近日，南方科技大學材料科學與工程系講席教授汪宏課題組在低溫燒結微波介質陶瓷材料研究中取得進展，相關成果在陶瓷材料領域頂尖期刊Journal of the American Ceramics Society上發表，論文題目為“Crystal structure and phase formation of MgO-MoO3 based ceramics with ultralow dielectric loss：A comprehensive study”。
高性能計算、移動通信、人工智能和汽車電子領域的最新進展導致對具有高性能和集成能力的電子產品的需求不斷增加。隨著移動通信，衛星通信技術的更新迭代，人們對于通信時頻段的要求越來越高。對于高頻應用，低介電常數微波介質陶瓷材料是理想的，因為不僅可以減少通訊信號傳輸延遲，還可以最大限度地減少走線和導電結構之間產生的寄生電容。
另外，介電損耗，是材料內部吸收并作為熱量耗散的電磁能量的量度，具有低介電損耗（即高品質因子）的材料對于高性能和高功率應用是理想的。同時，為了適應可穿戴無線通訊設備和器件多功能集成化的快速發展，以及滿足低溫共燒陶瓷（LTCC）技術的應用要求，陶瓷材料發展的新趨勢需要同半導體、聚合物和金屬共燒，這就要求陶瓷材料具有較低的燒結溫度。因此，制備出能在低溫下燒結，同時具有高品質因數（Qf）的低介電常數微波介質陶瓷材料對于開發下一代高性能電子器件具有重要意義。
本工作系統地研究了MgO-MoO3二元體系，充分揭示了MgO-MoO3體系中化合物的相組成、晶體結構、燒結性能和微波性能。該體系可以在685℃至900℃的溫度范圍燒結，并且具有優異的微波介電性能，介電常數為5.41--—6.89，品質因數為100,000—130,000 GHz，頻率溫度系數為-40ppm/℃—-70 ppm/℃。此外，以該體系陶瓷為基板，設計并制作了性能優異的微帶貼片天線，表明所開發的陶瓷在微波器件中具有實際應用潛力。
結構表征是研究陶瓷材料微波介電性能的一個重要方面。在文中，作者通過粉末衍射法結合Match，Endeavour和GSAS軟件，首次得出β-MgMo2O7的晶體結構，并通過X射線衍射（XRD），熱重分析（TG）以及能量色散儀譜（EDS）揭示了MgO-MoO3體系中的相變過程。
圖1β-MgMo2O7、α-MgMo2O7和MgMoO4的晶體結構以及相變機理。
從陶瓷樣品斷面的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像中可看到，陶瓷材料在燒結過程中實現致密化，孔隙數量隨燒結溫度的提高而明顯減少。同時，不同燒結溫度下，陶瓷材料的晶粒尺寸，均勻性等微觀結構明顯不同。文中作者詳細討論了陶瓷材料的致密度，微觀結構等對微波介電性能的影響，細致分析了性能–結構關系。
圖2 不同燒結溫度下β-MgMo2O7陶瓷的微觀結構和晶粒尺寸分布（A）650℃；（B）675℃；（C）685℃；（D）700℃；以及MgMoO4陶瓷（E）800℃；（F） 850℃；（G） 900℃；（H） 950℃。
文中報道的MgO-MoO3體系陶瓷具有出色的微波介電性能。其中，β-MgMo2O7可以在685℃的低燒結溫度下實現致密化，Qf值為125230GHz、εr值為6.09和τf值為-42ppm/℃。MgMoO4在900℃下燒結，其Qf值為118110GHz，εr值為6.89，τf值為-62.4ppm/℃。MgMo2O7-MgMoO4復合陶瓷在750℃下燒結，Qf值為107650GHz，εr值為5.41，τf值為-47.1ppm/℃。
與其他典型的低溫燒結微波介質陶瓷相比，所制備的MgO-MoO3體系陶瓷在燒結溫度和微波性能方面都具有顯著優勢。β-MgMo2O7、MgMoO4和MgMo2O7-MgMoO4陶瓷表現出低的燒結溫度。這種特性對于實際應用是非常理想的，因為它允許在較低的溫度下制造電子器件，最大限度地減少能量消耗并提高制造效率，并且滿足LTCC技術的要求。此外，陶瓷的微波性能也非常出色。這些陶瓷顯示出超高的Qf值，表明超低的介電損耗，并表現出低的介電常數。這些特性對于天線等電子設備的發展具有重要意義。
圖3 MgO-MoO3體系陶瓷的微波介電性能
圖4 影響β-MgMo2O7（A，B）和MgMoO4（C，D）陶瓷微波介電性能的因素
圖5 文獻中報道的與此研究制備的陶瓷材料的最佳燒結溫度和微波介電性能對比圖?
微帶貼片天線由于其低成本、小尺寸和易于制造而成為無線通信的常用器件。文中作者使用了β-MgMo2O7和MgMoO4陶瓷作為基板材料設計和制造了兩種微帶貼片天線。這兩種天線都表現出優異的天線性能，S11值低于-30 dB，增益在5.8 GHz時超過6 dB。此研究制備的基于MgO-MoO3體系的低溫燒結微波介電陶瓷有望滿足目前高頻段無線通信技術對低介電常數，低損耗介質基板材料的迫切需求。
圖6 微帶貼片天線的仿真與測試性能，β-MgMo2O7（B–H）；MgMoO4（C–I）。
艾邦建有LTCC交流群，誠邀LTCC生產企業、設備、材料企業參與。
長按識別二維碼關注公眾號，點擊下方菜單欄左側“微信群”，申請加入LTCC交流群。
推薦活動：【邀請函】第七屆陶瓷封裝產業論壇（11月30日 蘇州）
序號 暫定議題 擬邀請 1 多層陶瓷高溫共燒關鍵技術介紹 佳利電子?副總?胡元云 2 氮化鋁HTCC封裝材料現狀及技術發展趨勢 中電科43所/合肥圣達?集團高級專家?張浩 3 芯片管殼空腔封裝 佛大華康?總經理?劉榮富 4 HTCC陶瓷封裝用配套電子材料的匹配性問題研究 泓湃科技?CEO?陳立橋 5 HTCC氫氮氣氛燒結窯爐 北京中礎窯爐?副總經理?付威 6 高速高精度HTCC全工藝流程視覺檢測應用介紹 深圳禾思?總經理?楊澤霖 7 精密激光在LTCC/HTCC加工中的關鍵技術及發展趨勢 德中技術?張卓?戰略發展與市場總監 8 微波大功率封裝外殼技術發展 中電科55所?研究員?龐學滿 9 B-stage膠水在管殼封裝中的應用 佛山華智 10 低溫共燒LTCC和高溫共燒HTCC燒結中的關鍵因素 蘇州阿爾賽?王笏平?總經理 11 多層共燒陶瓷生產線裝備與系統 中電科2所?郎新星?高級專家 12 多層共燒陶瓷的增材制造技術 中南大學?教授?王小鋒 13 三維電鍍陶瓷基板（3DPC）及其封裝應用 華中科技大學/武漢利之達?教授/創始人?陳明祥 14 多層陶瓷封裝外殼的生產工藝和可靠性設計 宏科電子?副廠長?康建宏
?
方式一：加微信
郵箱：lirongrong@aibang.com
注意：每位參會者均需要提供信息
方式二：長按二維碼掃碼在線登記報名
或者復制網址到瀏覽器后，微信注冊報名
點擊閱讀原文，即可報名！
原文始發于微信公眾號（艾邦陶瓷展）：南科大汪宏課題組在低溫燒結低介低損耗微波介質陶瓷材料取得進展
長按識別二維碼關注公眾號，點擊下方菜單欄左側“微信群”，申請加入交流群。
