用于LTCC应用的新型微波介质陶瓷

前言：

随着近年来无线通信技术的革命，第五代通信技术在各个领域得到了广泛的应用。微波介质陶瓷在提高通信系统传输效率方面发挥着重要作用。在工业应用中，微波介质陶瓷需要具有合适的介电常数(?r)、高品质因数(Q×f)和近零温度系数(τf)。随着先进的无源集成和混合电路封装技术的发展，低温共烧陶瓷(LTCC)成为当前的研究热点。此外，LTCC要求介质陶瓷在共烧过程中与内电极没有化学反应，并且具有较低的烧结温度。

迄今为止，已有相当数量的低烧陶瓷具有优异的介电性能，如钒酸盐、钨酸盐、钼酸盐、碲酸盐和硼酸盐。BaMnV2O7陶瓷具有良好的介电性能，并且Mn2+(r=0.75?)的半径接近Zn2+(r=0.68?)，BaMnV2O7陶瓷的双电子性能值得探索。

本文系统地研究了BaMnV2O7陶瓷的合成工艺、晶体结构和微波介电性能。利用远红外光谱对样品的固有介电损耗进行了表征。此外，还详细研究了银共烧BaMnV2O7陶瓷在LTCC中的应用。

实验程序:

通过传统的固态反应制备BaMnV2O7陶瓷，高纯度BaCO3(99.8%)、MnCO3(99.95%)和NH4VO3(99%)首先根据化学计量进行称重。将制备的粉末与氧化锆球和乙醇磨机混合6h，不同锆球的质量比为1:1。然后在750℃下煅烧混合物持续4小时，重新研磨并干燥。然后，将10wt%聚乙烯醇粘合剂与粉末混合并研磨，直到粉末粒化。粉末在20MPa压力下压入研磨工具后，圆筒在810–870℃压力下烧结持续4小时。

采用阿基米德法测量陶瓷的密度。室温X射线衍射(XRD)用于测定结晶相。通过GSAS-EXPGUI软件，采用Rietveld细化法计算晶格参数。为了进一步确认烧结样品的结构，进行了高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)和选区电子衍射(SAED)。用扫描电子显微镜观察了不同温度下BaMnV2O7陶瓷的微观结构。用X射线光电子能谱(XPS)测定了烧结样品的价态。

实验结果:

TEM分析与XRD数据一致，表明BaMnV₂O₇陶瓷在单斜空间群P21/n中结晶。

图2显示了在810℃烧结的BaMnV2O7陶瓷的SEM图像。图2(a)存在小颗粒和孔隙。随着烧结温度的升高到850℃(图2(C))，气孔逐渐减少，晶粒尺寸变得均匀，呈现腺苷酸微观结构。然而，过高的温度导致微观结构出现异常晶粒生长和晶粒尺寸不均匀(图2(d))，这对介电性能产生了负面影响。

图3(a)显示了BaMnV₂O₇陶瓷的体积密度和介电常数之间的关系，BaMnV₂O₇的相对密度如表2所示。

在整个烧结过程中，密度随温度升高而增加，在850℃时达到最大值,然而，一旦烧结温度达到870℃、 堆积密度开始略有下降，这与微观结构的变化相一致。同时，介电常数和体积密度具有相似的趋势，当陶瓷密度最大时，介电常数最高为11.17(图3(b))，这表明密度是影响介电常数的重要因素。

图4体现了键价和共振频率温度系数的关系。

结论：

采用固相反应技术合成了一种新型低烧陶瓷BaMnV2O7。XRD和TEM分析证实BaMnV2O7以单斜结构结晶，具有P21/n空间群。SEM照片显示了不同烧结温度下的表面形貌，在850℃时获得了高密度。此外，τf值的变化受V-O键价的影响。此外，对红外反射光谱进行拟合分析，以研究对本征介电性能的主要贡献。BaMnV2O7陶瓷在850℃烧结表现出最佳介电性能，孔隙对样品的介电性能起着重要的作用。SEM-EDS图像显示具有银电极的BaMnV2O7陶瓷具有良好的化学稳定性。

文章来源：BaMnV2O7：A novel microwave dielectric ceramic for LTCC applications ，[J]Ceramics InternationalVolume 47, Issue 22. 2021. PP 31506-31511