。

采用阿基米德法測(cè)量陶瓷的密度。室溫X射線衍射(XRD)用于測(cè)定結(jié)晶相。通過GSAS-EXPGUI軟件，采用Rietveld細(xì)化法計(jì)算晶格參數(shù)。為了進(jìn)一步確認(rèn)燒結(jié)樣品的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)和選區(qū)電子衍射(SAED)。用掃描電子顯微鏡觀察了不同溫度下BaMnV2O7陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)。用X射線光電子能譜(XPS)測(cè)定了燒結(jié)樣品的價(jià)態(tài)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果:

TEM分析與XRD數(shù)據(jù)一致，表明BaMnV₂O₇陶瓷在單斜空間群P21/n中結(jié)晶。

圖2顯示了在810℃燒結(jié)的BaMnV2O7陶瓷的SEM圖像。圖2(a)存在小顆粒和孔隙。隨著燒結(jié)溫度的升高到850℃(圖2(C))，氣孔逐漸減少，晶粒尺寸變得均勻，呈現(xiàn)腺苷酸微觀結(jié)構(gòu)。然而，過高的溫度導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常晶粒生長(zhǎng)和晶粒尺寸不均勻(圖2(d))，這對(duì)介電性能產(chǎn)生了負(fù)面影響。

圖3(a)顯示了BaMnV₂O₇陶瓷的體積密度和介電常數(shù)之間的關(guān)系，BaMnV₂O₇的相對(duì)密度如表2所示。

在整個(gè)燒結(jié)過程中，密度隨溫度升高而增加，在850℃時(shí)達(dá)到最大值,然而，一旦燒結(jié)溫度達(dá)到870℃、 堆積密度開始略有下降，這與微觀結(jié)構(gòu)的變化相一致。同時(shí)，介電常數(shù)和體積密度具有相似的趨勢(shì)，當(dāng)陶瓷密度最大時(shí)，介電常數(shù)最高為11.17(圖3(b))，這表明密度是影響介電常數(shù)的重要因素。

圖4體現(xiàn)了鍵價(jià)和共振頻率溫度系數(shù)的關(guān)系。

結(jié)論：

采用固相反應(yīng)技術(shù)合成了一種新型低燒陶瓷BaMnV2O7。XRD和TEM分析證實(shí)BaMnV2O7以單斜結(jié)構(gòu)結(jié)晶，具有P21/n空間群。SEM照片顯示了不同燒結(jié)溫度下的表面形貌，在850℃時(shí)獲得了高密度。此外，τf值的變化受V-O鍵價(jià)的影響。此外，對(duì)紅外反射光譜進(jìn)行擬合分析，以研究對(duì)本征介電性能的主要貢獻(xiàn)。BaMnV2O7陶瓷在850℃燒結(jié)表現(xiàn)出最佳介電性能，孔隙對(duì)樣品的介電性能起著重要的作用。SEM-EDS圖像顯示具有銀電極的BaMnV2O7陶瓷具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。

文章來源：BaMnV2O7：A novel microwave dielectric ceramic for LTCC applications ，[J]Ceramics InternationalVolume 47, Issue 22. 2021. PP 31506-31511