三大類微波介質(zhì)陶瓷材料

      提起電磁波，大家應(yīng)該并不陌生，而微波就是電磁波中的一種。微波通常是指頻率介于300MHz到300Ghz，波長從1m到0.1mm，微波通訊在現(xiàn)代社會生

活中發(fā)揮著重要的作用，根據(jù)波長可進(jìn)一步分為亞毫米波、毫米波、厘米波、分米波四個(gè)分波段。微波介質(zhì)陶瓷則是應(yīng)用于微波通信領(lǐng)域的陶瓷材料之一，

在軍用及民用領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，其主要應(yīng)用于微波諧振器、濾波器與振蕩器，微波電路中的絕緣基片材料，和高性能陶瓷基微波板材。

▽微波頻段的四個(gè)分波段

▽微波介質(zhì)陶瓷的應(yīng)用

     微波介質(zhì)陶瓷的發(fā)展動力主要源于微波移動通信的發(fā)展需求。為實(shí)現(xiàn)微波設(shè)備的小型化、高穩(wěn)定性和廉價(jià)的途徑是微波電路的集成化，金屬諧振腔和金屬波

導(dǎo)體積和重量過大，大大限制了微波集成電路的發(fā)展，采用微波介質(zhì)陶瓷制作的諧振器與微波管、微帶線等構(gòu)成的微波混合集成電路，可使器件尺寸達(dá)到毫米量

級，這就使微波陶瓷成為實(shí)現(xiàn)微波控制功能的基礎(chǔ)和關(guān)鍵材料。為此需要開發(fā)一系列適合于微波范圍內(nèi)具有高性能、高可靠工作特性的電子材料與元器件，微波

介質(zhì)陶瓷正是在這一背景下迅速發(fā)展起來的電介質(zhì)材料，具有低微波損耗、高介電常數(shù)、頻率溫度系數(shù)小等特點(diǎn)。

      近年來微波介質(zhì)材料的研究開發(fā)主要圍繞以下兩大方向開展。1）追求超低損耗的極限(即最大Qf值)；2）探索更高相對介電常數(shù)（>100乃至>150）的新材料體系。

前者是為了更好的適應(yīng)高可靠性與更高頻率應(yīng)用的需要，后者主要是為了滿足未來微波器件的小型化要求。

▽高介電常數(shù)εr有利于器件的小型化、集成化

三大類微波介質(zhì)陶瓷

目前已開發(fā)的微波介質(zhì)材料體系種類很多，現(xiàn)以微波介電性能的特點(diǎn)進(jìn)行分類，將其分成三大類，1）低εr、高Q值材料；2）中等εr和Q值材料；3）

高εr低Q值材料。（PS:關(guān)于微波介質(zhì)陶瓷的三大性能指標(biāo)介電常數(shù)（εr），品質(zhì)因素Q或介質(zhì)損耗（tanδ）和諧振頻率溫度系數(shù)（τf）。請看本文第

三部分說明）

▽微波介質(zhì)陶瓷按介電常數(shù)分類

01

低εr、高Q值材料

       隨著移動通信與軍用雷達(dá)等微波通訊技術(shù)的發(fā)展，具有低介電常數(shù)(εr<15)、高品質(zhì)因數(shù)(介電損耗tanδ<10-4)與近零諧振頻率溫度系數(shù)(τf≈0)的電介

質(zhì)陶瓷材料，在微波毫米波通信系統(tǒng)中作為諧振器、濾波器、微波導(dǎo)線與微波基板等元器件的應(yīng)用研究備受人們關(guān)注，低的介電常數(shù)能夠降低電磁信號

的交互耦合作用，并提高信號傳輸與響應(yīng)速度；高品質(zhì)因數(shù)(Qf 值)能夠降低信號傳輸過程中的能量消耗，增加器件的選頻性；近零諧振頻率溫度系數(shù)能

夠保證器件工作對環(huán)境溫度漂移的穩(wěn)定性。

       目前該系列陶瓷主要有Al2O3基和硅酸鹽基等系列，Al2O3基微波介質(zhì)陶瓷作為通信介質(zhì)諧振器主要應(yīng)用在10~300GHZ微波-亞微米波的頻率范圍內(nèi)，

以及應(yīng)用在時(shí)鐘的超穩(wěn)定振蕩器上和電路基板上，其介電常數(shù)的分布大致為（10~15）。而硅酸鹽基微波介質(zhì)陶瓷主要應(yīng)用在微波-毫米波頻率范圍內(nèi)，

其介電常數(shù)的分布為（5~10）。由于固有的燒結(jié)溫度較低及原材料比較豐富，是目前低介電常數(shù)材料研究的熱點(diǎn)，各類硅酸鹽陶瓷如橄欖石Mg2SiO4、

硅鋅石Zn2SiO4、堇青石Mg2Al4Si5O18、透輝石CaMgSi2O6、鈣鈉斜長石(K,Na)AlSi3O8、鋇長BaAl2Si2O8以及Mg2SiO4-Ba3(VO4)2復(fù)合陶瓷等低介電

常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷被廣泛研究。從微波性能的比較來說，[Si,AlO4]四面體環(huán)狀鏈接的堇青石具有比[SiO4]四面體鏈狀與骨架狀連接的透輝石與長石等硅酸

鹽陶瓷高的品質(zhì)因數(shù)，有比[SiO4]四面體島狀分布的鎂橄欖石與硅鋅石好的諧振頻率溫度系數(shù)可調(diào)性。

02

中等εr和Q值材料

       中等介電常數(shù)和Q值的微波介質(zhì)陶瓷其介電常數(shù)一般40左右，這類微波介質(zhì)陶瓷的介電常數(shù)居中，Q值較高，做成的諧振器選頻好、插入的損耗低是

用來做LTCC微波介質(zhì)天線的首選材料。而BaTi4O9是中等介電常數(shù)εr的代表材料，早期的BaTi4O9陶瓷主要應(yīng)用于第一代無線通信基站中，其結(jié)構(gòu)簡單，

相組成隨溫度變化改變較小，諧振頻率溫度系數(shù)小,其固有的燒結(jié)溫度較高，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)添加玻璃相后陶瓷的燒結(jié)溫度可降至900℃左右，并保持一定的微

波介電性能，可滿足LTCC產(chǎn)業(yè)化的要求。

     許多學(xué)者分別對不同的低熔點(diǎn)玻璃或氧化物對各種微波介質(zhì)陶瓷體系進(jìn)行摻加研究表明，要獲得介電常數(shù)居中，Q值較高且溫度穩(wěn)定性優(yōu)異的低溫?zé)Y(jié)

的微波介質(zhì)陶瓷可以通過在微波介質(zhì)陶瓷里加入氧化物（B2O3、ZnO等）或低熔點(diǎn)的玻璃（MgO-CaO-Al2O3-SiO2、BaO-ZnO-B2O3等）來實(shí)現(xiàn)，或?qū)で?/span>

新的固有燒結(jié)溫度比較低的微波介質(zhì)陶瓷材料體系。

03

高εr低Q值材料

       眾所周知，微波介質(zhì)諧振器的尺寸大小由其所用材料的介電常數(shù)εr決定，εr越大微波介質(zhì)諧振器的尺寸越小，因此在信息化浪潮席卷全球的今天，為滿

足通信和信息終端的小型化、輕量化和便攜化，人們努力尋找介質(zhì)材料減小諧振電路的尺寸，因而高εr微波介質(zhì)陶瓷的研究在當(dāng)今微波介質(zhì)陶瓷的研究中是

一個(gè)十分活躍的分支。高介電微波介質(zhì)陶瓷主要指介電常數(shù)分布在60左右的微波陶瓷，日前人們開展研究工作較多的體系為Li2O-Nb2O5-TiO2系、

BaO-LnIO3-TiO2系及鉛基鈣鈦礦系。此外，研究表明高介電微波介質(zhì)陶瓷Q值較小，通過適當(dāng)?shù)膿诫s改性可將介電常數(shù)提高，在適當(dāng)?shù)呐浞胶凸に嚄l件下，

同時(shí)可以獲得較高的Q值和較低的燒結(jié)溫度。

微波介質(zhì)陶瓷的三大性能指標(biāo)

微波介質(zhì)陶瓷瓷介性能的主要參數(shù)和普通電介質(zhì)材料一樣，主要包括介電常數(shù)（εr），品質(zhì)因素Q或介質(zhì)損耗（tanδ）和諧振頻率溫度系數(shù)（τf）。

01

相對介電常數(shù)εr

在微波頻率下，相對介電常數(shù)εr越大，介質(zhì)元件尺寸可做得越小（PS:在微波頻段εr基本上為定值，可以認(rèn)為它是不隨頻率變化的）。在介電常數(shù)為εr的介質(zhì)中，

微波的波長反比于εr的平方根。在同樣的諧振頻率f0下，介質(zhì)諧振器的形狀與尺寸又取決于微波的波長。因此，在相同的諧振頻率f0之下，介電常數(shù)εr越大，介

質(zhì)諧振器的尺寸就越小，電磁能量也越能集中于介質(zhì)體內(nèi)，受周圍環(huán)境的影響也越小。這既有利于介質(zhì)諧振器件的小型化，也有利高品質(zhì)化。國際上實(shí)用化的εr

已超過100。

▽應(yīng)用案例：同軸介質(zhì)諧振器

      同軸型介質(zhì)諧振器主要用于移動電話基站和衛(wèi)星通信，是中間有孔的陶瓷圓柱體，其長度L可見下式（式中c為真空中電磁波的速度）。

       與材料的關(guān)系：微波介質(zhì)陶瓷的介電常數(shù)主要取決于材料結(jié)構(gòu)中的晶相和制備工藝，與使用頻率基本無關(guān)。對于微波介質(zhì)陶瓷，要想獲得較高的εr值，

從陶瓷工程學(xué)的角度看，除了從組成上考慮微觀的晶相類型和組合外，在工藝上使晶粒生長充分外，結(jié)構(gòu)致密也是提高εr值的有效途徑。

02

品質(zhì)因數(shù)Q

       高Q有利于獲得良好的濾波特性及通訊質(zhì)量，品質(zhì)因數(shù)Q主要受介質(zhì)損耗（tanδd）、歐姆損耗(tanδc)和輻射損耗(tanδλ)等三個(gè)因素影響。公式Q-1=

tanδd+tanδc+tanδλ；早在1969年，Hakki曾研究了各種諧振模式的傳輸特點(diǎn)，認(rèn)為材料的Q值主要由介質(zhì)損耗決定。對于微波介質(zhì)材料，tanδc與tanδλ可

忽略，Q約與tanδd成反比關(guān)系。由于微波介質(zhì)諧振腔要求tanδd小于10-4量級才有實(shí)用價(jià)值，所以材料研究中如何提高Q值是一個(gè)重要課題。

       在微波頻段范圍內(nèi)，品質(zhì)因數(shù)Q值與微波頻率f有關(guān)，Q=1/tanδ =ε’(ω)/ε”(ω) ≈ωT2/(γω)=ωT2/(2πγf)，不同的測試頻率有不同的Q值，對于同一材料，

為了得到較高的Q值，在較低的微波頻率下使用是更為有利的。式中：ε’(ω)---有功介電常數(shù)；ε”(ω)---無功介電常數(shù)；γ---材料衰減系數(shù)；ωT---材料固有角

頻率，單位為rad/s；ω---微波頻率為f時(shí)的角頻率，單位為rad/s。在特定的頻率下，Q與γ成反比，為了減小材料的tanδ或增大Q值，必須使衰減常數(shù)γ盡可

能小。

       與材料的關(guān)系：在完整的晶體中，γ取決于點(diǎn)陣振動的非諧和項(xiàng)；在多晶陶瓷中，晶粒晶界、雜質(zhì)和缺陷成為γ增大的主要原因。因此，在微波介質(zhì)陶瓷

的制造中必須盡可能使用高純原料，并盡力控制工藝以制出雜質(zhì)少、缺陷少且晶粒均勻分布的陶瓷。

03

諧振頻率溫度系數(shù)τf

       通信器件的工作環(huán)境溫度是不斷變化的，從而影響設(shè)備的使用性能。這就要求材料的諧振頻率不能隨溫度的變化太大，通信使用要求接近零的諧振頻率

溫度系數(shù)。諧振頻率溫度系數(shù)τf要為零或近于零，盡可能小的溫漂系數(shù)可保證元器件的中心頻率不隨溫度變化而產(chǎn)生漂移，提高器件的工作穩(wěn)定性。

       與材料的關(guān)系：諧振頻率溫度系數(shù)τf應(yīng)很小，一般要求τf范圍在（-10~+10）X10-6/℃。目前，國際上已實(shí)用化的微波介質(zhì)陶瓷的τf都接近于零。微波介

質(zhì)陶瓷頻率溫度系數(shù)主要由介質(zhì)陶瓷的線膨脹系數(shù)和介電常數(shù)的溫度系數(shù)決定，單相陶瓷很難滿足τf為零的要求，因此，一般是選擇采用不同諧振頻率溫度

系數(shù)的兩相或多相材料的復(fù)合，來實(shí)現(xiàn)正負(fù)溫度系數(shù)數(shù)值的抵消以達(dá)到最終近零的目標(biāo)。通過元素取代來調(diào)節(jié)微波介質(zhì)陶瓷介電響應(yīng)中離子位移極化的比例，

以獲得具有近零τf的微波介質(zhì)陶瓷。