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  • 2020-02-06?5G滤波器为何选择陶瓷?

    5G滤波器为何选择陶瓷?

    原创 艾邦团队 艾邦陶瓷与粉末冶金展 2019-09-08

    刚刚结束的东莞手机加工暨精密陶瓷展览上,滤波器成为热点的话题。

    介质滤波器具备高介电常数、低损耗和体积小、抗温漂性能好等特点。陶瓷滤波器中的电磁波谐振发生在陶瓷介质材料内部,降低了整个滤波器的体积和重量,同时陶瓷材料具有高Q介质,插损低,可覆盖的频段带宽更广,承受功率高等特点。很多人会有疑问,为何是陶瓷而不是金属?其实比较重要的三点:


    其一:介质滤波器具备高介电常数、低损耗和体积小、功率大便于大规模集成;体积小安装也方便;



    其二:是可靠性好;陶瓷各项性能对温度的变化不敏感,这个是在室外比较重要,不像金属或者塑料对高低温下性能变化大。同时陶瓷耐腐蚀性能好;



    其三:陶瓷滤波器成本低。成本低,首先是原材料的成本低,陶瓷原料中主要组成部分:钛、镁、钙单价都不贵,特别是有能力配制的厂商,价格可以大大降低。滤波器陶瓷的主要原料有:氢氧化镁、钛酸镁、碳酸钙、氧化镁、碳酸钡、氧化钐 、氧化锌、碳酸锶、三氧化二铝、三氧化二镧等。

    同时目前采用的是干压工艺,甚至有尝试采用注塑工艺,尺寸精度高,后续机加工的环节随着工艺成熟可以大大减少。由于生产材料为陶瓷粉末,且加工环节不需要大量数控机床,因此在介质滤波器的良率上升后,整体成本相较金属滤波器能大大降低。在竞争充分和产能足够的情况下,滤波器的价格将在现在基础上下降70%。



    目前陶瓷滤波器的难点:

    原料合成即陶瓷介质粉体材料配方是决定滤波器性能好坏的关键因素之一,同时介质滤波器生产过程中需尽力控制工艺以制出杂质少、缺陷少、晶粒均匀分布的陶瓷,因此陶瓷介质滤波器性能由粉体配方及生产工艺决定。陶瓷滤波器的生产流程包括粉体制造,压制成型、烧结,打磨和调试等,由于陶瓷打磨的不可逆性,产品的调试是提高产能的关键,此外,金属化自动化也是技术难点所在。

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  • 2020-02-06低温共烧陶瓷在5G通信领域的应用

    低温共烧陶瓷在5G通信领域的应用

    苏州纳朴材料 高纯超细无机粉体 2019-09-29

    现代移动通信系统是由GSM升级到了GPRS再到CDMA,频率也从900MHz,2.4GHz升级到了现在的的5G通信的低频段3.4-3.6GHz。微电子技术的发展促使器件或组件趋向于结构的小型化、更高的集成密度、更快的传输速率和更高的可靠性,同时对封装材料的某些性能提出更高的要求,也对封装工艺提出了更严苛的质量和稳定性要求,为了器件小型化并降低损耗, 同时又能得到更好品质的产品, 必须对新材料新技术进行探索, 其中低温共烧陶瓷 (LTCC) 技术具备较强的优势, 一块功能强大的低温烧结介质模块内部可集成电容、电感、电阻、天线和滤波器等元器件。它有着高频材料、厚膜技术、共烧技术等优点, 没有昂贵重复的烧结制作流程, 电路是在叠压后进行一次烧结, 具有高品质因数、高稳定性、高集成度等优点。

    低温共烧陶瓷技术,就是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带,作为电路基板材料,在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形,并将多个无源元件埋入其中,然后叠压在一起,高温烧结,制成三维电路网络的无源集成组件,也可制成内置无源元件的三维电路基板,在其表面可以贴装 IC和有源器件,制成无源/有源集成的功能模块。

    图1 低温共烧陶瓷(LTCC)制备工艺流程图

    低温共烧陶瓷(LTCC)基板主要有以下优点:

    (1) LTCC基板陶瓷材料性能优异,介电常数较小,具有优良的高频特性和高品质因数特性,使用频率可高达100 GHz甚至更高;

    (2) 金、银等具有高电导率的导体材料性能优异,能够满足大电流和高温特性的需求,从而可以提高系统的品质因数,且基板导热性能优于传统的印刷电路板(PCB)材料;

    (3) LTCC基板中可埋入无源元件等,显著提升电路和系统的组装密度;

    (4) LTCC叠层层数高达上百层,可精细布线至50μm线宽或线间距;

    (5)温度特性良好,热膨胀系数较小,共振频率温度系数较小;

    (6) LTCC生产工艺属于非连续生产,特定的检查工序可以提高产品成品率,同时降低成本。

    低温共烧陶瓷的成分组成是决定其物化特性、电性能的关键因素。经过多年的发展和研究,目前LTCC用陶瓷材料主要有三大类,分别是剥离/陶瓷复合体系、微晶玻璃体系和非晶玻璃体系,其中前两种是目前研究的重点。

    在玻璃/陶瓷复合体系中,是以陶瓷材料为基体,低熔点的玻璃可将陶瓷材料烧结温度降低至900℃以下。材料系统的整体性能受到每种组分性质的影响,包括各自的微观形貌、粒度分布、热学性质、电学特性、体积分数等。玻璃/陶瓷体系能以常规的方法获得良好的电性能和致密度。其中填充料主要作用是调节陶瓷材料的主要性能(力学、电学性能),低熔点的玻璃相可调低陶瓷材料的烧结温度,降低烧结难度并提高材料的致密性。这种材料可用于叠层介质电容、叠层介质天线和叠层介质滤波器等。

    表1 玻璃/陶瓷复合体系常用材料

    微晶玻璃体系是微晶玻璃,通过玻璃析晶,可得到晶粒粒径小于10μm的多晶体。这种材料可用于对电学性能要求不高的高频叠层电感等。常见体系有CaO-B2O3-SiO2体系,MgO-Al2O3-SiO2体系等。

    对于5G通讯而言, 通讯信号为高频信号 (例如2GHz以上) 时, 可能存在集总的电感和电容超过自谐振频率的情况, 而影响集总式电路的设计效果, 对此, 也给器件设计提出了新的难度。低温共烧陶瓷能够提升滤波器的高频性能, 并且让体积更小, 但是器件内磁场分布难以确定, 随着层数增加磁场也会变的更加复杂, 所以此类器件的设计难度很大, 并且在器件的生产过程中, 也会受到各种因素影响, 如流延出来的介质基片厚度不均, 印刷叠层与热压造成错误, 切片时偏差和器件变形, 在共烧的时候收缩不均等等, 都会导致器件的性能变差, 对于器件的设计要求水准也自然需要提高, 在设计中需要采用简洁的电路结构进而减少不必要的制作工艺环节, 在设计中避免耦合间距过小, 层次不宜过多等。利用LTCC技术制备提供一种适用于5G通讯的低插损、带外高抑制、高度集成的LTCC滤波器也将是今后研究的重点。

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