新型低溫共燒陶瓷復合介質(zhì)材料簡(jiǎn)介

在眾多的封裝技術(shù)中,低溫共燒陶瓷LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)技術(shù)成為了國際研究的焦點(diǎn),因為利用LTCC技術(shù)制備的產(chǎn)品不僅能具備高電流密度、小體積,而且還具備高可靠性和優(yōu)良的電性能、傳輸特性及密封性。LTCC技術(shù)是一種先進(jìn)的混合電路封裝技術(shù)。它將四大無(wú)源器件,即變壓器(T)、電容器(C)、電感器(L)和電阻器(R)集成,配置于多層布線(xiàn)基板中,與有源器件(如:功率MOS、晶體管和IC電路模塊等)共同集成為一完整的電路系統。因此LTCC技術(shù)又稱(chēng)為混合集成技術(shù),它能有效地提高電路的封裝密度及系統的可靠性。

筆者圍繞LTCC技術(shù)中的低溫共燒鐵氧體LTCF(Low Temperature Co-fired Ferrite)材料,采用理論、實(shí)驗及應用三位一體的研究模式,開(kāi)發(fā)了一種新型LTCC復合介質(zhì)材料,不但對該材料的復合機理進(jìn)行了理論模擬而且對其在LTCC濾波器中的應用展開(kāi)了研究。

筆者在理論模型、材料制備和器件設計上做了一些探索性和創(chuàng )新性的工作,具體內容如下:

(1)探索性地建立了針對LTCC陶瓷的低溫燒結模型。模型基于液相燒結理論,以液相在晶粒邊界引起的毛細管壓力及溶解–淀析過(guò)程中化學(xué)勢能的變化為燒結驅動(dòng)力,將燒結溫度、時(shí)間與燒結后的最終晶粒大小、相對密度聯(lián)系起來(lái),模擬出低溫燒結動(dòng)態(tài)過(guò)程中相對密度的變化趨勢。

(2)首次提出鐵電–鐵磁復合材料的復合理論并給予了系統的分析。討論了復合材料中兩相成分的化學(xué)結構及電磁性能在理論上對復合可能性的影響,根據材料的微觀(guān)結構建立了復合模型,模型中假設鐵電相均勻分布于鐵磁相晶粒表面,并和氣孔一起形成非磁性薄層將鐵磁晶粒之間隔斷,使鐵磁顆粒孤立。通過(guò)對復合結構中鐵磁晶粒內場(chǎng)變化的分析,推導出復合材料鐵電/鐵磁成分比與復合磁導率的關(guān)系方程;另外,利用微觀(guān)結構中電流流通的等效電路,推導得到不同鐵電/鐵磁成分比時(shí)復合材料復數介電常數與頻率的關(guān)系表達式。

(3)研究了工藝條件對材料電磁性能的影響。按照工藝流程改變工藝參數預燒溫度、二次球磨時(shí)間、燒結曲線(xiàn)中升溫降溫速度、燒結溫度和保溫時(shí)間,通過(guò)SEM、XRD等分析手段了解改變工藝參數對鐵氧體材料微觀(guān)結構的影響規律,通過(guò)對材料介電常數頻譜、磁導率頻譜及品質(zhì)因數的測量得知工藝參數對材料電磁性能的影響規律,根據實(shí)驗數據結果得到最佳鐵氧體燒結工藝參數。

(4)研究了不同摻雜離子及助熔劑的加入對低溫燒結鐵氧體LTCF材料的微觀(guān)結構及電磁性能影響。首先研究了不同MnCO3和CuO含量對NiZn鐵氧體燒結特性、微觀(guān)結構及電磁性能的影響,首次發(fā)現了摻雜Mn離子的NiZn鐵氧體其電磁性能對燒結溫度具有敏感性。其次研究了不同助熔劑Bi2O3、WO3和Nb2O5對NiCuZn鐵氧體燒結特性、微觀(guān)結構及電磁性能的影響,實(shí)驗揭示W(wǎng)6+對材料微觀(guān)結構的改善;最后對低溫NiCuZn鐵氧體進(jìn)行改性摻雜,研究稀土氧化物CeO2對其微觀(guān)結構及電磁性能的影響,并給出NiCuZn鐵氧體摻雜稀土元素時(shí)的磁頻譜及介頻譜。

(5)開(kāi)發(fā)了一新型的基于不同低溫燒結NiCuZn鐵氧體與高介電常數(BaTiOk+X)鈣鈦礦的具有電感、電容雙性的鐵電–鐵磁復合材料,研究了不同鐵電–鐵磁含量對各組復合材料微觀(guān)結構及電容電感雙性的影響。并研究了不同助熔劑Bi2O3、WO3和Nb2O5對其燒結特性、微觀(guān)結構及電容電感雙性的影響。最后對復合材料進(jìn)行稀土摻雜改性,研究稀土氧化物CeO2對其微觀(guān)結構及電容電感雙性的影響。

(6)設計并制作出兩種使用LTCC復合雙性材料的3G通訊設備用帶通濾波器。采用Ansoft HFSS電磁仿真軟件對所建立的濾波器模型進(jìn)行模擬仿真,通過(guò)調節濾波器結構參數使濾波器各性能指標達到要求,并實(shí)現生產(chǎn)制備。制得帶通中心頻率3.5 GHz,插損2.8 dB,帶寬>400 MHz,阻帶衰減大于35 dB的微帶式帶通濾波器和帶通中心頻率1.4 GHz,插損3 dB,帶寬>160 MHz,阻帶衰減大于30 dB的LC式帶通濾波器。