添加BCB對(duì)固相合成CBS材料的微觀結(jié)構(gòu)及介電性能的影響

劉 劍，聶 敏

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添加BCB對(duì)固相合成CBS材料的微觀結(jié)構(gòu)及介電性能的影響

劉 劍，聶 敏

（深圳順絡(luò)電子股份有限公司，廣東 深圳 518110）

采用傳統(tǒng)固相合成法制備CaO-B2O3-SiO2(CBS)系玻璃陶瓷材料。借助XRD、SEM和電性能測(cè)試手段，系統(tǒng)研究了添加BaCu(B2O5)(BCB)對(duì)CBS材料微觀結(jié)構(gòu)與介電性能的影響。結(jié)果表明，添加BCB未改變CBS主晶相，其液相潤(rùn)濕作用加速CaSiO3的擴(kuò)散，將CBS的燒結(jié)溫度從960 ℃降低至875 ℃，同時(shí)其致密性得到提高，介電常數(shù)與介電損耗略微增加。純CBS經(jīng)960 ℃致密燒結(jié)時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)r為6.17，介電損耗tan為0.0012(14 GHz)，而添加4%~6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) BCB的CBS材料，在燒結(jié)溫度為875 ℃時(shí)，致密性優(yōu)異，r為6.36~6.39，tan為0.0014~0.0015(14 GHz)。

固相合成法；LTCC；BaCu(B2O5)；CaO-B2O3-SiO2；燒結(jié)溫度；介電性能

以硅灰石（β-CaSiO3，相對(duì)介電常數(shù)r為5，介電損耗tan為0.0001~0.0003）為主晶相的CaO-B2O3- SiO2(CBS)系LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramics）材料具備優(yōu)異的介電性能和熱性能，并可與貴金屬Ag、Au在較低溫度（950 ℃以下）下燒結(jié)，因此備受關(guān)注。目前，該體系材料主要應(yīng)用于LTCC基板，相關(guān)研究主要采用熔制微晶玻璃法來(lái)降低燒結(jié)溫度，微晶玻璃材料雖然可降低燒結(jié)溫度至850 ℃，但工藝復(fù)雜，成本較高，并且均一性也不易控制，不利于普遍使用[1-3]。而傳統(tǒng)固相合成法具有工藝簡(jiǎn)單、不會(huì)造成成分偏離、穩(wěn)定性高、成本低和易量產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)。

純硅灰石的燒結(jié)溫度達(dá)1200 ℃以上，燒結(jié)后容易形成疏松多孔的結(jié)構(gòu)，陳金敏[4]和湯雨詩(shī)等[5]采用固相法合成純CaSiO3陶瓷的燒結(jié)溫度高達(dá)1340 ℃，且很難燒結(jié)致密，通過(guò)CaSiO3和Al2O3復(fù)合，探討了CuO、V2O5、Li2CO3等低溫?zé)Y(jié)助劑對(duì)陶瓷燒結(jié)性能的影響。其中CaSiO3-1%Al2O3-1.5%Li2CO3-0.2%CuO（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）實(shí)現(xiàn)了與Ag電極在900 ℃低溫共燒，但存在合成CaSiO3溫度高（1200 ℃）、助燒劑摻雜復(fù)雜和相對(duì)介電常數(shù)偏高（7.15）的不足。楊石林等[6]通過(guò)調(diào)整CBS主成分含量，采用固相法制備CBS材料的最佳燒結(jié)溫度高達(dá)950℃。何銘等[7]通過(guò)添加形核劑（TiO2、ZrO2），固相合成CBS材料的燒結(jié)溫度也高達(dá)950 ℃。過(guò)高的燒結(jié)溫度使得能耗大，也不利于與Ag低溫共燒，一定程度上限制了固相合成CBS系材料在LTCC基板中的應(yīng)用。BaCu(B2O5)（BCB）陶瓷具備低熔點(diǎn)（約850 ℃）和優(yōu)異的微波介電性能（r=7.4，·= 50 000 GHz，τ= –32×10–6/℃）[8]，作為低熔點(diǎn)燒結(jié)助劑，已成功將多種陶瓷的燒結(jié)溫度降到950 ℃以下，如Li2MgTi3O8[9]、Ba5Nb4O15–BaWO4[10]、ZNT（ZnO-Nb2O5-TiO2）[11]等，其微波介電性能惡化較小。

本文在前期固相法制備CBS材料的研究基礎(chǔ)上，選擇低熔點(diǎn)BCB陶瓷作為燒結(jié)助劑，在LTCC器件和基板制作要求的粉料粒徑（50為1.0~2.0 μm，便于后續(xù)制漿流延）和燒結(jié)溫度（900 ℃以下，便于與Ag低溫共燒）范圍內(nèi)，重點(diǎn)研究了添加BCB對(duì)固相合成CBS材料微觀結(jié)構(gòu)與性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品制備

稱取分析純BaCO3、CuO、H3BO3，按摩爾比1:1:2混合，用無(wú)水乙醇做球磨介質(zhì)，球磨4 h，烘干后在800 ℃下煅燒4 h，冷卻和破碎后，在800 ℃下二次煅燒4 h，最后用無(wú)水乙醇做球磨介質(zhì)，球磨8 h至粒徑50=2.0 μm。在前期固相法制備CBS材料的基礎(chǔ)上，稱取分析純49.91%CaCO3、18.62%H3BO3、31.46%SiO2（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）混合，用純水做球磨介質(zhì)，球磨4 h，烘干后在780℃下煅燒4 h得到CBS預(yù)燒粉。然后分別添加1%，2%，4%，6%，8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))BCB至CBS預(yù)燒粉中，用純水做球磨介質(zhì)，球磨5 h至粒徑50=1.5 μm。最后干燥并加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%丙烯酸溶液進(jìn)行造粒，在自動(dòng)成型壓機(jī)下單向壓制成直徑12 mm、厚6 mm的圓柱，在850，875，900 ℃燒結(jié)2 h得到樣品。

1.2 性能測(cè)試

用游標(biāo)卡尺測(cè)定樣品燒結(jié)前后的外徑大小，以便計(jì)算徑向收縮率。在室溫（25 ℃）條件下，采用阿基米德法測(cè)定樣品的密度。采用JSM-6490LV型電子掃描顯微鏡觀察樣品的截面形貌。采用D2 PHASER X射線衍射儀（鈷鈀）進(jìn)行物相分析。采用Agilent 公司生產(chǎn)的E5071C網(wǎng)絡(luò)分析儀，用介質(zhì)柱諧振法測(cè)定樣品14 GHz下的相對(duì)介電常數(shù)r和介電損耗tan。

2 結(jié)果與討論

2.1 BCB性能分析

圖1為以BaCO3、CuO、H3BO3為原料經(jīng)800 ℃燒結(jié)4 h的二次煅燒生成產(chǎn)物的XRD譜。由圖1可知，該制備條件下得到了純BCB陶瓷相，沒有中間相及雜相產(chǎn)生，與文獻(xiàn)[8]中的物相十分接近。

圖1 BCB二次煅燒粉的XRD譜

表1為BCB合成粉燒結(jié)后的相關(guān)性能。由表1可知，兩種燒結(jié)溫度下，尺寸法和排水法密度值很接近，收縮率也相當(dāng)，因此BCB經(jīng)兩種燒結(jié)溫度均可燒熟，此時(shí)r為7.08，tan為0.0006（14 GHz）。綜上，BCB可實(shí)現(xiàn)低溫助燒和低介電常數(shù)的設(shè)計(jì)要求。

2.2 CBS性能分析

表2為純CBS合成粉的相關(guān)燒結(jié)性能。由表2可知，致密性隨燒結(jié)溫度升高而增加，同時(shí)介電常數(shù)也增加，而介電損耗降低。Lichtenecker對(duì)數(shù)法則表明[12]，介質(zhì)材料的r與材料中的陶瓷相、玻璃相以及氣孔等缺陷的分布和體積濃度密切相關(guān)。該CBS體系材料中，三種燒結(jié)條件下的主要組成為CaSiO3相、玻璃相及孔隙，因此較高的陶瓷致密度對(duì)應(yīng)著相對(duì)較高的介電常數(shù)和相對(duì)較低的介電損耗。

表1 BCB的密度、徑向收縮率和介電性能

Tab.1 Densities, radial shrinkage rates and dielectric properties of BCB ceramics

表2 CBS的密度、燒結(jié)外觀、徑向收縮率和介電性能

Tab.2 Densities, physical appearance, radial shrinkage rates and dielectric properties of CBS glass-ceramics

圖2為純CBS合成粉經(jīng)不同燒結(jié)溫度燒結(jié)后的斷面SEM照片。由圖2可知，900 ℃時(shí)，樣品孔隙較多，極不致密，無(wú)法燒熟，當(dāng)燒結(jié)溫度升高至960 ℃時(shí)，致密性得到明顯改善，但仍有少量孔隙存在。綜上，現(xiàn)有配方和工藝下制備純CBS材料，需960 ℃高溫才可完成致密化燒結(jié)，此時(shí)的密度為2.67 g·cm–3，r為6.17，tan為0.0012(14 GHz)。

（a）900 ℃

（b）930 ℃

（c）960 ℃

2.3 添加BCB對(duì)CBS材料燒結(jié)物相和致密性的影響

圖3為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)BCB的CBS材料的XRD譜。由圖3可知，向固相合成CBS材料中添加2%BCB和8%BCB(質(zhì)量分?jǐn)?shù))后，其衍射峰位置與純CBS材料的圖譜十分接近，即BCB不會(huì)與CBS反應(yīng)生成第三相，更無(wú)其他雜相產(chǎn)生，BCB的液相潤(rùn)濕作用可能使其單獨(dú)分布在CaSiO3晶粒間。隨著BCB含量的增加，衍射角2為24°~25°處的未知相的衍射峰強(qiáng)度越來(lái)越弱，這可能是低熔點(diǎn)BCB的引入，其液相潤(rùn)濕作用加速了CaSiO3的反應(yīng)。此外，可能BCB含量較低，在圖3中并未觀察到BCB的衍射峰。

圖3 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)BCB的CBS XRD譜

表3為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)BCB的CBS材料的燒結(jié)外觀記錄。由表3可知，當(dāng)BCB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，2%時(shí)，樣品在850℃下無(wú)法燒熟，當(dāng)BCB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，6%時(shí)，樣品在850~900 ℃均可燒熟，但當(dāng)BCB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，樣品在850~900 ℃均存在不同程度的鼓泡變形，并有大量孔洞。樣品的燒熟程度與外觀差異主要是不同BCB含量及不同燒結(jié)溫度的液相數(shù)量不同而引起的。

表3 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)BCB的CBS燒結(jié)外觀

Tab.3 Physical appearance of CBS with different mass fraction of BCB after sintering

圖4和圖5分別為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)BCB的CBS材料的收縮率和密度。由圖4可知，隨著燒結(jié)溫度升高，所有材料的收縮率均呈現(xiàn)先上升至一定飽和值，后出現(xiàn)微弱下降的趨勢(shì)。850~900 ℃燒結(jié)下，隨著BCB質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至6%，收縮率一直增加，當(dāng)BCB質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)8%時(shí)，收縮率略有下降，這主要是過(guò)量添加的BCB揮發(fā)所引起的鼓泡變形所致。由圖5可知，875 ℃和900 ℃燒結(jié)條件下，隨著BCB質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至4%，樣品密度一直增加，當(dāng)BCB質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至6%，8%時(shí)，樣品密度下降，8%BCB(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，密度值嚴(yán)重惡化。而850℃燒結(jié)下，隨著BCB質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至6%，樣品密度一直增加，但BCB質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至8%時(shí)，密度下降。由于BCB具有較低的熔點(diǎn)，在陶瓷燒結(jié)過(guò)程中會(huì)熔化并形成液相，可通過(guò)液相的潤(rùn)濕作用加速CaSiO3的擴(kuò)散，填補(bǔ)晶粒間的孔隙，進(jìn)而完成致密化燒結(jié)[9-11]。上述差異主要是不同BCB含量和不同燒結(jié)溫度的液相數(shù)量和BCB揮發(fā)程度不同引起的。綜上，4%BCB（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）-CBS材料的致密性燒結(jié)溫度為875~900 ℃，而6%BCB（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）-CBS材料的致密性燒結(jié)溫度為850~875 ℃。

圖4 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)BCB的CBS樣品在850、875和900℃時(shí)的收縮率

圖5 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)BCB的CBS樣品在850、875和900 ℃時(shí)的密度

2.4 添加BCB對(duì)CBS材料燒結(jié)SEM的影響

圖6為添加4%BCB和6%BCB（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的CBS材料經(jīng)不同燒結(jié)溫度燒結(jié)后的斷面SEM照片。由圖6可知，當(dāng)BCB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，CBS在850 ℃燒結(jié)下，致密性一般，這主要是BCB含量較少和燒結(jié)溫度較低導(dǎo)致液相量有限，但隨溫度增加至875 ℃，液相量相對(duì)增加，使得孔隙數(shù)量減少。而當(dāng)BCB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，CBS在875 ℃時(shí)即可完成致密化燒結(jié)，但隨溫度增加至900 ℃，孔隙數(shù)量相應(yīng)增加，這主要是BCB含量和燒結(jié)溫度均較高，產(chǎn)生更多的液相，BCB揮發(fā)過(guò)度引起孔隙增加。如表3所述，材料表面有小面積輕微鼓泡，肉眼可見斷面少量的孔洞。SEM分析結(jié)果與上述數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)基本一致。

（a）(BCB)=4%，850 ℃

（b）(BCB)=4%，875 ℃

（c）(BCB)=6%，875 ℃

（d）(BCB)=6%，900 ℃

圖6 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)BCB的CBS樣品斷面的SEM照片

Fig.6 SEM micrographs of CBS material with different mass fraction of BCB

2.5 添加BCB對(duì)CBS材料微波介電性能的影響

圖7為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)BCB的CBS材料的介電常數(shù)（14 GHz）。由圖7可知，三種燒結(jié)條件下，介電常數(shù)隨BCB質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)與圖4中徑向收縮率隨BCB質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)基本一致，而介電常數(shù)的具體差異與材料的致密化和固相反應(yīng)程度密切相關(guān)。該配方制備的純CBS在960 ℃高溫致密燒結(jié)時(shí)，r為6.17（14 GHz），而添加BCB后致密化燒結(jié)的CBS介電常數(shù)略微增加，為6.19~6.42。由Lichtenecker法則可知[12]，介電常數(shù)增加主要有兩個(gè)原因：其一，BCB的添加有助于致密性的提高；其二，BCB的相對(duì)介電常數(shù)為7.08（14 GHz）略高于CBS的相對(duì)介電常數(shù)6.17（14 GHz）。

圖7 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)BCB的CBS樣品在850，875和900 ℃時(shí)的介電常數(shù)

圖8為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)BCB的CBS材料的介電損耗（14 GHz）。由圖8可知，當(dāng)燒結(jié)溫度為850 ℃時(shí)，隨著BCB質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至4%，介電損耗一直降低，當(dāng)BCB質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到6%，8%時(shí)，介電損耗略有增加，主要是液相量較多，BCB揮發(fā)與分解導(dǎo)致相對(duì)密度有所降低，而燒結(jié)溫度為875~900 ℃時(shí)，介電損耗變化趨勢(shì)平緩，相對(duì)較穩(wěn)定。綜合燒結(jié)外觀記錄、收縮率、密度、SEM照片和介電性能，當(dāng)BCB添加量為4%~6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、燒結(jié)溫度為875 ℃時(shí)，CBS材料具有最佳性能。

圖8 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)BCB的CBS樣品在850，875和900 ℃時(shí)的介電損耗

3 結(jié)論

（1）BCB的添加未改變CBS材料的主晶相，其液相潤(rùn)濕作用加速CaSiO3的擴(kuò)散并完成致密化燒結(jié)，可將CBS材料燒結(jié)溫度從960 ℃降低至850~900 ℃，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低溫助燒和低介電常數(shù)的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)其致密性提高，介電常數(shù)與介電損耗略微增加。

（2）添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)BCB（1%~8%）和不同燒結(jié)溫度（850~900 ℃）引起的液相量和BCB揮發(fā)程度均不同，從而導(dǎo)致燒結(jié)性能存在較大差異。

（3）添加4%~6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) BCB的CBS材料在燒結(jié)溫度為875 ℃時(shí)，致密性優(yōu)異，其相對(duì)介電常數(shù)為6.36~6.39，介電損耗為0.0014~0.0015（14 GHz）。

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（編輯：唐斌）

Effects of BaCu(B2O5) additives on microstructure and dielectric properties of CaO-B2O3-SiO2materials prepared by solid state reaction technique

LIU Jian, NIE Min

(Shenzhen Sunlord Electronics Co., Ltd, Shenzhen 518110, Guangdong Province, China)

The CaO-B2O3-SiO2(CBS) glass-ceramics were prepared by solid state reaction technique. The effects of BaCu(B2O5)(BCB) additives on the microstructure and dielectric properties of CBS glass-ceramics were studied systematically through XRD, SEM and electrical propeties characterization. The results show that the main phase of BCB doped CBS is not changed. Because of the liquid phase sintering mechanism, the sintering temperature of CBS is reduced from 960℃ to 875 ℃, and the density is increased. However, the dielectric constant and the dielectric loss are increased slightly. CBS material without BCB additives sintered at 960 ℃possesses good dielectric properties with the relative permittivity of 6.17 and the dielectric loss of 0.0012(14 GHz). When the sintering temperature is 875 ℃, CBS material with the addition of 4%－6% (mass fraction) BCB shows excellent dielectric properties, the relative permittivity is 6.36－6.39 and the dielectric loss is 0.0014－0.0015(14 GHz).

solid state reaction technique; low temperature co-fired ceramics (LTCC); BaCu(B2O5);CaO-B2O3-SiO2; sintering temperature; dielectric property

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.05.005

TM28

A

1001-2028（2017）05-0020-05

2017-02-28

劉劍

劉劍（1988－），男，湖南株洲人，工程師，碩士，主要從事LTCC介質(zhì)材料的制備與應(yīng)用，E-mail: jian_liu@sunlordinc.com。

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-05-11 13:24

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170511.1324.005.html