Materiały polikrystaliczne i szkło-krystaliczne o niskiej stałej dielektrycznej
i ich zastosowanie do wytwarzania technologią LTCC podłoży dla układów
mikrofalowych.
Celem pracy było opracowanie składu i metodyki otrzymywania oraz charakterystyka grupy materiałów o niskiej stałej dielektrycznej i niskim współczynniku strat dielektrycznych oraz ich zastosowanie do wykonania technologią LTCC (low temperature cofired ceramics) podłoży dla układów mikrofalowych. Właściwości materiałów charakteryzowano poprzez: obserwacje w mikroskopie optycznym i grzewczym, DTA, TG, XRD, SEM, EDS, spektroskopię impedancyjną i spektroskopię w dziedzinie czasu (TDS). Wytworzono i zbadano 20 materiałów polikrystalicznych i szkło-krystalicznych, opartych na willemicie, kordierycie, diopsydzie, mullicie i boranie cynku Zn4B6O13 oraz przeprowadzono charakterystykę ich mikrostruktury, składu i właściwości dielektrycznych w szerokim zakresie częstotliwości 100 Hz-3 THz. Zastosowanie dodatków AlF3-CaB4O7, Li2TiO3, MgTiO3 i Li2CO3 umożliwiło obniżenie temperatury spiekania materiałów opartych na Zn2SiO4 i Zn4B6O13 do poziomu odpowiedniego dla technologii LTCC (880-1000°C). Wykazano, że zastosowanie w materiałach szkło-krystalicznych 50-60% wagowych szkieł o dużym udziale SiO2 i/lub B2O3, a także wprowadzenie kontrolowanej porowatości umożliwia obniżenie przenikalności elektrycznej tych materiałów do poziomu 3-5,6. Opracowane materiały spełniają kryteria: niskiej temperatury spiekania, dobrej współpracy z pastami na bazie srebra, niskiej i słabo zależnej od temperatury stałej dielektrycznej (3-7) oraz niskiego współczynnika strat dielektrycznych (poniżej 0,01).
The aim of the work was development of the composition and processing procedure as well as characterization of the group of materials with low dielectric constant and low dielectric loss. The developed materials have been adapted for LTCC (low temperature cofired ceramics) substrates for microwave devices. Material properties were characterized by: optical and heating microscope observations, DTA, TG, XRD, SEM, EDS, impedance spectroscopy and time domain spectroscopy (TDS). Polycrystalline and glass-ceramic materials, based on willemite, cordierite, diopside, mullite and Zn4B6O13, were prepared and tested. Their dielectric properties were investigated over a wide frequency range of 100 Hz-3 THz. The use of AlF3-CaB4O7, Li2TiO3, MgTiO3 and Li2CO3 additives allowed to reduce the sintering temperature of Zn2SiO4 and Zn4B6O13 based materials to the level suitable for LTCC technology (880-1000°C). It has been shown that the use of 50-60 wt.% of glasses with a high ratio of SiO2 and/or B2O3, as well as the introduction of controlled porosity allowed to reduce dielectric constant of glass-ceramics to the level of 3-5.6. The developed materials meet the criteria of: low sintering temperature, good cooperation with silver-based pastes, low and slightly dependent on temperature dielectric constant (3-7) and low dissipation factor (less than 0.01).
