鎂橄欖砂(Mg2SiO4)陶瓷復(fù)合氧化物合成路線。鋰硼硅酸鹽 (LBS)玻璃添加鎂橄欖砂燒結(jié)溫度和微波介質(zhì)性能的影響進(jìn)行了研究。通過X射線衍射和掃描電鏡研究了晶體結(jié)構(gòu)和復(fù)相陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)。并且測(cè)定了在無線電和微波頻率范圍內(nèi)燒結(jié)樣品的介電性能。通過添加15wt%的鋰硼硅酸鹽使燒結(jié)溫度從1500℃降低到950℃，而沒有明顯影響樣品的介電性能。結(jié)果表明，添加適量的鋰硼硅酸鹽可使鎂橄欖砂成為一種低溫共燒陶瓷材料。

關(guān)鍵詞：陶瓷；固態(tài)反應(yīng)；介電響應(yīng)

1.引言

低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)在各種模塊和電子封裝基板的開發(fā)中已經(jīng)變得至關(guān)重要，尤其是在無線和微波應(yīng)用當(dāng)中[1]。對(duì)于包裝材料所需的重要特點(diǎn)是：(1)低介電常數(shù)εr＜10(提高信號(hào)速度)，(2)低介電損耗或高品質(zhì)因數(shù)(增加選擇性)，(3)熱導(dǎo)率高(消散產(chǎn)生的熱量)，(4)低或匹配的熱膨脹系數(shù)，(5)低溫共振頻率系數(shù)τf[2-7]?？焖龠M(jìn)展繼續(xù)實(shí)現(xiàn)高速和電子設(shè)備的高頻處理，要求電子元件和設(shè)備擁有更高的處理速度和高集成度。為了滿足這些要求，低溫共燒陶瓷材料被用于多層電路板和微波頻率段工作的無源器件。在多層結(jié)構(gòu)中，為了配合低熔點(diǎn)和高度進(jìn)行內(nèi)部電極如Ag，有必要降低電介質(zhì)的燒結(jié)溫度低于950℃[6,8-10]。

盡管已經(jīng)有報(bào)道指出一些電介質(zhì)材料擁有良好的微波介電性能，但大多介電材料燒結(jié)溫度在1200℃以上，這限制了其應(yīng)用在低溫共燒陶瓷中的溫度。過去已經(jīng)有一些方法來減少介質(zhì)陶瓷的燒結(jié)溫度。在一般情況下，添加具有低熔點(diǎn)玻璃是一種高效，低成本的方法來降低陶瓷致密化溫度[11-14]，通過添加各種低熔點(diǎn)、低損耗的玻璃來降低燒成溫度[15-20]。王[21]等人研究了鋰硼硅酸鹽玻璃體系的微波介電性能，Choi等人研究了通過添加Li2O-B2O3-SiO2玻璃可以使CaZrO3–CaTiO3陶瓷的燒結(jié)溫度降低到875℃[22]。此前有報(bào)道稱，由于B2O3具有低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，硼玻璃更有效的降低燒結(jié)溫度。

最近Ohsato等人[24]報(bào)告鎂橄欖砂是一種低介電常數(shù)，低損耗陶瓷。同時(shí)鎂橄欖砂（Mg2SiO4）屬于橄欖石晶體，這是一種重要的硅酸鹽[25]。一般來說硅酸鹽含Si，O和一個(gè)或多個(gè)金屬材料，如Al, Ba, Be, Ca, Fe, Mg, Mn, K, Na or Zr. 鎂橄欖砂屬于分組nesosilicates（單四面體），其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)分子力和離子接近，因此與其他化學(xué)性質(zhì)相似硅酸鹽相比具有較高的包裝密度，折射率和硬度。由于其低的導(dǎo)電[26]、低介電常數(shù)、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐火度、甚至在高溫下具有很好的絕緣性能，對(duì)電子鎂橄欖砂可作為理想的基體材料。然而，Mg2SiO4燒結(jié)溫度約為1500℃，這對(duì)于多層微波元件太高而難以適應(yīng)。在本文中我們研究了燒結(jié)助劑對(duì)鎂橄欖砂陶瓷的致密度、燒結(jié)溫度和介電性能的影響。

2.實(shí)驗(yàn)

Mg2SiO4被用來作為基絕緣材料。按照傳統(tǒng)的固態(tài)陶瓷路線，高純度[(MgCO3)4·Mg(OH)2·5H2O]和 SiO2[Aldrich公司，99.9％]作為鎂橄欖砂合成的原材料。這些化學(xué)品的劑量比體重并在聚乙烯瓶使用氧化釔穩(wěn)定氧化鋯球球磨在蒸餾水中24小時(shí)。泥漿首先在100℃的熱風(fēng)烘箱中烘干，然后在1350℃的高溫中煅燒4小時(shí)。玻璃粉末由高純度的氧化物如B2O3、 Li2CO3、SiO2（99.9％Aldrich化學(xué)公司，美國(guó)）合成。這些氧化物按稱重劑量比混合，并使用蒸餾水為介質(zhì)在瑪瑙研缽中研磨2小時(shí)。將其干燥并以高于熔點(diǎn)的溫度在鉑金坩堝中融化，淬火并粉化。

將Mg2SiO4和玻璃粉末以水為介質(zhì)混合成厚泥漿。添加0.1%聚乙烯醇（分子量22,000，BDH實(shí)驗(yàn)室供應(yīng)商％，英國(guó)4 wt％的聚乙烯醇溶液）粘結(jié)劑，然后研磨。然后干燥，使用合適的模具施加100MPa壓強(qiáng)，制成圓片(直徑14mm，厚1mm)用于低頻率測(cè)量，制成矩形條狀(25mm×3mm×1mm)用于微波頻率測(cè)量。在燒結(jié)溫度達(dá)到950℃-1500℃之前，將壓片在600℃的溫度中煅燒30min以便除去粘結(jié)劑。對(duì)從0.5-20wt%不同含量的鎂橄欖砂玻璃詳細(xì)研究。

燒結(jié)樣品的密度測(cè)定采用Archimedes方法。該粉末樣品的晶體結(jié)構(gòu)，使用X射線衍射圖譜(銅的Kα輻射，飛利浦X -射線衍射儀)進(jìn)行研究。燒結(jié)樣品在低于燒結(jié)溫度25℃的溫度下腐蝕30min并在掃描電子顯微鏡((SEM,JEOL-JSM 5600LV, Tokyo Japan))記錄其表面形貌。對(duì)于低頻率(1MHz)介電測(cè)量，通過離子電極將銀均勻鍍?cè)趫A片樣品表面，使用LCR儀表測(cè)量(日置3532-50LCRHiTESTER)。在低頻率(1MHz)下介電常數(shù)(τε)的溫度變化也需要測(cè)量。在微波頻率范圍內(nèi)利用微波諧振腔微擾技術(shù)使用HP8510C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)樣品的介電性能進(jìn)行測(cè)量。