超低介陶瓷基LTCC微波材料实现机理及应用研究

With the development of LTCC microwave modules and circuit systems to higher integration and frequency, there has a urgent need to realize new LTCC materials with ultra-low dielectric constant and high quality-factor to improve the quality of signal transmission and reduce the delay time. Therefore, it is very important to realize LTCC materials with ultra-low dielectric constant (dielectric constant＜ 5) and low loss. Traditional glass based low dielectric LTCC materials have high loss and are easy to cause internal electrode dialysis. Therefore, In this project, ceramic based materials will be used to achieve ultra-low dielectric loss and ultra-low loss of new LTCC materials. We will first explore the scheme of constructing the new LTCC materials, the relationship among low polarized ion substitution, lattice distortion, multiphase composition with dielectric constant and dielectric loss. Then we will master the methods to control the sintering characteristic, microstructure and phase composition of the materials based on the innovations and improvements of the process and doping programs. Finally, we will develop high performance LTCC materials with ultra-low dielectric constant and low loss characteristics. Combined with the verification of LTCC microwave circuit module or high-frequency device applications, we will lay a solid theoretical and practical basis to promote the development of new materials and LTCC integrated circuits and devices in China.

随着LTCC微波电路及模块集成度和应用频率的不断提升，对信号传输延迟和质量提出了越来越高的要求。具有超低介（介电常数＜5）和超低损耗的新一代LTCC微波材料逐渐成为该领域研究的热点。传统玻璃基的低介LTCC材料存在损耗较高且容易引起内电极渗析的问题，因此，本项目拟采用陶瓷基来实现超低介和超低损耗的新型LTCC材料。我们将首先从机理上探索降低陶瓷基LTCC材料介电常数和损耗的可行途径，揭示低极化离子替代、晶格畸变以及多相复合等与材料体系、介电常数和介电损耗的关联；其次，通过材料配方、工艺和掺杂方案的协同创新与改进，掌握调控材料烧结特性、晶相组成、微观结构以及宏观性能的有效方法，成功设计并试制出兼具超低介和超低损耗特性的新型LTCC微波基板材料；最终结合LTCC微波电路模块的实际应用来验证研制材料的综合效能，为促进该领域新材料与LTCC微波电路与模块的结合发展奠定坚实的理论和实践基础。

随着LTCC微波电路及模块集成度和应用频率的不断提升，对信号传输延迟和质量提出了越来越高的要求。具有超低介和超低损耗的新一代LTCC微波材料逐渐成为该领域研究的热点。本项目以此为切入点，针对陶瓷基的LTCC材料设计、研制及应用展开了深入的研究，主要研究内容及取得结果包括：1、以LiAlO2陶瓷为主晶相研发超低介LTCC材料，尝试了多种助熔剂方案来最有效的兼顾材料的低介电和低损耗特性，对材料微观结构和宏观性能的关联性开展了深入研究，最终获得介电常数4.4左右，Qf接近25000GHz的超低介LTCC材料；2、以Li2MgSiO4陶瓷为主晶相，尝试并研究了包括Zn、Cu、Co等多种离子单替代和共替代方案对材料体系微观和宏观性能的影响，并通过与CBS玻璃复合获得了介电常数在4.7~4.8，Qf接近20000GHz的超低介LTCC材料；3、对研制的超低介LTCC材料进行了渗银和电镀液浸蚀的工艺兼容性研究，发现LiAlO2陶瓷基LTCC材料虽然Qf值更高，但同时也更容易出现银浆成分扩散和电镀液浸蚀等工艺兼容性问题，对工艺条件要求更苛刻。而对于Li2(Mg,Co,Zn)SiO4+CBS的超低介LTCC材料，由于CBS玻璃充分包覆陶瓷颗粒，因此几乎不出现银浆成分扩散和电镀液浸蚀等问题，工艺兼容性比LiAlO2陶瓷更好；4、基于研制的LTCC材料开展了一款微波功分器的设计与试制，解决了该器件加工过程中遇到的各种工艺兼容性问题，包括流延浆料的优化配置、跟银电极收缩率的共烧匹配调整等等，最终制备出的原型器件外观良好，无任何工艺缺陷，器件性能检测完全达到了预定设计目标，为推动相应材料的应用奠定了很好的基础。