新型低溫共燒陶瓷復(fù)合介質(zhì)材料設(shè)計(jì)

 在眾多的封裝技術(shù)中,低溫共燒陶瓷LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)技術(shù)成為了國際研究的焦點(diǎn),因?yàn)槔肔TCC技術(shù)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(shù)是一種先進(jìn)的混合電路封裝技術(shù)。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(shù)又稱為混合集成技術(shù),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(shù)中的低溫共燒鐵氧體LTCF(Low Temperature Co-fired Ferrite)材料,采用理論、實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用三位一體的研究模式,開發(fā)了一種新型LTCC復(fù)合介質(zhì)材料,不但對(duì)該材料的復(fù)合機(jī)理進(jìn)行了理論模擬而且對(duì)其在LTCC濾波器中的應(yīng)用展開了研究。

    筆者在理論模型、材料制備和器件設(shè)計(jì)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(duì)LTCC陶瓷的低溫?zé)Y(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(xì)管壓力及溶解–淀析過程中化學(xué)勢能的變化為燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力,將燒結(jié)溫度、時(shí)間與燒結(jié)后的最終晶粒大小、相對(duì)密度聯(lián)系起來,模擬出低溫?zé)Y(jié)動(dòng)態(tài)過程中相對(duì)密度的變化趨勢。

(2)首次提出鐵電–鐵磁復(fù)合材料的復(fù)合理論并給予了系統(tǒng)的分析。討論了復(fù)合材料中兩相成分的化學(xué)結(jié)構(gòu)及電磁性能在理論上對(duì)復(fù)合可能性的影響,根據(jù)材料的微觀結(jié)構(gòu)建立了復(fù)合模型,模型中假設(shè)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(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)中鐵磁晶粒內(nèi)場變化的分析,推導(dǎo)出復(fù)合材料鐵電/鐵磁成分比與復(fù)合磁導(dǎo)率的關(guān)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(dǎo)得到不同鐵電/鐵磁成分比時(shí)復(fù)合材料復(fù)數(shù)介電常數(shù)與頻率的關(guān)系表達(dá)式。

(3)研究了工藝條件對(duì)材料電磁性能的影響。按照工藝流程改變工藝參數(shù)預(yù)燒溫度、二次球磨時(shí)間、燒結(jié)曲線中升溫降溫速度、燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間,通過SEM、XRD等分析手段了解改變工藝參數(shù)對(duì)鐵氧體材料微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,通過對(duì)材料介電常數(shù)頻譜、磁導(dǎo)率頻譜及品質(zhì)因數(shù)的測量得知工藝參數(shù)對(duì)材料電磁性能的影響規(guī)律,根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(duì)低溫?zé)Y(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(duì)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(duì)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(duì)NiCuZn鐵氧體燒結(jié)特性、微觀結(jié)構(gòu)及電磁性能的影響,實(shí)驗(yàn)揭示W(wǎng)6+對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)的改善;最后對(duì)低溫NiCuZn鐵氧體進(jìn)行改性摻雜,研究稀土氧化物CeO2對(duì)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(shí)的磁頻譜及介頻譜。

(5)開發(fā)了一新型的基于不同低溫?zé)Y(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(fù)合材料,研究了不同鐵電–鐵磁含量對(duì)各組復(fù)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(duì)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(duì)復(fù)合材料進(jìn)行稀土摻雜改性,研究稀土氧化物CeO2對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)及電容電感雙性的影響。

(6)設(shè)計(jì)并制作出兩種使用LTCC復(fù)合雙性材料的3G通訊設(shè)備用帶通濾波器。采用Ansoft HFSS電磁仿真軟件對(duì)所建立的濾波器模型進(jìn)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(biāo)達(dá)到要求,并實(shí)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。