新型低溫共燒陶瓷復合介質材料簡介

在眾多的封裝技術中,低溫共燒陶瓷LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)技術成為了國際研究的焦點,因為利用LTCC技術制備的產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技術是一種先進的混合電路封裝技術。它將四大無源器件,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(tǒng)。因此LTCC技術又稱為混合集成技術,它能有效地提高電路的封裝密度及系統(tǒng)的可靠性。

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

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–淀析過程中化學勢能的變化為燒結驅動力,將燒結溫度、時間與燒結后的最終晶粒大小、相對密度聯(lián)系起來,模擬出低溫燒結動態(tài)過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(tǒng)的分析。討論了復合材料中兩相成分的化學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。通過對復合結構中鐵磁晶粒內場變化的分析,推導出復合材料鐵電/鐵磁成分比與復合磁導率的關系方程;另外,利用微觀結構中電流流通的等效電路,推導得到不同鐵電/鐵磁成分比時復合材料復數(shù)介電常數(shù)與頻率的關系表達式。

(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(shù)預燒溫度、二次球磨時間、燒結曲線中升溫降溫速度、燒結溫度和保溫時間,通過SEM、XRD等分析手段了解改變工藝參數(shù)對鐵氧體材料微觀結構的影響規(guī)律,通過對材料介電常數(shù)頻譜、磁導率頻譜及品質因數(shù)的測量得知工藝參數(shù)對材料電磁性能的影響規(guī)律,根據實驗數(shù)據結果得到最佳鐵氧體燒結工藝參數(shù)。

(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、微觀結構及電磁性能的影響,首次發(fā)現(xiàn)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、微觀結構及電磁性能的影響,實驗揭示W6+對材料微觀結構的改善;最后對低溫NiCuZn鐵氧體進行改性摻雜,研究稀土氧化物CeO2對其微觀結構及電磁性能的影響,并給出NiCuZn鐵氧體摻雜稀土元素時的磁頻譜及介頻譜。

(5)開發(fā)了一新型的基于不同低溫燒結NiCuZn鐵氧體與高介電常數(shù)(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、微觀結構及電容電感雙性的影響。最后對復合材料進行稀土摻雜改性,研究稀土氧化物CeO2對其微觀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行模擬仿真,通過調節(jié)濾波器結構參數(shù)使濾波器各性能指標達到要求,并實現(xiàn)生產制備。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。