论文部分内容阅读
数字家电、5G移动通信、物联网、人工智能等新技术的兴起,极大地推动了电子元器件高频化、微型化、集成化及多功能化进程,同时也对微波介质材料提出了更为严格的要求。因此,微波介质材料正向着满足通信系统高集成化、超宽带、超低损耗方向发展。这就需要揭示微波介质材料的介电机理,优化材料的微波介电性能,发现性能调控及内在影响机制,开发出高性能5G通信用微波介质材料,该项研究具有重要的理论和实践意义。本文以中介电常数、低损耗的铌酸盐体系ZnZrNb2O8和Li3Mg2NbO8陶瓷作为研究对象。采用离子取代、非化学计量比及烧结助剂对微波介电性能进行优化,并基于化学键理论、结构精修、Raman光谱、键能计算等分析手段,揭示结构-微波介电性能调控机理。其次,为了满足低温共烧陶瓷（LTCC）技术要求,通过优化烧结助剂及离子取代方案实现了铌酸盐材料纯相、高性能低温烧结。并基于此设计制作了5G通信用带通滤波器,测试分析结果验证了材料工程应用的可行性。主要研究结果如下:首先,系统地研究了Cu2+离子取代对ZnZrNb2O8陶瓷的晶体结构、微观形貌、Raman振动及微波介电性能的影响。Cu2+离子取代形成了固溶体,导致了晶胞体积的减小,样品的晶粒形态从多面体结构向棒状结构演变。Cu2+离子取代降低了Nb-O键离子性及介电常数。同时Raman半峰宽的降低及晶格能的增加导致了Q×f值的提升。样品的τf值主要受Nb-O键能影响。当烧结在1175℃时,Zn0.04Cu0.06Zr Nb2O8陶瓷的介电性能较为优异:εr=27.9,Q×f=73,200 GHz和τf=-40ppm/℃。其次,采用LBBS助烧剂实现了ZnZrNb2O8陶瓷的低温烧结,获得了优异的微波介电性能。LBBS助烧剂的添加能够实现陶瓷纯相、低温烧结,同时促进晶粒生长,提高ZnZrNb2O8陶瓷的致密度。同时也改变了晶胞体积、NbO6八面体扭曲度、Raman位移和半峰宽,从而影响微波介电性能。ZnZrNb2O8-0.75 wt.%LBBS陶瓷在950℃烧结时的微波介电性能良好:εr=27.1,Q×f=54,500 GHz和τf=-48.7ppm/℃。此外,ZnZrNb2O8-0.75 wt.%LBBS陶瓷与银电极有着良好的化学兼容性,满足LTCC器件的应用需求。此外,通过A/B位离子调控,研究了Li3Mg2NbO6陶瓷微波介电性能调控机理。非计量比的Li添加能够引入晶格缺陷促进烧结、补偿Li挥发提高致密,增大离子极化率从而大幅度提高微波介电性能。为了进一步实现近零的τf值,分别采用Cu/Ta对Li3Mg2NbO6陶瓷A/B位进行取代。Cu2+离子取代后晶胞体积逐渐增加,但原子堆积比逐渐降低,因此导致Q×f值的下降。介电常数的增大与Cu2+离子的高离子极化率有关。同时,Cu2+离子取代改变了NbO6八面体扭曲度,使得陶瓷的τf值向正方向移动。当烧结在1100℃时,Li3Mg2.98Cu0.02NbO6样品具有优异的微波介电性能:εr=15.75,Q×f=92,000 GHz和τf=-2 ppm/℃。此外,我们也采用Ta5+离子取代同时实现提升Q×f值及调节τf值。Ta5+离子降低了晶胞体积,导致了原子堆积比的增加。优化的微观结构及高的堆积比导致了Q×f值的显著增加。而NbO6八面体扭曲度的增加及Nb-O键价的减小提高了陶瓷的温度稳定性。当烧结温度为1100℃时,x=0.02样品的微波介电性能极其优异:εr=15.58,Q×f=113,000 GHz和τf=-4.5 ppm/℃,满足下一代毫米波通讯的要求。再者,为了实现Li3Mg2NbO6陶瓷的低温烧结lunwen,我们对比采用了V5+离子和Li F烧结助剂。首先,V5+离子进入晶格形成固溶体,能够实现陶瓷的纯相、低温烧结。当烧结在900℃时,Li3Mg2Nb0.98V0.02O6样品的微波介电性能卓越:εr=16.01,Q×f=131,000 GHz和τf=-26 ppm/℃,且与银电极的化学兼容性良好,可以满足LTCC器件的实际应用。其次,为了解决玻璃助烧剂成分复杂而在降烧过程中引入第二相的问题,我们采用低熔点的Li F作为烧结助剂。由于Li F成分简单,在液相烧结的作用下,Li F添加能够实现纯相Li3Mg2NbO6陶瓷的低温烧结及致密化。当烧结在925℃时,Li3Mg2NbO6-6 wt.%Li F样品具有近零的τf值:εr=15.4,,Q×f=100,000 GHz和τf=-3.1 ppm/℃。最后,基于Li3Mg2NbO6-6 wt.%Li F陶瓷材料,通过调整流延过程中有机物比例获得平整、均匀的流延膜片,采用LTCC工艺设计制作了带通滤波器。测试结果表明:中心频率为3.5GHz,带内插损约为3 dB,3 GHz处|S21|值衰减大于40 dB,4GHz处|S21|值衰减大于50 dB。测试结果和仿真结果的一致性验证了材料在工程应用中的可行性和实用性。