微波介質(zhì)陶瓷：沒(méi)有我，很難有5G/6G通信

微波介質(zhì)陶瓷作為一種特定的功能陶瓷，能夠在微波電路中充當(dāng)電介質(zhì)使用，是現(xiàn)代通信中的關(guān)鍵戰(zhàn)略材料，廣泛應(yīng)用于通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、衛(wèi)星等領(lǐng)域，隨著5G/6G和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)微波介質(zhì)陶瓷的需求日益增長(zhǎng)。同時(shí)這類(lèi)材料需滿(mǎn)足微波器件小型化、集成化、高可靠性和低成本的要求。

通常為滿(mǎn)足在實(shí)際情況下的應(yīng)用，微波介質(zhì)陶瓷材料需要適當(dāng)?shù)慕殡姵?shù)（εr），較低的損耗（即較高的Q值），近零的諧振頻率溫度系數(shù)（τf）。在微波介質(zhì)材料的開(kāi)發(fā)中，對(duì)于三個(gè)參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量尤為重要。其中，具有低介電常數(shù)（?r）和低損耗的介質(zhì)陶瓷是毫米波通信的關(guān)鍵材料，它們作為電路基板，可以滿(mǎn)足毫米波通信的高速率、低延遲的傳輸要求。

01 微波介質(zhì)陶瓷三大參數(shù)

相對(duì)介電常數(shù)εr

在微波頻率下，相對(duì)介電常數(shù)εr越大，以便器件小型化。目前，用于移動(dòng)通信的相對(duì)介電常數(shù)（εr）≥60的介質(zhì)陶瓷，毫米波、亞毫米波回路集成化的介質(zhì)波導(dǎo)線(xiàn)路的εr≤30的介質(zhì)陶瓷，是全球微波介質(zhì)陶瓷的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

隨著5G商用化的逐漸擴(kuò)大，針對(duì)6G不同技術(shù)路線(xiàn)的關(guān)鍵材料研發(fā)布局已經(jīng)著手開(kāi)展，迫切需要能夠覆蓋通信領(lǐng)域各個(gè)特殊頻段使用要求的微波介質(zhì)陶瓷。因不同體系的εr和表現(xiàn)差異明顯，學(xué)者普遍根據(jù)介電常數(shù)不同將其大致劃分為低、中、高介電陶瓷3種類(lèi)型。

不同微波介質(zhì)陶瓷應(yīng)用情況

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。

對(duì)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(jí)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。

諧振頻率溫度系數(shù)τf

諧振頻率溫度系數(shù)（τf）是決定諧振器熱穩(wěn)定性的參數(shù)，反映了諧振頻率隨溫度變化產(chǎn)生的漂移量。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0的τf。

在微波介質(zhì)陶瓷的三個(gè)性能參數(shù)中，諧振頻率溫度系數(shù)對(duì)介質(zhì)陶瓷影響較大，它直接決定介質(zhì)陶瓷能否使用，所以諧振頻率溫度系數(shù)能否接近0是研究者最關(guān)心的問(wèn)題。但在實(shí)際應(yīng)用中，大部分微波介質(zhì)陶瓷的諧振頻率溫度系數(shù)往往具有一個(gè)負(fù)的τf值，而不能達(dá)到理想的0。

為了維持一個(gè)較低的水平，可以通過(guò)引入少量具有正的值的材料如TiO2，對(duì)其負(fù)值進(jìn)行補(bǔ)償。就本質(zhì)上而言，諧振頻率溫度系數(shù)由下式組成:

其中，τε是介電常數(shù)溫度系數(shù)；αL是陶瓷材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)，可視為常數(shù)。Bosman等人根據(jù)C-M方程推導(dǎo)出τε的公式：

其中，A表示體積隨溫度的變化率；B表示極化率隨體積和溫度的變化；C表示體積恒定時(shí)，極化率隨溫度變化的關(guān)系。A+B表示材料熱膨脹效應(yīng)的總和，其值為2~10 ppm/℃。因此材料的τε值主要由C來(lái)決定。

西安交大周迪教授等人在Harrop和Wersing等人的基礎(chǔ)上進(jìn)一步總結(jié)了微波介質(zhì)陶瓷中諧振頻率溫度系數(shù)與介電常數(shù)之間的關(guān)系。從圖中可以看出，雖然沒(méi)有表現(xiàn)出很明顯的規(guī)律性，但整體上來(lái)說(shuō)，介電常數(shù)高的材料普遍表現(xiàn)出較大的正諧振頻率溫度系數(shù)，只有低介電常數(shù)的材料才更可能具有負(fù)的諧振頻率溫度系數(shù)。

諧振頻率溫度系數(shù)與相對(duì)介電常數(shù)之間的關(guān)系

除了材料本身的性能參數(shù)，制備工藝也對(duì)微波介質(zhì)陶瓷的性能至關(guān)重要。

02 LTCC是微波介電陶瓷制備的主流技術(shù)

低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)以其優(yōu)異的熱、電性能和先進(jìn)的制備工藝成為有源/無(wú)源元器件封裝的主流，廣泛地用于電子器件和電路封裝。低溫共燒陶瓷技術(shù)融合了厚膜技術(shù)和高溫共燒陶瓷技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可與低熔點(diǎn)高導(dǎo)電性的金屬電極（Ag、Al、Au等）共燒，提高多層電子器件的性能；介電常數(shù)小，損耗低，微波性能好；燒結(jié)溫度低，能耗少；還可多層排布，厚度可控，集成度高；經(jīng)濟(jì)環(huán)保，應(yīng)用前景廣闊。

根據(jù)材料的不同，LTCC材料的介電常數(shù)可在很大范圍內(nèi)變化，增加了電路設(shè)計(jì)的靈活性。LTCC工藝中所應(yīng)用的微波介質(zhì)陶瓷要比PCB印刷電路板中所用的樹(shù)脂材料有著更低的介質(zhì)損耗，具有非常優(yōu)良的高頻特性。所以，當(dāng)與有著高電導(dǎo)率的金屬電極共燒之后，整體模塊也會(huì)保持著很低的損耗。另外，與樹(shù)脂材料等有機(jī)物相比，陶瓷材料有著相對(duì)較低的熱膨脹系數(shù)，這就更加提高了元器件包裝過(guò)程中的可靠性。正是因?yàn)橐陨纤龅姆N種優(yōu)點(diǎn)，LTCC技術(shù)正逐漸成為高頻基板和集成器件應(yīng)用的首選方法。