崔鳳單，慈吉良，吳春博，楊靜，高文博，張劍，呂毅，張昊

絲網(wǎng)印刷和燒結(jié)工藝對(duì)陶瓷基復(fù)合材料微帶天線膜層結(jié)構(gòu)與性能的影響

崔鳳單1，慈吉良1，吳春博2，楊靜1，高文博1，張劍1，呂毅1，張昊1

（1.航天特種材料及工藝技術(shù)研究所，北京 100074；2.北京機(jī)電工程研究所，北京 100074）

研究絲網(wǎng)印刷工藝參數(shù)（印刷壓力、離網(wǎng)間距和印刷速度）和燒結(jié)制度（燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間）對(duì)陶瓷基復(fù)合材料微帶天線基板表面絲網(wǎng)印刷銀膜層結(jié)構(gòu)與性能的影響。在石英纖維增強(qiáng)二氧化硅基復(fù)合材料表面，通過(guò)絲網(wǎng)印刷工藝，在指定溫度下燒結(jié)制備銀膜層。采用金相顯微鏡、掃描電鏡、四探針測(cè)試儀和焊接法等測(cè)試手段，研究銀膜層的微觀形貌、方阻與附著力。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀表征微帶貼片天線的駐波性能。當(dāng)印刷壓力為90 N、離網(wǎng)間距為2.5 mm、印刷速度為90 mm/s時(shí)，銀膜層的方阻最低，附著力最大。當(dāng)燒結(jié)溫度為850 ℃、保溫時(shí)間為15 min時(shí)，銀膜可以獲得最好的致密結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性，此時(shí)方阻為5.4 mΩ/□，附著力為2.25 N/mm2。在上述印刷和燒結(jié)工藝條件下制作的天線板，其常溫中心頻點(diǎn)為1.869 GHz，與設(shè)計(jì)中心頻點(diǎn)（1.86 GHz）的吻合度較好。絲網(wǎng)印刷工藝參數(shù)通過(guò)影響印刷過(guò)程中銀漿的轉(zhuǎn)移率影響膜層的導(dǎo)電性和附著力，燒結(jié)制度顯著影響銀膜結(jié)構(gòu)的致密性，進(jìn)而影響銀膜的導(dǎo)電性和附著力。在印刷壓力為90 N、離網(wǎng)間距為2.5 mm、印刷速度為90 mm/s的印刷工藝條件和850 ℃保溫15 min的燒結(jié)條件下，制備的陶瓷基微帶貼片天線具有較好的駐波性能。

微帶貼片天線；陶瓷基復(fù)合材料；絲網(wǎng)印刷；燒結(jié)制度；駐波性能

微帶貼片天線是指在具有金屬地板的介質(zhì)基板上印制或者刻蝕特定形狀的金屬貼片而形成的一類微波天線[1]，由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剖面低、易共形等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種軍事通信系統(tǒng)[2]。微帶貼片天線基本結(jié)構(gòu)包含介質(zhì)基板、金屬地板以及輻射貼片3個(gè)部分，地板與輻射貼片分別位于介質(zhì)板的上下層。目前飛行器、共用天線最常用的是以印刷電路板作為基板材料的微帶貼片天線，成本低，加工制造簡(jiǎn)單，但是基板材料的耐溫性能有限（低于300 ℃），無(wú)法在600 ℃以上的高溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間使用。石英纖維增強(qiáng)二氧化硅基復(fù)合材料，是目前高空高速飛行器的主流防熱透波材料，具有較低的介電常數(shù)及介電損耗，可耐受1000 ℃以上的高溫氣流沖刷，是提升微帶貼片天線耐溫上限的堅(jiān)實(shí)保障[3-6]。

目前微帶貼片天線的研究主要集中在天線陣列設(shè)計(jì)及仿真計(jì)算[7-12]，而對(duì)其金屬貼片制備工藝的研究相對(duì)較少。Paulsen等人[13]利用氣溶膠噴印技術(shù)，在機(jī)身上印刷出了電路、傳感器和天線，并且在剛性圓柱表面上也成功制備了工作性能良好的相控陣天線。劉秀利等人[14]發(fā)明了一種曲面共形微帶天線陣面的制備方法，即在金屬載體表面直寫聚酰亞胺前軀體溶液，聚合后形成微帶天線陣面的共形介質(zhì)層，在共形介質(zhì)層上直寫導(dǎo)電銀漿陣元圖形，固化后形成曲面共形微帶天線陣面。該工藝避免了傳統(tǒng)工藝制作曲面電路板帶來(lái)的天線陣元圖形精度損失導(dǎo)致的電性能惡化風(fēng)險(xiǎn)，但由于介質(zhì)層為聚酰亞胺層，制作的微帶天線無(wú)法在600 ℃及以上高溫環(huán)境下長(zhǎng)期使用。胡建強(qiáng)等[15]利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，將導(dǎo)電銀漿印刷到聚酰亞胺薄膜基體上，形成天線輻射層，經(jīng)過(guò)高溫處理后，再經(jīng)過(guò)常溫冷卻，得到了共形天線。測(cè)試結(jié)果表明，薄膜天線具有良好的電磁性能，其測(cè)試諧振頻率為2.95 GHz，帶寬為364 MHz，增益為6.96 dB，與仿真結(jié)果吻合良好。Wang等人[16]采用冷壓燒結(jié)制備了CaTiO3-K2MoO4微波介質(zhì)陶瓷，并以此為基材，制備了微帶貼片天線，在2.51 GHz的輻射效率為60%，但對(duì)貼片天線的金屬化工藝提及較少。

在常用的厚膜金屬化方法中，絲網(wǎng)印刷技術(shù)的適印性較好，印刷層厚度均勻，且調(diào)節(jié)范圍廣，并可以在不同材質(zhì)表面印制各種形態(tài)的圖案[17]，可用于微帶貼片天線金屬化膜層的制作。在絲網(wǎng)印刷過(guò)程中，印刷工藝參數(shù)及燒結(jié)過(guò)程對(duì)圖案性能的影響較大，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者基于此開(kāi)展了大量研究。Aoki等人[18]研究了絲網(wǎng)細(xì)線線寬對(duì)圖案質(zhì)量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)線間紋理尺寸為10 μm時(shí)，絲網(wǎng)印刷過(guò)程中銀漿的溢出引起圖案線寬增加；隨著紋理尺寸逐漸減小，印刷所出現(xiàn)的缺陷也在變少。唐利鋒等[19]研究了高溫共燒陶瓷鎢金屬化漿料粒度、絲網(wǎng)規(guī)格、印刷工藝參數(shù)和燒結(jié)溫度對(duì)膜厚的影響，結(jié)果表明，控制漿料中的金屬粉粒徑，選擇合適的絲網(wǎng)線徑和感光膜厚度，調(diào)整印刷速度和燒結(jié)溫度等參數(shù)是控制金屬膜厚的關(guān)鍵。Wang等人[20]研究了印刷工藝參數(shù)及燒結(jié)過(guò)程對(duì)多晶硅基太陽(yáng)能電池性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)離網(wǎng)間距為1.2 mm、刮刀壓力為75 N、刮刀速度為220 mm/s且燒結(jié)溫度在900 ℃或945 ℃時(shí)，可獲得最佳的電性能。因此，選擇合適的絲網(wǎng)印刷工藝參數(shù)，并優(yōu)化燒結(jié)制度，有利于獲得較高致密性、導(dǎo)電性及附著力的厚膜層[21-24]。

本文將石英纖維增強(qiáng)二氧化硅基復(fù)合材料用作天線基板，結(jié)合絲網(wǎng)印刷工藝制備輻射層，通過(guò)研究絲網(wǎng)印刷工藝參數(shù)及燒結(jié)制度對(duì)銀膜層性能的影響，選擇適當(dāng)?shù)挠∷毫Α㈦x網(wǎng)間距、印刷速度以及燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間制作微帶貼片天線，改善膜層的導(dǎo)電性和與基材間的附著力，增強(qiáng)產(chǎn)品的耐高溫性能，拓展其在軍用飛行器領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

陶瓷基板為石英纖維增強(qiáng)二氧化硅基復(fù)合材料，采用溶膠-凝膠工藝制備，即通過(guò)多次硅溶膠浸漬—凝膠—干燥—燒結(jié)工藝成形過(guò)程，復(fù)合材料的密度達(dá)到1.65 g/cm3。

高溫?zé)Y(jié)型銀漿為實(shí)驗(yàn)室自制。具體工藝為，按乙基纖維素、松油醇、氫化蓖麻油質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%、79%、1%的配比，在60 ℃的水浴中進(jìn)行攪拌溶解6 h，制備得到有機(jī)載體。按銀粉、玻璃粉、有機(jī)載體質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為83%、3%、14%的配比，通過(guò)行星球磨機(jī)混合，并用三輥研磨機(jī)研磨制備得到銀漿。

1.2 過(guò)程

將銀漿通過(guò)不銹鋼絲網(wǎng)印刷在陶瓷基材上，得到所需的測(cè)試圖案。選用360目不銹鋼絲網(wǎng)，絲網(wǎng)線徑為16 μm，感光膜層厚度為8～10 μm，繃網(wǎng)張力為21～ 22 N/cm。印刷壓力為70～120 N，離網(wǎng)間距為1～3 mm，刮刀速度為60～100 mm/s。印刷完成后在鼓風(fēng)干燥箱箱中120 ℃烘干20～30 min，在620～900 ℃馬弗爐中高溫?zé)Y(jié)后，獲得導(dǎo)電銀膜。

1.3 表征

銀膜層的方阻通過(guò)多功能數(shù)字式四探針測(cè)試儀（ST-2258C）進(jìn)行測(cè)量。銀膜層的附著力采用焊接法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 17473.4—2008。銀膜表面與基材截面的微觀結(jié)構(gòu)采用掃描電子顯微鏡（Quanta FEG 650）進(jìn)行表征。微帶貼片天線輻射層的厚度采用蔡司金相顯微鏡（YS-JX-07/Axio Observer）進(jìn)行測(cè)量。微帶貼片天線的駐波圖采用ZVK網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 絲網(wǎng)印刷工藝參數(shù)對(duì)銀膜性能的影響

2.1.1 印刷壓力的影響

控制離網(wǎng)間距為2 mm，印刷速度為90 mm/s，調(diào)節(jié)印刷壓力分別為70、80、90、100、110、120 N，不同印刷壓力下銀膜的方阻和附著力如圖1所示。當(dāng)壓力為70 N時(shí)，由于印刷壓力過(guò)低，絲網(wǎng)變形小，網(wǎng)版與陶瓷基材表面的接觸面積有限，銀漿透過(guò)網(wǎng)版轉(zhuǎn)移至基材上的量少，導(dǎo)致圖案不完整，未進(jìn)行后續(xù)分析。當(dāng)刮印壓力為80～100 N時(shí)，網(wǎng)版與陶瓷基材表面完全接觸，并且隨著印刷壓力的增加，銀漿轉(zhuǎn)移量增大[25]，銀膜層厚度增加，方阻逐漸降低。當(dāng)印刷壓力超過(guò)110 N時(shí)，方阻開(kāi)始增大。這是因?yàn)橛∷毫^(guò)大時(shí)，刮板會(huì)產(chǎn)生一定的彎曲變形，導(dǎo)致銀漿轉(zhuǎn)移不充分[25]，從而引起膜層方阻的增加。在印刷壓力增大的過(guò)程中，附著力呈現(xiàn)先增加、后減小的趨勢(shì)，在90 N達(dá)到最大值。因此，當(dāng)印刷壓力為90 N時(shí)，銀膜的方阻最低，導(dǎo)電性能最優(yōu)，附著力最大，絲網(wǎng)印刷效果最佳。

圖1 不同印刷壓力下銀膜層方阻和附著力的變化

2.1.2 離網(wǎng)間距的影響

保持印刷壓力為90 N、印刷速度為90 mm/s，調(diào)節(jié)離網(wǎng)間距分別為1、1.5、2、2.5、3 mm，離網(wǎng)間距對(duì)銀膜方阻和附著力的影響如圖2所示。可以看出，隨著離網(wǎng)間距的增加，方阻先減小、后增大，附著力則呈現(xiàn)出先增大、后減小的趨勢(shì)。當(dāng)離網(wǎng)間距過(guò)小時(shí)，絲網(wǎng)在刮刀經(jīng)過(guò)后不能及時(shí)回彈，印制的圖案由于漿料粘網(wǎng)而產(chǎn)生印刷缺陷[26-27]，銀膜方阻較大。隨著離網(wǎng)間距的增加，絲網(wǎng)回彈力增強(qiáng)，由絲網(wǎng)轉(zhuǎn)移至陶瓷基材表面的銀漿量就越多，銀膜層厚度越大，方阻越小。當(dāng)離網(wǎng)間距為2.5 mm時(shí)，銀膜的方阻最小，導(dǎo)電性能最好，附著力最大。當(dāng)離網(wǎng)間距繼續(xù)增加時(shí)，網(wǎng)板與基材表面接觸效果變差，圖案存在斷線等印刷缺陷，方阻增加。分析圖2可知，當(dāng)離網(wǎng)間距為2.5 mm時(shí)，銀膜的方阻最低，導(dǎo)電性能最優(yōu)，附著力最大，絲網(wǎng)印刷效果最佳。

圖2 不同離網(wǎng)間距下膜層方阻和附著力的變化

2.1.3 印刷速度的影響

根據(jù)上述研究結(jié)果，選定印刷壓力為90 N，離網(wǎng)間距為2.5 mm，調(diào)節(jié)印刷速度分別為60、70、80、90、100 mm/s，研究印刷速度對(duì)銀膜方阻和附著力的影響，如圖3所示。結(jié)果表明，隨著印刷速度的提高，銀膜的表面方阻逐漸降低。在90 mm/s時(shí)，方阻減至最??；當(dāng)印刷速度超過(guò)90 mm/s時(shí)，方阻開(kāi)始增加。在印刷速度變化的過(guò)程中，銀膜層與基材間的附著力變化不大。

圖3 不同印刷速度下膜層方阻和附著力的變化

漿料具有觸變性，在受到剪切作用時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，黏度降低[28]，漿料在印刷過(guò)程中的通過(guò)性會(huì)變好。在60～90 mm/s時(shí)，銀漿受到的剪切力隨著印刷速度的增加逐漸增大，由于觸變性的存在，銀漿的黏度變小，通過(guò)絲網(wǎng)轉(zhuǎn)移至基材上的量增加，方阻減小。隨著印刷速度的進(jìn)一步增加，方阻有變大的趨勢(shì)，可能是由于此時(shí)絲網(wǎng)的回彈速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于刮刀的移動(dòng)速度，造成圖案邊緣出現(xiàn)銀漿溢出等印刷缺陷，方阻增加。因此，印刷速度為90 mm/s時(shí)，絲網(wǎng)的印刷效果最好。

2.2 燒結(jié)制度對(duì)銀膜性能的影響

2.2.1 燒結(jié)溫度的影響

不同燒結(jié)溫度下制備的銀膜層，其方阻和附著力如圖4所示。由圖4可知，隨著燒結(jié)溫度的提高，燒結(jié)得到的銀膜方阻先迅速降低，在850 ℃達(dá)到最小值，隨后緩慢升高。對(duì)于附著力而言，隨著燒結(jié)溫度的提高，呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢(shì)，在850 ℃達(dá)到最大值。

圖4 經(jīng)不同燒結(jié)溫度制備的銀膜的方阻和附著力

不同燒結(jié)溫度下銀膜表面及截面的SEM照片分別如圖5和圖6所示。當(dāng)燒結(jié)溫度為620 ℃時(shí)（玻璃粉的軟化點(diǎn)為620 ℃），玻璃粉雖然能夠軟化，但軟化時(shí)間短，程度低，產(chǎn)生的液相太少，不足以潤(rùn)濕銀粉顆粒[29]，銀顆粒之間不能達(dá)到良好的接觸，且由于有機(jī)載體揮發(fā)留下的孔洞較多（見(jiàn)圖6a），此時(shí)銀膜層致密性差，導(dǎo)電鏈數(shù)目少，使得方阻較大，導(dǎo)電性差，銀膜與陶瓷基體的附著力也較低。隨著燒結(jié)溫度從700 ℃提高至800 ℃（見(jiàn)圖6b—d），玻璃粉的軟化程度逐漸提高，形成的玻璃液能夠有效潤(rùn)濕銀粉顆粒，并帶動(dòng)部分銀粉顆粒流動(dòng)[29-30]。燒結(jié)完成后，玻璃粉冷卻收縮，使銀顆粒緊密接觸，形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)在850 ℃燒結(jié)時(shí)，玻璃液的黏度進(jìn)一步降低，能夠充分潤(rùn)濕銀粉顆粒和陶瓷基體，冷卻收縮后得到致密均勻的銀膜（見(jiàn)圖5e），并且由于基材表面存在孔隙，玻璃液能夠滲入基材內(nèi)部，填充部分孔隙（見(jiàn)圖6e），起到較好的粘結(jié)作用，銀膜與陶瓷基材間的附著力增大。當(dāng)燒結(jié)溫度繼續(xù)升高至900 ℃時(shí)，溫度過(guò)高使得導(dǎo)電相晶粒過(guò)快長(zhǎng)大，冷卻時(shí)膜層收縮而出現(xiàn)一定的孔洞，致密性降低[31]，導(dǎo)電性能變差，方阻變大，這與圖4的結(jié)果一致。

圖5 經(jīng)不同燒結(jié)溫度制備的銀膜表面的SEM形貌

圖6 經(jīng)不同燒結(jié)溫度制備的銀膜與陶瓷基材截面的SEM形貌

2.2.2 保溫時(shí)間的影響

不同保溫時(shí)間下制備的銀膜層，其方阻和附著力如圖7所示。由圖7可知，隨著保溫時(shí)間從5 min延長(zhǎng)至30 min，燒結(jié)得到的銀膜方阻先迅速降低。在保溫時(shí)間為15 min時(shí)，方阻達(dá)到最小值，隨后升高。附著力則表現(xiàn)出與方阻相反的變化趨勢(shì)，在保溫時(shí)間為15 min時(shí)達(dá)到最大值。

不同保溫時(shí)間下銀膜的表面及截面SEM照片分別如圖8和圖9所示。由圖8a可知，當(dāng)保溫時(shí)間為5 min時(shí)，玻璃粉軟化程度低，不能較好地潤(rùn)濕銀粉顆粒，銀顆粒之間未能實(shí)現(xiàn)良好的接觸，致使銀膜的導(dǎo)電性能差，方阻大，附著力也相應(yīng)較低。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，玻璃相逐漸軟化，得到玻璃液，銀顆粒在玻璃液的帶動(dòng)下完成遷移和重排，銀膜的致密性逐漸提高（見(jiàn)圖8b），同時(shí)附著力明顯增加。當(dāng)保溫時(shí)間為15 min時(shí)，形成的銀膜層結(jié)構(gòu)最為致密（見(jiàn)圖8c），方阻呈最小值，為5.4 mΩ/□，附著力呈最大值，為2.25 MPa。當(dāng)保溫時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)至20、25 min時(shí)，膜層的孔隙率開(kāi)始升高（見(jiàn)圖8d—e）。這是由于長(zhǎng)時(shí)間的燒結(jié)使得玻璃液的黏度顯著降低，具有較強(qiáng)的流動(dòng)性，在膜層中過(guò)度擴(kuò)散而沉積于基板與銀膜之間，與銀膜中的上層銀粒子相脫離，導(dǎo)致銀膜表面出現(xiàn)孔洞，方阻升高，導(dǎo)電性變差[31-32]。此外，在較高溫度下長(zhǎng)時(shí)間保溫會(huì)使銀膜氧化，導(dǎo)致銀膜的方阻升高，導(dǎo)電性變差[29]。

圖7 不同保溫時(shí)間下膜層方阻和附著力的變化

圖8 不同保溫時(shí)間下銀膜表面的SEM形貌

圖9 不同保溫時(shí)間下銀膜與陶瓷基材截面的SEM形貌

2.3 微帶貼片天線的制備與表征

在印刷壓力為90 N、離網(wǎng)間距為2 mm、印刷速度為90 mm/s條件下，制備天線輻射層及接地層，并進(jìn)行金屬化過(guò)孔。隨后120 ℃烘干，850 ℃燒結(jié)15 min。微帶貼片天線的截面光學(xué)照片如圖10所示。表1和圖11分別表示天線板輻射層的基本性能及厚度測(cè)試結(jié)果。可以看出，微帶貼片天線的銀層方阻為5.4～5.6 mΩ/□，厚度為15～18 μm，與基材具有一定的附著力。

天線板常溫駐波測(cè)試結(jié)果如圖12所示。可以看出，天線板中心頻點(diǎn)在1.869 GHz，這與設(shè)計(jì)值（1.860 GHz）的吻合度較好。在700 ℃高溫條件下，陶瓷天線可全時(shí)正常工作，表明陶瓷基復(fù)合材料的微帶貼片天線具有較好的耐高溫性能。

圖10 微帶貼片天線板實(shí)物照片

表1 天線輻射層的基本性能

Tab.1 Basic performance of antenna radiation layer

圖11 微帶貼片天線輻射層截面的SEM照片

圖12 微帶貼片天線駐波測(cè)試

3 結(jié)論

1）針對(duì)自制高溫銀漿，通過(guò)調(diào)整絲網(wǎng)印刷工藝參數(shù)為印刷壓力90 N、離網(wǎng)間距2.5 mm、印刷速度90 mm/s時(shí)，可以得到最佳的印刷效果。

2）燒結(jié)溫度為850 ℃，保溫時(shí)間為15 min時(shí)，銀膜可以獲得最好的致密結(jié)構(gòu)和電性能。此時(shí)膜層的方阻為5.4 mΩ/□，附著力為2.25 N/mm2。

3）優(yōu)選絲網(wǎng)印刷工藝和燒結(jié)參數(shù)制備的陶瓷基微帶貼片天線，其厚度為15～18 μm，輻射層方阻為5.4～5.6 mΩ/□，與基材的附著力為2.0～2.2 N/mm2，并且在700 ℃高溫條件下，陶瓷天線可全時(shí)正常工作，具有較好的耐高溫性能。

[1] 林昌祿. 天線工程手冊(cè)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2002.

LIN Chang-lu. Antenna Engineering Handbook[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2002.

[2] 鄒嘉佳, 徐光躍, 李苗, 等. 共形天線的研究進(jìn)展[C]//2019年全國(guó)微波毫米波會(huì)議. 廣州: [出版者不詳], 2019.

ZOU Jia-jia, XU Guang-yue, LI Miao, et al. General Si-tuation of Technological Development for Conformal An-tenna[C]//2019 National Conference on Microwave and Millimeter Wave. Guangzhou: [s. n.], 2019.

[3] 蔡德龍, 陳斐, 何鳳梅, 等. 高溫透波陶瓷材料研究進(jìn)展[J]. 現(xiàn)代技術(shù)陶瓷, 2019, 40(S1): 4-120.

CAI De-long, CHEN Fei, HE Feng-mei, et al. Recent Pro-gress and Prospestion on High-Temperature Wave-Trans-parent Ceramic Materials[J]. Advanced Ceramics, 2019, 40(S1): 4-120.

[4] 楊潔穎, 呂毅, 張春波, 等. 飛行器用透波材料及天線罩技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 宇航材料工藝, 2015, 45(4): 6-9.

YANG Jie-ying, LV Yi, ZHANG Chun-bo, et al. Improve-ments of Microwave Transparent Composites and Aircraft Radome[J]. Aerospace Materials & Technology, 2015, 45(4): 6-9.

[5] CHEN H, ZHANG Lian-meng, JIA G Y, et al. The Prepa-ration and Characterization of 3D-Silica Fiber Reinforced Silica Composites[J]. Key Engineering Materials, 2003, 249: 159-162.

[6] 劉勇. 石英纖維織物結(jié)構(gòu)對(duì)二氧化硅基復(fù)合材料力學(xué)性能影響研究[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué), 2013.

LIU Yong. Influence of Quartz Fabric Structures on the Mechanical Properties of Silica Matrix Composites[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astro-nautics, 2013.

[7] STUTZMAN W L, THIELE G A. Antenna Theory and Design[M]. 2nd Edition. New York: John Wiley & Sons, Inc, 2005.

[8] AGALE T, KHANAPURKAR M M. A Review on Design Approach for Performance Enhancement Techniques of Microstrip Patch Antenna[C]//2017 Third International Conference on Advances in Electrical, Electronics, Infor-mation, Communication and Bio-Informatics (AEEICB). Chennai: IEEE, 2017.

[9] AOAD A, UFUK TüRELI M S. Design, Simulation, and Fabrication of a Small Size of a New Spiral Shaped of Ci-rcular Microstrip Patch Antenna[J]. Microwave and Opti-cal Technology Letters, 2018, 60(12): 2912-2918.

[10] HUFF G H, MCDONALD J J. A Spherical Inverted-F Antenna (SIFA)[J]. IEEE Antennas and Wireless Propa-gation Letters, 2009, 8: 649-652.

[11] 何兵, 劉剛, 南楠, 等. 一種飛航導(dǎo)彈彈載發(fā)射天線設(shè)計(jì)[J]. 微波學(xué)報(bào), 2011, 27(3): 43-46, 65.

HE Bing, LIU Gang, NAN Nan, et al. An Onboard Trans-mitting Antenna of Cruise Missile[J]. Journal of Micro-waves, 2011, 27(3): 43-46, 65.

[12] 王?；? 微帶天線寬頻帶技術(shù)研究與設(shè)計(jì)[D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2012.

WANG Hai-hua. Research and Design of Microstrip Br-oadband Antennas[D]. Xi?an: Xidian University, 2012.

[13] PAULSEN J A, RENN M, CHRISTENSON K, et al. Prin-ting Conformal Electronics on 3D Structures with Aerosol Jet Technology[C]//2012 Future of Instrumentation Inter-national Workshop (FIIW) Proceedings. Gatlinburg, TN: IEEE, 2012.

[14] 劉秀利, 苑博. 曲面共形微帶天線陣面的制備方法: CN109755760B[P]. 2020-08-25.

LIU Xiu-li, YUAN Bo. Preparation Method of Curved Con-formal Microstrip Antenna Array Surface: CN109755760B [P]. 2020-08-25.

[15] 胡建強(qiáng), 李鵬, 戴福洪. 絲網(wǎng)印刷柔性薄膜天線力電性能表征[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2018, 50(5): 18-23.

HU Jian-qiang, LI Peng, DAI Fu-hong. Mechanical and Electric Performance Characterization of Screen Printed Flexible Membrane Antennas[J]. Journal of Harbin Insti-tute of Technology, 2018, 50(5): 18-23.

[16] WANG Da-wei, ZHANG Shi-yu, WANG Ge, et al. Cold Sintered CaTiO3-K2MoO4Microwave Dielectric Cera-mics for Integrated Microstrip Patch Antennas[J]. Applied Materials Today, 2020, 18: 100519.

[17] 涂華婷. 面向無(wú)芯片UHF RFID標(biāo)簽的織物基微帶多諧振電路的設(shè)計(jì)、制備與性能評(píng)價(jià)[D]. 上海: 東華大學(xué), 2021.

TU Hua-ting. Design, Preparation and Performance Eva-luation of Fabric-Based Microstrip Multi-Resonant Cir-cuit for Chipless UHF RFID Tags[D]. Shanghai: Donghua University, 2021.

[18] AOKI M, SUMITA I, TACHIBANA T, et al. Fine Texture for Front Surface Fine Lines with Screen Prin--ting[C]//2014 IEEE 40th Photovoltaic Specialist Confe-rence. Denver: IEEE, 2014.

[19] 唐利鋒, 程凱, 龐學(xué)滿, 等. 高溫共燒陶瓷金屬化膜厚影響因素分析[J]. 電子與封裝, 2018, 18(10): 1-3.

TANG Li-feng, CHENG Kai, PANG Xue-man, et al. Investigation of Metallization Film on High Temperature Co-Fired Ceramics[J]. Electronics & Packaging, 2018, 18(10): 1-3.

[20] WANG Han-ying, MA Sheng-hua, ZHANG Mei-ling, et al. Effects of Screen Printing and Sintering Processing of Front Side Silver Grid Line on the Electrical Perfor-mances of Multi-Crystalline Silicon Solar Cells[J]. Jou-rnal of Materials Science: Materials in Electronics, 2017, 28(16): 11934-11949.

[21] 李黎瑛, 張振忠, 趙芳霞, 等. 燒成工藝制度對(duì)無(wú)鉛銀導(dǎo)體漿料性能的影響[J]. 貴金屬, 2012, 33(1): 5-9.

LI Li-ying, ZHANG Zhen-zhong, ZHAO Fang-xia, et al. Effect of Sintering Technology on the Properties of the Lead-Free Ag Paste[J]. Precious Metals, 2012, 33(1): 5-9.

[22] RANE S, PURI V, AMALNERKAR D. A Study on Sin-tering and Microstructure Development of Fritless Silver Thick Film Conductors[J]. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2000, 11(9): 667-674.

[23] HONG K K, CHO S B, YOU J S, et al. Mechanism for the Formation of Ag Crystallites in the Ag Thick-Film Contacts of Crystalline Si Solar Cells[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2009, 93(6-7): 898-904.

[24] FUKUDA K, SEKINE T, KOBAYASHI Y, et al. Stable Organic Thin-Film Transistors Using Full Solution-Pro-cessing and Low-Temperature Sintering Silver Nanopa-rticle Inks[J]. Organic Electronics, 2012, 13(9): 1660-1664.

[25] 曹彬. RFID標(biāo)簽天線導(dǎo)電油墨絲網(wǎng)印刷工藝研究[D]. 杭州: 杭州電子科技大學(xué), 2012.

CAO Bin. The Study of the Screen Printing Technology on RFID Tag Antenna Using Conductive Ink[D]. Hang-zhou: Hangzhou Dianzi University, 2012.

[26] 曹坤, 龐學(xué)滿, 唐利鋒, 等. 電子陶瓷精密絲網(wǎng)印刷工藝[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào), 2012, 9(25): 95-96.

CAO Kun, PANG Xue-man, TANG Li-feng, et al. Preci-sion Screen Printing Technology of Electronic Ceramics[J]. Science and Technology Innovation Herald, 2012, 9(25): 95-96.

[27] 王珊. 氧化鋁陶瓷基片的金屬化及共燒工藝研究[D]. 淄博: 山東理工大學(xué), 2015.

WANG Shan. Metalization and Co-Sintering of the Alu-mina Ceramic Substrate[D]. Zibo: Shandong University of Technology, 2015.

[28] 堵永國(guó), 余翠娟, 王震. 導(dǎo)電銀漿的絲網(wǎng)印刷適性與流變學(xué)[J]. 貴金屬, 2016, 37(2): 82-90.

DU Yong-guo, YU Cui-juan, WANG Zhen. Screen Prin-ting Suitability and Rheology of Conductive Silver Pas-te[J]. Precious Metals, 2016, 37(2): 82-90.

[29] 甘衛(wèi)平, 岳映霞, 羅林, 等. 無(wú)鉛導(dǎo)電銀漿的制備及其燒結(jié)工藝的研究[J]. 涂料工業(yè), 2014, 44(5): 31-36.

GAN Wei-ping, YUE Ying-xia, LUO Lin, et al. Prepa-ration of Lead-Free Conductive Silver Paste and Its Sin-tering Technology[J]. Paint & Coatings Industry, 2014, 44(5): 31-36.

[30] PARK S, SEO D, LEE J. Preparation of Pb-Free Silver Paste Containing Nanoparticles[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2008, 313- 314: 197-201.

[31] 甘衛(wèi)平, 潘巧赟, 周建. 有機(jī)載體及燒結(jié)工藝對(duì)銀漿料導(dǎo)電性能的影響[J]. 礦冶工程, 2014, 34(2): 118-121.

GAN Wei-ping, PAN Qiao-yun, ZHOU Jian. Effect of Or-ganic Vehicle and Sintering Process on Conductive Prope-rties of Silver Paste[J]. Mining and Metallurgical Engi-neering, 2014, 34(2): 118-121.

[32] HILALI M M, SRIDHARAN S, KHADILKAR C, et al. Effect of Glass Frit Chemistry on the Physical and Elec-trical Properties of Thick-Film Ag Contacts for Silicon Solar Cells[J]. Journal of Electronic Materials, 2006, 35(11): 2041-2047.

Effects of Screen Printing and Sintering Process on Film Structure and Properties of Ceramic Matrix Composite Microstrip Patch Antenna

1,1,2,1,1,1,1,1

(1. Aerospace Institute of Advanced Materials & Processing Technology, Beijing 100074, China; 2. Beijing Institute of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing 100074, China)

The effect of screen printing process parameters (printing pressure, off-screen distance and printing speed) and sintering system (sintering temperature and holding time) on structure and properties of screen-printed silver film on the surface of ceramic matrix composite microstrip patch antenna substrate were studied in this work. The silver film layer was prepared on the surface of the quartz fiber reinforced silica matrix composite material by screen printing process and sintering at a specified temperature. The microscopic morphology, square resistance and adhesion strength of the silver film layer were studied by metallographic microscope, scanning electron microscope, four-point probe tester and welding method, etc. The standing wave performance of the microstrip patch antenna is characterized by the vector network analyzer. When the printing pressure is 90 N, the off-screen distance is 2.5 mm, and the printing speed is 90 mm/s, the square resistance of the silver film layer is the lowest and the adhesion is the largest. The silver film with dense structure and good conductivity can be obtained when the sintering temperature is 850 ℃ and the holding time is 15 min. In above situation, the square resistance of the silver film layer is 5.4 mΩ/□ and the adhesion strength of the silver film layer is 2.25 N/mm2. The antenna plate fabricated under above printing and sintering process conditions has a center frequency of 1.869 GHz at room temperature, which is in good agreement with the design center frequency (1.86 GHz). Screen printing process parameters affect the conductivity and adhesion of the film layer by affecting the transfer rate of silver paste during the printing process. The sintering system profoundly affects the compactness of the silver film structure, which in turn affects the conductivity and adhesion of the silver film. Ceramic matrix composite microstrip patch antenna prepared under the printing pressure of 90 N, the off-screen distance of 2.5 mm, the printing speed of 90 mm/s, sintering temperature of 850 ℃ and holding time of 15 min has good standing wave performance.

microstrip patch antenna; ceramic matrix composites; screen printing; sintering system; standing wave performance

2021-03-28；

2021-10-21

CUI Feng-dan (1991—), Female, Master, Engineer, Research focus: functional ceramics.

張劍（1982—），男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楣δ芴沾伞?/p>

ZHANG Jian (1982—), Male, Doctor, Senior engineer, Research focus: functional ceramics.

崔鳳單, 慈吉良, 吳春博, 等.絲網(wǎng)印刷和燒結(jié)工藝對(duì)陶瓷基復(fù)合材料微帶天線膜層結(jié)構(gòu)與性能的影響[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(3): 234-241.

TG174

A

1001-3660(2022)03-0234-08

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.025

2021-03-28；

2021-10-21

崔鳳單（1991—），女，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楣δ芴沾伞?/p>

CUI Feng-dan, CI Ji-liang, WU Chun-bo, et al. Effects of Screen Printing and Sintering Process on Film Structure and Properties of Ceramic Matrix Composite Microstrip Patch Antenna[J]. Surface Technology, 2022, 51(3): 234-241.