钙硼硅微晶玻璃LTCC材料的研究进展

钙硼硅微晶玻璃具有烧结温度低、介电常数小、介质损耗低、成本低、适合批量生产等优点,因此在光学、航空航天和微电子等领域得到了广泛应用。文章通过评述近年来钙硼硅微晶玻璃LTCC材料的研究进展,重点对钙硼硅微晶玻璃的制备方法、组成优化和热处理工艺调控等进行了讨论,旨在为今后钙硼硅系微晶玻璃新材料的开发提供新思路。

不同Ca/Si比对钙硼硅三元微晶玻璃的性能影响

采用XRD、SEM、DSC等测试分析手段研究了Ca/Si比变化对CBS微晶玻璃晶相、微观结构和电性能的影响。结果表明在固定B2O3的含量为17%(摩尔分数)时,发现当m(Ca/Si比)<1.08时,CBS微晶玻璃的烧结温度>900℃,当m>1.08时,CBS微晶玻璃的烧结温度900℃。当m达到1.767时,CBS微晶玻璃无法烧结;随着CaO含量的增加,Ca2SiO4晶体逐渐增加,硅灰石相逐渐减少,石英相逐渐增加;在1MHz下,C2、C5和C7试样烧结后电损耗均<2×10-3。

钙硼硅系微晶玻璃晶化行为及性能

采用烧结法制备CaO-B2O3-SiO2微晶玻璃,使用差热分析(TG-DSC)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和性能测试研究CaO-B2O3-SiO2微晶玻璃的烧结、晶化特性和性能。研究表明在875℃条件下烧成15min后,CBS微晶玻璃中,包含有β-CaSiO3,α-SiO2和CaB2O4晶相,且结构致密,密度为2.48g/cm3;样品在10kHz下,相对介电常数εr为5.3,介电损耗tanδ为0.003;在样品烧成过程中,CBS微晶玻璃粉末首先晶化,然后才开始致密化过程,且CBS微晶玻璃的烧结属于析晶玻璃粘滞性流动烧结。烧结过程中的析晶与致密化是两个相互竞争的过程。

双碱金属氧化物对钙硼硅微晶玻璃性能的影响

向CaO-B2O3-SiO2微晶玻璃中添加双碱金属氧化物Na2O和Li2O。研究了Na2O和Li2O的总体质量分数和二者的质量比对玻璃试样性能的影响。采用DSC、XRD、SEM分析了玻璃的性能和微观形貌。结果表明:烧结后试样晶相主要为硅灰石;当w(双碱金属氧化物)为1.5%,ζ(Na2O∶Li2O)为2∶3时,试样能在950℃烧结,εr为6.16,tanδ为3.5×10–3(1MHz)。

钙硼硅系LTCC材料性能研究

在低软化点钙硼硅玻璃(LG)[r(Ca:Si)>1]中添加高软化点钙硼硅玻璃(HG)[r(Ca:Si)<1],经低温烧结制备了钙硼硅(CaO-B2O3-SiO2,CBS)LTCC材料(又称CBS微晶玻璃)。利用XRD和SEM,研究了HG的添加量及烧成温度对钙硼硅LTCC材料的物相和微观结构的影响。结果表明,HG玻璃的引入有效提高了LG的烧结性能及拓宽了烧结范围,且有效降低了该材料的相对介电常数。w(HG)为20%时,CBS微晶玻璃能够在850～910℃烧结致密;在1MHz测试频率下,相对介电常数小于7.25,介质损耗小于2×10–3。

钙硼硅系玻璃陶瓷低温烧结研究

利用不同粒度的CaO-B2O3-SiO2(CBS)玻璃粉料,制备了低温烧结的CBS玻璃陶瓷。研究了粉料粒度对CBS系玻璃陶瓷低温烧结的影响。实验表明,粉料粒度对粉料的玻璃化温度Tg的影响不明显,玻璃致密化开始于玻璃化温度Tg≈680℃,随着烧成温度升高,收缩率迅速增大;随着粉料粒度的减小,试样的烧结温度和显气孔率降低,体积密度、收缩率、热膨胀系数和抗折强度都增大。将粉料粒径中位值D50=2.34μm的粉料采用流延工艺制得127μm的生料带,运用优化烧成工艺,与银电极浆料在850℃共烧,表面平整,匹配良好,能在一定程度上满足低温共烧陶瓷(LTCC)用基板材料的要求。

热处理工艺对钙硼硅微晶玻璃性能影响

在CaO-B2O3-SiO2(CBS)系微晶玻璃中,添加P2O5和ZnO两种晶核剂制成试样,采用XRD和SEM分析了试样相组成和微观形貌。研究了热处理工艺对试样烧成性能、力学性能和电学性能的影响。结果表明:试样主晶相为CaSiO3和CaB2O4,随着晶化时间的延长,介稳态的Ca2SiO4相逐渐减少,主晶相增加,核化温度升高,试样的抗弯强度增加。核化温度高于700℃,晶化时间超过2h,试样的析晶能力降低,密度降低。690℃核化1h,875℃晶化15min所得试样的性能较佳:密度为2.43g/cm3,εr为6.24,tanδ为1.2×10-3(10kHz)。

氧化铝对钙硼硅基板材料的改性

通过添加Al2O3改善了钙硼硅玻璃基板材料的失透现象,研究了Al2O3对钙硼硅材料的烧结性能、相组成、线膨胀系数和介电性能的影响。结果表明:试样的晶相均为CaB2O4、α-石英和CaSiO3,添加Al2O3不能改变晶相种类。当w(Al2O3)为9%时,基础玻璃由失透变为透明;线膨胀系数降低至10.5×10–6℃–1,tanδ低于1.1×10–3,Al2O3添加前后,试样的εr变化不大(10MHz)。

SiO_2含量对钙硼硅玻璃/(Al_2O_3+SiO_2)复相陶瓷结构与性能的影响

运用XRD、SEM等分析测试手段研究了SiO2含量变化对钙硼硅玻璃/(Al2O3+SiO2)复相陶瓷结构与性能的影响。结果表明:随着SiO2含量的增加能有效的降低试样的介电常数和介电损耗,提高复合材料的力学强度和热膨胀系数。SiO2添加量为12%时,试样体积密度为2.99 g·cm-3,收缩率为13.02%,10 MHz下的介电常数为7.0,介电损耗为1.1×10-4,抗弯强度为202 MPa,300℃时的热膨胀系数为6.2×10-6K-1。

基于钙硼硅系LTCC生瓷带微波基板制造技术

低温共烧陶瓷(LTCC)技术可以实现真正意义上的三维微波互连基板,已经成为实现机载、星载、舰载相控阵雷达收/发组件小型化、轻量化、高性能、高可靠和低成本的理想方法之一。文中对基于国产钙硼硅系LTCC生瓷带微波基板制造技术进行了深入研究,剖析了影响基板外形尺寸和腔体翘曲度的工艺因素,提出了相应的解决方法。

钙硼硅系LTCC生瓷带在收/发组件中的应用

低温共烧陶瓷(LTCC)技术是实现机载、星载、舰载相控阵雷达收/发组件小型化、轻量化、高性能、高可靠的有效手段。由于技术落后,国内缺少商品化的微波LTCC材料,严重制约了LTCC技术的发展。文中对国产钙硼硅系LTCC生瓷带在X波段收/发组件中的应用进行了深入研究,分析了钙硼硅系LTCC生瓷带的工艺性能、浆料匹配性能以及微波性能,并采用国产钙硼硅系LTCC生瓷带研制了X波段收/发组件,性能指标满足相控阵雷达技术要求,为微波LTCC材料的国产化进行了有益的探索。

Li_(2)O对钙硼硅系玻璃陶瓷结构与性能的影响

采用高温混熔法,制备不同Li_(2)O含量的CaO-B_(2)O_(3)-SiO_(2)玻璃陶瓷。考察Li_(2)O含量对该体系微观形态、烧结特性、介电性能等影响。结果表明:随着Li_(2)O含量增加,试样的烧结温度下降,烧结温度范围先变大后变小,烧结试样体积密度、介电性能、热力学性能都呈现出先增加再恶化的过程。当Li_(2)O含量为0.5mol%时,材料875℃烧结良好,性能优异,体积密度为2.55g·cm^(-1),10MHz频率的相对介电常数6.42,介电损耗1.1×10^(-3),热膨胀系数12.4×10^(-6)K^(-1),机械强度137 MPa。

钙硼硅系微晶玻璃析晶性能的研究

采用水淬法制备应用于LTCC基板材料的CaO-B2O3-SiO2系微晶玻璃。通过DTA和XRD综合分析,在充分析晶情况下此玻璃的主晶相是硅灰石(CaSiO3)、硼钙石(CaB2O4)以及石英(а-SiO2),并确定了3种晶相的析晶温度。在此基础上探讨了氧化硅和氧化钙含量对硅灰石晶相生成以及该系统微晶玻璃烧结性能的影响。得到了规律性的结果:增加钙含量能够有效诱使硅灰石析出,同时能够抑制石英相,降低烧结温度,使材料适用于基板材料的要求。

ZnO掺杂对钙硼硅系玻璃陶瓷微观结构与性能的影响

本工作研究了ZnO掺杂对钙硼硅系玻璃陶瓷的晶相组成、微观结构以及宏观性能的影响。采用Rietveld精修法计算该体系的结晶度和晶相含量,结果表明,ZnO掺杂有助于该体系的析晶,并促进石英和硅灰石的生成。ZnO掺杂促进了该体系的烧结致密化,玻璃陶瓷的力学性能因此得到显著提升。当ZnO掺杂量为8%(质量分数,下同)时,该体系的抗弯强度和杨氏模量分别高达207.9 MPa和82.9 GPa,介电常数为5.75,介电损耗为7.1×10^(-4),热膨胀系数为9.62×10^(-6)/℃。

烧结助剂对硼硅钙微晶玻璃结构和介电性能的影响

研究了烧结助剂P2O5和ZnO对CaO–B2O3–SiO2(CBS)玻璃粉末的助烧作用及其对材料的相组成、显微结构和介电性能的影响。结果表明:未添加烧结助剂在1000℃烧成的样品晶粒粗大(1～3μm),且结构疏松。复合添加2%(质量分数,下同)P2O5和0.5%ZnO后,850℃烧成的CBS微晶玻璃中,包含有β–CaSiO3,α–SiO2和CaB2O43种晶相,晶粒发育细小均匀,粒径为0.5μm左右,具有一定量的玻璃相,且结构致密。加烧结助剂制得的样品在10MHz下,相对介电常数εr为6.38,介电损耗tanδ为0.0018。加复合烧结助剂P2O5和ZnO有效地降低了CBS玻璃粉末的烧结温度(低于900℃),可实现银、铜电极共烧。烧结助剂的作用机理是P2O5促进了液相的生成,ZnO则具有提高液相的粘度,增大烧结温度范围,细化晶粒和防止样品变形的作用。

PMMA对钙铝硼硅系微晶玻璃生料带及烧结性能影响

采用聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)作为粘结剂,流延成型制备钙铝硼硅(CABS)系微晶玻璃生料带,研究了PMMA对CABS生料带体积密度、微观结构及烧结性能等的影响。实验结果表明,以乙醇和丁酮(质量比为3∶7)作为混合溶剂体系,采用PMMA作粘结剂比使用聚乙烯醇缩丁醛(PVB)成型效果好,PMMA在400℃以前已完全排出,对试样烧结性能影响小;适当增加PMMA质量分数有利于增大生料带体积密度,但不利于提高烧结性能和介电性能;添加质量分数6%PMMA的生料带体积密度为2.07 g/cm^(3),达到了理论体积密度的79%;生料带的烧成试样体积密度最大,为3.06 g/cm^(3),10 MHz下介电常数为8.19,介电损耗为2.4×10^(-3)~2.5×10^(-3)。

新疆某低品位硅硼钙石矿的富集研究

中国目前尚未开展低品位硅硼钙石的富集研究,本次试验首次对新疆某低品位火山沉积型硅硼钙石矿的矿物加工技术进行探讨。此次采用浮选工艺,流程简单,采用一次粗选、一次扫选、两次精选可获得较好的浮选富集分离指标,使硼矿B_(2)O_(3)品位由4.48%提高至12.10%,回收率88.45%。试验的成功一定程度上提高了低品位硅硼钙石的富集加工技术,将有效缓解中国硼矿资源紧张问题。

保温时间对钙钡硼硅复相陶瓷性能的影响

通过对钙钡硼硅玻璃与氧化铝的混合物进行烧结,制备了可用于低温共烧陶瓷基板的硼硅酸盐玻璃/α-Al2O3系复相陶瓷。研究了保温时间对所制复相陶瓷的微观结构、烧结性能和介电性能的影响。结果表明:随着保温时间的延长,所制复相陶瓷的体积密度、吸水率和介电常数先增大后减小,而介质损耗则是先减小后增大。于850℃烧结、保温20 min制得的复相陶瓷的性能最佳,其体积密度为3.12 g.cm–3,吸水率为0.11%,10 MHz下的相对介电常数和介质损耗分别为7.88和1.0×10–3。

钙铝硼硅玻璃/氧化铝复合材料性能研究

通过高温熔融法制备的CaO-Al2O3-B2O3-SiO2玻璃粉末与α-Al2O3粉末按照质量分数50∶50混合,烧结制备了钙铝硼硅玻璃/氧化铝系低温共烧陶瓷材料,研究了烧结温度对复合材料的物相组成、微观结构、力学性能及介电性能的影响。结果表明,875℃烧结制备的复合材料性能最佳,抗弯强度为164MPa,介电常数为7.8,介电损耗为0.001 3,热膨胀系数为5.7×10-6/℃,具有良好的综合性能,可用作低温共烧陶瓷基板材料。

湖北大冶铁山铁矿床葡萄石和硅硼钙石矿物学特征及形成条件

大冶铁山铁矿床的葡萄石与硅硼钙石均产于夕卡岩的晶洞或裂隙中,与片沸石、菱沸石、辉沸石、方解石等密切共生。本文运用化学分析、X射线粉末衍射、红外吸收光谱和差热分析等现代测试方法,对葡萄石与硅硼钙石矿物学特征及形成条件进行了全面研究。