一份纳米微波陶瓷粉体的工艺总结! 5G介质滤波器对粉体要求及其粉体制备方法

滤波器 今天


1. 一份纳米微波陶瓷粉体的工艺总结!

转自 粉体网

微波介质陶瓷是指应用于微波频段电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷，是现代通讯中广泛使用的谐振器、滤波器、电容器、介质导波回路等微波元器件的关键材料。



实现片式多层微波元器件微型化的重要途径是采用超薄的介质陶瓷膜片，而制备出超薄介质陶瓷膜片的一个重要途径是采用粒径在纳米级或亚微米级的陶瓷粉体。


因而，微波介质陶瓷粉体粒径的纳米化对促进片式多层微波元器件的微型化具有重要意义。


纳米级粉体的制备


根据粉体制备的原理不同，这些方法可分为物理法和化学法而现在更普遍的是根据合成粉体条件的不同，分为固相法、气相法、液相法三类。


固相法


固相法方法简单，成本低，但是制备晶粒尺寸不均匀，易引入杂质，粉体细化存在难以突破的下限。


高能球磨法：利用球磨机的转动或振动使硬球对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌以达到纳米级；


深度塑性变形法：使材料在准静态压力的作用下发生严重塑性形变，从而将材料的晶粒细化到亚微米或纳米级。


气相法


气相法的优点是粉体分散性好，纯度高，粒径分布窄，粒度可以控制，缺点是生产设备昂贵，制备成本高，难以合成均匀的多组分化合物。


蒸发冷凝法：在真空蒸发室内充入低压惰性气体，并将蒸发源加热蒸发，产生的原子雾与惰陛气体原子碰撞而失去能量，凝聚形成纳米尺寸的团簇；


化学气相合成法：利用气体原料，在气相中通过化学反应形成构成物质的基本粒子，经过形核和生长得到纳米级的薄膜和颗粒；


溅射法：在电场作用下Ar离子冲击阴极靶材表面，使靶材原子从其表面蒸发出来形成超微粒子；


活性氢-熔融金属反应法：将含有氢气的等离子体与金属间产生电弧，使金属熔融，电离的N2、Ar等气体和H2溶入熔融金属，然后释放出来，在气体中形成了金属的超微粒子。



液相法


优点：过程简单，易于大规模生产，可制备均匀的多组分化合物。缺点：沉淀法与水热法难以获得均匀的多组分材料，若需煅烧则只能制备氧化物。


共沉淀法：将过量的沉淀剂加入到可溶性金属盐类，使得各种组分元素的金属离子尽量按比例同时沉淀出来，将沉淀物煅烧，得到各种组分元素的氧化物均匀混合体；


溶胶一凝胶法：将各种先驱体混合后配制成溶液，放置一定时间后转变为凝胶，在一定温度下烧结后形成所需粉体材料；


水热反应法：高温高压下，在水溶液或水蒸气等流体中进行相关化学反应，经过一个溶解、结晶过程获得粉体；


Pechini法：将某些弱酸与某些阳离子形成螯合物，再通过螯合物与多羟基醇聚合形成固体聚合物树脂，然后将树脂煅烧而制备得到粉体；


乳浊液法：将两种或多种互不相溶的化合物溶液混合形成乳浊液，对乳浊液进行共沸蒸馏后煅烧，获得纳米粉体。


由于纳米科技的飞速发展，新的纳米材料制备方法不断涌现，除了上述所介绍的纳米材料的制备方法外，喷雾热解法、爆炸法、电弧法、自燃烧法等方法也是纳米材料制备的重要途径。


防止或解决纳米粉体团聚



纳米粉体产生团聚主要是由于粉体颗粒的高比表面能、颗粒间的相互吸引，以及外加轻基性或配位水分子的影响造成的为防止纳米粉体的团聚，必须从上述三个方面着手。


（1）表面改性



采用物理或化学方法对纳米颗粒进行表面处理，改变其表面物理化学性质，降低纳米粒子的表面能，提高纳米粉体的稳定性。

（2）控制溶液pH值



根据不同纳米粒子种类及不同的溶剂种类，控制溶液处于不同的值状态，使纳米粒子表面带上合适的电荷，利用同种电荷间的相互排斥作用来分散纳米粒子，防止纳米粒子的团聚。

（3）加入反絮凝剂在颗粒表面形成双电层



选择适当的电解质作为分散剂，使纳米粒子表面吸引异电离子形成双电层通过双电层的库仑排斥作用使纳米粒子之间发生团聚的引力大大降低，从而有效防止纳米粒子的团聚。

（4）超声波处理或高能球磨



通过超声波或高能球磨来提供能量，达到分散颗粒的目的，进而解决纳米颗粒间的团聚。但这种方法不能提供长久的分散力，一段时间后，被分散的纳米粒子可能重新团聚。

（5）采用适当的洗涤方式



由于水能提供羟基，是引起纳米粒子团聚的重要因素之一，因此采用适当的洗涤方法，不引入水并将溶液中原有的水分除去，是防止纳米粒子团聚的一种重要方法。  


通常利用低沸点的有机物来洗涤纳米粉体以防止其团聚。

（6）采用适当的干燥、锻烧方式



在干燥、锻烧含纳米粉体的溶液时，在保证干燥完全、锻烧分解充分的基础上，温度越低、时间越短越好若温度过高或时间过长，纳米粉体易聚集长大。


参考来源

朱红微.滤波器用铌酸钾钠基无铅压电陶瓷配方与工艺的研究

章秋晨.微波固相合法成纳米钛酸钡粉体及性能研究

王焕平.溶胶-凝胶法制备低温共烧低介高频纳米陶瓷粉体及其应用技术研究




2. 5G介质滤波器对粉体要求及其粉体制备方法


转自：KOHS科驰新材料


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。


           

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。

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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