毫米波是今年如火如荼的話題之一，原因在于毫米波使5G技術成為了可能。毫米波本質上就是一種高頻電磁波，它是波長1-10毫米的電磁波，通常來說指的是頻率在30GHz-300GHz之間的電磁波，是5G通訊中所使用的主要頻段之一。

與5G的發展如影隨行，高頻化是微波元器件發展的必然趨勢，隨著通訊設備工作頻率向毫米波段拓展，信號延遲問題會變得更加突出，因此，對作為通訊設備關鍵材料的微波介質陶瓷性能參數提出了更高的要求。與中、高介電常數材料相比，低介電常數材料能夠降低基板與金屬電極間的交互耦合損耗，縮短芯片間信號傳播的延遲時間。

1G→2G→3G→4G→5G的歷史進程

高中低介電常數微波介質陶瓷

微波介質陶瓷是指應用于微波頻段電路(主要是UHF、SHF頻段，300MHz~300GHz)中作為介質材料完成一種或多種功能的新型陶瓷功能材料。微波介質陶瓷具有介電常數適中、高頻下介電損耗低、溫度穩定性較好等優點，可以在微波電路系統中發揮介質隔離、介質波導及介質諧振等功能，是制作介質基板、濾波器、諧振器等微波元件的關鍵材料。

根據陶瓷材料介電常數的大小，可將陶瓷材料體系劃分為：高介電常數、中介電常數和低介電常數三類。信息技術的迅猛發展，推動著陶瓷材料向兩個方向發展：(1)高介電常數陶瓷體系，用作儲能材料，滿足經濟發展對新型儲能元器件發展的要求；(2)低介電常數，用于高自諧振頻率陶瓷體系：低介微波陶瓷材料具有介電常數低、自諧振頻率高的特點，適合微波/毫米波應用。

高介電常數陶瓷的經典應用：高容量陶瓷電容器

典型的低介電常數微波介質陶瓷材料體系

總的來說，由于低介電常數陶瓷高性能與低燒結溫度之間存在矛盾，因此如何選擇合適的低溫燒結助劑和開發固有燒結溫度低、介電性能優良的新材料體系仍是當前研究的重點方向。下文將簡單整理一下，目前研究目前火的低介微波陶瓷介質材料系統。

1、氧化鋁系陶瓷

Al₂O₃是一種重要的低εr微波介質陶瓷，其主晶相為α-Al₂O₃，晶體結構為剛玉型，屬于三方晶系，空間群為R3c。Al₂O₃陶瓷具有較低的介電常數(εr=10)和極高的Q×f值(500000GHz，f=9GHz)，是一種理想的低介微波介質陶瓷材料，在電子線路封裝和介質諧振天線等器件中具有廣泛的應用。

但由于其具有較大的諧振頻率溫度系數(τf=-60×10-6℃-1)和極高的燒結溫度(1600℃以上)，嚴重限制了其應用。為了改善Al₂O₃陶瓷的τf值，一般引入TiO₂以期獲得τf值近零的復合陶瓷。

低介電常數氧化鋁陶瓷的經典應用之一：電路基板

2、硅酸鹽系陶瓷

①Zn₂SiO₄。Zn₂SiO₄是硅鋅礦構造，屬三角晶系，空間點群為R3，該結構中Zn原子和Si原子均位于氧四面體的中心位置。2006年，Guo等首先報道了Zn₂SiO₄陶瓷經1340℃固相反應燒結后具有優異的微波介電性能:εr=6.6，Q×f=219000GHz，適合用于制作微波基板和毫米波器件。

②Mg₂SiO₄。Mg₂SiO₄是橄欖石結構，屬正交晶系，空間群為Pnma，具有低的介電常數(6.8)和極高的Q×f值(240000GHz)，是微波通訊、雷達天線以及航空航天等諸多領域的關鍵材料。與Al₂O₃陶瓷相比，它具有原料成本低廉、介電常數低和燒結溫度低等優點，但其τf值為(-61~-73)×10^-6℃^-1，且在燒結過程中易產生第二相，嚴重限制了其應用范圍。為了將Mg₂SiO₄陶瓷的τf值調節近零，選擇常見的正τf值化合物(TiO₂、CaTiO₃、Ba₃(VO₄)₂)與Mg₂SiO₄陶瓷進行復合。

③Mg2Al4Si5O18。堇青石(Mg2Al4Si5O18)的基本結構單元是[(Si，Al)O4]六元環，介電常數為6.0，品質因數為40000GHz，諧振頻率溫度系數為-25×10^-6℃^-1。與Zn₂SiO₄、Mg₂SiO₄陶瓷相比，堇青石的諧振頻率溫度系數更近零，熱膨脹系數更小，非常適合用于制作微波基板。然而，其燒結溫度范圍較窄，難以致密，且Q×f值較低，無法滿足高品質微波/毫米波介質元器件的應用需求，需要經過合適的工藝調整使其匹配應用要求。

④A₂BSi₂O₇(A=Sr、Ca、Ba；B=Co、Mg、Mn、Ni)。A2BSi2O7(A=Sr、Ca、Ba；B=Co、Mg、Mn、Ni)陶瓷具有黃長石和鎂長石結構，在毫米波通信和微波基板領域具有很大的應用潛力。

3、AAl₂O₄尖晶石系陶瓷(A=Zn、Mg)

AAl₂O₄(A=Zn、Mg)尖晶石材料具有面心立方晶格結構，屬于立方晶系，空間點群為Fd3m。Surendran等于2004年和2005年分別報道了ZnAl₂O₄和MgAl₂O₄陶瓷經1450℃燒結4h后的微波介電性能:εr=8.5，Q×f=56300GHz，τf=-79×10-6℃-1；εr=8.5，Q×f=68900GHz，τf=-75×10-6℃-1。除了優異的介電性能外，AAl₂O₄陶瓷還具有良好的力學性能、高的熱導率和較小的熱膨脹系數，尤其適合用于制備通訊系統的基板，但其較高的燒結溫度限制了其適用范圍。

4、鎢酸鹽系陶瓷

鎢酸鹽陶瓷不僅具有較低的固有燒結溫度，還具有較小的介電常數，常用作LTCC基板材料。目前對鎢酸鹽低介微波介質陶瓷的研究主要集中在AWO₄(A=Ca、Sr、Ba、Mg、Zn、Mn等)體系。

5、磷酸鹽系陶瓷

常見的磷酸鹽系陶瓷主要包括A₂P₂O₇(A=Mg、Mn、Zn、Ca、Sr、Ba)和LiMPO₄(M=Mg、Zn)等體系。A₂P₂O₇(A=Mg、Mn、Zn、Ca、Sr、Ba)化合物的結構與A²⁺半徑密切相關。當A²⁺半徑小于0.97?時(A=Mg、Zn、Mn)，材料為鈧釔石結構；當A²⁺半徑大于0.97?時(A=Ca、Sr、Ba)，材料會轉變為重鉻酸鹽結構。

6、石榴石結構化合物體系

目前，石榴石結構化合物體系主要包含以下三種：Re₃A₅O₁₂(A=Y、Ga)，A₃B₂V₃O₁₂(A為一價堿金屬離子+三價稀土元素離子，B為二價堿金屬離子)和Ca₅A₄(VO₄)(A=Mg、Zn、Co、Ni、Mn)。

最后為大家分享一個小視頻

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參考資料：

1、低介電常數微波介質陶瓷研究進展；南京工程學院材料工程學院，胡杰、呂學鵬、張天宇，李真，陳昊元，徐文盛；江蘇省先進結構材料與應用技術重點實驗室，呂學鵬。

2、低介電常數微波陶瓷材料的制備、介電性能及機理研究；華南理工大學，江嬋。

3、華為官網，村田制造所官網，日本精密陶瓷官網

粉體圈 作者小白