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何为微波介质陶瓷 微波介质陶瓷的制备方法

2020年04月06日 10:30 次阅读

(本文来源自艾邦智造,在此鸣谢!)陶瓷介质滤波器具有尺寸小、重量轻、Q值大等优点,在5G领域的应用占有绝对优势,发展潜力巨大,而生产陶瓷介质滤波器的关键材料就是微波介质陶瓷。

一、何为微波介质陶瓷

微波介质陶瓷是指应用于微波频段电路(主要是300MHz~300GHZ频段)中的一种新型陶瓷功能材料。

在微波频段下,各种极化机制稳定,材料的介电常数基本不随频率的变化而变化,因此根据介电常数的大小可将其归为低介、中介和高介3大类。

低介微波介质陶瓷体系如Al2O3-TiO2系和钛酸镁系列等,因其高品质因数而被应用于对介质损耗要求比较严格的领域,如卫星通讯、军用雷达等方面

中介微波介质陶瓷体系如(Zr,Sn)TIO4系具有高Q值,低谐振频率温度系数,可用于制备介质谐振器解决窄带谐振器的频率漂移问题。

高介微波介质陶瓷能促进微波通讯设备、谐振器的小型化和集成化,在高电容量的集成电路中以及低频下工作的通讯设备中应用广泛。

微波介质陶瓷粉体并不是单一的材料,而是多种材料按比例混合的材料体系,而在制备的过程中,还会添加稀土氧化物,众多研究说明适量稀土元素的掺杂可改善微波介质陶瓷的烧结性、致密度以及介电性能

二、微波介质陶瓷的制备方法

微波介质陶瓷材料生产方法有固相反应法、溶胶-凝胶法、水热法、沉淀法等。

1.固相反应法固相反应法是一种传统的工艺方法,具有工艺成熟,便于操作,性价比高等优点,适用于批量生产,是当前工业生产采用最多的方法。但其存在烧结温度较高,容易形成第二相和局部晶粒异常长大等缺点,影响微波介电性能。

2.溶胶-凝胶法溶胶-溶胶法是通过金属络合物溶液与无机盐在特定的pH值下,形成透明溶胶,再将其煅烧除去有机成分,便可得到均匀的、颗粒很细的原始粉末,在很大程度上提高了瓷料组成的均匀性、结构均匀性和结构致密性,大大降低了陶瓷烧结温度并缩短烧结周期,可减少或避免第二相的生成,有利于提高材料的介电性能,但其粉料成本较高,工艺复杂,工艺参数不易控制,生产周期较长,较难实现产业化。

3.水热法水热法是反应在密封的压力容器中进行,以水溶液为介质,粉末的形成经历溶解到结晶的过程,无需昂贵的醇盐,很多材料在低温下就可以直接合成,避免由于预烧所造成的晶粒长大、缺陷和杂质侵入。

4.沉淀法沉淀法是利用各组分元素的可溶性金属盐类按一定比例配置成溶液,加入适量的沉淀剂使金属离子均匀沉淀,通过调节溶液的浓度和pH值等来控制粉体的性能,煅烧后得到氧化物的均匀混合体。方法简单,易于规模化生产,成本低,但会产生团聚或组分不均匀影响介电性能。

粉体材料制备过程具有技术难度,如以碳酸钡为原料的水热法包括溶解、钛酰化、干燥、水热、再次干燥等过程,酸碱控制不合理、 生成杂质等都将损害粉体质量,最终影响滤波器的性能。

三、5G陶瓷介质滤波器对材料的要求

微波介质陶瓷应用广泛,因具有高频介电损耗低,介电常数适中,谐振频率温度系数小等良好的微波介电性能,可用作微波电路的介质基片、介质天线、介质谐振器、介质滤波器等。

5G陶瓷介质滤波器中的电磁波谐振发生在陶瓷介质材料内部,因此对于微波介质陶瓷材料的性能提出更高的要求,微波陶瓷的介电性能指标主要是介电常数、品质因数Q、谐振频率温度系数三个:

1.适合的介电常数;高介电常数可实现滤波器尺寸小型化设计,但介电常数并不是越高越好,介电常数过高会影响输送损失,因此需考虑滤波器的设计要求来选择合适的介电常数。微波介质陶瓷的介电常数主要取决于材料结构中的晶相和制备工艺。

2.高的品质因数Q,低的介电损耗;品质因数Q越高,通频带越窄,电路选择性越好,能实现更好的滤波功能。Q值与介电损耗tanδ成反比关系,Q值越大,滤波器插损越低。材料结构均一,高致密,晶粒生长均匀,减少杂质和缺陷可提高Q值。

3.近零可调的谐振频率温度系数。谐振频率温度系数接近于零可实现滤波器的高稳定性和高可靠性,频率温度系数主要由材料的线性膨胀系数和介电常数决定。

陶瓷粉体决定了介质滤波器的性能,粉体的配方与制备的难度较高。只有拥有好的材料配方才能获得在一定使用条件下的高Q值介质陶瓷,可以说自有粉体配方是陶瓷滤波器厂商的核心竞争力。粉体配方的滤波器厂商可以通过采买原材料自行调配,免于向粉体厂商采买,不仅节约成本费用,更便于根据客户定制化要求对滤波器的相关参数进行调整。

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