可低溫共燒之Li2O-ZnO-B2O3玻璃+ Ba4(Nd0.85Bi0.15)9.33Ti18O54高介電陶瓷系統的成分設計與物理性質之研究

Composition Design and Physical Properties of Low-Temperature Cofired Li2O-ZnO-B2O3 glass + Ba4(Nd0.85Bi0.15)9.33Ti18O54 High-k Dielectric System

施伊庭(Yi-Ting Shih)

指導教授 ： 簡朝和

國立清華大學/工學院/材料科學工程學系/博士(2014年)

摘要

在現今的LTCC製程技術以CFG的方法較為被廣泛地使用，其高頻微波的介電性質、燒結緻密溫度，需考量陶瓷固相與玻璃液相的材料選擇。為了達到低介電損失及低溫共燒的目的，陶瓷材料的選擇以類鎢青銅結構的Ba4(Nd0.85Bi0.15)9.33Ti18O54 (BNBT)作為基材，其具有較高品質因子與介電常數，以及相對小的共振頻率溫度係數。而玻璃材料的選擇則採用低熔點的Li2O-ZnO-B2O3 (LZB)玻璃系統，作為助燒劑。首先，於論文第一章主要介紹玻璃形成的結構理論、硼酸鹽玻璃系統以及Ba6-3xR8+2xTi18O54的陶瓷系統的結構與性質的關係，並回顧低溫共燒的製程技術以及所面臨的問題。而在論文的第二章，以三成分系鋰鋅硼酸鹽玻璃系統(Li2O-ZnO-B2O3, LZB)為研究對象，利用固態核磁共振儀(NMR)與X光吸收光譜術(XAS)作為玻璃結構主要的分析儀器。從11B MAS-NMR光譜分析顯示四配位硼佔有的比例(N4)與非架橋氧(NBO)的數目受到Li2O含量以及ZnO/B2O3比例影響。並藉由Zn K-edge的延伸X光吸收精細結構(EXAFS)分析，可知鋅的配位數大小約為3.01-3.64，暗示在LZB玻璃系統中，除了B2O3作為主要玻璃網絡形成劑之外，ZnO亦扮演形成劑之角色。此外，利用EI-Hofy、Mackenzie與Appen方法計算玻璃轉移溫度(Tg)、線性熱膨脹係數()、介電常數(r)與折射率(nD)，並比較計算值與實驗值之間的差異，顯示理論計算的結果僅略大於實驗值，且其趨勢變化與實驗值一致，暗示上述理論計算的方法有助於LZB玻璃性質的預測與成分設計。
接著，論文第三章以添加LZB玻璃對BNBT陶瓷的燒結行為以及介電性質的分析。當添加10 vol%的LZB玻璃於BNBT陶瓷內(BNBT+LZB系統)，可有效地將燒結緻密的溫度從1300oC降低至875-900oC。而BNBT+LZB系統的緻密性質與LZB玻璃的軟化溫度Ts、Td有關，玻璃軟化溫度的變化已在第二章有詳細地討論，其大小隨Li2O含量增加而下降，約為520-600oC之間，此結果可從BNBT+LZB系統的TMA收縮曲線觀察發現，顯示在軟化溫度範圍下開始出現明顯的線性收縮變化。此外，又從BNBT+LZB系統的顯微結構觀察及X光繞射結晶相分析，顯示LZB玻璃/BNBT陶瓷的介面在燒結過程產生反應，隨LZB玻璃組成的Li2O含量增加而生成雜相的比例降低，則殘留的LZB玻璃含量較多，導致BNBT+LZB系統的緻密度增加。對於90 vol% BNBT+10 vol% LZB 系統而言，在5-5.79 GHz的共振頻率下量測獲得的介電常數(r)約為55-70，品質因子(Q)與共振頻率(fr)的乘積(Q x fr)為1,000-3,000 GHz，而在25-80oC溫度範圍的共振頻率溫度係數(tf)為10-60 ppm/oC。
本文探討以銀為內電極的積層陶瓷電容器(MLCC)其受到溫度及電壓影響下所造成的失效機制。MLCC的介電層材料為陶瓷+玻璃的複合系統，成分組成為90 vol % Ba4(Nd0.85Bi0.15)9.33Ti18O54 (BNBT) +10 vol % Li2O-ZnO-B2O3 (LZB)的陶瓷玻璃系統，其可與Ag內電極低溫共燒於875-900oC，達到良好的緻密性。從I-V曲線及HALT的結果發現失效後的元件不再遵守歐姆定律，且元件隨著溫度或電壓提高而縮短了失效的時間(TTF)。藉由TEM/EDS的微觀結構觀察及成分鑑定、SIMS半定量分析銀的擴散活化能及擴散係數、以及阻抗頻譜模擬分析材料的等效電路模型，上述結果皆顯示Ag+離子在高溫或高電壓下的擴散與(電)遷移主要發生在LZB玻璃相上。

關鍵字

硼酸鹽玻璃 ； 低溫共燒陶瓷製程技術 ； 失效機制 ； 銀擴散

並列摘要

無資料

並列關鍵字

Borate glass ； LTCC ； Failure mechanism ； Ag diffusion

參考文獻

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