[01149779]钒基石榴石低温共烧LTCC陶瓷的成分设计、缺陷调控与微波介电性能研究

本课题来源于广西自然科学基金重点项目“钒基石榴石低温共烧LTCC陶瓷的成分设计、缺陷调控与微波介电性能研究”（编号：2015GXNSFDA139033）。 微波介电陶瓷是指应用于微波频段（主要是 UHF、SHF 频段）电路中作为介质并完成一种或多种功能的材料,广泛应用于制备介质基板、谐振器、滤波器、天线和片式电容器等微波电子元器件,是移动通信、雷达、导航、电子对抗、全球卫星定位系统（GPS）等现代通信技术的关键基础材料。随着电子信息技术不断向高频化和数字化方向发展,对元器件的低成本化、小型化、轻量化、集成化以至模块化的要求也越来越迫切。低温共烧陶瓷技术（LTCC,Low Temperature Co-fired Ceramics）以其优异的电学、机械、热学及工艺特性,已经成为电子器件模块化的主要技术之一。低温共烧陶瓷系统（LTCC）的烧结温度低,可用电阻率低的金属作为多层布线的导体材料,可以提高组装密度、信号传输速度,并且可内埋于多层基板一次烧成的各种层式微波电子器件,因此广泛用在高速高密度互连多元陶瓷组件（MCM）之中。低温共烧陶瓷系统（LTCC）的烧结温度低,可用电阻率低的金属作为多层布线的导体材料,可以提高组装密度、信号传输速度,并且可内埋于多层基板一次烧成的各种层式微波电子器件,因此广泛用在高速高密度互连多元陶瓷组件（MCM）之中。LTCC 共烧技术具有组装密度高、介电损耗低、可用于高微波频段、独石结构高可靠性与IC 热匹配好等特点,因此有着极为广泛的应用前景。对于 LTCC 技术而言,要求介质材料必须具有低的烧结温度（≤900℃）,以便能采用高电导率的金属电极Ag 作为内电极,从而大大降低成本。 大多数商用的微波介电材料虽然具有优异的微波介电性能,但是其烧结温度很高（一般≥1300℃）,因此为了与 LTCC 工艺相兼容,必须降低材料的烧结温度。添加低熔点氧化物或玻璃相烧结助剂以降低微波介电材料的烧结温度是最为常见的一种降低烧结温度的方法。除此之外,现在越来越多的研究者关注另外一种方法即寻找本身烧结温度低的材料体系,这些材料体系无需添加烧结助剂就能在较低温度下烧结成瓷,如 V 基,Bi 基,Mo 基以及 Li 基等低温烧结微波介电材料体系。随着微波通讯的迅猛发展,对微波元器件的便携式、微型化提出了新的要求。用高介电常数微波材料制备的微波谐振器可以极大地减小微波电路尺寸,但进一步微型化的出路却在于 MCM 的发展。在制造 MCM 用多层电路基板时,LTCC 技术显示出奇特优势,因此与 LTCC 技术相适应的多层介质器件和材料得到了广泛的重视和研究。适用于 LTCC 技术、微波性能优异、能与银电极共烧、化学组成和制备工艺简单的新型微波介电陶瓷材料是一类极具应用前景的新材料。 本成果利用广西丰富的有色金属资源,开展钒基 AB4V3O12 型石榴石（A=Li、Na,B= Ca、Cd、Zn、Mg、Co 等）低温共烧 LTCC 陶瓷的成分设计、缺陷调控与微波介电性能研究。首先采用远红外反射光谱和第一性原理研究该类陶瓷材料的本征介电常数与介电损耗。在此基础上,对其内应力、元素的化学价态以及氧空位等缺陷进行系统的研究,探讨该类陶瓷材料缺陷结构与微波介电特性的内在关联性,揭示其非本征损耗的形成机制,通过缺陷调控实现对该类陶瓷介电性能的优化,以期获得性能优异的新型钒基石榴石有色金属氧化物低温共烧微波介电材料。本项目的顺利实施,进一步完善了石榴石化合物性能调控的原理和方法,并为类似微波介电材料的科学裁剪提供了理论借鉴。