南科大汪宏课题组《JACS》：低温烧结微波介质陶瓷材料获进展

南方科技大学11月22日官网消息：近日，南方科技大学材料科学与工程系讲席教授汪宏课题组在低温烧结微波介质陶瓷材料研究中取得进展，相关成果在陶瓷材料领域顶尖期刊Journal of the American Ceramics Society上发表，论文题目为“Low temperature sintered MgO–based microwave dielectric ceramics with ultra-low loss and high thermal conductivity”。

论文链接：
http://doi.org/10.1111/jace.18835

随着5G时代到来以及6G技术布局，制作可应用于高频段的无源器件迫切需要低介电损耗的微波介质陶瓷材料以确保信号的有效传输。同时，为适应便携式设备的快速增长，电子器件的小型化和多功能化变得极其重要，低温共烧陶瓷(LTCC)技术可以实现大规模集成(LSI)组件的高密度封装以及有源和无源器件的混合集成，是实现电子器件的小型化和多功能化的关键技术。LTCC技术中陶瓷材料和银电极共烧，因此要求微波介质陶瓷材料能在低于金属电极熔点的温度下烧结, 并且不与银电极反应；作为封装材料，高热导率能有效提高系统的稳定性。因此，制备出能在低温烧结，具有低介电损耗，高热导率与银电极之间有良好化学相容性的微波介质陶瓷材料具有重要意义。

汪宏课题组选择二元共晶氟化物0.2SrF2-0.8LiF（简写为S2L8）作为烧结助剂以降低MgO陶瓷的烧结温度，采用固相反应法制备了MgO–x wt.%S2L8，(x=5,7,10)氧化镁基陶瓷材料。结合了氧化镁的低介电损耗和高热导率、氟化物良好的微波介电性能以及烧结助剂的低熔点，制备出的氧化镁基微波介质陶瓷材料具有低烧结温度，高热导率和在高频段超低介电损耗（即高品质因子）。

从陶瓷样品的断面SEM图像中可看出在烧结的过程中陶瓷材料在烧结过程中实现致密化，孔隙数量、孔径明显减小。同时，在不同的烧结温度下，陶瓷材料晶粒尺寸、均匀性等微观结构明显不同。在文中作者详细讨论了陶瓷材料致密度、微观结构如何影响微波介电性能，细致分析了性能-结构关系。

图1、MgO–x wt.%S2L8陶瓷样品的断面SEM图像

文中报道的860℃烧结的MgO–7wt.%S2L8陶瓷样品具有的出色微波介电性能：Q × f=180233GHz、εr =9.11、τf = -40.33 ppm/⁰C；在12.31GHz下具有6.83×10-5的超低介电损耗，同时也具24.02 W/(mK)的高热导率。陶瓷与银共烧样品的XRD图谱以及断面BSE图像证明两者不会发生反应，此研究制备的陶瓷样品与银电极之间有良好的化学相容性。与部分之前文献报道的陶瓷样品相比，在860℃下烧结的MgO–7wt.%S2L8陶瓷样品具有更低的烧结温度和更高的品质因子。此研究制备的MgO基陶瓷具有与银电极良好的化学相容性，超低的高频介电损耗，较低的烧结温度和高热导率，有望能满足目前无线通信技术对高频段低损耗LTCC材料的迫切需求。

图2、MgO–x wt.%S2L8陶瓷样品的性能：Q × f值、相对介电常数及热导率

图3、(A) 陶瓷与银共烧样品的XRD图谱，(B) 陶瓷与银共烧样品的断面BSE图像

图4、文献中报道的与此研究制备的陶瓷材料的最佳烧结温度和微波介电性能对比图

本工作是材料科学与工程系2018级本科生赵彬沣同学本科期间在汪宏讲席教授指导下完成，目前为汪宏课题组博士生，也是该论文第一作者，汪宏为论文通讯作者，汪宏课题组的陈先强、陈乃超、徐信未、鲁亚妮、程进等也为此研究作出重要贡献，南科大是论文第一单位。此研究获得广东省科技厅和深圳市科创委的大力支持。