Development and application of ferrite materials for low temperature co-fired ceramic technology

Development and application of ferrite materials for low temperature co-fired ceramic （LTCC） technology are dis- cussed, specifically addressing several typical ferrite materials such as M-type barium ferrite, NiCuZn ferrite, YIG ferrite, and lithium ferrite. In order to permit co-firing with a silver internal electrode in LTCC process, the sintering temperature of ferrite materials should be less than 950 ℃. These ferrite materials are research focuses and are applied in many ways in electronics.

低温共烧低介电常数微波介质陶瓷的研究进展

随着全球移动数据量的爆炸式增加和全球卫星定位系统(GPS)等其他无线通讯定位手段的飞速发展,微波介质陶瓷作为一种至关重要的介质材料,可以承担多种高频信号和微波信号,正朝着高频化和信号的高频可调性方向发展。当今大数据时代,电子器件的轻薄化、高性能和低损耗对微波介质陶瓷材料提出了更高的要求。低温共烧陶瓷(LTCC)技术以其优异的热、电性能和先进的制备工艺成为有源/无源元器件封装的主流,广泛地用于电子器件和电路封装。实际应用中,对用于基板的微波电子器件而言,低介电常数可以有效地避免信号延迟,保证高效的传输速率,高的品质因数(Q×f≥5000 GHz)可以增加选频特性和器件工作的可靠性,近零谐振频率温度系数(τf)可以保障频率随温度变化的稳定性,低的烧结温度(T s≤950℃)可以实现和低熔点、高电导率的金属共烧。因此,低介LTCC陶瓷成为当前研究的热点,极大促进微波介电材料的应用。微波介质材料可分为陶瓷体系(碲酸盐、钒酸盐、钼酸盐、钨酸盐、硼酸盐和磷酸盐)、微晶玻璃体系(CaO-B_(2)O_(3)-SiO_(2)、MgO-B_(2)O_(3)-SiO_(2)、ZnO-B_(2)O_(3)、MgO-Al_(2)O_(3)-SiO_(2)、Li_(2)O-MgO-ZnO-B_(2)O_(3)-SiO_(2)、CuO-B_(2)O_(3)-Li_(2)O)和玻璃+陶瓷复合体系三大类。陶瓷体系一般采用固相法按照化学计量比进行制备。微晶玻璃是一种多晶材料,成分可调,微波介电性能优异,应用广泛。而玻璃+陶瓷复合体系是在低软化点玻璃基体中加入陶瓷填充剂制备出致密度高的微波介质陶瓷,陶瓷填充材料的选择取决于微电子器件的介电需求,主要用于改善微电子器件的介电、热学和力学性能。高性能LTCC材料的研发需要低温烧结介质材料与内电极材料的匹配共烧,从而提高低温烧结介质材料的微波性能和优化低温烧结介质材料的热膨胀系数与热导率。此外,低温烧结介质材料还应具有较好的机械强度和低的生产成本。本文总结了低温共烧低介材料的概念和分类,聚焦于各类共烧陶瓷、微晶玻璃和玻璃+陶瓷复合体系的研究现状与性能特点,系统分析了低温低介共烧材料制备及应用面临的主要问题,展望了其在未来通信技术的应用前景,为今后低烧高性能微波介质材料的发展提供借鉴。

X波段LTCC铁氧体环形器的设计

针对微波铁氧体材料与低温金属浆料及LTCC陶瓷材料在工艺上的匹配共烧的技术难题,文中采用本征模设计方法,运用阻抗匹配技术,借助微波仿真HFSS和Auto CAD软件设计了一种X波段单Y结LTCC铁氧体环形器。器件模型在10.9~12 GHz的频率范围内出现环形功能,其带宽为1.1 GHz,插入损耗≤0.5 d B,回波损耗≥10 d B,隔离度≥13 d B,驻波比≤1.5 d B。此设计有望实现微波环形器与低温共烧陶瓷（LTCC）技术的有效结合。

复合双性LTCC材料基础研究

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)和电阻器(R)集成,配置于多层布线基板中,与有源器件(如:功率MOS、晶体管和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。笔者围绕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。笔者在理论模型、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:(1)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。(2)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。(3)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SEM、XRD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。(4)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+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。(5)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。(6)设计并制作出两种使用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要求,并实现生产制备。制得带通中心频率3.5 GHz,插损<2.8 dB,带宽>400 MHz,阻带衰减大于35 dB的微带式带通滤波器和带通中心频率1.4 GHz,插损<3 dB,带宽>160 MHz,阻带衰减大于30 dB的LC式带通滤波器。

陶瓷化耐火硅橡胶加工工艺探讨

讨论了陶瓷化耐火硅橡胶的加工工艺;采用可以提高生产效率的悬链式生产线,通过合理的模具设计、牵引力矩计算,保证了挤出制品的表面质量和结构尺寸;正确的挤出温度及硫化工艺保证了产品的性能。

陶瓷艺术材料的烧制工艺——烧制成型篇

通过对陶瓷烧制工艺技术的探索,给陶瓷艺术烧制及创作带来的价值。了解陶瓷胎体及釉料烧制中的化学变化。科学掌握其基本性能,通过实验建立起自身工艺体系,更好地创作出当代陶瓷艺术品。

5G/6G材料专题序

信息传输方式的不断变革是人类文明演进的基础,也是科学技术发展的重要引擎。成立于上世纪二十年代、以提高电话通信距离为初期目标的贝尔实验室在此后的近百年中,先后发展出了晶体管、信息论、太阳能电池、通信卫星等影响人类历史进程的重大发明。今天,无线通信技术成为信息传输的重要方式,并已经历了5代,成为智能社会的基础,5G无线通信网络已经实现商用,基于毫米波乃至太赫兹频率的6G通信已开始布局。值得指出的是,无论是5G技术还是6G技术,其设计之初基本上都是基于应用和系统层面,而作为最底层的物理层的问题基本上都被默认为是可解决的。这样的设计思路,使得作为物理层基础的材料与器件尽可能被动地满足设计的要求,这对材料科学技术来说,即是挑战,也是机遇。