微波介質陶瓷：沒有我，很難有5G/6G通信

微波介質陶瓷作為一種特定的功能陶瓷，能夠在微波電路中充當電介質使用，是現代通信中的關鍵戰略材料，廣泛應用于通信、導航、雷達、衛星等領域，隨著5G/6G和物聯網技術的快速發展，市場對微波介質陶瓷的需求日益增長。同時這類材料需滿足微波器件小型化、集成化、高可靠性和低成本的要求。

通常為滿足在實際情況下的應用，微波介質陶瓷材料需要適當的介電常數（εr），較低的損耗（即較高的Q值），近零的諧振頻率溫度系數（τf）。在微波介質材料的開發中，對于三個參數的準確測量尤為重要。其中，具有低介電常數（?r）和低損耗的介質陶瓷是毫米波通信的關鍵材料，它們作為電路基板，可以滿足毫米波通信的高速率、低延遲的傳輸要求。

01 微波介質陶瓷三大參數

相對介電常數εr

在微波頻率下，相對介電常數εr越大，以便器件小型化。目前，用于移動通信的相對介電常數（εr）≥60的介質陶瓷，毫米波、亞毫米波回路集成化的介質波導線路的εr≤30的介質陶瓷，是全球微波介質陶瓷的研究熱點和難點。

隨著5G商用化的逐漸擴大，針對6G不同技術路線的關鍵材料研發布局已經著手開展，迫切需要能夠覆蓋通信領域各個特殊頻段使用要求的微波介質陶瓷。因不同體系的εr和表現差異明顯，學者普遍根據介電常數不同將其大致劃分為低、中、高介電陶瓷3種類型。

不同微波介質陶瓷應用情況

品質因數（Q）

高Q有利于獲得良好的濾波特性及通訊質量，品質因數Q主要受介質損耗（tanδd）、歐姆損耗(tanδc)和輻射損耗(tanδλ)等三個因素影響。

對于微波介質材料，tanδc與tanδλ可忽略，Q約與tanδd成反比關系。由于微波介質諧振腔要求tanδd小于10-4量級才有實用價值，所以材料研究中如何提高Q值是一個重要課題。

諧振頻率溫度系數τf

諧振頻率溫度系數（τf）是決定諧振器熱穩定性的參數，反映了諧振頻率隨溫度變化產生的漂移量。通信器件的工作環境溫度是不斷變化的，從而影響設備的使用性能，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。

在微波介質陶瓷的三個性能參數中，諧振頻率溫度系數對介質陶瓷影響較大，它直接決定介質陶瓷能否使用，所以諧振頻率溫度系數能否接近0是研究者最關心的問題。但在實際應用中，大部分微波介質陶瓷的諧振頻率溫度系數往往具有一個負的τf值，而不能達到理想的0。

為了維持一個較低的水平，可以通過引入少量具有正的值的材料如TiO2，對其負值進行補償。就本質上而言，諧振頻率溫度系數由下式組成:

其中，τε是介電常數溫度系數；αL是陶瓷材料的線膨脹系數，可視為常數。Bosman等人根據C-M方程推導出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，極化率隨溫度變化的關系。A+B表示材料熱膨脹效應的總和，其值為2~10 ppm/℃。因此材料的τε值主要由C來決定。

西安交大周迪教授等人在Harrop和Wersing等人的基礎上進一步總結了微波介質陶瓷中諧振頻率溫度系數與介電常數之間的關系。從圖中可以看出，雖然沒有表現出很明顯的規律性，但整體上來說，介電常數高的材料普遍表現出較大的正諧振頻率溫度系數，只有低介電常數的材料才更可能具有負的諧振頻率溫度系數。

諧振頻率溫度系數與相對介電常數之間的關系

除了材料本身的性能參數，制備工藝也對微波介質陶瓷的性能至關重要。

02 LTCC是微波介電陶瓷制備的主流技術

低溫共燒陶瓷（LTCC）技術以其優異的熱、電性能和先進的制備工藝成為有源/無源元器件封裝的主流，廣泛地用于電子器件和電路封裝。低溫共燒陶瓷技術融合了厚膜技術和高溫共燒陶瓷技術的優點，可與低熔點高導電性的金屬電極（Ag、Al、Au等）共燒，提高多層電子器件的性能；介電常數小，損耗低，微波性能好；燒結溫度低，能耗少；還可多層排布，厚度可控，集成度高；經濟環保，應用前景廣闊。

根據材料的不同，LTCC材料的介電常數可在很大范圍內變化，增加了電路設計的靈活性。LTCC工藝中所應用的微波介質陶瓷要比PCB印刷電路板中所用的樹脂材料有著更低的介質損耗，具有非常優良的高頻特性。所以，當與有著高電導率的金屬電極共燒之后，整體模塊也會保持著很低的損耗。另外，與樹脂材料等有機物相比，陶瓷材料有著相對較低的熱膨脹系數，這就更加提高了元器件包裝過程中的可靠性。正是因為以上所述的種種優點，LTCC技術正逐漸成為高頻基板和集成器件應用的首選方法。