BiNbO4和ZnTiO3微波介质陶瓷改性及其与铜电极共烧

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移动通信的迅猛发展对微波介质陶瓷元器件微型化和便携化提出了更高的要求,低温共烧陶瓷(low-temperature co-firing ceramics, LTCC)技术的出现为其提供了出路。为满足LTCC技术的要求,微波介质陶瓷朝着低温烧结、高频化方向发展;为了进一步降低成本,电极材料也由Pt、Pd、Au、Ag等贵金属转向Cu(1064℃),但是铜电极易于氧化,须在保护气氛下与陶瓷基体实现共烧。BiNbO4陶瓷是一类低温烧结陶瓷,其良好的微波介电性能使其能用于制造各种层式元件; ZnTiO3陶瓷具有优良的微波介电性能,不加入烧结助剂即可在1100℃烧结。本文以BiNbO4陶瓷和ZnTiO3陶瓷为研究对象,采用固相反应法制备陶瓷,系统研究了CuO、MnO2烧结助剂及烧结气氛对微波介质陶瓷相组成、微观结构、烧结性能和介电性能的影响,并考察了改性后的两种微波陶瓷与铜电极的共烧情况。BiNbO4陶瓷本身难以烧结致密,并且在低氧分压条件下较易分解。本研究通过在BiNbO4陶瓷体系中加入CuO降低烧结温度;并借助MnO2中的Mn取代Nb生成氧空位来减少由于气氛产生的氧空位的特性,添加MnO2来降低BiNbO4陶瓷在氮气气氛中的分解。研究表明:CuO的加入能降低烧结温度至920℃,在氮气气氛下也能获得较理想的微波介电性能:εr=43.65,Q×f=3463GHz;在低氧分压下,BiNbO4的分解反应生成金属铋,而MnO2的加入可以抑制BiNbO4的分解反应;采用0.2wt%CuO+0.5wt%MnO2复合掺杂剂的BiNbO4陶瓷介电性能良好:εr=42.58,Q×f=18657GHz,当与铜电极在保护气氛下共烧时,接触表面有新相生成,基体内发生还原反应产生金属铋并富集在电极区域。结果表明尽管BiNbO4陶瓷介电性能优异,但是不能用于叠层微波器件的制备。ZnTiO3陶瓷体系存在烧结温度相对过高、ZnTiO3相的热稳定性区间狭窄的缺陷。本文采取添加Zn-B-Si玻璃的方式降低烧结温度;并由于Mn2+与Zn2+半径相差不大,能生成(Zn, Mn) TiO3固溶体,通过添加MnO2来提高ZnTiO3相的稳定性。结果表明:锌硼硅玻璃的加入可以降低烧结温度至870℃;MnO2的添加能可使ZnTiO3相的热稳定性提高至1050℃;调节适当的比例(2wt%Zn-B-Si玻璃,0.2wt%MnO2)可以得到烧结温度为870℃,介电常数在27-29之间,品质因数达到22000GHz的微波介质陶瓷;并且与铜共烧时,界面没有新相生成,且无明显的元素扩散。
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