离子掺杂对高性能ZnO-TiO2系LTCC微波介质陶瓷的影响

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随着科技日新月异的发展,使得通讯设备小型化、高速度、多功能等成为通讯技术发展的必然趋势。低温共烧陶瓷(LTCC)技术是微波介质陶瓷将来重要的发展方向。微波电路通常使用的配线原料是银(Ag)或铜(Cu),拥有较高的电导率,该类陶瓷材料在微波频段下的介电损耗相比常规有机材料小,但由于金属电极的烧结温度限制,需要开发具有较低烧结温度的LTCC,可与Ag或Cu共同烧制。低温共烧陶瓷可以很好的匹配微波电路中的性能要求,在市场应用上亦是大受欢迎。本文以Zn0.9Mg0.1TiO3(ZMT)陶瓷材料为研究对象,采用传统固相反应法,研究了ZMT微波介质陶瓷用离子取代以进行基料改性,包括A位(Zn和Mg)和B位(Ti)取代。详细探讨了ZMT微波介质陶瓷中Co取代一部分Zn的影响,包括Co的取代量、烧结温度对陶瓷物相、微波介电性能的影响,并对ZnO-MgO-CoO-TiO2(ZMCT)系微波介质陶瓷谐振频率温度系数进行了调节,文章的最后部分介绍了对ZMT的复合降烧和对降烧机理的研究。ZMT微波介质陶瓷具有钛铁矿结构,其介电常数在20左右,拥有较高的品质因数,但是其谐振频率温度系数负值较大。在900℃下烧结4h得到的微波介电性能为:εr=20.91,Q×f=61630GHz,τf=-76.4ppm/℃,不能实际应用。本文首先对ZMT陶瓷通过离子掺杂进行τf值的调节。在离子取代的种类上,选用稀土元素和离子半径相近的元素进行取代,观察能否通过这种方式提高频率温度系数。对于使用Co取代不同量的Zn形成(Zn0.9Mg0.1)1-xCoxTiO3陶瓷进行了低温烧结研究,Co的取代能够在维持较好的微波介电性能的情况下使频率温度系数值得到提高,x的变化范围为00.1。通过加入低熔点玻璃ZnO-B2O3-SiO2(ZBS),在900℃下烧结,可获得优异的的微波介电性能,其中当x=0.06时形成钛铁矿型固溶体(Zn0.9Mg0.1)0.94Co0.06TiO3具有最佳微波介电性能:εr=21.58,Q×f=53948GHz,τf=-54 ppm/℃。要得到零温度系数陶瓷材料,可把具有正负性相反的两种微波介质陶瓷材料进行复合,将正温度系数的材料加入到ZMCT陶瓷材料中,从而提高ZMCT陶瓷的频率温度系数,此方法即正负温度系数中和法。运用这种方法设计了ZMCT与Ti O2的复合实验。最终发现ZMCT+9%TiO2在900℃下烧结4h的微波介电性能最佳为:εr=26.03,Q×f=34830GHz,τf=-4 ppm/℃。为降低保温时间,采用两种低熔点玻璃复合掺杂,设计了ZBS和Li2WO3在900℃下不同保温时间的复合降烧实验。通过实验可知Li2WO3玻璃和ZBS复合可以有效的降低ZMCT的烧结保温时间。(ZMCT+3%ZBS)+0.75%Li2WO3在900℃下保温1h获得的微波介电性能:εr=21.4,Q×f=49323 GHz。此外,还探讨了ZBS低熔点玻璃的降烧机理。
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