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LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)技术是目前实现各种微波介质陶瓷元器件微型化、复合化、片式化、模块化的最佳途径。为满足LTCC工艺和微波元器件高频化的要求,微波介质陶瓷正在朝高频、低温烧结等方向发展。 CaSiO3体系陶瓷是一种良好的低介高频微波介质材料,但是其烧结温度高,难以在1000℃以下与Ag、Cu等低熔点电极材料共烧。目前国内外报道的对该体系低温烧结的研究均为微晶玻璃制造工艺,且制备的材料介电损耗大。本文以CaSiO3体系为研究对象,首先对CaSiO3体系进行改性,并首次采用Li2O和Bi2O3作为烧结助剂,降低体系烧结温度,在此基础上,采用CaTiO3调节陶瓷的频率温度系数,制备出微波介电性能优良的具有工业应用价值的CaSiO3系LTCC低介高频微波介质陶瓷。 (一)协调CaSiO3微波介质性能。本文以Mg2+和Zn2+置换Ca2+,对CaSiO3基体材料进行改性。研究表明:Mg2+部分取代Ca2+所得的陶瓷样品比Zn2+部分取代Ca2+所得陶瓷样品的Q·f值高1倍,其中组成为(Ca0.7Mg0.3)SiO3的陶瓷,在1280℃烧结,微波介电性能:εr=7.20,Q·f=20978GHz(8GHz),是进行低温烧结研究的最佳基体材料。 (二)复合添加Li2O、Bi2O3助剂协同降低(Ca0.7Mg0.3)SiO3烧结温度,并协调介电性能。研究表明:添加Li2O、Bi2O3助剂,促使(Ca0.7Mg0.3)SiO3陶瓷在低温下合成介电特性优良的CaMgSi2O6、CaSiO3相;添加1wt%Li2O+6wt%Bi2O3,致密化温度降至920℃,其介电性能:εr=7.61,Q·f>15000GHz(8GHz),频率温度系数偏大(τf=—41ppm/℃)。 (三)优化低温烧结微波介质陶瓷介电性能。采用CaTiO3调节低温烧结(Ca0.7Mg0.3)SiO3陶瓷τf,结果表明:(Ca0.7Mg0.3)SiO3陶瓷τf随CaTiO3添加量增加向正频率温度系数移动。当添加量为14wt%时,在900℃烧结,微波介电性能:εr=9.42,Q·f>11000GHz(8GHz),τf=+3.5 ppm/℃。 本文研究材料的技术指标处于国内领先,填补了国内低介高频低温烧结微波介质陶瓷的空白。材料经过适应性批量生产研究,满足多层片式器件的要求,可用于制备多层片式天线、平衡-不平衡转换器、低通滤波器等小型微波频率器件。