中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
聯(lián)系人：李鋒
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微波介質(zhì)陶瓷元器件生產(chǎn)涉及到材料學(xué)、微波與電磁場(chǎng)、電子技術(shù)與應用、微波與射頻測量技術(shù)、高精度機械制造技術(shù)、電磁兼容與可靠性技術(shù)等多學(xué)科理論
與技術(shù)，學(xué)科領(lǐng)域復雜，技術(shù)壁壘高。從原料的角度看的話(huà)，為滿(mǎn)足不同的應用領(lǐng)域要求，微波介質(zhì)陶瓷主要是往里摻雜各種其他元素實(shí)現材料介電性能優(yōu)化，因此材料體系是相當的復雜。
微波介質(zhì)陶瓷材料的優(yōu)勢
● 高Q值、低插損。微波介質(zhì)陶瓷材料的介質(zhì)損耗是影響介質(zhì)濾波器插入損耗的一個(gè)主要因素。材料品質(zhì)因素（Q值）越高，濾波器的插入損耗就越低。為獲得低損耗、高Q值的微波介質(zhì)陶瓷材料，必須不斷改進(jìn)微波介質(zhì)陶瓷材料的粉體配方和制備工藝，研制出雜質(zhì)少、缺陷少、晶粒均勻分布的高Q值微波介質(zhì)陶瓷材料，從而制造出低插損的介質(zhì)濾波器產(chǎn)品。
▲微波介質(zhì)陶瓷
● 高穩定性、高可靠性。由于終端設備的工作環(huán)境溫度一般在-40℃～+100℃，微波介質(zhì)陶瓷材料的諧振頻率如果隨溫度變化較大，載波信號在不同的溫度下就會(huì )產(chǎn)生漂移，從而影響設備的使用性能。這就要求材料在上述溫度范圍內的諧振頻率溫度系數不能大于10ppm/℃。陶瓷材料具有耐腐蝕、耐酸堿、耐高溫等特性，使用壽命較長(cháng)，目前已實(shí)用化的微波介質(zhì)陶瓷材料的頻率溫度系數接近零，從而實(shí)現微波通信元器件的高穩定性和高可靠性。
● 小型化、集成化。微波介質(zhì)陶瓷材料因其特殊的制備工藝形成的晶相結構，具有較高的介電常數，有利于實(shí)現微波介質(zhì)濾波器的小型化，滿(mǎn)足現代電子技術(shù)對元器件集成化的要求。使用微波介質(zhì)陶瓷制作的諧振器等器件尺寸可以達到毫米量級。
微波介質(zhì)陶瓷材料的制備技術(shù)
① 粉末制備技術(shù)
微波介質(zhì)陶瓷粉末通常采用的是固相反應法合成，即將多種氧化物粉料混合、煅燒，經(jīng)過(guò)機械研磨獲得粉體，具有設備、工藝簡(jiǎn)單、易于工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)在于此法難以獲取高純度的物相，且不能確保粉體成分分布的均勻性。此外，制備的粉體粒徑較大，反應活性較差還容易導致燒結溫度變高。為避免傳統固相反應法的不足，出現了溶膠-凝膠法、熔鹽法、水熱法、共沉淀法、微乳液法等方法。
● 溶膠-凝膠法（Sol-gel）：指金屬有機或無(wú)機化合物經(jīng)過(guò)溶膠-凝膠化、干燥和煅燒形成氧化物或其他固體化合物的方法。相比固相法具有較低的陶瓷粉末合成溫度和陶瓷燒結溫度，避免了機械研磨過(guò)程引入雜質(zhì)，且組分混合均勻。但溶膠-凝膠法制粉成本較高，工藝復雜。此法在何種條件下能促進(jìn)陶瓷的致密化，改善材料的纖維組織，從而提高其微波介電性能，還有待進(jìn)一步研究。
● 熔鹽法：指通過(guò)在常規固相反應中引入低熔點(diǎn)鹽作為助溶劑來(lái)合成物質(zhì)的一種新方法。低熔點(diǎn)鹽的引入導致合成過(guò)程中有液相出現，很大程度上加快了離子的擴散速率。熔鹽法工藝簡(jiǎn)單、粉末合成溫度低、保溫時(shí)間短、合成粉體的化學(xué)成分均勻、產(chǎn)物的形貌易控制。但燒結過(guò)程中熔鹽的揮發(fā)容易對爐體造成污染，同時(shí)該法制備的微波介質(zhì)陶瓷的介電性能普遍較低，原因尚需進(jìn)一步研究。
● 水熱法：基本原理是把在常溫常壓下不易被氧化的物質(zhì)，以水溶液作為介質(zhì)在密封的壓力容器中進(jìn)行材料合成，粉體的形成經(jīng)歷了一個(gè)溶解-結晶過(guò)程。是近幾年發(fā)展起來(lái)的最合適規模生產(chǎn)陶瓷粉末的濕化學(xué)制備方法。但因陶瓷粉末的合成反應難以反應完全，殘留的雜相會(huì )使材料的微波介電性能急劇下降，改進(jìn)方法還有待研究。
● 共沉淀法：是利用各種組分元素的可溶性金屬鹽類(lèi)，按一定比例匹配制成溶液，然后加入合適的沉淀劑，各類(lèi)金屬離子形成均勻沉淀，通過(guò)調節溶液的濃度和pH值等來(lái)控制沉淀粉末的性能，將沉淀物煅燒得到組分均勻的氧化物混合體。
與傳統方法相比工藝簡(jiǎn)單，共沉淀法制得的粉末成分均勻，且顆粒細小。此法制備微波介質(zhì)陶瓷不僅能得到納米尺寸的陶瓷粉末，降低材料的燒結溫度，同時(shí)材料還保持了較好的微波介電性能，發(fā)展前景較好。但缺點(diǎn)是制得的粉末容易發(fā)生團聚，這會(huì )使粉末的燒結性能降低。
● 微乳液法：是將反應物溶液在油類(lèi)相、表面活性劑和表面活性劑的作用下形成熱力穩定、各相同性、外觀(guān)透明或半透明的分散體系。其中每個(gè)被表面活化劑和油類(lèi)相包裹的液珠都是一個(gè)反應微胞團，然后將生成的納米顆粒從乳液狀中分離、清洗、干燥后即可得到細小均勻的粉末。
采用微乳液法能有效降低粉末的合成溫度和陶瓷燒結溫度，同時(shí)材料的微波介電性能變化不大。但由于需要使均勻分散在連續油相中的水相維持熱力學(xué)穩定，導致該法工藝比較復雜，限制了其應用。
② 燒結技術(shù)
● 常壓固相燒結：是在大氣條件下將坯體燒結的過(guò)程，是制備微波介質(zhì)陶瓷最常使用的一種方法。
● 微波燒結：具有加熱速度快、溫度場(chǎng)均勻、燒結時(shí)間短、高效節能等優(yōu)點(diǎn)，能顯著(zhù)改善材料的顯微組織，有利于微波介電性能的提高。
● 放電等離子燒結：通過(guò)承壓導電模具加上可控脈沖電流對粉末進(jìn)行燒結。該技術(shù)利用加熱和表面活化實(shí)現材料的超快速致密化燒結，且所得燒結晶粒均勻，致密度，可廣泛用于磁性材料、功能梯度材料、納米陶瓷、纖維增強陶瓷和金屬間化合物等一系列新型材料的燒結。
● 反應燒結：指初始粉末間的化學(xué)反應和材料的致密化在同一加熱過(guò)程中完成的一種燒結方法。該法無(wú)需常規方法中的預燒階段，是獲得高致密陶瓷的一種簡(jiǎn)單有效的方法。
③ 燒結助劑
對于難以燒結致密或要求低溫燒結的陶瓷體系，通常需要添加低熔點(diǎn)的氧化物或玻璃相等燒結助劑。燒結助劑在燒結過(guò)程中可以形成液相加速傳質(zhì)，可改善陶瓷的燒結特性。但燒結助劑在燒結后往往在晶界富集、易使晶粒表層產(chǎn)生化學(xué)計量比偏離等晶格缺陷，并且還可能與基體反應生成第二相。此外，有些添加劑所含多價(jià)態(tài)離子在燒結過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生變價(jià)，導致氧空位濃度改變，從而影響材料的微波介電性能。因此，選擇合適的燒結助劑十分重要。
微波介質(zhì)陶瓷元器件
微波介質(zhì)陶瓷元器件是以微波介質(zhì)陶瓷作為原材料，經(jīng)過(guò)一定的工藝流程加工而成的一類(lèi)電子元器件。微波介質(zhì)陶瓷作為一種重要的電子陶瓷材料，在現代通信產(chǎn)業(yè)中被廣泛用于介質(zhì)諧振器、介質(zhì)濾波器、介質(zhì)雙工器、介質(zhì)耦合器、介質(zhì)基片、介質(zhì)天線(xiàn)等元器件。其中，介質(zhì)濾波器是微波介質(zhì)陶瓷的重要應用領(lǐng)域。陶瓷濾波器與同等頻率的金屬腔體濾波器相比，具有體積小、重量輕、成本低等優(yōu)勢，因此在移動(dòng)通信、衛星通信、雷達等諸多領(lǐng)域得到廣泛應用。
▲微波介質(zhì)陶瓷元器件（圖源：南京以太）
基于優(yōu)異的微波介電性能，微波介質(zhì)陶瓷元器件目前廣泛應用于移動(dòng)通信、衛星通訊、衛星導航與定位、航空航天、電子器件、汽車(chē)工業(yè)、萬(wàn)物互聯(lián)等領(lǐng)域。其中，移動(dòng)通信領(lǐng)域是微波介質(zhì)陶瓷元器件的重要應用方向。介質(zhì)諧振器、介質(zhì)濾波器、介質(zhì)雙工器、介質(zhì)多工器、衛星授時(shí)天線(xiàn)等均是通信基站的重要元器件。
進(jìn)入5G通信時(shí)代，微波介質(zhì)陶瓷元器件在滿(mǎn)足性能要求的條件下，符合5G基站小型化和輕量化的設計要求，并且能夠解決高抑制的系統兼容問(wèn)題，逐漸成為5G基站射頻器件的重要選擇方案。另一方面，萬(wàn)物互聯(lián)、航空航天等領(lǐng)域的應用有望給微波介質(zhì)陶瓷元器件帶來(lái)新的市場(chǎng)增長(cháng)點(diǎn)，微波介質(zhì)陶瓷元器件作為基礎性射頻器件，應用前景將更加廣闊。
