近日，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系講席教授汪宏課題組在低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷材料研究中取得進(jìn)展，相關(guān)成果在陶瓷材料領(lǐng)域頂尖期刊Journal of the American Ceramics Society上發(fā)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(jì)算、移動(dòng)通信、人工智能和汽車電子領(lǐng)域的最新進(jìn)展導(dǎo)致對(duì)具有高性能和集成能力的電子產(chǎn)品的需求不斷增加。隨著移動(dòng)通信，衛(wèi)星通信技術(shù)的更新迭代，人們對(duì)于通信時(shí)頻段的要求越來(lái)越高。對(duì)于高頻應(yīng)用，低介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料是理想的，因?yàn)椴粌H可以減少通訊信號(hào)傳輸延遲，還可以最大限度地減少走線和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生的寄生電容。

另外，介電損耗，是材料內(nèi)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(zhì)因子）的材料對(duì)于高性能和高功率應(yīng)用是理想的。同時(shí)，為了適應(yīng)可穿戴無(wú)線通訊設(shè)備和器件多功能集成化的快速發(fā)展，以及滿足低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)的應(yīng)用要求，陶瓷材料發(fā)展的新趨勢(shì)需要同半導(dǎo)體、聚合物和金屬共燒，這就要求陶瓷材料具有較低的燒結(jié)溫度。因此，制備出能在低溫下燒結(jié)，同時(shí)具有高品質(zhì)因數(shù)（Qf）的低介電常數(shù)微波介質(zhì)陶瓷材料對(duì)于開(kāi)發(fā)下一代高性能電子器件具有重要意義。

本工作系統(tǒng)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(jié)構(gòu)、燒結(jié)性能和微波性能。該體系可以在685℃至900℃的溫度范圍燒結(jié)，并且具有優(yōu)異的微波介電性能，介電常數(shù)為5.41--—6.89，品質(zhì)因數(shù)為100,000—130,000 GHz，頻率溫度系數(shù)為-40ppm/℃—-70 ppm/℃。此外，以該體系陶瓷為基板，設(shè)計(jì)并制作了性能優(yōu)異的微帶貼片天線，表明所開(kāi)發(fā)的陶瓷在微波器件中具有實(shí)際應(yīng)用潛力。

結(jié)構(gòu)表征是研究陶瓷材料微波介電性能的一個(gè)重要方面。在文中，作者通過(guò)粉末衍射法結(jié)合Match，Endeavour和GSAS軟件，首次得出β-MgMo2O7的晶體結(jié)構(gòu)，并通過(guò)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(guò)程。

圖1β-MgMo2O7、α-MgMo2O7和MgMoO4的晶體結(jié)構(gòu)以及相變機(jī)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(jié)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)致密化，孔隙數(shù)量隨燒結(jié)溫度的提高而明顯減少。同時(shí)，不同燒結(jié)溫度下，陶瓷材料的晶粒尺寸，均勻性等微觀結(jié)構(gòu)明顯不同。文中作者詳細(xì)討論了陶瓷材料的致密度，微觀結(jié)構(gòu)等對(duì)微波介電性能的影響，細(xì)致分析了性能–結(jié)構(gòu)關(guān)系。

圖2 不同燒結(jié)溫度下β-MgMo2O7陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)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(bào)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(jié)溫度下實(shí)現(xiàn)致密化，Qf值為125230GHz、εr值為6.09和τf值為-42ppm/℃。MgMoO4在900℃下燒結(jié)，其Qf值為118110GHz，εr值為6.89，τf值為-62.4ppm/℃。MgMo2O7-MgMoO4復(fù)合陶瓷在750℃下燒結(jié)，Qf值為107650GHz，εr值為5.41，τf值為-47.1ppm/℃。

與其他典型的低溫?zé)Y(jié)微波介質(zhì)陶瓷相比，所制備的MgO-MoO3體系陶瓷在燒結(jié)溫度和微波性能方面都具有顯著優(yōu)勢(shì)。β-MgMo2O7、MgMoO4和MgMo2O7-MgMoO4陶瓷表現(xiàn)出低的燒結(jié)溫度。這種特性對(duì)于實(shí)際應(yīng)用是非常理想的，因?yàn)樗试S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(shù)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(xiàn)出低的介電常數(shù)。這些特性對(duì)于天線等電子設(shè)備的發(fā)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(xiàn)中報(bào)道的與此研究制備的陶瓷材料的最佳燒結(jié)溫度和微波介電性能對(duì)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(wú)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(shè)計(jì)和制造了兩種微帶貼片天線。這兩種天線都表現(xiàn)出優(yōu)異的天線性能，S11值低于-30 dB，增益在5.8 GHz時(shí)超過(guò)6 dB。此研究制備的基于MgO-MoO3體系的低溫?zé)Y(jié)微波介電陶瓷有望滿足目前高頻段無(wú)線通信技術(shù)對(duì)低介電常數(shù)，低損耗介質(zhì)基板材料的迫切需求。

圖6 微帶貼片天線的仿真與測(cè)試性能，β-MgMo2O7（B–H）；MgMoO4（C–I）。

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推薦活動(dòng)：【邀請(qǐng)函】第七屆陶瓷封裝產(chǎn)業(yè)論壇（11月30日 蘇州）

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暫定議題

序號(hào)	暫定議題	擬邀請(qǐng)
1	多層陶瓷高溫共燒關(guān)鍵技術(shù)介紹	佳利電子?副總?胡元云
2	氮化鋁HTCC封裝材料現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)	中電科43所/合肥圣達(dá)?集團(tuán)高級(jí)專家?張浩
3	芯片管殼空腔封裝	佛大華康?總經(jīng)理?劉榮富
4	HTCC陶瓷封裝用配套電子材料的匹配性問(wèn)題研究	泓湃科技?CEO?陳立橋
5	HTCC氫氮?dú)夥諢Y(jié)窯爐	北京中礎(chǔ)窯爐?副總經(jīng)理?付威
6	高速高精度HTCC全工藝流程視覺(jué)檢測(cè)應(yīng)用介紹	深圳禾思?總經(jīng)理?楊澤霖
7	精密激光在LTCC/HTCC加工中的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)	德中技術(shù)?張卓?戰(zhàn)略發(fā)展與市場(chǎng)總監(jiān)
8	微波大功率封裝外殼技術(shù)發(fā)展	中電科55所?研究員?龐學(xué)滿
9	B-stage膠水在管殼封裝中的應(yīng)用	佛山華智
10	低溫共燒LTCC和高溫共燒HTCC燒結(jié)中的關(guān)鍵因素	蘇州阿爾賽?王笏平?總經(jīng)理
11	多層共燒陶瓷生產(chǎn)線裝備與系統(tǒng)	中電科2所?郎新星?高級(jí)專家
12	多層共燒陶瓷的增材制造技術(shù)	中南大學(xué)?教授?王小鋒
13	三維電鍍陶瓷基板（3DPC）及其封裝應(yīng)用	華中科技大學(xué)/武漢利之達(dá)?教授/創(chuàng)始人?陳明祥
14	多層陶瓷封裝外殼的生產(chǎn)工藝和可靠性設(shè)計(jì)	宏科電子?副廠長(zhǎng)?康建宏

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