LTCC材料的腐蚀行为及耐蚀性研究

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低温共烧陶瓷技术(LTCC)作为无源集成的主流技术,在高频特性、传输速度、密封性、散热性等方面具有明显优势,是电子元器件小型化、集成化的重要技术途径。LTCC一般选用银导体作为内外电极,但是银导体在实际使用过程中存在表面氧化以及银离子迁移等问题,通常需要在银导体上电镀或者化学镀来提高银导体的工作可靠性、可焊性、耐焊性以及耐热性。由于电镀或化学镀工艺需要样品在酸性或者碱性溶液中浸泡,这有可能使LTCC材料中不耐酸/碱腐蚀的成分发生腐蚀,进而使得材料的介电、热学、力学性能以及可靠性大大降低。因此研究LTCC材料腐蚀行为及耐蚀性具有重要意义。本研究通过考察LTCC材料在酸/碱溶液中的腐蚀行为,结合微结构和性能表征,揭示LTCC材料的腐蚀机理,并以此为基础开展了耐腐蚀LTCC材料的设计与制备研究。本论文的主要研究内容和结果如下:1.开展Ca-B-Si体系LTCC材料的腐蚀行为研究。通过采用SEM、XRD、ICP、EDS以及拉曼等分析方法系统的研究了LTCC材料的失重、微观结构以及表面物相组成的变化。结果表明,Ca-B-Si体系LTCC材料在酸溶液中失重较高,在碱溶液中并没有明显的失重变化。样品在盐酸溶液中的失重值较高,1mol/L盐酸溶液中浸泡300分钟后的失重百分比值为54.96%,而硫酸溶液中失重百分比最大为8.80%(0.1 mol/L,300 min)。并且随着酸溶液浓度的增加,样品的失重百分比呈现出先增大后减小的趋势。2.对Ca-B-Si体系LTCC材料的腐蚀机理进行研究,结果表明,样品在1mol/L盐酸溶液中的溶解反应的表观活化能为20.38 k J/mol,大于0.1 mol/L硫酸溶液中(5.43 k J/mol),且样品在硫酸溶液中反应生成的Ca SO4,会附着在样品上,减缓腐蚀反应的进一步发生,因此盐酸溶液对LTCC材料的腐蚀速率大于硫酸溶液。在酸溶液中,随着溶液浓度的增加,起钝化作用的蚀变层会更快形成,使得样品的失重随溶液浓度增加呈现出先增大后减小的趋势。结合化学腐蚀反应动力学与热力学分析,揭示了样品在酸溶液中以H+与Ca2+离子交换反应为主导,在碱溶液中以Si-O键水解为主导的腐蚀机理。3.设计制备了耐腐蚀LTCC材料,通过对耐腐蚀LTCC材料的烧结特性、微结构以及介电性能进行表征,进而对材料的组分设计进行不断优化,最终制备出的CBS+玻璃体系的LTCC材料具有较好的介电性能,介电常数为6.1~6.5(@13 GHz),介电损耗为1.7~2.0×10-3(@13 GHz)。4.在CBS+玻璃体系中引入Zr O2,对所制备出的样品进行腐蚀性能表征。对浸泡前后的样品进行了微结构和成分分析,对浸泡后的溶液也进行了元素含量分析。结果显示随着Zr O2含量的增加,样品的腐蚀失重百分比有所减小。耐蚀性提高的原因一方面是由于耐蚀性较差的玻璃相的减少,另一方面是由于Zr O2的加入产生了新的耐腐蚀的Ba Zr Si3O9晶相。采用浸泡法对LTCC材料的耐腐蚀性能进行了研究,揭示了Ca-B-Si体系LTCC材料的腐蚀机理:在酸溶液中主要发生离子交换反应和水解反应,Ca B2O4和Ca Si O3晶相明显被腐蚀,样品表面留下富硅蚀变层,一定程度上减缓了腐蚀反应的发生。设计制备的CBS+玻璃体系的LTCC材料,具有较好的介电性能,并在其中引入Zr O2,制备出的LTCC材料的耐蚀性有所提高。
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