新型低溫共燒陶瓷復合介質(zhì)材料設計

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(chǎn)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(zhì)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(nèi)容如下:

(1)探索性地建立了針對LTCC陶瓷的低溫燒結(jié)模型。模型基于液相燒結(jié)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(jié)驅(qū)動力,將燒結(jié)溫度、時間與燒結(jié)后的最終晶粒大小、相對密度聯(lián)系起來,模擬出低溫燒結(jié)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(jié)構(gòu)及電磁性能在理論上對復合可能性的影響,根據(jù)材料的微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中鐵磁晶粒內(nèi)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(jié)構(gòu)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(jié)曲線中升溫降溫速度、燒結(jié)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(jù)實驗數(shù)據(jù)結(jié)果得到最佳鐵氧體燒結(jié)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(jié)鐵氧體LTCF材料的微觀結(jié)構(gòu)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(jié)特性、微觀結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)特性、微觀結(jié)構(gòu)及電磁性能的影響,實驗揭示W(wǎng)6+對材料微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)特性、微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)使濾波器各性能指標達到要求,并實現(xiàn)生產(chǎn)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。