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5G陶瓷濾波器關(guān)鍵材料—微波介質(zhì)陶瓷

作者:點擊:876 發(fā)布時間:2021-06-04

陶瓷介質(zhì)濾波器具有尺寸小、重量輕、Q值大等優(yōu)點,在5G領(lǐng)域的應(yīng)用占有優(yōu)勢,發(fā)展?jié)摿薮?,而生產(chǎn)陶瓷介質(zhì)濾波器的關(guān)鍵材料就是微波介質(zhì)陶瓷。

一、何為微波介質(zhì)陶瓷

微波介質(zhì)陶瓷是指應(yīng)用于微波頻段電路(主要是300MHz~300GHZ頻段)中的一種新型陶瓷功能材料。

圖微波介質(zhì)陶瓷瓷料來源華星電子

在微波頻段下,各種極化機制穩(wěn)定,材料的介電常數(shù)基本不隨頻率的變化而變化,因此根據(jù)介電常數(shù)的大小可將其歸為低介、中介和高介3大類。

低介微波介質(zhì)陶瓷體系如Al2O3-TiO2系和鈦酸鎂系列等,因其高品質(zhì)因數(shù)而被應(yīng)用于對介質(zhì)損耗要求比較嚴格的領(lǐng)域,如衛(wèi)星通訊、軍用雷達等方面

中介微波介質(zhì)陶瓷體系如(Zr,Sn)TiO4系具有高Q值,低諧振頻率溫度系數(shù),可用于制備介質(zhì)諧振器解決窄帶諧振器的頻率漂移問題。

高介微波介質(zhì)陶瓷能促進微波通訊設(shè)備、諧振器的小型化和集成化,在高電容量的集成電路中以及低頻下工作的通訊設(shè)備中應(yīng)用廣泛。

微波介質(zhì)陶瓷粉體并不是單一的材料,而是多種材料按比例混合的材料體系,而在制備的過程中,還會添加稀土氧化物,眾多研究說明適量稀土元素的摻雜可改善微波介質(zhì)陶瓷的燒結(jié)性、致密度以及介電性能。

二、微波介質(zhì)陶瓷的制備方法

微波介質(zhì)陶瓷材料生產(chǎn)方法有固相反應(yīng)法、溶膠-凝膠法、水熱法、沉淀法等。

1.固相反應(yīng)法

固相反應(yīng)法是一種傳統(tǒng)的工藝方法,具有工藝成熟,便于操作,性價比高等優(yōu)點,適用于批量生產(chǎn),是當前工業(yè)生產(chǎn)采用多的方法。但其存在燒結(jié)溫度較高,容易形成第二相和局部晶粒異常長大等缺點,影響微波介電性能。

圖固相反應(yīng)工藝流程圖

2.溶膠-凝膠法

溶膠-溶膠法是通過金屬絡(luò)合物溶液與無機鹽在特定的pH值下,形成透明溶膠,再將其煅燒除去有機成分,便可得到均勻的、顆粒很細的原始粉末,在很大程度上提高了瓷料組成的均勻性、結(jié)構(gòu)均勻性和結(jié)構(gòu)致密性,大大降低了陶瓷燒結(jié)溫度并縮短燒結(jié)周期,可減少或避免第二相的生成,有利于提高材料的介電性能,但其粉料成本較高,工藝復(fù)雜,工藝參數(shù)不易控制,生產(chǎn)周期較長,較難實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

3.水熱法

水熱法是反應(yīng)在密封的壓力容器中進行,以水溶液為介質(zhì),粉末的形成經(jīng)歷溶解到結(jié)晶的過程,無需昂貴的醇鹽,很多材料在低溫下就可以直接合成,避免由于預(yù)燒所造成的晶粒長大、缺陷和雜質(zhì)侵入。

4.沉淀法

沉淀法是利用各組分元素的可溶性金屬鹽類按一定比例配置成溶液,加入適量的沉淀劑使金屬離子均勻沉淀,通過調(diào)節(jié)溶液的濃度和pH值等來控制粉體的性能,煅燒后得到氧化物的均勻混合體。方法簡單,易于規(guī)?;a(chǎn),成本低,但會產(chǎn)生團聚或組分不均勻影響介電性能。

粉體材料制備過程具有技術(shù)難度,如以碳酸鋇為原料的水熱法包括溶解、鈦?;?、干燥、水熱、再次干燥等過程,酸堿控制不合理、生成雜質(zhì)等都將損害粉體質(zhì)量,終影響濾波器的性能。

三、5G陶瓷介質(zhì)濾波器對材料的要求

微波介質(zhì)陶瓷應(yīng)用廣泛,因具有高頻介電損耗低,介電常數(shù)適中,諧振頻率溫度系數(shù)小等良好的微波介電性能,可用作微波電路的介質(zhì)基片、介質(zhì)天線、介質(zhì)諧振器、介質(zhì)濾波器等。

5G陶瓷介質(zhì)濾波器中的電磁波諧振發(fā)生在陶瓷介質(zhì)材料內(nèi)部,因此對于微波介質(zhì)陶瓷材料的性能提出更高的要求,微波陶瓷的介電性能指標主要是介電常數(shù)、品質(zhì)因數(shù)Q、諧振頻率溫度系數(shù)三個:

1.適合的介電常數(shù);

高介電常數(shù)可實現(xiàn)濾波器尺寸小型化設(shè)計,但介電常數(shù)并不是越高越好,介電常數(shù)過高會影響輸送損失,因此需考慮濾波器的設(shè)計要求來選擇合適的介電常數(shù)。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。

2.高的品質(zhì)因數(shù)Q,低的介電損耗;

品質(zhì)因數(shù)Q越高,通頻帶越窄,電路選擇性越好,能實現(xiàn)更好的濾波功能。Q值與介電損耗tanδ成反比關(guān)系,Q值越大,濾波器插損越低。材料結(jié)構(gòu)均一,高致密,晶粒生長均勻,減少雜質(zhì)和缺陷可提高Q值。

3.近零可調(diào)的諧振頻率溫度系數(shù)。

諧振頻率溫度系數(shù)接近于零可實現(xiàn)濾波器的高穩(wěn)定性和高可靠性,頻率溫度系數(shù)主要由材料的線性膨脹系數(shù)和介電常數(shù)決定。

陶瓷粉體決定了介質(zhì)濾波器的性能,粉體的配方與制備的難度較高。只有擁有好的材料配方才能獲得在一定使用條件下的高Q值介質(zhì)陶瓷,可以說自有粉體配方是陶瓷濾波器廠商的核心競爭力。粉體配方的濾波器廠商可以通過采買原材料自行調(diào)配,免于向粉體廠商采買,不僅節(jié)約成本費用,更便于根據(jù)客戶定制化要求對濾波器的相關(guān)參數(shù)進行調(diào)整。


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