REPOZITORIJ > REZULTATI

Povzetek

Zadnjih petnajst let je zaznamoval hiter razvoj različnih brezžičnih komunikacijskih naprav,
ki delujejo v mikro oziroma milimetrskih valovnih frekvencah (mobilni telefoni, brezžična
omrežja lokalnega območja (LAN), Bluetooth, itd.). Hkrati pa je ta napredek spodbudil razvoj
novih materialov in procesne tehnologije, ki omogoča zmanjšanje velikosti in večjo
funkcionalnost elektronskih komponent. Tehnologija nizko temperaturne sočasno sintrane
keramike (LTCC) omogoča izdelavo nizko cenovnih, miniaturiziranih in integriranih
elektronskih komponent. Zaradi sočasnega žganja substratov z elektrodami se najpogosteje
uporabljajo dielektrični substrati, ki temeljijo na steklo-keramičnih materialih. Kljub zelo
napredni LTCC tehnologiji, je razvoj novih LTCC modulov odvisen od številnih izzivov in
novih materialov, ki lahko izpolnijo željene zahteve. V sklopu moje disertacije sem natančno
raziskal steklo in pripadajočo steklo-keramiko sistema MgO-B2O3-SiO2 (MBS) z namenom
dokazati potencial tega materiala kot dielektričnega substrata z možnostjo uporabe v LTCC
tehnologiji. Med spojinami, ki kristalizirajo v sistemu MBS stekla, so dielektrične lastnosti
magnezijevih boratov (Mg2B2O5, Mg3B2O6) slabše raziskane kot magnezijevi silikati
(MgSiO3, Mg2SiO4). Vendar pa je poznavanje dielektričnih lastnosti posameznih kristalnih
spojin, pomembno za interpretacijo steklo-keramičnih lastnosti celotnega ternarnega MBS
sistema. Zaradi tega razloga je prvi del disertacije namenjen sintezi, sintranju in dielektrični
karakterizaciji Mg2B2O5 in Mg3B2O6 keramiki. Dielektrična konstanta Mg2B2O5 (6,2 – 7,0) in
Mg3B2O6 (6,8 – 7,4) se bistveno ne razlikuje, medtem ko je razlika v Qxf vrednostih 10
kratna. Qxf vrednosti Mg3B2O6 keramike (240 000 GHz) močno presegajo Qxf vrednosti
Mg2B2O5 keramike, ki so v območju med 10 000 in 30 000 GHz. Podrobno smo raziskali
mikrostrukturne karakteristike in sintezne pogoje za pripravo Mg3B2O6 keramike z visokimi Q
vrednostmi. Z vrstičnim elektronskim mikroskopom smo Mg3B2O6 keramiki sintrani pri 1310
°C odkrili prisotnost pretirane rasti anizotropnih zrn s kristalografsko napako vzdolž
anizotropne smeri. Anizotropna zrna so bila raziskana s povratno sipano elektronsko
difrakcijo (EBSD) s katero smo s pomočjo analize Kikuchi-jevih črt dokazali dvojčično
ravnino (011). Pregled nad mikrostrukturnim in dielektričnim lastnostim steklo-keramike je
možen le, če zelo dobro poznamo procese nukleacije in kristalizacije stekla. S pomočjo neizotermnih
analiznih tehnik, rentgenske difrakcije in vrstične elektronske mikroskopije smo
proučevali nukleacijske in kristalizacijske procese. Nukleacija stekla v MBS sistemu poteka v
temperaturnem območju od 600 do 750 °C, z najvišjo stopnjo nukleacije pri 700 °C, medtem
ko se proces rasti nukleusov in kristalov prekriva v območju med 700 in 750 °C. Analize neizotermnih,
najpogosteje uporabljenih modelov (Ozawa, Kissinger, Matusita, Ozawa-Chen in
Šatava) kažejo na volumsko kristalizacijo Mg2B2O5 keramike z difuzijsko kontrolirano rastjo
kristalov, ki se pojavijo pri konstantnem številu nukleusov in sicer je n = m = 1,5.
Aktivacijska energija kristalizacije (E) volumskih vzorcev je med 420-450 kJ/mol. Z
dodatkom 10 ut.% TiO2 nukleacijskega sredstva MBS steklu smo pospešili tvorbo jeder in s
tem spremenil kristalizacijski mehanizem v volumsko kristalizacijo z naraščajočim številom
jeder (m = 3, n = 4). Sestava kristalizacijskih faz pridobljenih v ne-izotermnih eksperimentih
je drugačna kot tista, ki nastane v izotermnih pogojih nad 950 °C. Pri diferencialni dinamični
kalorimetriji (DSC) kristalizira samo Mg2B2O5, medtem ko po taljenju silicij ostane v matrici
stekla. Med izotermno toplotno obdelavo Mg2B2O5 in MgSiO3 kristalizirata kot primarni fazi
pri ≈ 800 oziroma ≈ 950 °C. Pri vzorcih MBS stekla z več kot 1 ut.% TiO2 pri temperaturah
višjih od 1000 °C sta bila z rentgensko praškovno difrakcijo dokazani dodatni fazi:
warwickite (Mg3TiB2O8) in rutil dopiran z borom (TiB0,024O2). Ugotovili smo, da smo z
dodatkom TiO2, povečali dielektrično konstanto in izboljšali Qxf vrednosti. Dielektrična
konstanta je iz 6,1 v MBS steklu narasla na 6.9 v MBS steklu z dodatkom 10 ut.% TiO2.
Izboljšanje Qxf vrednosti, ki so dosegle najvišjo vrednost 16 500 GHz pri vzorcu MBS stekla
z 10 ut.% dodatka TiO2 pripisujemo povišani stopnji kristalizacije zaradi dodanega
nukleacijskega sredstva. Rezultati dielektričnih lastnosti kažejo, da je steklo-keramika MBS
sistema v določenih pogledih presegla komercialno uporabne steklo-keramične substrate.