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适应高频通信的高纯氧化铝基板长啥样?
2021年02月24日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:343
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高频信号一般指频率较高的电磁信号在通信行业高频一般定义为频率在1GHz以上移动通信行业从1G、2G、3G逐步发展至目前4G、5G备注:12345G的G代表“G指的是Generation,也就是“代”的意思正是通信行业从低频向高频发展的显著代表。高频通信业务的发展极大改善了居民的生活质量并改变了大众的生活方式,目前,高频通信主要集中在移动通信、汽车、卫星导航、军工雷达和通信等对信号传输速度和质量要求较高的领域。其中,移动通信行业是高频通信最重要、市场规模最大的应用领域。

氧化铝基板

3G、4G、5G 传输速率对比

图片来源:与非网


高频通信应用场合

图片来源:华经产业研究院

信息处理和信息传播的高频、高速化对通信材料的介电常数(符号代表Dk,ε,Er)、介质损耗因子(符号代表Df,tanδ,tgδ)等方面的性能参数提出了更高的要求。高频通信要求相关的电子材料有精准且稳定的介电常数(Dk)和更小的介质损耗(Df);精准的介电常数有利于提升对电路设计的匹配度,而稳定的介电常数有利于高速电路中抗阻的连续稳定进而保障信号传输的快速和稳定性,更小的介质损耗则有利于最大限度的降低传播中的信号损失。

氧化铝陶瓷是一种重要的微波陶瓷,具有良好的硬度大、机械强度高,耐磨损,电阻率高、化学稳定性好及较好的导热性能,以及对热冲击作用的良好抵抗性、与金属之间能形成密封的钎焊等优势,可以满足基板的刚性承载需求及耐环境侵蚀的功能,并具有良好的介电性能可以符合电路设计的需求。且无论是多晶型材料或是单晶型的氧化铝材料,其介质损耗因数tanδ均处于较广的频率范围内,不过包括在超高频情况下其介电损耗依然不大(备注:介质损耗,绝缘材料在电场作用下,由于介质电导和介质极化的滞后效应,在其内部引起的能量损耗。也叫介质损失),且随着温度的升高其变化也不大,同时其介电常数Dk与温度之间的关系不明显,可见氧化铝陶瓷材料是较为理想的电路基板材料,被广泛应用于芯片封装结构件的上盖板,导热陶瓷基板、PCB印刷电路板的导热填充材料。

氧化铝基板(毫米波/微波用基板)

10 GHztanδ为1×10-4

图片来源:JAPAN_FINE_CERAMICS_CO,LTD

氧化铝

球形氧化铝导热填料

氧化铝陶瓷在高频微波通信器件方面有十分广阔的应用领域不同高纯氧化铝材料的主要物理性能,如强度、电阻率、热导率、膨胀系数、弹性模量及介电常数等变化不大,但不同厂家生产的氧化铝陶瓷的介电损耗性能差别很大而为满足通信技术向大容量、高频发展趋势对材料的要求,实现电路基板的低介电损耗是一个重要的努力方向。下文我们来谈一谈制取“低介质损耗的氧化铝陶瓷的关键”。

介质损耗的影响因素

介质损耗可以分为本征损耗和非本征损耗。前者代表了某种材料能获得的最低损耗,与制备过程和微观缺陷无关,存在于完美晶格中,它的根本原因取决于微波电磁场与晶体振动的非简谐性项的相互作用。非本征损耗与晶体及显微结构缺陷有关,如杂质、晶界、气孔、裂纹及晶粒的取向等。

我们知道实际上晶体是不可能完美,非本征损耗是控制制备出来的陶瓷材料介质损耗大小的重要因素因而非本征因素通常在微波陶瓷研究中占据主导位置,对它的研究是指导我们调整工艺参数、工艺配方、改善材料介电性的重要依据。

在微波频段,单晶氧化铝是已知具有最低介电损耗的材料之一,广泛应用于微波元器件。蓝宝石(单晶氧化铝陶瓷的介电损耗极低,为1×10-5量级(品质因子Q=1/tanδ=100000),但是单晶材料应用成本高,如何制备出与单晶材料的介电损耗相近的氧化铝陶瓷,成为高纯氧化铝陶瓷研究的一个热点

这些其他元素会改变氧化铝的介电损耗

根据当前科学家的研究表明,虽然带有杂元素的“不纯氧化铝”往往Q值较低(损耗较高),但高纯的氧化铝也不能保证一定高Q值,为了获得高Q值氧化铝,除了要控制原料高纯外还需与合理的工艺制度配合。

高纯的氧化铝烧结温度太高,硬度也贼大,这对于成型加工是不利的,因此有时候为了促进烧结或达成其它目的会主动掺杂一些其他元素,这些元素的掺杂对氧化铝陶瓷的介电损耗有着重要的影响。此外,高纯氧化铝原料中的自带的杂质元素对氧化铝陶瓷的介电性能的影响也是不可忽视的。然而,不同杂质及掺杂对氧化铝陶瓷的介电损耗影响较为复杂。下文摘取参考文献1部分内容进行说明,对相关内容感兴趣的可以阅读参考文献1。

烧结助剂的影响案例:MgO是高纯氧化铝的重要烧结助剂,烧结助剂MgO的加入,在低频下会增加氧化铝陶瓷的介电损耗但在微波频段,当MgO的加入量大于Mg在氧化铝中的固溶极限时,通过优化烧结工艺,可以得到1×10-5量级的介电损耗相当于蓝宝石)。

其他杂质或掺杂元素的影响案例:氧化铝粉体中的杂质,如Na、Si、K、Ca、Fe、Zr、Y、Ti等对于介电损耗有着不同的影响杂质Y2O3通常有促进氧化铝烧结的作用,但往往会使氧化铝陶瓷的介电损耗增加。

此外,有研究表明加入0.25-0.5%质量分数的TiO2,可以有效地提高氧化铝陶瓷的Q值(降低介电损耗),当加入0.5%时,Q值最高为50300,这大约相关于高纯单晶蓝宝石Q值的50%。

当然,除了“其他元素”会影响陶瓷的介电性能外,陶瓷的介电性能主要还受陶瓷材料结构中的气孔、晶粒、晶格缺陷等因素的影响。对相关内容感兴趣的,可以查阅“参考资料2”继续阅读。陶瓷的介质损耗主要源于电导损耗、松弛质点的极化损耗及结构的损耗等内部因素外,陶瓷材料表面气孔吸附水分、油污、及灰尘造成的表面电导也会造成较大的介质损耗。

除了介质损失因子Df,介电常数Dk也是高频通信器件基板材料重要关注性能指标值。为了满足低衰减高速信号传输要求,通常要求陶瓷封装基板材料的介电常数Dk在<10。一般情况下,满足低介质损耗因数的氧化铝陶瓷基板的介电常数一般在9到10之间,可以很好的满足部分频段及应用方向的高频器件的工作要求。

参考资料:

1、掺杂对高纯氧化铝陶瓷介电损耗的影响清华大学材料科学与工程系,新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室司文捷,刘人淼稀有金属材料与工程[J]。

2、微波介质陶瓷介电性影响因素的研究;华中科技大学电子科学与技术系;胡明哲,周东祥,龚树萍;材料导报[J]。

粉体圈编辑:ALPHA


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