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低介电常数微波介质陶瓷基覆铜板的研究

斯利通

2017/09/19

微波介质陶瓷是指应用于微波（主要是300MHz~30GHz频段）电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷、在现代通信中被用作谐振器、滤波器、介质基片、介质天线、介质波导回路等，应用于微波电路的介质陶瓷除了必备的机械强度、化学稳定性之外，还应满足如下介电特性，微波频率下大的相对介电常数C^2高Q·f值以及接近零的频率温度系数
微波介质陶瓷可以按照其组成系统，介质特性及应用领域加以分类，较为常见的是按其介电常数的大小来分类，可分为低介电常数类（20~40）；中介电常数类（40~80）；高介电常数（＞80）。低介电微波陶瓷主要应用于微波基板、卫星通讯以及军事应用等通讯系统中。
目前研究的较多的低介微波陶瓷主要是以AL2O3和AIN的应用，低介微波陶瓷基覆铜板用绝缘散热材料的理想性能是既要导热性能好，散热好，还要在高频微波作用下产生损耗尽量小。BeO陶瓷是目前陶瓷基覆铜板中绝缘散热的绝佳材料，但由于BeO粉料具有毒性，在制造过程中需要采取严格的防护措施，且在美日等发达国家已禁止生产BeO陶瓷。因此研制替代BeO陶瓷的覆铜板用新型绝缘散热材料已迫在眉睫。AIN陶瓷是一种散热性能较好、无毒的陶瓷材料，其热导率理论值为320W/（m·K），与BeO陶瓷热导率的理论值370 W/（m·K）相近，并且已研制出热导率在200 W/（m·K）以上的AIN陶瓷材料。所以AIN陶瓷材料被认为是最有希望替代BeO陶瓷的绝缘散热材料。
由于BN的介电常数较小，但AIN陶瓷中加入了h-BN，根据复相材料的介电常数公式计算，将h-BN加入到AIN中，还可以降低AIN陶瓷介电常数。本文旨在研制出满足陶瓷基覆铜板使用要求的高热导率、低介电损耗AIN及BN-AIN基陶瓷材料，以替代BeO陶瓷材料。
因为BN,AIN均为共价化合物，难以烧结，为了获得高致密度陶瓷，需添加烧结助剂。烧结助剂的选择应从两个方面考虑，其一，能形成低熔物相，实现液相烧结，促进致密；其二，能与AIN中的氧杂质反应，使AIN晶格净化。基于此两点，选用Y2O3为烧结助剂。因为Y2O3与AIN表面的氧化铝形成Y3AI5O12，Y3AI5O12的液相温度为1760℃，这样既促进了烧结又净化了晶格。但是，若烧结助剂分散不均匀，也很难烧制出结构致密的陶瓷材料。
通过化学工艺，将BN包裹到AlN粉体表面，从而实现将BN均匀分散到AIN基体中的目的，并且利用包裹型复合粉体，制备出显微结构均匀的复相陶瓷，其热导率为78.1 W/（m·K），在Ka波段介电常数为7.2、介电常数最小值为13×10-4。通过对AIN及BN-AIN基复相陶瓷在Ka波段的微波特性研究，发现AIN基陶瓷材料的介电常数随频率变化的幅度很小，但材料的介电损耗随频率的变化较大，并且在该区间内存在最大值和最小值。

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