中國電子元件行業(yè)協(xié)會
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、微波與電磁場、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)等多學科理論
與技術(shù)，學科領(lǐng)域復雜，技術(shù)壁壘高。從原料的角度看的話，為滿足不同的應用領(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現(xiàn)材料介電性能優(yōu)化，因此材料體系是相當?shù)膹碗s。
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(wěn)定性、高可靠性。由于終端設(shè)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產(chǎn)生漂移，從而影響設(shè)備的使用性能。這就要求材料在上述溫度范圍內(nèi)的諧振頻率溫度系數(shù)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，目前已實用化的微波介質(zhì)陶瓷材料的頻率溫度系數(shù)接近零，從而實現(xiàn)微波通信元器件的高穩(wěn)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(jié)構(gòu)，具有較高的介電常數(shù)，有利于實現(xiàn)微波介質(zhì)濾波器的小型化，滿足現(xiàn)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)過機械研磨獲得粉體，具有設(shè)備、工藝簡單、易于工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)點。缺點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(jié)溫度變高。為避免傳統(tǒng)固相反應法的不足，出現(xiàn)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）：指金屬有機或無機化合物經(jīng)過溶膠-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(jié)溫度，避免了機械研磨過程引入雜質(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，還有待進一步研究。
● 熔鹽法：指通過在常規(guī)固相反應中引入低熔點鹽作為助溶劑來合成物質(zhì)的一種新方法。低熔點鹽的引入導致合成過程中有液相出現(xiàn)，很大程度上加快了離子的擴散速率。熔鹽法工藝簡單、粉末合成溫度低、保溫時間短、合成粉體的化學成分均勻、產(chǎn)物的形貌易控制。但燒結(jié)過程中熔鹽的揮發(fā)容易對爐體造成污染，同時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行材料合成，粉體的形成經(jīng)歷了一個溶解-結(jié)晶過程。是近幾年發(fā)展起來的最合適規(guī)模生產(chǎn)陶瓷粉末的濕化學制備方法。但因陶瓷粉末的合成反應難以反應完全，殘留的雜相會使材料的微波介電性能急劇下降，改進方法還有待研究。
● 共沉淀法：是利用各種組分元素的可溶性金屬鹽類，按一定比例匹配制成溶液，然后加入合適的沉淀劑，各類金屬離子形成均勻沉淀，通過調(diào)節(jié)溶液的濃度和pH值等來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(tǒng)方法相比工藝簡單，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(jié)溫度，同時材料還保持了較好的微波介電性能，發(fā)展前景較好。但缺點是制得的粉末容易發(fā)生團聚，這會使粉末的燒結(jié)性能降低。
● 微乳液法：是將反應物溶液在油類相、表面活性劑和表面活性劑的作用下形成熱力穩(wěn)定、各相同性、外觀透明或半透明的分散體系。其中每個被表面活化劑和油類相包裹的液珠都是一個反應微胞團，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(jié)溫度，同時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(xù)油相中的水相維持熱力學穩(wěn)定，導致該法工藝比較復雜，限制了其應用。
② 燒結(jié)技術(shù)
● 常壓固相燒結(jié)：是在大氣條件下將坯體燒結(jié)的過程，是制備微波介質(zhì)陶瓷最常使用的一種方法。
● 微波燒結(jié)：具有加熱速度快、溫度場均勻、燒結(jié)時間短、高效節(jié)能等優(yōu)點，能顯著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(jié)：通過承壓導電模具加上可控脈沖電流對粉末進行燒結(jié)。該技術(shù)利用加熱和表面活化實現(xiàn)材料的超快速致密化燒結(jié)，且所得燒結(jié)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(jié)。
● 反應燒結(jié)：指初始粉末間的化學反應和材料的致密化在同一加熱過程中完成的一種燒結(jié)方法。該法無需常規(guī)方法中的預燒階段，是獲得高致密陶瓷的一種簡單有效的方法。
③ 燒結(jié)助劑
對于難以燒結(jié)致密或要求低溫燒結(jié)的陶瓷體系，通常需要添加低熔點的氧化物或玻璃相等燒結(jié)助劑。燒結(jié)助劑在燒結(jié)過程中可以形成液相加速傳質(zhì)，可改善陶瓷的燒結(jié)特性。但燒結(jié)助劑在燒結(jié)后往往在晶界富集、易使晶粒表層產(chǎn)生化學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態(tài)離子在燒結(jié)過程中會產(chǎn)生變價，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(jié)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)過一定的工藝流程加工而成的一類電子元器件。微波介質(zhì)陶瓷作為一種重要的電子陶瓷材料，在現(xiàn)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，因此在移動通信、衛(wèi)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通信、衛(wèi)星通訊、衛(wèi)星導航與定位、航空航天、電子器件、汽車工業(yè)、萬物互聯(lián)等領(lǐng)域。其中，移動通信領(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(wèi)星授時天線等均是通信基站的重要元器件。
進入5G通信時代，微波介質(zhì)陶瓷元器件在滿足性能要求的條件下，符合5G基站小型化和輕量化的設(shè)計要求，并且能夠解決高抑制的系統(tǒng)兼容問題，逐漸成為5G基站射頻器件的重要選擇方案。另一方面，萬物互聯(lián)、航空航天等領(lǐng)域的應用有望給微波介質(zhì)陶瓷元器件帶來新的市場增長點，微波介質(zhì)陶瓷元器件作為基礎(chǔ)性射頻器件，應用前景將更加廣闊。
