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研究生:蔡明修
研究生(外文):Ming-Hsui Tsai
論文名稱:低溫燒結Li2MgTiO4 陶瓷之微波介電特性探討
論文名稱(外文):Low-Temperature Sintering Behavior and MicrowaveDielectric Properties of Li2MgTiO4 Ceramics
指導教授:劉志益
指導教授(外文):Chih-Yi Liu
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄應用科技大學
系所名稱:電子工程系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:101
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:90
中文關鍵詞:低溫共燒陶瓷促進劑
外文關鍵詞:LTCC
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本論文以傳統固態反應法探討Li2MgTiO4陶瓷的微波介電特性,Li2MgTiO4於燒結溫度1250℃與持溫時間4小時具有良好的介電特性
: =14.6、 = 103,059 GHz、 = -24.41 ppm/℃。因燒結溫度太高不符合低溫共燒陶瓷(LTCC)要求,故使用液相燒結方式添加燒結促進劑B2O3來促進材料緻密化。Li2MgTiO4的燒結溫度從1250℃降低到925℃,並分析其微結構與微波介電特性。Li2MgTiO4添加燒結促進劑8wt% B2O3且燒結溫度925℃時間4小時,具有最佳介電特性: =15.16、 =64,164 GHz和 = -28.07 ppm/℃。最後將Li2MgTiO4添加8wt% B2O3與20wt% Ag共燒於925℃溫度下進行BEI和EDS之分析,經由分析結果得知Li2MgTiO4與Ag有良好的化學相容性,故適用於LTCC元件上。
The conventional solid-state reaction route was adopted to synthesize the Li2MgTiO4 ceramics to investigate their microwave dielectric properties. The Li2MgTiO4 ceramic sintered at 1250 oC for 4 h had good microwave dielectric properties: dielectric constant = 14.6, quality factor = 103,059 GHz, and temperature coefficient of resonant frequency = -24.41 ppm/oC. However, the sintering temperature was too high to meet the requirement of low temperature co-fired ceramics (LTCC). Hence, the B2O3 additive was adopted to provide a liquid phase sintering to decrease the sintering temperature from 1250 oC to 925 oC. Li2MgTiO4 with 8wt% B2O3 additive sintered at 925°C for 4 h showed good dielectric properties: dielectric constant = 15.16, quality factor = 64,164 GHz, and temperature coefficient of resonant frequency = -28.07ppm/ oC. Finally, the Li2MgTiO4 with 8wt% B2O3 and 20wt% Ag powder were co-fired to demonstrate the good chemical compatibility. Hence, the Li2MgTiO4 with 8wt% B2O3 is suitable for LTCC applications.
總目錄
摘要 I

ABSTRACT II

致謝 III

總目錄 IV

圖表目錄 VII

第一章 緒論 1

1-1 前言 1

1-2 本研究之重點與目的 2

第二章 文章回顧與理論基礎 4

2-1 Li2MgTiO4之簡介 4

2-2 介電共振器介紹 5

2-3 介電共振器的需求 10

2-4 燒結理論 22

2-4-1 燒結過程 22

2-4-2 三種不同之燒結過程 24

2-4-3 燒結的種類 25

2-4-4 影響燒結的因素 28

2-4-5 液相添加物的選擇 30

第三章 實驗步驟與量測方法 34

3-1 陶瓷DR製程 34

3-1-1 陶瓷製備:Li2MgTiO4 34

3-1-2 Li2MgTiO4 添加燒結促進劑 37

3-2 材料特性分析 37

3-2-1 密度量測 37

3-2-2 掃描式電子顯微鏡分析(SEM) 39

3-2-3 X光繞射分析(XRD) 41

3-2-4 熱重分析儀(TGA) 42

3-3 材料微波量測 42

3-3-1 平行板量測法 42

3-3-2 共振模式之判別 43

3-3-3 實際量測步驟與方法 45

第四章 實驗結果與討論 51

4-1 TGA分析 51

4-2 Li2MgTiO4 微波介電特性探討 52

4-2-1 結晶相分析 52

4-2-2 表面微結構與密度分析 54

4-2-3 微波介電特性分析 56

4-3 添加促進劑B2O3於Li2MgTiO4微波介電特性探討 59

4-3-1 不同添加劑量之結晶相分析 59

4-3-2 不同添加劑量燒之表面微結構與密度分析 59

4-3-3 不同添加劑量燒之微波介電特性分析 64

4-4 Li2MgTiO4添加8wt% B2O3燒結於不同溫度下微波介電特性探討 67

4-4-1 不同燒結溫度之結晶相分析 67

4-4-2 不同燒結溫度之表面微結構與密度分析 67

4-4-3 不同燒結溫度之微波介電特性分析 69

第五章 結論與未來展望 73

5-1 結論 73

5-2 未來展望 74

參考文獻 75


















圖表目錄
圖1-1 多層陶瓷基板(MCM-C)製程示意圖 3

圖2-1 岩鹽或氯化鈉(NaCl)晶體結構之單位晶胞 4

圖2-2 微波與材料之間作用示意圖 6

圖2-3 電磁波入射到不同介質之情形 8

圖2-4 電磁波發生全反射形成駐波 8

圖2-5 圓柱型DR之不同模態下電磁場分佈 9

圖2-6 各種介電材料之極化與場關係圖 11

圖2-7 各種不同極化機構圖 13

圖2-8 不同極化率與頻率之關係圖 14

圖2-9 Lorentz oscillator model之示意圖 16

圖2-10 DR的共振頻率與相關參數之頻譜 17

圖2-11 室溫下三種介電損失機制在不同頻率下之 中所佔比例 20

圖2-12 燒結過程示意圖 .23

圖2-13 燒結之三階段過程:(a)顆粒之間點接觸、(b)初期燒結、(c)中期燒結、(d)
後期燒結階段 23

圖2-14 燒結過程之晶界移動變化情形 25

圖2-15 固態燒結晶粒與毛孔變化示意圖 27

圖2-16 液相燒結示意圖 27

圖2-17 晶粒形狀之緻密化(a)接觸平滑化、(b)小晶粒的溶解、(c)固態擴散之示意圖 28

圖2-18 成份相同的(a)有序結晶型態 (b)不規則網狀型態之結構示意圖 31

圖2-19 比體積與溫度間關係,ABCD為晶化過程、ABEF為玻璃化過程
之示意圖。 31
圖2-20 鹼金屬離子在玻璃結構內作用之示意圖 33

圖3-1 陶瓷DR的製程步驟 36

圖3-2 密度量測示意圖 39

圖3-3 掃描式電子顯微鏡之構造示意圖 .40

圖3-4 電子束與試片的作用圖 40

圖3-5 布拉格角測量法之示意圖 41

圖3-6 量測模組 (a) 模組示意圖、(b) 實驗量測所用模具 43

圖3-7 (A)水平至垂直的耦合現缺與磁交鏈關係圖(B)中(a) TE011 (b) TE012模
態的電磁模擬 44

圖3-8 介電共振器之TE011 型態之共振峰 44

圖3-9 DR之介電常數量測示意圖 47

圖3-10 DR之品質因數量測示意圖 50

圖4-1 LMT- raw powder有無添加B2O3之TGA分析 .51

圖4-2 LMT-原始粉末鍛燒600~850℃下之XRD 53

圖4-3 LMT-DR 燒結於1150℃~1350℃之XRD 53

圖4-4 LMT燒結於1150~1350℃下之體密度與相對密度 54

圖4-5 LMT分別燒於(a)1150oC (b)1200oC (c)1250oC (d)1300oC (e)1350℃之
放大500倍率SEM圖 55

圖4-6 LMT分別燒於(a) 1150oC (b)1200oC (c)1250oC (d)1300oC (e)1350℃ 之
放大2000倍率SEM圖 55

圖4-7 LMT燒於1150~1350℃溫度下之 值 57

圖4-8 LMT燒於1150~1350℃溫度下之 57

圖4-9 LMT燒於1150~1350℃溫度下之 值 58

圖4-10 LMT添加不同含量B2O3燒結於900℃之XRD 61

圖4-11 LMT添加不同含量B2O3燒結於925℃之XRD 61

圖4-12 LMT添加不同含量B2O3燒結於900℃與925℃之體密度與相對密度 62

圖4-13 LMT分別添加(a)0wt% (b)1wt% (c)2wt% (d)5wt%(e)8wt% (f)12wt%B2O3
燒結於900℃之SEM放大500倍率圖 62

圖4-14 LMT分別添加(a)0wt% (b)1wt% (c)2wt% (d)5wt% (e)8wt%(f)12wt%B2O3
燒結於925℃之SEM放大500倍率圖 63

圖4-15 LMT分別添加(a)0wt% (b)1wt% (c)2wt% (d)5wt% (e)8wt%(f)12wt%B2O3
燒結於900℃之SEM放大2000倍率圖 63

圖4-16 LMT分別添加(a)0wt% (b)1wt% (c)2wt% (d)5wt% (e)8wt%(f)12wt%B2O3
燒結於925℃之SEM放大2000倍率圖 64

圖4-17 LMT添加不同含量B2O3燒結於900℃與925℃之 65

圖4-18 LMT添加不同含量B2O3燒結於900℃與925℃之 .66

圖4-19 LMT添加不同含量B2O3燒結於900℃與925℃之 66

圖4-20 LMT添加8wt%B2O3燒結於不同溫度下之XRD 67

圖4-21 LMT添加8wt%B2O3燒結於不同溫度下之體密度與相對密度 68

圖4-22 LMT添加8wt% B2O3燒結於(a)875℃;(b)900℃;(c)925℃;(d) 950℃之
SEM放大500倍率圖 69

圖4-23 LMT添加8wt% B2O3燒結於(a)875℃;(b)900℃;(c)925℃;(d) 950℃之
SEM放大2000倍率圖 69

圖4-24 LMT添加8wt%B2O3燒結於不同溫度下之 71

圖4-25 LMT添加8wt%B2O3燒結於不同溫度下之 71

圖4-26 LMT添加8wt%B2O3燒結於不同溫度下之 72

圖4-27 LMT添加8wt%B2O3與20wt%Ag燒結於925℃下之XRD、BEI及EDS 72

表2-1 材料之介電常數溫度飄移係數 21

表3-1 原始粉末的廠牌與純度 34

表4-1 實驗數據與Y.W. Tseng等人提出的LMT最佳微波介電特性的比較 58
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