玻璃粉体粒径对CaO-B2O3-La2O3/Al2O3 LTCC复合材料烧结致密化及性能的影响

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1205

摘要/Abstract

摘要：

在微波与高速通信应用需求的推动下，低温共烧陶瓷（LTCC）技术因在器件小型化和高频集成方面的优势而备受关注，玻璃粉体粒径是决定陶瓷基板烧结行为与性能的关键因素。本研究以CaO-B₂O₃-La₂O₃/Al₂O₃ LTCC复合材料为研究对象，系统研究了玻璃粉体粒径对烧结致密化和烧结基板综合性能的影响。采用X射线衍射（XRD）、热机械分析（TMA）和扫描电子显微镜（SEM）等表征方法分析了烧结基板的晶相组成和微观结构，同时利用网络分析仪评估烧结基板在不同频率下的介电性能。结果表明，玻璃粉体粒径直接影响了材料的致密化过程与析晶行为。当粒径为1.64 μm且分布集中时，生瓷带具有最低的表面粗糙度121 nm，烧结基板的孔隙率仅为5.142%，表现出最高的密度3.129 g/cm³，同时具有最大的介电常数6.681（20 GHz）和较低的介电损耗1.058×10^-3（20 GHz），抗弯强度达到最大值217.946 MPa。而过细的玻璃粉体粒径则会导致流延浆料团聚与析晶提前，致密化与晶粒生长不协调，致密化下降。本研究凸显出玻璃粉体粒径对烧结行为的关键作用，为后续高频LTCC复合材料的设计提供了参考。

关键词: 玻璃粉体粒径, 复合陶瓷, LTCC, 烧结致密化, 介电性能, 烧结基板

Abstract:

Driven by the demands of microwave and high-speed communication applications， low temperature co-fired ceramic（LTCC） technology has attracted significant attention owing to their advantages in device miniaturization and high-frequency integration， where the particle size of glass powder serves as a key factor determining sintering behavior and performance of ceramic substrates. In this study， the CaO-B₂O₃-La₂O₃/Al₂O₃ LTCC composite materials were employed to systematically investigate the influence of particle size of glass powder on sintering densification and comprehensive material performance of sintered substrates. The crystalline phases and microstructures of the sintered substrates were characterized using X-ray diffraction （XRD）， thermomechanical analysis（TMA）， and scanning electron microscope（SEM）， while the dielectric properties across different frequencies were evaluated with a network analyzer. The results indicate that the particle size of glass powder directly affects the densification process and crystallization behavior of the material. When the particle size of glass powder is 1.64 μm and the distribution is concentrated， the green tapes exhibit the lowest surface roughness of 121 nm. The porosity of the sintered substrates is only 5.142%， showing the highest density of 3.129 g/cm³. At the same time， it has a maximum dielectric constant of 6.681（20 GHz） and a lower dielectric loss of 1.058×10^-3（20 GHz）， and the bending strength reaches a maximum of 217.946 MPa.. In contrast， excessively fine particle size of glass powder leads to slurry agglomeration and premature crystallization， causing mismatched densification and grain growth and ultimately deteriorating the final density. This study highlights the key role of particle size of glass powder on sintering behavior and provides a reference for the subsequent design of high-frequency LTCC composite materials.

Key words: particle size of glass powder, composite ceramics, LTCC, sintering densification, dielectric property, sintered substrate

中图分类号:

TQ174

吕子彬, 曹禹, 何坤, 那华, 吕金玉, 海韵, 徐博, 韩滨, 王衍行, 祖成奎. 玻璃粉体粒径对CaO-B₂O₃-La₂O₃/Al₂O₃ LTCC复合材料烧结致密化及性能的影响[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(4): 1354-1367.

LYU Zibin, CAO Yu, HE Kun, NA Hua, LYU Jinyu, HAI Yun, XU Bo, HAN Bin, WANG Yanhang, ZU Chengkui. Influence of Particle Size of Glass Powder on Densification Behavior and Properties of CaO-B₂O₃-La₂O₃/Al₂O₃ LTCC Composite Material[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(4): 1354-1367.

图/表 18

图1 流延用粉体粒径分布曲线

Fig.1 Particle size distribution of powder for casting

表1 玻璃粉体的粒径信息

Table 1 Particle size information of glass powders

Sample	Particle size/μm
Sample	D₀	D₁₀	D₅₀	D₉₀	D₁₀₀
S-1	0.18	0.37	1.31	3.08	16.18
S-2	0.51	0.95	1.64	4.84	12.83
S-3	0.32	0.58	2.01	3.87	10.97
S-4	0.61	1.23	2.37	7.55	15.67
Al₂O₃	0.56	1.02	2.55	4.77	10.14

图2 不同玻璃粉体粒径下流延浆料的黏度-剪切速率曲线

Fig.2 Viscosity-shear rate curves of casting slurry with different particle sizes of glass powder

图3 生瓷带的密度、烧结失重与表面粗糙度

Fig.3 Density， weight loss during sintering， and surface roughness of green tapes

图4 各生瓷带样品的表面微观形貌

Fig.4 Surface microstructure of different green tapes

图5 生瓷带3D表面微观形貌与表面起伏落差曲线

Fig.5 3D surface microstructure and surface roughness curves of green tapes

图6 生瓷带样品在不同升温速率下的烧结收缩曲线

Fig.6 Sintering shrinkage curves of green tapes at different heating rates

图7 生瓷带的ln［T×d（ΔL/L0）/dT］与1/T在不同升温速率下的关系曲线

Fig.7 Relationship between ln［T×d（ΔL/L0）/dT］ and 1/T of green tapes at different heating rates

图8 生瓷带的烧结活化能

Fig.8 Sintering activation energy of green tapes

图9 CBL/Al2O3 LTCC复合材料的烧结过程

Fig.9 Sintering process of CBL/Al2O3 LTCC composite materials

图10 玻璃粉体的DSC曲线

Fig.10 DSC curves of glass powder

表2 不同升温速率下的析晶峰温度

Table 2 Tp at different heating rates

Heating rate/ （℃·min^-1）	S-1		S-2		S-3		S-4
Heating rate/ （℃·min^-1）	T_p1/℃	T_p2/℃	T_p1/℃	T_p2/℃	T_p1/℃	T_p2/℃	T_p1/℃	T_p2/℃
5	737.4	771.2	740.5	773.2	742.7	778.1	745.5	781.6
10	747.9	787.6	750.8	788.4	754.3	795.3	756.6	798.5
15	754.8	801.2	759.2	799.7	761.2	805.7	763.4	807.9
20	761.3	811.5	763.3	809.8	765.7	814.8	768.3	818.1

图11 玻璃样品的析晶活化能Ep、黏度-温度曲线及特征软化温度

Fig.11 Crystallization activation energy， viscosity-temperature curve， and characteristic softening temperature of glass samples

图12 S-1样品在700 ℃烧结后的背散射电子图像

Fig.12 BSE image of S-1 sample after sintering at 700 ℃

图13 烧结样品的烧结制度、晶相组成及DSC曲线

Fig.13 Sintering system， crystal phase composition， and DSC curves of sintered samples

图14 不同玻璃粉体粒径下烧结基板的横截面微观形貌及孔隙率

Fig.14 Cross-section microstructure and porosity of sintered substrates with different glass particle sizes of glass powder

图15 烧结基板样品的力学与介电性能

Fig.15 Mechanical and dielectric properties of sintered substrate samples

表3 本研究制备的S-2样品与商业产品、先前报道LTCC材料性能对比

Table 3 Performance comparison of commercial products， previously reported LTCC materials and S-2 sample prepared in this study

Property	Commercial products^［22］			Reported LTCC materials			This study
Property	Dupont 951	Ferro A6M	Heraeus CT700	李子杰等^［23］	刘明等^［24］	韦鹏飞等^［25］	This study
Sintering temperature/℃	<900	<900	<900	850	875	850	850
Fired density/（g·cm^-3）	3.100	2.500	—	2.940	3.170	3.120	3.129
Permittivity	7.80（3 GHz）	5.90（10 MHz）	7.00（1 kHz）	9.69 （1 MHz）	25.18（7 GHz）	7.98（10 MHz）	6.68（20 GHz）
Dielectric loss	0.006 0（3 GHz）	0.002 0（10 MHz）	0.002 0（1 kHz）	—	0.000 9（7 GHz）	0.001 5（10 GHz）	0.001 1（20 GHz）
Flexural strength/MPa	320	130	240	153	165	—	218

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玻璃粉体粒径对CaO-B₂O₃-La₂O₃/Al₂O₃ LTCC复合材料烧结致密化及性能的影响

Influence of Particle Size of Glass Powder on Densification Behavior and Properties of CaO-B₂O₃-La₂O₃/Al₂O₃ LTCC Composite Material

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