PCB技術 - 基於LTCC微波介質陶瓷的分類及研究進展

1. 微波介質LTCC陶瓷的性能參數及意義

表徵微波介質陶瓷效能的參數有介電常數（ ε)

品質因數與諧振頻率的乘積（Q × f）、r

諧振頻率溫度係數（ τ)。  f

介電常數是介質極化能力的名額，介質極化能力越强則介電常數越高。 在無機電介質中極化管道有電子位移極化、離子位移極化、電子鬆弛極化、離子鬆弛極化和空間電荷極化，-15-12-13-2-9在鐵電資料中還存在自發極化。 依次順序，極化建立時間分別為10s、10-10s、10-10s、-2-510-10s以及從幾秒到數十小時不等。 在微波頻段（頻率大於300MHz），微波訊號電場方-9向的轉換時間幾乎都小於10s，極化建立時間長的幾種極化管道跟不上電場變化的節奏，對介電常數的貢獻不起作用，只有電子位移極化和離子位移極化對介質介電常數有貢獻。 相對於離子位移極化而言，電子位移極化對介電常數的貢獻很小，所以微波介質陶瓷的介電常數主要由離子位移極化决定。

品質因數（Q）是微波介質系統能量耗散的度量標準，但Q是隨著諧振頻率或者元器件體積變化而變化，而在微波頻率範圍內，品質因數與諧振頻率的乘積Q × f是一個定值。

諧振頻率溫度係數（ τ) 表示資料諧振頻率隨溫度變化的特性，它反映了微波介質陶瓷f元器件工作的穩定性。

2. LTCC微波介質陶瓷分類

LTCC陶瓷材料按照功能可分為：LTCC基板及封裝資料，LTCC微波元器件資料。

LTCC基板及封裝資料主要分為三大類：玻璃和陶瓷複合體系，微晶玻璃體系，無玻璃陶瓷體系。 玻璃和陶瓷複合體系中的玻璃為低介電常數、低軟化點玻璃，在燒結過程中起助溶作用，它與基板的燒結溫度和收縮率相關，還使基板有低介電常數。 玻璃相的絕緣電阻要高，化學穩定性要好，軟化點不能太低。 陶瓷填充相為低介電常數、高熱導率的成分。 在燒結過程中對基板起到骨架和支撐作用，它賦予基板一定的機械強度和絕緣性，可防止燒結時玻璃軟化造成的基板翹曲等形變。 這些陶瓷填充相主要有Al2O3、SiO2、堇青石和莫來石等。 微晶玻璃是由矽酸鹽玻璃或者鵬矽酸鹽玻璃經過一定溫度制度熱處理後在玻璃種形成結晶而成的。 微晶玻璃中的晶粒的大小和晶相的百分比含量很重要，晶粒微笑而百分含量高的微晶玻璃機械強度大，高頻損耗小。 合適的成核時間有利於獲得足够的成核濃度，從而獲得較高的晶相含量和細小晶粒。 晶體生長溫度和保溫時間也很重要。 適當的熱處理制度是决定資料效能的關鍵之一。 主要的微晶玻璃體系有堇青石（2MgO？2AlO？5SiO）系、矽輝石232（CaO？SiO）系、鋰輝石（LiO？AlO？4SiO）系和鈣長石（CaO？AlO？2SiO）系。 22232232無玻璃陶瓷體系不含導致高損耗的玻璃相，常常具有好的微波介電效能，其體系成分簡單，新增了資料在製備過程中的穩定性和可靠性。

LTCC微波元器件資料除了要有好的微波介電效能以滿足各種不同的功能需要，其燒結溫度要在950？ 以下，且燒結時不與Ag反應，粉料要易於流延。 現時，LTCC微波元器件資料主要是對既有的微波介質陶瓷材料進行降溫燒結得到的。 隨著LTCC科技的日益廣泛，開發新的LTCC微波元器件資料成為研究熱點。 研究向多方向發展，一方面為了提高器件效能而開發高品質因數的資料體系，同時，為了適應無線通訊和網絡持續向高頻和寬帶方向發展的趨勢，開發具有超低介電損耗和超低介電常數的LTCC微波元器件資料成為重要的發展趨勢。

3. LTCC微波介質陶瓷研究進展

LTCC微波介質陶瓷材料是用來做LTCC微波元器件的資料，LTCC微波元器件主要包括LTCC介質基片，LTCC天線、波導、諧振器和LTCC電容器及其組合器件等。 其中LTCC微波諧振器是最主要最基本的一項應用，以LTCC微波諧振器為基礎可以做出一系列的元器件，如LTCC微波濾波器、雙工器、振盪器及平衡一不平衡轉換器等。 LTCC微波諧振器要求陶瓷介質資料的介電常數適當，一般街為20~60，這樣才能在保證高品質因數（Q“戶的情况下使資料的介電常數偏高，縮小元器件尺寸。陶瓷的諧振頻率溫度係數要小。陶瓷燒結溫度低於950？，陶瓷粉體易於流延且燒結時不與Ag電極反應。

傳統的微波介質陶瓷材料具有優异的微波介電效能，但它們的固有燒結溫度高，一般在1300？ 以上。 常見的低溫燒結微波介質陶瓷材料體系有Ca[（LiNb）Ti]O、BiNbO4、1/32/31-xx3- δ ZnTiO、ZnNbO及LiO-NbO-TiO系等，它們的固有燒結溫度在950~1200？ 範圍內。 均不能滿足LTCC對陶瓷材料燒結溫度的要求。 為了適用於LTCC科技而與Ag、Cu等金屬導線在空氣中共燒，上述微波介質陶瓷材料體系的燒結溫度需要進一步降到950？ 以下。 以下幾種途徑可以得到在900？ 左右燒結的微波介質陶瓷材料：（1）在傳統的微波介質陶瓷中加入低熔點玻璃或氧化物（如CuO、VO、BiO、BO、ZnO等）； （2）用濕化學法合成微波介質陶瓷材料。 （3）尋求新的低燒結溫度的微波介質陶瓷材料體系。

LTCC低溫共燒微波介質陶瓷的研究主要通過以下兩種途徑：一種是選用固有燒結溫度較高，但相組成簡單、相結構穩定、微波介電性能優异的微波介質陶瓷材料作基體，加入較多的低熔點玻璃後實現在900？ 左右低溫燒結而又能保持相當的介電效能； 一種是選固有燒結溫度低且微波介電效能好的微波介質陶瓷材料作基體，加入較少的玻璃相或低熔點氧化物後即可實現900？ 左右低溫燒結。 研究中存在添加燒結助劑（低熔點玻璃或氧化物）常常造成資料微波介電效能的惡化，陶瓷組成中要减少燒結助劑的用量，因而開發固有燒結溫度低的微波介質陶瓷新體系具有現實而重要的意義。 新的環境友好的低溫共燒微波介質陶瓷濾波器資料體系可以採用多相複合，也可能在幾種低溫氧化物組合得到的化合物中產生。 開發低損耗的玻璃及採用濕化學法合成燒結助劑都是值得研究的方向。

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