鋰鐵氧體與鈦酸鎂陶瓷的鉍硼玻璃釬料設(shè)計(jì)及連接機(jī)理

1、鋰鐵氧體與鈦酸鎂陶瓷的鉍硼玻璃釬料設(shè)計(jì)及連接機(jī)理 鋰鐵氧體由于具有電阻率高、介電常數(shù)小、難擊穿、可靠性高、溫度穩(wěn)定性 好且成本低廉等特點(diǎn) , 已廣泛應(yīng)用于多種微波器件中。鈦酸鎂陶瓷則是一種性能 優(yōu)良的傳統(tǒng)微波介質(zhì)材料。實(shí)現(xiàn)鐵氧體自身及其與鈦酸鎂陶瓷基板之間高可靠功能性連接 , 對(duì)于促進(jìn)航 空航天技術(shù)和電子工業(yè)的不斷進(jìn)步具有重要意義。 本文從陶瓷材料自身特點(diǎn)和玻 璃釬料的可設(shè)計(jì)性出發(fā) , 提出采用低熔點(diǎn)鉍硼玻璃釬料連接鋰鐵氧體與鈦酸鎂陶 瓷。設(shè)計(jì)制備了鉍硼玻璃釬料 , 研究了玻璃釬料組成與其性能之間的關(guān)系 ,重點(diǎn) 分析了連接工藝及玻璃釬料組成對(duì)連接界面元素?cái)U(kuò)散和界面反應(yīng)及連接接頭抗 剪強(qiáng)度和介電

2、性能的影響機(jī)制。本文首先通過熔融 - 水淬法制得非晶態(tài)鉍硼玻璃 釬料,根據(jù)Bi2O3的摩爾體積及玻璃修正體的種類分別命名為Bi40、Bi35、Bi25、Bi20、Bi30-BF （加入 Ba O 和 Fe2O3 和 Bi25-BC （加入 Ba O 和 Ca O）。研究表明,玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中Bi O3和Bi O6的數(shù)量隨Bi2O3含量的下降而 降低。增加Bi2O3含量、減少Si O2含量或加入適宜的玻璃修正體均促使BO4 向BO3轉(zhuǎn)變。玻璃釬料的熱膨脹系數(shù)、 特征溫度和力學(xué)性能與玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及非橋氧數(shù)直 接相關(guān)。玻璃釬料的介電性能則由Bi2O3的含量及玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的疏密程度共同 決定。玻璃釬料中

3、Bi2O3或Zn O含量較高將促進(jìn)其在熱處理過程中分別析出富Bi相或富Zn相，加入玻璃修正體有助于降低其析晶傾向。玻璃基體和（或）界面處 塊狀相的形成會(huì)阻礙玻璃釬料在陶瓷母材表面的鋪展?jié)櫇癫ＡрF料對(duì)陶瓷母材的溶解及兩者之間的界面反應(yīng)則會(huì)促進(jìn)鋪展?jié)櫇瘛?在玻 璃釬料性能研究及潤濕實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上 ,制定連接工藝 ,使用鉍硼玻璃釬料連接鋰 鐵氧體。在各連接溫度下 ,Bi40 和 Bi35 所形成的焊縫中均發(fā)現(xiàn)大量大尺寸富 Bi 相(Bi46Fe2O72 Bi12Si 02 和 Bi24B2O39 和少量 Zn 0。Bi25 在 650C 下所形成 的焊縫中存在亞穩(wěn)富 Bi相(Bi4Zn B2O10和B

4、i2O2Si 03)。連接溫度升高,亞穩(wěn)富Bi相消失,形成少量Zn2Si O4。在650C下,Bi20與 鐵氧體無界面反應(yīng)。提高連接溫度 ,焊縫中開始形成大量顆粒狀 Zn Fe2O4。 Bi30-BF 在各溫度下 所形成的焊縫中均無界面反應(yīng)。只有當(dāng)連接溫度等于或高于725C時(shí),Bi25-BC才開始與LT1發(fā)生界面反應(yīng), 形成 Bi5Ti3FeO15 晶須。連接溫度、保溫 時(shí)間和連接壓力均通過影響焊縫中 Ti 的含量而影響 Bi5Ti3FeO15 晶須的數(shù)量、尺寸及分布。分析表明 , 除了 Bi5Ti3FeO15 晶須, 其 他析晶相和界面反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)抗剪強(qiáng)度不利或不起作用。 Bi25-BC 連接

5、鐵氧體最大 抗剪強(qiáng)度為 86MPa。為了進(jìn)一步分析原位 Bi5Ti3FeO15 晶 須的形成機(jī)制 , 制備復(fù)合玻璃釬料 (由 Bi25-BC 和鐵氧體顆粒構(gòu)成) , 并改變鋰鐵 氧體的 Ti 含量。分析表明 , 從鐵氧體母材擴(kuò)散至玻璃焊縫中的 Ti 含量決定是否 發(fā)生界面反應(yīng)。Bi5Ti3FeO15 相自身晶體結(jié)構(gòu)及焊縫中 Ti 濃度梯度共同決定 Bi5Ti3FeO15 相的 形貌及取向分布。若焊縫中存在較大的 Ti 濃度梯度 ,該濃度梯度將促使 Bi5Ti3FeO15 晶核沿 c 軸取向生長為晶須 , 分布方向與 Ti 濃度方向一致。反之 ,Bi5Ti3FeO15 晶核將沿（001）晶 面取

6、向生長為片狀 , 隨機(jī)分布。多層條狀或棒狀 Bi5Ti3FeO15 相是從晶須到片狀的過渡結(jié) 構(gòu)。復(fù)合釬料中鐵氧體顆粒含量及鐵氧體中 Ti 含量均通過影響焊縫中 Ti 含量和 Ti 濃度梯度而影響 Bi5Ti3FeO15 相的形貌、 數(shù)量、尺寸和分布。接頭力學(xué)性能的分析則表明 , 脆性片狀 Bi5Ti3FeO15 相以及聚集分布的多層 Bi5Ti3FeO15 相不能阻擋裂紋擴(kuò)展或誘導(dǎo) 裂紋偏轉(zhuǎn) , 對(duì)接頭強(qiáng)度不利。Bi5Ti3FeO15 晶須陣列及分散分布的 多層 Bi5Ti3FeO15 相可以誘導(dǎo)微裂紋發(fā)生 大角度偏移或?qū)娱g開裂 , 增加裂紋擴(kuò)展路徑 ,使微裂紋斷裂能升高 , 可以有效增韌

7、玻璃基體和連接界面 , 且 Bi5Ti3FeO15 晶 須的增韌效果更明顯。對(duì)連接接頭電性能的研究表明 , 較高的連接溫度會(huì)降低鐵 氧體母材的介電常數(shù)、增大其介電損耗角正切和電阻率。玻璃釬料、 連接溫度及界面反應(yīng)共同決定連接接頭的電性能。 其中 ,Bi25-BC所獲連接接頭的介電常數(shù)與原始鐵氧體較為接近各玻璃釬料在各連接溫度下所形成連接接頭的介電損耗角正切 （電阻率） 均 與相應(yīng)溫度熱處理后的鐵氧體相近 , 而高于初始鐵氧體。Bi5Ti3FeO15 晶須的形成則可以一定程度 上降低接頭的介電損耗角正切（電阻率） 。相比其他玻璃釬料 ,Bi30-BF 連接鋰鐵氧體和鈦酸鎂的效果較好。由于玻璃釬料的析晶及其與鐵氧體之間的界面反應(yīng),使得Bi30-BF在625C下連接鐵氧體 的焊縫中形成塊狀富Bi相（Bi12Si 020相和Bi46Fe2O72相），使接頭抗剪強(qiáng)度