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    5G毫米波通信刚需:低介电常数微波介质陶瓷
    2020年04月15日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:180
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    毫米波是今年如火如荼的话题之一,原因 在于毫米波使5G技术成为了可能 。毫米波本质上就是一种高频电磁波,它是波长1-10毫米的电磁波,通常来说指的是频率在30GHz-300GHz之间的电磁波,是5G通讯中所使用的主要频段之一 。

    5G的发展如影随行,高频化是微波元器件发展的必然趋势,随着通讯设备工作频率向毫米波段拓展,信号延迟问题会变得更加突出,因 此,对作为通讯设备关键材料的微波介质陶瓷性能参数提出了更高的要求 。与中、高介电常数材料相比,低介电常数材料能够降低基板与金属电极间的交互耦合损耗,缩短芯片间信号传播的延迟时间 。

    1G→2G→3G→4G→5G的历史进程

     

     

    高中低介电常数微波介质陶瓷

    微波介质陶瓷是指应用于微波频段电路(主要是UHF、SHF频段300MHz~300GHz)中作为介质材料完成一种或多种功能的新型陶瓷功能材料 。微波介质陶瓷具有介电常数适中、高频下介电损耗低、温度稳定性较好等优点可以在微波电路系统中发挥介质隔离、介质波导及介质谐振等功能是制作介质基板、滤波器、谐振器等微波元件的关键材料 。

    根据陶瓷材料介电常数的大小,可将陶瓷材料体系划分为:高介电常数、中介电常数和低介电常数三类 。信息技术的迅猛发展,推动着陶瓷材料向两个方向发展:(1)高介电常数陶瓷体系,用作储能材料,满足经济发展对新型储能元器件发展的要求;(2)低介电常数,用于高自谐振频率陶瓷体系:低介微波陶瓷材料具有介电常数低、自谐振频率高的特点,适合微波/毫米波应用 。

     

    高介电常数陶瓷的经典应用:高容量陶瓷电容器

    典型的低介电常数微波介质陶瓷材料体系

    总的来说,由于低介电常数陶瓷高性能与低烧结温度之间存在矛盾,因 此如何选择合适的低温烧结助剂和开发固有烧结温度低、介电性能优良的新材料体系仍是当前研究的重点方向 。下文将简单整理一下,目前研究目前火的低介微波陶瓷介质材料系统 。

    1、氧化铝系陶瓷

    Al2O3是一种重要的低εr微波介质陶瓷,其主晶相为α-Al2O3,晶体结构为刚玉型,属于三方晶系,空间群为R3c 。Al2O3陶瓷具有较低的介电常数(εr=10)和极高的Q×f值(500000GHz,f=9GHz),是一种理想的低介微波介质陶瓷材料,在电子线路封装和介质谐振天线等器件中具有广泛的应用 。

    但由于其具有较大的谐振频率温度系数(τf=-60×10-6℃-1)和极高的烧结温度(1600℃以上),严重限制了其应用 。为了改善Al2O3陶瓷的τf值,一般引入TiO2以期获得τf值近零的复合陶瓷 。

     

    低介电常数氧化铝陶瓷的经典应用之一:电路基板

    2、硅酸盐系陶瓷

    ①Zn2SiO4 。Zn2SiO4是硅锌矿构造,属三角晶系,空间点群为R3,该结构中Zn原子和Si原子均位于氧四面体的中心位置 。2006年,Guo等首先报道了Zn2SiO4陶瓷经1340℃固相反应烧结后具有优异的微波介电性能:εr=6.6,Q×f=219000GHz,适合用于制作微波基板和毫米波器件 。

    ②Mg2SiO4 。Mg2SiO4是橄榄石结构,属正交晶系,空间群为Pnma,具有低的介电常数(6.8)和极高的Q×f值(240000GHz),是微波通讯、雷达天线以及航空航天等诸多领域的关键材料 。与Al2O3陶瓷相比,它具有原料成本低廉、介电常数低和烧结温度低等优点,但其τf值为(-61~-73)×10-6-1,且在烧结过程中易产生第二相,严重限制了其应用范围 。为了将Mg2SiO4陶瓷的τf值调节近零,选择常见的正τf值化合物(TiO2CaTiO3Ba3(VO4)2)与Mg2SiO4陶瓷进行复合 。

    ③Mg2Al4Si5O18 。堇青石(Mg2Al4Si5O18)的基本结构单元是[(Si,Al)O4]六元环,介电常数为6.0,品质因 数为40000GHz,谐振频率温度系数为-25×10-6-1 。与Zn2SiO4Mg2SiO4陶瓷相比,堇青石的谐振频率温度系数更近零,热膨胀系数更小,非常适合用于制作微波基板 。然而,其烧结温度范围较窄,难以致密,且Q×f值较低,无法满足高品质微波/毫米波介质元器件的应用需求,需要经过合适的工艺调整使其匹配应用要求 。

    ④A2BSi2O7(A=Sr、Ca、Ba;B=Co、Mg、Mn、Ni) 。A2BSi2O7(A=Sr、Ca、Ba;B=Co、Mg、Mn、Ni)陶瓷具有黄长石和镁长石结构,在毫米波通信和微波基板领域具有很大的应用潜力  。

    3、AAl2O4尖晶石系陶瓷(A=Zn、Mg)

    AAl2O4(A=Zn、Mg)尖晶石材料具有面心立方晶格结构,属于立方晶系,空间点群为Fd3m 。Surendran等于2004年和2005年分别报道了ZnAl2O4MgAl2O4陶瓷经1450℃烧结4h后的微波介电性能:εr=8.5,Q×f=56300GHz,τf=-79×10-6℃-1;εr=8.5,Q×f=68900GHz,τf=-75×10-6℃-1 。除了优异的介电性能外,AAl2O4陶瓷还具有良好的力 学性能、高的热导率和较小的热膨胀系数,尤其适合用于制备通讯系统的基板,但其较高的烧结温度限制了其适用范围 。

    4、钨酸盐系陶瓷

    钨酸盐陶瓷不仅具有较低的固有烧结温度,还具有较小的介电常数,常用作LTCC基板材料 。目前对钨酸盐低介微波介质陶瓷的研究主要集中在AWO4(A=Ca、Sr、Ba、Mg、Zn、Mn等)体系 。

    5、磷酸盐系陶瓷

    常见的磷酸盐系陶瓷主要包括A2P2O7(A=Mg、Mn、Zn、Ca、Sr、Ba)和LiMPO4(M=Mg、Zn)等体系 。A2P2O7(A=Mg、Mn、Zn、Ca、Sr、Ba)化合物的结构与A2+半径密切相关 。当A2+半径小于0.97Å时(A=Mg、Zn、Mn),材料为钪钇石结构;当A2+半径大于0.97Å时(A=Ca、Sr、Ba),材料会转变为重铬酸盐结构 。

    6、石榴石结构化合物体系

    目前石榴石结构化合物体系主要包含以下三种Re3A5O12(A=Y、Ga)A3B2V3O12(A为一价碱金属离子+三价稀土元素离子B为二价碱金属离子)和Ca5A4(VO4)(A=Mg、Zn、Co、Ni、Mn) 。

    最后为大家分享一个小视频

    一起来看看5G通信能为生活带来什么改变!


    参考资料:

    1、低介电常数微波介质陶瓷研究进展;南京工程学院材料工程学院胡杰吕学鹏张天宇李真陈昊元徐文盛先进结构材料与应用技术重点实验室吕学鹏 。

    2、低介电常数微波陶瓷材料的制备、介电性能及机理研究;华南理工大学,江婵 。

    3、华为官网,村田制造所官网,日本精密陶瓷官网

    粉体圈 作者小白

     


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