微波介質(zhì)陶瓷是指應(yīng)用于微波(主要是300MHz~30GHz頻段)電路中作為介質(zhì)材料并完成一種或多種功能的陶瓷、在現(xiàn)代通信中被用作諧振器、濾波器、介質(zhì)基片、介質(zhì)天線、介質(zhì)波導(dǎo)回路等,應(yīng)用于微波電路的介質(zhì)陶瓷除了必備的機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性之外,還應(yīng)滿足如下介電特性,微波頻率下大的相對(duì)介電常數(shù)C^2高Q·f值以及接近零的頻率溫度系數(shù)

微波介質(zhì)陶瓷可以按照其組成系統(tǒng),介質(zhì)特性及應(yīng)用領(lǐng)域加以分類,較為常見的是按其介電常數(shù)的大小來分類,可分為低介電常數(shù)類(20~40);中介電常數(shù)類(40~80);高介電常數(shù)(>80)。低介電微波陶瓷主要應(yīng)用于微波基板、衛(wèi)星通訊以及軍事應(yīng)用等通訊系統(tǒng)中。

目前研究的較多的低介微波陶瓷主要是以AL2O3和AIN的應(yīng)用,低介微波陶瓷基覆銅板用絕緣散熱材料的理想性能是既要導(dǎo)熱性能好,散熱好,還要在高頻微波作用下產(chǎn)生損耗盡量小。BeO陶瓷是目前陶瓷基覆銅板中絕緣散熱的絕佳材料,但由于BeO粉料具有毒性,在制造過程中需要采取嚴(yán)格的防護(hù)措施,且在美日等發(fā)達(dá)國家已禁止生產(chǎn)BeO陶瓷。因此研制替代BeO陶瓷的覆銅板用新型絕緣散熱材料已迫在眉睫。AIN陶瓷是一種散熱性能較好、無毒的陶瓷材料,其熱導(dǎo)率理論值為320W/(m·K),與BeO陶瓷熱導(dǎo)率的理論值370 W/(m·K)相近,并且已研制出熱導(dǎo)率在200 W/(m·K)以上的AIN陶瓷材料。所以AIN陶瓷材料被認(rèn)為是最有希望替代BeO陶瓷的絕緣散熱材料。

由于BN的介電常數(shù)較小,但AIN陶瓷中加入了h-BN,根據(jù)復(fù)相材料的介電常數(shù)公式計(jì)算,將h-BN加入到AIN中,還可以降低AIN陶瓷介電常數(shù)。本文旨在研制出滿足陶瓷基覆銅板使用要求的高熱導(dǎo)率、低介電損耗AIN及BN-AIN基陶瓷材料,以替代BeO陶瓷材料。

因?yàn)锽N,AIN均為共價(jià)化合物,難以燒結(jié),為了獲得高致密度陶瓷,需添加燒結(jié)助劑。燒結(jié)助劑的選擇應(yīng)從兩個(gè)方面考慮,其一,能形成低熔物相,實(shí)現(xiàn)液相燒結(jié),促進(jìn)致密;其二,能與AIN中的氧雜質(zhì)反應(yīng),使AIN晶格凈化。基于此兩點(diǎn),選用Y2O3為燒結(jié)助劑。因?yàn)閅2O3與AIN表面的氧化鋁形成Y3AI5O12,Y3AI5O12的液相溫度為1760℃,這樣既促進(jìn)了燒結(jié)又凈化了晶格。但是,若燒結(jié)助劑分散不均勻,也很難燒制出結(jié)構(gòu)致密的陶瓷材料。

通過化學(xué)工藝,將BN包裹到AlN粉體表面,從而實(shí)現(xiàn)將BN均勻分散到AIN基體中的目的,并且利用包裹型復(fù)合粉體,制備出顯微結(jié)構(gòu)均勻的復(fù)相陶瓷,其熱導(dǎo)率為78.1 W/(m·K),在Ka波段介電常數(shù)為7.2、介電常數(shù)最小值為13×10-4。通過對(duì)AIN及BN-AIN基復(fù)相陶瓷在Ka波段的微波特性研究,發(fā)現(xiàn)AIN基陶瓷材料的介電常數(shù)隨頻率變化的幅度很小,但材料的介電損耗隨頻率的變化較大,并且在該區(qū)間內(nèi)存在最大值和最小值。