低介低烧玻璃陶瓷材料的制备及其机理的研究

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低介低烧玻璃陶瓷材料主要用于高频多层片式电子元器件和传送高速信号的微电子封装(LTCC),该材料的研究和开发具有巨大的社会经济效益和使用前景。 用微晶玻璃法制备的CaO-B2O3-SiO2系粉体能够在850℃完全烧结,烧结体的介电常数为4.85,介电损耗为0.001(1MHz-1.8GHz)。研究了材料的析晶过程、烧结机理和微观结构。结果表明,B2O3具有很好的助烧作用,B2O3含量的增加能够降低材料的烧结温度。Al2O3含量的升高对材料的介电性能影响不大,但会改变CaO-B2O3-SiO2系微晶玻璃材料的析晶相并使烧结温度升高。当Al2O3含量为5wt%时,烧结体中的晶相主要为CS(CaO.SiO2)、CB(CaO.B2O3)和少量C6S4(6CaO.4SiO2)。晶粒尺寸约为100-150nm,部分晶粒有一定的择优取向。当Al2O3含量增加到15wt-30wt%时,烧结体中的晶相为Al5(BO3)O6和CaSiO3,以及微量的CaAl2Si2O8。 研究了堇青石玻璃陶瓷材料的制备工艺、材料组成、介电性能以及微观形貌。加入B2O3和P2O5助烧,在950℃低温制备了低介电常数和低介电损耗(ε=5.7,tanδ=0.0013,1MHz)的堇青石陶瓷材料。该材料的微观结构由大量的α堇青石、极少量的硼硅玻璃和气孔组成。 “堇青石+钙长石”二元体系玻璃陶瓷材料能够在900℃烧结致密,达到理论密度的98%。烧结体的热膨胀系数为3.7-6.0×10-6K-1(20-200℃),介电常数和介电损耗分别为4.8-5.0和0.0012。材料中的晶体主要为20-100nm的钙长石(CaO.Al2O3.2SiO2)以及α-堇青石(2MgO.2Al2O3.5SiO2)。CG的加入有助于钙长石的析晶。这种二元的复合方式使玻璃的粘度大大降低,促进了材料的致密化。 850℃-900℃低温烧结制备的ZnO-Li2O-B2O3-SiO2系玻璃陶瓷材料具有较低的介电常数和介电损耗(ε=3.51,tanδ=0.0013,1MHz)。少量Li2O能够降低玻璃熔制温度和增加玻璃流动性。ZnO不仅可以增加材料烧结过程中的液相以降低烧结温度,还能改善材料的介电性能。该体系陶瓷材料能用固相法在1150℃合成,材料具有低介电常数(ε<4)、低介电损耗(<10-3),但是成瓷效果和致密度有待提高。 用溶胶-凝胶法合成了高性能的堇青石非定型态粉体,研究了粉体的性能、烧结工艺,烧结体的致密化机理、介电性能和微观结构。讨论了Bi2O3、B2O3和P2O5对材料微观形貌、烧结性能和烧结机理的影响。用浓度为25%的氨水为催化剂,以3wt%Bi2O3为添加剂制备的堇青石无定型态粉体,能够低于900℃烧结,烧结体中的晶相全部为α堇青石。烧结体密度为2.458g/cm3,介电常数和介电损耗分别为3.72和0.0011(1MHz-1.8GHz)。将B2O3和P2O5与Bi2O3一起使用,会削弱Bi2O3的助烧作用。 以微观结构和原子间的键能为基础,研究了Bi2O3、B2O3和P2O5对堇青石生长机制的影响。Bi2O3能抑制μ堇青石的形核和长大,促成C轴较长的α堇青石在较低的温度析晶。当B2O3和P2O5随Bi2O3一起添加时,离子半径较小的B3+和P5+为μ堇青石提供了非均匀形核位置,导致μ堇青石在低温析出。α堇青石和玻璃相交界面结构的差异导致不对称结构的β堇青石的出现。用溶胶凝胶法制备的堇青石粉体进行流延、烧结,对流延工艺的各个环节以及流延坯片的烧结进行了初步研究。
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