中低介陶瓷成型与烧结性能研究文献综述

几年来,低温共烧陶瓷技术(Low Temperature Co-fired Ceramic, LTCC)已经成为电子元器件制造、集成及封装的主流技术,单一材料的特性和功能难以满足新技术对材料综合性能的要求,急需开发出新的LTCC材料体系。中低介电常数的陶瓷材料常被用于电子元器件的介质层材料和多层布线基板材料,是用量很多的一种介质材料。

梁钟媛的《中低介电常数低温共烧陶瓷制备工艺及性能研究》中用28BaO-18B₂O₃-54SiO₂玻璃与BaTiO3复合在低温下制备出了介电常数(25℃,100HMz)分别为5.50、10.00、20.00和30.00的四种中低介电常数玻璃陶瓷材料。 先通过比较不同配比的BaTiO₃ 28BaO-18B₂O₃-54SiO₂试样在不同温度下烧结后的收缩率,找出在LTCC技术要求的低于900℃温度就可烧结致密的配比范围,通过对试样的形貌及介电性能的分析对不同配比试样的烧结类型进行了总结并找出所需介电常数的配比。对原料配比及烧结制度进行调整制备出了所需的中等介电常数的玻璃陶瓷材料,通过对陶瓷断面形貌的分析,还有气孔率及所含固相中晶相体积的计算,分析了对材料介电常数增大起重要作用的因素。 文章对用BaTiO₃ 28BaO-18B₂O₃-54SiO₂玻璃LTCC体系进行了系统的研究,得出结论：低BaTiO₃掺量配比的试样,在烧结过程中坯体内有大量的玻璃固相及液相,这两相之间润湿性好,在烧结过程中可加快坯体内气体的排出,所以试样在900℃以下烧结就可达到高的致密度。低BaTiO₃掺量配比的试样,气孔含量对其介电常数的影响较大,BaTiO₃原料的增加使得复相陶瓷介电常数有所增加但不强烈。中等BaTiO₃掺量配比的试样,在900℃下难以烧结致密,原因是高温时28BaO-18B₂O₃-54SiO₂玻璃液与BaTiO₃固相间的润湿性不好。高BaTiO₃掺量配比的试样,在900℃烧结可获得达到所需收缩率要求的玻璃陶瓷,复相陶瓷固相中所含的晶相除了BaTiO₃外还有Ba₂TiSi₂O₈、BaTi(BO₃)₂、BaTi₂O₅这些新的晶相,残留的玻璃相很少,复相陶瓷的介电常数随着残留在固相中BaTiO₃体积分数的增加而显著增大。

压电陶瓷是陶瓷电子元器件研究中非常重要的材料,它的功能体现在信息的接收、转化、处理和存贮等方面。含铅固溶体以优异的压电性能和低廉的价格一度成为压电陶瓷材料中的统治者,然而其在制备和使用过程中污染环境,成为电子陶瓷工业中亟待解决的突出问题。在众多无铅压电陶瓷材料的研究体系中,钙钛矿结构(AB03)的BaTiO3 (BT)基陶瓷材料通过合适制备工艺和改性方法,获得准同型相界(MPB)和多晶型转变(PPT)等物相结构,使得其优异电学性能够满足压电陶瓷材料的要求,被誉为”电子工业未来的支柱”。在BT基无铅压电陶瓷材料的研究中,常压固相烧结制备工艺最为普遍,然而其烧结温度往往高达1450℃左右,不仅浪费大量的电能,而且导致高温下陶瓷晶体结构的畸变,进而造成电学性能恶化；另外,不同工艺制备的BT基陶瓷材料的电学性能范围分布比较宽。

田永尚论文的主要创新点有：(1)通过调整原料配方组成和控制反应温度对Pechini法改性,制备了粒径分布较窄和成分均一的高质量BT基纳米粉体,并研究了粉体制备的机理。(2)通过调整坯体的制备方法和控制烧结工艺参数来优化陶瓷制备工艺,得到了晶粒尺寸均一的高致密化BT基陶瓷,并探究了产生优异电学性能的机制。(3)研究了铱离子和铒离子等掺杂含镧的BT基陶瓷新体系材料。

LTCC低介电常数微波介质陶瓷已广泛应用于微电子工业的各个领域,具有十分广阔的市场和发展前景。国内对LTCC低介电常数微波介质陶瓷的研究仍处于落后状态,LTCC产业的进展也相对较慢,且产业规模较小,可从以下几个方面来发展LTCC微波介质陶瓷材料:(1)掌握LTCC核心技术尽快开发出系列化、拥有自主知识产权的材料体系;(2)加大研发固有烧结温度低且介电性能良好的微波介质陶瓷体系;(3)深化对微波介质材料低温烧结机理的硏究,为材料体系的选择及性能的提高等方面提供理论指导;(4)注重对微波介质材料体系工程实用性的研究,将科研成果最终落实到产业化上促进国内LTCC基板及微波元器作产产业的飞速发展。

参考文献

[1] 田永尚. 锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷的制备、结构与电学性能研究[D].中国地质大学,2016.

[2]张晓荣. YAG、Y_2O_3陶瓷的制备、光学性能和微波介电性能的研究[D].华中科技大学,2016.

[3]李皓. MgO-TiO_2体系微波介质陶瓷材料结构与性能优化研究[D].电子科技大学,2016.