注册送28元体验金app|第一章绪论 微波介质陶瓷材料微波是指频率在

 新闻资讯     |      2019-10-27 07:21
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  由于其具有频率高、波长短、方向性和抗干扰能力强等特点 近年来 不管是民用还是军事产品 在越来越多的领域当中都可以看到微波的身影。通过上述两个方面的研究 我们希望能制备出低介电常数、低介电损耗且能满足LTCC要求的微波介电陶瓷材料。还对BaCu B2O5 相的合成、烧结曲线对材料样品的影响以及CaWO4 Li2WO4体系与Ag的兼容性进行了探索。例如 高速数字电路的设计一般选用相对介电常数为3 8的基板 射频工程师在进行高频线路的设计中常用相对介电常数为6 80的基板材料 对于以相对介电常数达20000为代表的高介电常数基板材料 则往往用于多层结构的设计以实现高容性器件的集成。这不仅节省了无源器件的封装成本 也减少了元器件间连接导体的长度与焊点数 并可制作线μm的细线结构电路以及更多的布线层数 为实现多功能化和提高封装密度提供了决定性的保障 第五 LTCC材料的热导率大致是有机基板的20倍 这能改善模块的导热性能为电路设计提供更大的功率容限 并且明显提高电路的寿命和可靠性 第六 LTCC技术能与薄膜多层布线技术很好的兼容 如果将这两种技术集合在一种组件模块的制作上 则可实现更高组装密度 10 12 。因此我国现在急需开发出系列化且拥有自主知识产权的LTCC瓷粉料 并生产出LTCC用生瓷带 为未来LTCC产业的发展奠定基础 10 15 之所以要发展我国的LTCC技术是因为与其它封装技术相比 LTCC具有它众多而又独特的优点 首先 材料的种类或者配比是可以根据需要变换的 LTCC材料的介电常数就可以在很大的范围内进行选择或者进行一定的调节 这为LTCC的广泛适用性奠定了坚实基础 第二 LTCC材料现已有较多种类且都具有优良的高频特性和微波介电性能 第三 LTCC内部的电极和导线一般都采用高电导率的金属材料 这对于提高电路系统的品质因数具有重要意义 第四 LTCC可以实现多层电路基板的制作 并且将电容电感等无源器件内埋于基板中。谐振频率温度系数TCF或τf 微波介质陶瓷的谐振频率温度系数可以定义为 当温度变化1 其中ft为温度为t时的谐振频率 ft0为温度为室温t0时的谐振频率。陶瓷能放微波炉吗,我们知道束缚电荷将在电场库仑力的作用下发生相对位移 由此出现正负电荷中心分开 最终在物质表面产生剩余电荷。这个体系中的AWO4作为微波介电陶瓷的研究历史较短 在研究它的微波介电性能前人们主要关注它的光电效应以及在热力学方面的特点。因此 可以说物质内部微观极化率在宏观上的表现就是介电常数。见表1 AWO4陶瓷的微波介电性能33 材料 烧结温度 ppm气孔率 MgWO4 1050 13 69000 58 067ZnWO4 1100 17 65000 60 050MnWO4 1100 14 32000 64 037CaWO4 1150 10 63000 53 033SrWO4 1150 56000 55 035BaWO4 1150 57500 78 017可以看出 AWO4不仅满足生产成本低、环保 而且还具有接近950 的较低烧结温度和优异的微波介电性能 是一类具有巨大潜力的LTCC低介电常数微波介质陶瓷材料。所以 一般来说 在高频微波 毫米波领域我们需要微波陶瓷材料具有较低的介电常数 以满足第一章 绪论 tanδ其中tanδ为微波介电损耗。不过 一般而言大量玻璃的存在会导致材料整体Q f值的下降 而且玻璃的复杂性也可能引起与金属电极的兼容性问题 同时由于热膨胀系数的不同 在焊接过程中可能出现开裂的现象。虽然多元助烧剂能够将硅酸盐系的烧结温度降低到950 以下 但是其低温烧结下的微波介电损耗也不是特别低。除此之外 材料的介电常数、介电损耗以及谐振频率温度系数也是很重要的设计指标。根据国内外相关报道 硅酸盐体系陶瓷的烧结温度能被Li2CO3、V2O5、B2O3、SiO2等常用低熔点氧化物烧结助剂明显降低 而且多元助烧剂往往效果更好 22 25 。基于cawo4的低介低损耗ltcc微波陶瓷及应用研究。

  陶瓷杯可以放微波炉第一章绪论 微波介质陶瓷材料微波是指频率在300MHz到300GHz 也有学者将其定义为300MHz3000GHz 的电磁波它的频率高于调频广播无线电低于红外线的频率。陶瓷杯 微波炉,一般来说 按照介电常数的大小 可以把微波介质陶瓷材料分为高介电常数、中介电常数和低介电常数三类。这一结果很好 不过V2O5是一种B级无机剧毒物 不符合我们开发环保、无毒LTCC材料的要求。对比这几种AWO4陶瓷发现 CaWO4不仅Q f值较高而且介电常数不是太接近于15 十分符合我们的要求。现分别对这三种体系的研究进行一个简单的介绍。微波介质陶瓷的相对介电常数主要影响微波器件的尺寸和信号传输速度 这个结果可根据电磁波在介质中的传播公式得到 rd λd、vd分别为电磁波在介质材料中的波长和传播速度λ0、v0分别为电磁波在真空中的波长和传播速度 εr为材料的相对介电常数。TiO2和CaTiO3是两种十分常用的正TCF值材料 我们分别用这二者对CaWO4 Li2WO4体系进行了TCF值的调节 并对其烧结特性、物相和微波介电性能进行了研究。ltcc技术。

  之所以LTCC能得到多个行业的共同亲睐 是因为它最大的特点就是能实现模块的小型化和集成化 同时适合批量生产。MOSiO2 CaMg Zn 硅酸盐低介电常数微波陶瓷系列主要包括CaOSiO2、MgO SiO2、ZnO SiO2等。最后 以我们自己研发的低介电低损耗材料的参数为依据 采用三维电磁仿真软件HFSS设计了一个右旋圆极化GPS微带天线。ES Kim 等人报道了CaWO4 H3BO3在烧结温度为850时能取得很好的微波介电性能 70220GHz 第一章 绪论 15ppm 35 CaWO4的晶体结构图这种采用添加玻璃助剂来降低CaWO4的烧结温度的办法 虽然也取得了良好的效果。根据设计结果 我们用该基板材料 采用手工丝网印刷的方式制作了一个GPS微带天线 对材料的实用性进行了验证。电子科技大学硕士学位论文 在人们日益追求便捷生活的前提下微波技术的发展和频谱资源的紧缺 促使电子设备逐渐地高频化。J Bang 29 在900 的烧结温度下得到了纯 MgCo2 VO4 该陶瓷的Qf值高达78 906 GHz。Al2O3陶瓷最大的特点就是介电损耗非常低有利于制作超低损耗微波器件。Sung Hun Yoon最早对这个体系进行了系统的研究 并得到了它们的微波介电性能。使用LTCC技术 可以把微波器件中的电容 电感等元件制作在具有三维结构的陶瓷模块中 这就是LTCC技术能减小微波器件体积和实现集成化的原因所在。之所以采用Q值是因为它可以根据谐振峰的测量结果而得到。随着目前LTCC技术的广泛应用和微波系统集成化、高频和高速化的发展 开发和研究低介电常数 15、低介电损耗 40000GHz、低谐振频率温度系数 TCF或τf 0ppm 、低烧结温度 950、低成本 不含或者含有少量贵重金属 和环保 不含或者含有较少对人体或环境有害的原料 的微波介质陶瓷材料急需大量的开发和研究 当然这也是一个很有挑战性的课题。同时材料的介电损耗也是微波介质陶瓷的一个重要参数 理论上希望它越小越好。我们采用具有正负TCF值的材料相复合的办法来实现。虽然其Q f值很可观 但其TCF为较大的负值 更为重要的是其烧结温度高达1600 1800 这限制了它在LTCC方向上的应用。

  目前 欧美和日本等国家的LTCC技术和产品已经逐步形成了产业化、系列化并且能对生瓷带的材料参数进行设计。并比较了低损耗材料在单频点天线设计上的优势。这就是电极化的产生原理 为了表征物质的电极化能力 我们定义了介电常数这个物理量。从以上的研究结果可以看出 要将Al2O3陶瓷的烧结温度降低到950 以下 需要添加大量的烧结助剂 然而这也就导致了材料体系整体Q f值的剧烈恶化。电子科技大学硕士学位论文 10 第二是要将CaWO4系陶瓷的谐振频率温度系数调到零左右。微波器件或者系统的损耗要在某一固定频率下来进行讨论。不同的资料对这三类材料的定义有所区别 在本文我们取εr50为高介电常数材料 15 50为中介电常数材料低介电常数材料则是εr 15。ltcc生产实习,从LTCC的这段发展历史也可以看出 这些发达国家在LTCC技术上领先于我们。例如 Seo 18 等人通过添加La2O3 B2O3将Al2O3的烧结温度降低到950 得到介电常数为8 f值为12400GHz Dong Xiang Zhou 19 等人采用添加3ZnO 2B2O3玻璃的方式得到了950 烧结下的微波介电性能为 103GHz 32ppm 低温烧结下 Al2O3系陶瓷得到比较好的微波介电性能见于Yoon 等人的研究他们使用ZBS玻璃将Al2O3陶瓷的烧结温度降低到了900 并且Q f值保持在17 757GHz左右 20 。微波器件如果要想得到良好的热稳定性 则其制备材料的TCF就要越接近于零。如今 谐振器、滤波器、介质基板、介质天线和介质波导回路等微波器件采用的关键材料很大一部分都是微波介质陶瓷 各种微波元器件微波介质陶瓷的微波性能参数主要包括以下三个 相对介电常数εr当我们对物质加上外加电场时 我们一般将物质对电场激励的响应分为电极化和电传导。低温共烧陶瓷LTCC 技术 低温共烧陶瓷技术就是将金属电极材料与陶瓷生坯共同在低于电极材料熔点的温度下进行烧结的技术。本论文研究内容CaWO4要应用于LTCC微波介质材料 需要解决两个问题 首先是要降低它的烧结温度。作为AWO4这类材料的典型代表 CaWO4受到了较多的关注。而τe则主要受离子极化率随温度变化的影响 它主要与材料的晶体结构相关。Al2O3系Al2O3陶瓷是低介电常数微波介质陶瓷中开始研究的时间较早也是很有代表的一个体系 Al2O3结构。陶瓷碗 微波炉。

  尽管 高温烧结下的Al2O3陶瓷损耗特性很好 但是将烧结温度降低到950 以下后 其微波介电损耗急剧恶化 仅能满足一些对损耗要求不高的应用需求。现例举两个在这方面取得较好结果的报道 Valant等人21 开发了Ca0 9Mg0 1SiO3 Li2CO3Bi2O3陶瓷体系 这种陶瓷能在890 的烧结温度下实现电子科技大学硕士学位论文 致密化不过Q f值也只有27 566GHz 该体系中更低的介电损耗的研究报道来自于张启龙等人的研究结果 他们采用Li2CO3 V2O5将0 88CaMgSi2O6 12CaTiO3陶瓷的烧结温度控制在880左右 并且其Q f值可以达到46 200GHz。现假设谐振腔中的电磁波仅有TE01δ模式 根据电磁波理论可得到 圆柱样品内的电磁波波长λd与其高度h几乎相等。由于添加玻璃可能存在的弊端 我们选择采用添加低熔点氧化物的办法来降低CaWO4的烧结温度。微波介质陶瓷材料其实就是一种介质陶瓷 只不过它的应用范围主要限于微波频段。因此 考虑这类材料来用作LTCC微波介质材料时 除了要降低其烧结温度外还需要调节其TCF值到零附近。微波陶瓷不同的介电常数有不同的应用场合 从前面的结果可以看出 如果我们要获得较低的信号传输延时时间或者说较快的信号传输速度 则一般选择采用低介电常数微波陶瓷来制作器件。这一背景条件促进了LTCC技术在电子元器件及模块方面的应用和发展。研究得较多的方法是添加低熔点玻璃或低熔点氧化物。由于金属内电极需要在其熔点以下和陶瓷生带共同烧结 所以这项技术的关键在于开发出符合微波器件性能要求且能在低温下烧结成熟的材料。同时它还拥有良好的机械性能及耐热性能 能适应产品制作的需要。如果我们定义f0为器件的谐振频率 则功率从谐振峰顶端衰减3dB时的频率差为带宽BW 则品质因素可以表示为 f0BW。每个晶胞内含有四个CaWO4分子 钙离子位于 07534 。也就是说 当电磁波从空气传入一种介质材料后 频率大小不变 但波速和波长都减小为线倍。

  我们获得LTCC陶瓷材料主要靠购买国外的陶瓷生带或者粉料。AWO4、M3VO4 2、AMP2O7和AmoO4系 近年来低介微波陶瓷方向的报道对这个体系关注较多。在这一现实情况的驱动之下微波器件也需要实现高频、高性能化以及功能集成化。后来 日本人又把它应用在通讯设备的生产上。另外 采用不同的材料或者配方我们还能根据不同的应用需要对其介电常数和频率温度系数进行调节 因此它的应用范围比较广而且既能选择性地满足微波器件的小型化和高传输速度的要求 同时还能保持系统的损耗较小。实际生产中应用的最多的金属电极材料是Ag和Cu 故一般LTCC材料的烧结温度需要低于950 。同时微波器件不仅要减小体积还要保持良好的性能!

  对于CaWO4 138nm其结构如图1 3所示。近年来 由于国家对LTCC技术研究的重视 我国已经取得了一定的发展 不过总体技术水平和LTCC产品质量尚与国外存在较大差距 特别是在商用LTCC材料上。之所以用微波对其单独命名 主要是因为在微波频率下它的介质损耗比较低。这个体系的共同点就是它们的烧结温度不高 且介电损耗较低。所以国际上常用Q f值来表示介电损耗的大小 便于介质损耗的相互比较。微波陶瓷,虽然品质因数Q是频率的函数 但是在微波范围内Q与对应频率的乘积基本保持不变!

  主要依靠微波实现的技术包括卫星通信系统、蜂窝电话系统、军事雷达、无线局域网等无线信号通信领域以及医学诊断及治疗 环境遥感等领域。因此低介电常数材料的高信号传输速度特性在高频情况下显得尤为重要。陶瓷 微波炉,陶瓷杯能放微波炉吗,根据Alford 17 等的报道 我们可以看到Al2O3陶瓷的微波介电性能为 50104 GHz 60ppm 。通常我们要求陶瓷样品TCF在 10 ppm 以内。目前研究的LTCC用低介电常数微波介质陶瓷主要有Al2O3系 MO SiO2 CaMg Zn AWO4、M3VO4 2、AMP2O7和AMoO4 CaSr Ba等 系等。微波介质陶瓷材料就是在这一现实背景下而受到广泛关注与应用的。甚至一些数字系统的频率也提高到了微波频段 如工作在5 8GHz的日本公路电子收费系统。这些优点使得它们非常适合用作LTCC材料 不足的是其具有较大的负谐振频率温度系数 26 32 。SL KIM等人研究了0 85CaWO4 Li2MoO4在800 烧结温度下的微波介电性能 f值可以达到11300GHz 27 Bian近期发现Na2W2O7对CaWO4也有很好的降烧效果 在875 烧结两小时的情况下 f值为64358GHz 36 。由此我们可以得到如下关系式 212100 hcccfd 我们将等式两边同时对温度取微分可以得到TTffrrL 211 eLf21 其中αL为陶瓷的线性膨胀系数 τe为介电常数温度系数。如果再加入损耗比较高的材料调节其谐振频率温度系数的话 陶瓷的Q f值还将有所下降 因此Al2O3陶瓷不太适合于用在低损耗的LTCC微波器件上。主要第一章绪论 微波介质陶瓷材料微波是指频率在300MHz到300GHz 也有学者将其定义为300MHz3000GHz 的电磁波它的频率高于调频广播无线电低于红外线的频率。具体来说 本文尝试了CaWO4 BaCu B2O5 和CaWO4 Li2WO4两种降烧方案 并对它们的微波介电性能和微观结构及物相进行了详细分析。然而原来的一些微波系统频率也正向毫米波甚至太赫兹方向拓展。对于大部分的介质陶瓷 线性膨胀系数αL的范围一般取10 12 ppm 10 所以微波介质的介电常数温度系数τe的大小才是决定谐振频率温度系数的关键所在。

  基于此原因 有的研究人员研究了低熔点氧化物对CaWO4的降烧效果。其工艺流程图如下 第一章 绪论 论文研究背景近年来由于移动通信产品的迅猛发展和人们对于终端小型化的诉求 微波器件也逐渐向小型化和集成化方面发展。首先不同的应用场合需要不同的介电常数。当我们讨论某种微波陶瓷材料的谐振频率温度系数时 一般是指该材料圆柱样品的谐振频率温度系数。当微波频率较高时 电磁波的波长变短 我们通常需要较快的传输速度以减小信号的失真。由此可见 低熔点氧化物对CaWO4也能起到很好的促进烧结作用。通常 微波频率的增加会导致微波系统或器件的损耗有增加的趋势。而高介电常数可以有效地减小微波器件的尺寸 这为我们实现微波器件的小型化提供了支持。谐振频率温度系数则直接影响器件的温度稳定性 我们希望它无限接近于零。由于它独特的一些优点 欧美等国的汽车制造商尝试着用这项技术来生产制造家用汽车的零部件 并获得了成功。最初 为了满足美国军事产品的制作要求 美国的休斯公司创造性地开发了这项技术。

  微波技术的快速发展和逐渐拓展的应用领域 使得我们需要去开发和研究性能更加优异和功能更加完善的微波材料和器件。不过TCF为 94 ppm还需要进一步的调节。进一步研究发现它是白钨矿结构 属四方晶系 空点群为I41 88。这类低介微波陶瓷通常具有很好的微波介电性能 但高于1300 的烧结温度又限制了其在LTCC方向上的直接应用 21 。这种宏观与微观的联系可用Clausius方程来表示 εr就是材料的相对介电常数它被定义为物质实际的介电常数与真空介电常数之比 N为单位体积的极化分子数 ε0为真空介电常数 α为极化分子的极化率 它描述的是单位电场强度的分子偶极矩。机载通信系统、卫星通讯、电子收费系统、导航系统和全球卫星定位系统 GPS 天线等应用领域对这类材料有很大的需求量 11 15 国内外研究现状低介电常数的LTCC材料一直是微波介电陶瓷领域研究的热点 国外的一些公司现在已经开发出一些系列化的产品 除了介电常数为5 9的FerroA6和Du Pont的901外 其他一些种类的商用低介LTCC材料产品见下表 典型的低介电常数商用LTCC基板材料16 基板材料的组成 厂家 tanδMgO Al2O3 SiO2 IBM NACaO B2O3 SiO2 Ferro 002951 Al2O3 CaZrO3 Glass Dupont 3003GHz MLS25 Al2O3 B2O3 SiO2 NEC 4GHzCT2000 Heraeus 001T2000 Motorola 0026第一章 绪论 然而这些产品并没有完全满足人们的需要 它们的介电损耗都不算特别小 再加上国外厂家对核心技术的保密和价格垄断 所以研究人员一直对其保持高度的热情。为此 不少研究工作放在了降低Al2O3系陶瓷的烧结温度上 主要都是通过添加玻璃助剂来实现。所以 材料的介电常数主要影响微波器件的尺寸和电磁波的传播速度。由于其具有频率高、波长短、方向性和抗干扰能力强等特点 近年来 不管是民用还是军事产品 在越来越多的领域当中都可以看到微波的身影。