复合双性LTCC材料基础研究

论文摘要

随着电子技术在自动化、工业控制、医学、航天航空和日常生活等领域的广泛应用，高密度、宽温域、小尺寸、多功能、高品质等特性日益成为其发展的必然趋势，同时这些特性给传统封装技术及工艺带来了巨大的挑战。在众多的封装技术中，低温共烧陶瓷LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic）技术成为了国际研究的焦点，因为利用LTCC技术制备的产品不仅能具备高电流密度、小体积，而且还具备高可靠性和优良的电性能、传输特性及密封性。LTCC技术是一种先进的混合电路封装技术。它将四大无源器件，即变压器（T）、电容器（C）、电感器（L）、电阻器（R）集成，配置于多层布线基板中，与有源器件（如：功率MOS、晶体管、IC电路模块等）共同集成为一完整的电路系统。因此LTCC技术又称为混合集成技术，它能有效地提高电路的封装密度及系统的可靠性。本文围绕LTCC技术中的低温共烧铁氧体LTCF（Low Temperature Co-fired Ferrite）材料采用理论、实验及应用三位一体的研究模式，开发了一种新型LTCC复合介质材料，不但对该材料的复合机理进行了理论模拟而且对其在LTCC滤波器中的应用展开了研究。本论文在理论模型、材料制备和器件设计上做了一些探索性和创新性的工作，具体内容如下：一、探索性地建立了针对LTCC陶瓷的低温烧结模型：模型基于液相烧结理论，以液相在晶粒边界引起的毛细管压力及溶解-淀析过程中化学势能的变化为烧结驱动力，将烧结温度、时间与烧结后的最终晶粒大小、相对密度联系起来，模拟出低温烧结动态过程中相对密度的变化趋势。二、首次提出铁电—铁磁复合材料的复合理论并给予了系统的分析：讨论了复合材料中两相成分的化学结构及电磁性能在理论上对复合可能性的影响，根据材料的微观结构建立了复合模型，模型中假设铁电相均匀分布于铁磁相晶粒表面，并和气孔一起形成非磁性薄层将铁磁晶粒之间隔断，使铁磁颗粒孤立。通过对复合结构中铁磁晶粒内场变化的分析，推导出复合材料铁电／铁磁成分比与复合磁导率的关系方程；另外，利用微观结构中电流流通的等效电路，推导得到不同铁电／铁磁成分比时复合材料复数介电常数与频率的关系表达式。三、研究了工艺条件对材料电磁性能的影响：按照工艺流程改变工艺参数预烧温度、二次球磨时间、烧结曲线中升温降温速度、烧结温度和保温时间，通过电镜扫描SEM、X射线衍射等分析手段了解改变工艺参数对铁氧体材料微观结构的影响规律，通过对材料介电常数频谱、磁导率频谱及品质因数的测量得知工艺参数对材料电磁性能的影响规律，根据实验数据结果得到最佳铁氧体烧结工艺参数。四、研究了不同掺杂离子及助熔剂的加入对低温烧结铁氧体LTCF材料的微观结构及电磁性能影响：首先研究了不同MnCO3和CuO含量对NiZn铁氧体烧结特性、微观结构及电磁性能的影响，首次发现了掺杂Mn离子的NiZn铁氧体其电磁性能对烧结温度具有敏感性。其次研究了不同助熔剂Bi2O3、WO3和Nb2O5对NiCuZn铁氧体烧结特性、微观结构及电磁性能的影响，实验揭示W6+离子对材料微观结构的改善；最后对低温NiCuZn铁氧体进行改性掺杂，研究稀土氧化物CeO2对其微观结构及电磁性能的影响，并给出NiCuZn铁氧体掺杂稀土元素时的磁频谱及介频谱。五、开发了一新型的基于不同低温烧结NiCuZn铁氧体与高介电常数（BaTiOk+X）钙钛矿的具有电感、电容双性的铁电—铁磁复合材料，研究了不同铁电—铁磁含量对各组复合材料微观结构及电容电感双性的影响。并研究了不同助熔剂Bi2O3、WO3和Nb2O5对其烧结特性、微观结构及电容电感双性的影响。最后对复合材料进行稀土掺杂改性，研究稀土氧化物CeO2对其微观结构及电容电感双性的影响。六、设计并制作出两种使用第六章LTCC复合双性材料的3G通讯设备用带通滤波器，采用Ansoft HFSS电磁仿真软件对所建立的滤波器模型进行模拟仿真，通过调节滤波器结构参数使滤波器各性能指标达到目标要求，并实现生产制备。制得带通中心频率3.5GHz，插损＜2.8dB，带宽＞400MHz，阻带衰减大于35dB的微带式带通滤波器和带通中心频率1.4GHz，插损＜3dB，带宽＞160MHz，阻带衰减大于30dB的LC式带通滤波器。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 LTCC技术
• 1.2.1 工艺流程及产品分类
• 1.2.2 发展与现状
• 1.2.3 性能特点
• 1.2.4 应用范围
• 1.3 LTCC材料
• 1.3.1 材料种类及其特点
• 1.3.2 材料要求
• 1.4 论文主要研究内容及安排
• 第二章 LTCC材料烧结理论与模型
• 2.1 引言
• 2.2 固相反应与烧结
• 2.3 烧结的传质机理
• 2.3.1 粘滞流动
• 2.3.2 蒸发-凝结
• 2.3.3 表面扩散
• 2.3.4 体扩散
• 2.3.5 晶粒边界
• 2.3.6 塑性流动
• 2.4 烧结三阶段及其数学模型
• 2.4.1 固态烧结初期模型
• 2.4.2 固态烧结中后期模型
• 2.5 低温烧结模型探讨
• 2.5.1 液态烧结模型的建立
• 2.5.2 液态烧结模型的应用
• 2.6 小结
• 第三章 铁磁—铁电复合材料工艺
• 3.1 引言
• 3.2 材料分析
• 3.2.1 铁磁材料基材分析
• 3.1.2 铁电材料分析
• 3.3 复合机理
• 3.4 复合模型
• 3.4.1 复合模型的建立
• 3.4.2 复合模型的应用
• 3.5 小结
• 第四章 工艺条件对材料微观结构及电磁性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 预烧温度对材料的影响
• 4.2.1 预烧温度对铁氧体材料微观结构及密度的影响
• 4.2.2 预烧温度对材料磁导率的影响
• 4.2.3 预烧温度对品质因数的影响
• 4.3 二次球磨粉料颗粒大小对材料的影响
• 4.3.1 球磨时间对粉料粒度分布的影响
• 4.3.2 粒度对烧结温度及密度的影响
• 4.3.3 粒度分布对微观结构的影响
• 4.3.4 粒度分布对材料电磁性能的影响
• 4.4 烧结曲线对材料的影响
• 4.4.1 升温、降温速率的影响
• 4.4.2 烧结温度的影响
• 4.4.3 保温时间的影响
• 4.5 小结
• 第五章 助熔剂及掺杂对LTCF材料的性能影响
• 5.1 引言
• 3对NiZn材料的微观结构及电磁性能影响'>5.2 MnCO₃对NiZn材料的微观结构及电磁性能影响
• 3含量对NiZn铁氧体烧结温度的影响'>5.2.1 MnCO₃含量对NiZn铁氧体烧结温度的影响
• 3含量对NiZn铁氧体晶体结构的影响'>5.2.2 MnCO₃含量对NiZn铁氧体晶体结构的影响
• 3含量对NiZn铁氧体微观形貌的影响'>5.2.3 MnCO₃含量对NiZn铁氧体微观形貌的影响
• 3含量对NiZn铁氧体磁导率的影响'>5.2.4 MnCO₃含量对NiZn铁氧体磁导率的影响
• 3含量对NiZn铁氧体品质因数的影响'>5.2.5 MnCO₃含量对NiZn铁氧体品质因数的影响
• 3含量对NiZn铁氧体介电常数的影响'>5.2.6 MnCO₃含量对NiZn铁氧体介电常数的影响
• 5.3 CuO含量对NiZn软磁铁氧体微观结构及电磁性能的影响
• 5.3.1 CuO含量对NiZn铁氧体材料烧结温度的影响
• 5.3.2 CuO含量对NiZn铁氧体微观结构的影响
• 5.3.3 CuO含量对NiZn铁氧体磁导率的影响
• 5.3.4 CuO含量对NiZn铁氧体品质因数的影响
• 5.3.5 CuO含量对NiZn铁氧体介电常数的影响
• 5.3.6 CuO含量对饱和磁化强度Bs和矫顽力Hc的影响
• 2O₃对NiCuZn材料微观结构及电磁性能的影响'>5.4 Bi₂O₃对NiCuZn材料微观结构及电磁性能的影响
• 2O₃对NiCuZn铁氧体烧结温度的影响'>5.4.1 Bi₂O₃对NiCuZn铁氧体烧结温度的影响
• 2O₃对NiCuZn铁氧体微观结构的影响'>5.4.2 Bi₂O₃对NiCuZn铁氧体微观结构的影响
• 2O₃对NiCuZn铁氧体晶体结构的影响'>5.4.3 Bi₂O₃对NiCuZn铁氧体晶体结构的影响
• 2O₃对NiCuZn铁氧体复数磁导率μ的影响'>5.4.4 Bi₂O₃对NiCuZn铁氧体复数磁导率μ的影响
• 2O₃对NiCuZn铁氧体品质因数的影响'>5.4.5 Bi₂O₃对NiCuZn铁氧体品质因数的影响
• 3对NiCuZn铁氧体微观结构及电磁性能的影响'>5.5 WO₃对NiCuZn铁氧体微观结构及电磁性能的影响
• 3对NiCuZn铁氧休烧结温度的影响'>5.5.1 WO₃对NiCuZn铁氧休烧结温度的影响
• 3对NiCUZn铁氧体微观结构的影响'>5.5.2 WO₃对NiCUZn铁氧体微观结构的影响
• 3对NiCuZn铁氧体复数磁导率μ的影响'>5.5.3 WO₃对NiCuZn铁氧体复数磁导率μ的影响
• 3对NiCuZn铁氧体品质因数的影响'>5.5.4 WO₃对NiCuZn铁氧体品质因数的影响
• 3对NiCuZn铁氧体复数介电常数ε的影响'>5.5.5 WO₃对NiCuZn铁氧体复数介电常数ε的影响
• 2O₅对NiCuZn铁氧体微观结构及电磁性能的影响'>5.6 Nb₂O₅对NiCuZn铁氧体微观结构及电磁性能的影响
• 2O₅对NiCuZn铁氧体烧结温度的影响'>5.6.1 Nb₂O₅对NiCuZn铁氧体烧结温度的影响
• 2O₅对NiCuZn铁氧体微观结构的影响'>5.6.2 Nb₂O₅对NiCuZn铁氧体微观结构的影响
• 2O₅对NiCuZn铁氧体复数磁导率μ的影响'>5.6.3 Nb₂O₅对NiCuZn铁氧体复数磁导率μ的影响
• 2O₅对NiCuZn铁氧体品质因数的影响'>5.6.4 Nb₂O₅对NiCuZn铁氧体品质因数的影响
• 2对材料微观结构及电磁性能的影响'>5.7 CeO₂对材料微观结构及电磁性能的影响
• 2含量对NiCuZn铁氧体微观结构的影响'>5.7.1 CeO₂含量对NiCuZn铁氧体微观结构的影响
• 2含量对NiCuZn铁氧体磁导率的影响'>5.7.2 CeO₂含量对NiCuZn铁氧体磁导率的影响
• 2含量对NiCuZn铁氧体品质因数的影响'>5.7.3 CeO₂含量对NiCuZn铁氧体品质因数的影响
• 2含量对NiCuZn铁氧体介电常数的影响'>5.7.4 CeO₂含量对NiCuZn铁氧体介电常数的影响
• 5.8 小结
• 第六章 铁电-铁磁复合LTCC材料研究
• 6.1 引言
• 6.2 铁电-铁磁组分关系对复合材料微观结构及电磁性能的影响
• 6.2.1 铁电-铁磁组分关系对复合材料品休结构及微观形貌的影响
• 6.2.2 铁电-铁磁组分关系对复合材料磁导率的影响
• 6.2.3 铁电-铁磁组分关系对复合材料介电常数的影响
• 6.2.4 铁电-铁磁组分关系对复合材料居里温度的影响
• 6.3 助熔剂对复合材料微观结构及性能的影响
• 2O₃对复合材料的影响'>6.3.1 Bi₂O₃对复合材料的影响
• 3对复合材料的影响'>6.3.2 WO₃对复合材料的影响
• 2O₅对复合材料的影响'>6.3.3 Nb₂O₅对复合材料的影响
• 6.4 离子掺杂对低温烧结复合材料微观结构及性能的影响
• 3对低温烧结复合材料的影响'>6.4.1 CaCO₃对低温烧结复合材料的影响
• 2对低温烧结复合材料的影响'>6.4.2 CeO₂对低温烧结复合材料的影响
• 6.5 小结
• 第七章 复合材料LTCC滤波器的设计
• 7.1 引言
• 7.2 LTCC滤波器的设计
• 7.2.1 微带式带通滤波器
• 7.2.2 LC式带通滤波器
• 7.3 LTCC带通滤波器HFSS仿真结果
• 7.3.1 S参数仿真
• 7.3.2 偏差仿真
• 7.4 LTCC滤波器制作
• 7.5 小结
• 第八章 工作总结与展望
• 8.1 工作总结
• 8.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 读博期间发表的论文