关键词：
微波介质陶瓷
LTCC
离子取代
介电性能
MgGa2O4
摘要：
新一代通讯技术的飞速发展极大地推动了电子陶瓷元器件的小型化、轻型化、多功能集成化的研究进程。低温共烧陶瓷（LTCC）是无源元器件集成的关键支撑材料,在开发高集成度、微小型的电子元器件方面具有显著优势,广泛应用于航空航天、移动通信、新能源汽车等微电子器件领域。LTCC基板材料要求具有低的烧结温度（≤950℃）、低的介电常数（εr）、高的品质因数（Q×f）以及近零的谐振频率温度系数（τ_f）。本文以介电性能优异的MgGa2O4尖晶石结构陶瓷为研究对象,针对于其烧结温度高（>1400℃）,不适用于LTCC技术的问题,采用复合超低温微波介质陶瓷、添加低熔点氧化物/氟化物、离子掺杂及助烧气氛等方法来降低烧结温度,并探究复合添加或离子掺杂对基体材料结构和介电性能的调控规律,借助理论计算、模型拟合等揭示结构与介电性能间的内在联系,通过工艺参数调控、介电性能对比等手段获得性能优异的MgGa2O4基LTCC材料。具体如下:
（1）通过在MgGa2O4材料中添加可低温烧结的CuMoO4陶瓷,成功将烧结温度从1410℃降低至900℃,且保持较好的介电性能。研究烧结机制发现,在烧结过程中并非CuMoO4高温下形成液相,而是二者之间发生离子扩散促进传质,从而降低烧结温度。采用理论计算的方法研究了离子极化率对介电常数的影响,发现离子极化率与介电常数呈现正相关的趋势;借助T2g拉曼峰的半峰宽（FWHM）拟合研究发现较低的FWHM值意味着较高的结构有序度及较低的声子阻尼,有利于Q×f值的提升;此外,离子取代导致晶格畸变的产生会影响到材料的频率温度系数。最后,在900℃下烧结的0.5MgGa2O4-0.5CuMoO4表现出了最好的综合性能:εr=6.8,Q×f=15800 GHz,τ_f=-54.2 ppm/℃,并且与Ag电极共烧具有良好的化学相容性。
（2）通过在MgGa2O4中复合添加BaCu（B2O5）以及LiF,高温下形成液相促进烧结,将陶瓷烧结温度分别降低至925℃与850℃。不同的复合比例会影响复合陶瓷材料的致密度与杂相含量的变化,进而影响复合陶瓷的介电常数与Q×f值。此外,借助拉曼FWHM值以及原子堆积分数计算,发现晶体结构稳定性与陶瓷的介电性能呈正相关关系;Ga位点的结合强度在一定程度上影响晶格畸变和结构稳定性,从而对频率温度系数产生正反馈效应。最后,在925℃下烧结的0.7MgGa2O4-0.3BaCu（B2O5）以及在850℃下烧结的0.7MgGa2O4-0.3LiF分别表现出了最好的综合性能:εr=9.42,Q×f=35480 GHz,τ_f=-22.7 ppm/℃以及εr=9.45,Q×f=32790 GHz,τ_f=-28.5 ppm/℃。且与Ag共烧都有着良好的化学相容性。
（3）采用复合离子(Li0.5Bi0.5)2+掺杂辅以助烧气氛的方法尝试在保证优异介电性能的前提下降低MgGa2O4烧结温度,通过适量的离子掺杂及助烧气氛作用,将烧结温度从1410℃降至1250℃。研究发现离子掺杂及烧结气氛的添加并没有导致材料产生第二相,避免了杂相对介电性能的影响。通过SEM发现当离子掺杂量较少时（x=0.02）更有助于提高陶瓷的致密化程度,而大掺杂量（x≥0.04）会导致材料内部产生的严重晶粒层状结构,降低了陶瓷的烧结致密度,进而恶化了材料的介电性能。此外,系统分析了密度、孔隙率等外部因素和晶格非简谐性振动等内部因素对介电常数和Q×f值的影响。最后,在1250℃下烧结的(Li0.5Bi0.5)0.02Mg0.98Ga2O4表现出了最好的综合性能:εr=9.41,Q×f=127159 GHz,τ_f=-39.6 ppm/℃。
