5G介质滤波器对粉体要求及其粉体制备方法

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本文来自滤波器
 
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。           
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图    微波介质陶瓷瓷料  来源华星电子
 
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。
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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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