微波陶瓷概述
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过添加某种氧化物来调节使其接近零 • 烧结温度大多在 1250℃以上，要求用高钯 （熔点1552℃）做共烧电极材料。 • 结论：低烧微波介质材料的研发迫在眉睫
低温烧结的机制
低温烧结是一种以助烧剂作为过渡液 相的烧结方法。由于烧结时助烧剂产生的 液相改善了纯固相烧结时的烧结环境，从 而大大降低了烧结温度。
基于TiO2的材料
• BaO-TiO2系列 • BaO-Ln2O3-TiO2系列 • A(B1/3′B2/3“)O3系列 • CaO-Li2O-Ln2O3-TiO2系列 • (Zr,Sn)TiO4系列
TiO2基材料的特性
• 复晶介电常数约100 • Q值基本满足要求 • 频率温度系数约为1000ppm/℃，但可以通
• 介质的谐振频率在一定温度范围内不随温
度的改变而改变 • 实现谐振器件高稳定性和高可靠性的要求 • 通常要求频率温度系数 τf达10-5/℃(即ppm/ ℃)数量级
片式元件对介质材料的特殊要求
• 多层片式元器件是实现微波电路集成化和小型化
的重要途径
• 采用微波介质材料与高电导率的金属电极共烧的
方式，要求介质材料的烧结温度低于电极熔点
我国Bi基微波陶瓷的研究现状
• 西安交通大学，电子材料研究所 • 同济大学，功能材料研究所 • 浙江大学，陈湘明教授 • 上海硅酸盐研究所
Bi2O3-ZnO-Ta2O5（BZT）体系
BZT可以看作是Ta元素完全替代BZN中 的Nb元素形成的化合物。BZT仍旧保持单 纯的焦绿石结构，而且各方面介电性能优 于BZN。介电常数70～90，损耗10-4或更低， 温度系数也更低；但是烧结温度大约比BZN 高100℃，进一步降低其烧结温度是目前的 首要任务。对BZT的研究也正进行的如火如 荼。
Bi203-Nb2O5（BiNbO4 ）体系
• 1992年日本首次报道片式多层微波谐振器件和滤波 •
器材料使用BiNbO4基材料。90年代中期引起了国外 一些材料研究者的注意，对其展开了广泛的研究。 近二十年的研究，已经对其结构有了清楚的认识， 并且通过多种低熔点金属氧化物或固溶体的添加， 达到了进一步降低烧结温度、调节温度系数、改善 介电特性等目的。 介电常数在50~70之间，损耗10-3量级，温度系数为 较大的正值，烧结温度在1000℃以下。 二元系统是相结构非常复杂的系统，相结构较多、 稳定性不高，相结构随组分、温度的变化比较大。
• 频率升高，弛豫温度逐
渐升高；低频下，弛豫 温度约为70K，GHz下 弛豫温度升为200多K； 若频率再升高，弛豫温 度可能升至常温 添加替代无法消除介电 弛豫，对弛豫温度的移 动效果也不明显
•
β 相介电性能
• 介电常数60左右，损耗10-4量级，温度系数
在100ppm/℃左右，烧结温度950℃以下。
微波信号的特点
• 基本特点：频率高，波长短 • 频带宽，信息容量大，穿透能力强——通讯 • 波长很短，容易定向发射——雷达 • 某些介质对微波有很强的穿透和吸收能力 —
—微波医学治疗，微波探伤，微波吸收材料 和发热体
• 微波设备的数字化——通信的保密性
微波技术发展动向
• 移动通讯技术的发展促进微波技术向微电
微波材料概述
报告人：康利平
何谓微波材料
• 应用于微波频段用来进行微波传输的材料 • 微波：米波到亚毫米波（波长范围：
1m~0.1mm，频率范围：300MHz～ 3000GHz ），位于超短波和红外波之间。 按照波长可划分为分米波段、厘米波段、 毫米波段和亚毫米波段；按照频率可对应 划分为甚高频段、超高频段和极高频段。
微波器件对介质材料的基本要求
• 高介电常数 • 高品质因素（即小损耗） • 零频率温度系数 • 其他特殊要求：有时还要考虑材料的机
械特性、物理化学特性以及导热系数、 绝缘电阻和相对密度等因素
高介电常数εr
• 根据电磁场理论，谐振腔高度L与谐振频率f和介
电常数ε r的关系如下(c为光速)：
L
c 4f
•
•
Bi2O3-ZnO-Nb2O5（BZN）体系
70年代由我国材料工作者独立研制开发。 90年代开始，在西安交通大学姚熹以及贝尔 实验室的 H.C.Ling 等众多科学家的系列研究 下，对其结构和性能渐有了一定的了解。多 数 BZN 材料具有焦绿石型结构，有两种典型 相：立方相即 α -BZN 和正交相即 β -BZN （近 期文献称单斜类钙钛矿结构）。
我国对微波介质材料的研究
• 始于 80 年代初，从无到有，得到了长足的
发展 • 我国在BZN低烧微波介质陶瓷材料的工艺、 材料介电性能改良以及微观机理的研究上 始终处于世界前列
两类已商业化的产品
• 一 类 是 BSSZ(BaO+SrO+SiO2+ZrO2) 和
CZG(CaZrO3+玻璃)材料 • 烧结温度都在 1000℃以下，温度系数和介 电损耗也能够满足制作器件的要求 • 介电常数过低，只有 10 ～ 25 ，不利于器件 的小型化 • 另一类：基于TiO2的材料
BZN研究工作进展
目前对 BZN 三元体系中焦绿石的结构、 相变及介电性能，立方相和正交相的关系 及Bi离子对立方相变所起的作用已经有了较 深的研究，初步定出了两相的晶格原子排 布和晶格常数；但对于立方相的介电弛豫 现象的机理仍然没有定论。对于BZN体系的 添加改性工作也处于进行中，并取得了一 些成效。
介质谐振器的工作模式
a TE01δ模
b TEM模
C
带状谐振器
几个概念
• 介电常数：表征相同体积介质电容大小的物理量。 • • •
真空介电常数ε0、绝对介电常数ε，相对介电常数 εr 介质损耗角正切tgδ：简称损耗，介质的有功功率 与无功功率的比值，即表征介质阻性大小的物理 量 品质因素Q值：与损耗互为倒数 温度系数：表征物理量随温度的稳定性，物理量 随温度的相对变化率。电容温度系数（介电常数 温度系数）、损耗温度系数
低烧结温度的材料体系
• Pb系钙钛矿型化合物：较高的介电常数和Q
值，近零τf值。可通过替代、掺杂等方式使 烧结温度进一步降低。但会对环境造成一 定程度的破坏 • Bi基系列微波介质陶瓷
Bi基系列微波介质陶瓷
• Bi203-Nb2O5二元体系 • Bi2O3-ZnO-Nb2O5三元体系 • Bi2O3-ZnO-Ta2O5三元体系
BZN研究工作进展——α相
• 典型配方Bi1.5ZnNb1.5O7 • 低频（1MHz）介电性能良好：εr≈145，
τf≈-400ppm/℃，损耗小于6×10-4；介电 性能以及组分配比可在较大的范围内进行 调整并保持原有相结构 • 因为低频介电弛豫的存在，微波介电性能 很差 • 介电弛豫
α相的介电弛豫
子方向发展，呈现了很多新特点： • 进入毫米波段 • 微波固态器件走向小型化 • 微波技术与光波技术相结合
市场对微波器件的要求
• 高性能，高可靠性，高机动性，体积小，
重量轻
实现途径
• 微波电路混合集成和表面贴装技术(SMT)
谐振器
• 微波电路的重要部分——选频谐振 • 谐振器的工作原理：将高频电磁波引
• 从经济性和环境保护角度考虑，使用贱金属Ag或
Cu等作为电极材料最为理想
• Ag和Cu的熔点较低（分别为962℃和1083℃），
要求低温烧结的微波介质陶瓷
微波介质陶瓷的发展与研究现状
• 1939年，第一次将介质材料应用于微波电路 • 60年代，开始对微波介质材料的特性进行较
广泛的研究 • 60年代末期，利用TiO2陶瓷设计出微波滤波 器，但由于其频率温度系数高达 450ppm/℃ 而未能使之实用化 • 70年代，开始了大规模的对介质陶瓷材料的 研究工作
低温烧结的方法
• 氧化物或低熔点玻璃的掺加 ——应用最广泛、最 •
来自百度文库• •
经济，但是温度降低的幅度并不大，同时它们还 会对材料的微波介电性能带来不同程度的损坏 化学合成方法 —— 需要复杂的处理步骤，会大大 增加微波介质元器件的生产成本和时间 降低原始颗粒大小——增加成本，效果也不明显 选用低烧结温度的材料体系
入电介质（或金属腔）中，电磁波在 电介质（或金属面）与自由空间的界 面不断反射，形成驻波产生振荡
介质谐振器与金属谐振腔的比较
• 金属谐振腔和金属波导（空腔谐振器）
体积和重量过大——逐渐被淘汰 • 微波介质谐振器便于集成——被广泛 研究和应用 • 微波介质陶瓷制作的谐振器与微波管、 微带线等构成的微波混合集成电路， 可使器件尺寸达到毫米量级
r
• 若谐振频率固定，谐振器的大小与εr成反比。
• 金属谐振腔：空气εr≈1
• 一般要求介质材料的介电常数在20～100之间。
高品质因数Q值
• 提高谐振频率的频率控制精度 • 抑止回路中的噪声 • 减少发热 • 一般要求介质材料的损耗角正切tgδ小于104，即Q值大于10000（无损Q值）
零频率温度系数τf
低温烧结的机制
低温烧结是一种以助烧剂作为过渡液 相的烧结方法。由于烧结时助烧剂产生的 液相改善了纯固相烧结时的烧结环境，从 而大大降低了烧结温度。
基于TiO2的材料
• BaO-TiO2系列 • BaO-Ln2O3-TiO2系列 • A(B1/3′B2/3“)O3系列 • CaO-Li2O-Ln2O3-TiO2系列 • (Zr,Sn)TiO4系列
TiO2基材料的特性
• 复晶介电常数约100 • Q值基本满足要求 • 频率温度系数约为1000ppm/℃，但可以通
• 介质的谐振频率在一定温度范围内不随温
度的改变而改变 • 实现谐振器件高稳定性和高可靠性的要求 • 通常要求频率温度系数 τf达10-5/℃(即ppm/ ℃)数量级
片式元件对介质材料的特殊要求
• 多层片式元器件是实现微波电路集成化和小型化
的重要途径
• 采用微波介质材料与高电导率的金属电极共烧的
方式，要求介质材料的烧结温度低于电极熔点
我国Bi基微波陶瓷的研究现状
• 西安交通大学，电子材料研究所 • 同济大学，功能材料研究所 • 浙江大学，陈湘明教授 • 上海硅酸盐研究所
Bi2O3-ZnO-Ta2O5（BZT）体系
BZT可以看作是Ta元素完全替代BZN中 的Nb元素形成的化合物。BZT仍旧保持单 纯的焦绿石结构，而且各方面介电性能优 于BZN。介电常数70～90，损耗10-4或更低， 温度系数也更低；但是烧结温度大约比BZN 高100℃，进一步降低其烧结温度是目前的 首要任务。对BZT的研究也正进行的如火如 荼。
Bi203-Nb2O5（BiNbO4 ）体系
• 1992年日本首次报道片式多层微波谐振器件和滤波 •
器材料使用BiNbO4基材料。90年代中期引起了国外 一些材料研究者的注意，对其展开了广泛的研究。 近二十年的研究，已经对其结构有了清楚的认识， 并且通过多种低熔点金属氧化物或固溶体的添加， 达到了进一步降低烧结温度、调节温度系数、改善 介电特性等目的。 介电常数在50~70之间，损耗10-3量级，温度系数为 较大的正值，烧结温度在1000℃以下。 二元系统是相结构非常复杂的系统，相结构较多、 稳定性不高，相结构随组分、温度的变化比较大。
• 频率升高，弛豫温度逐
渐升高；低频下，弛豫 温度约为70K，GHz下 弛豫温度升为200多K； 若频率再升高，弛豫温 度可能升至常温 添加替代无法消除介电 弛豫，对弛豫温度的移 动效果也不明显
•
β 相介电性能
• 介电常数60左右，损耗10-4量级，温度系数
在100ppm/℃左右，烧结温度950℃以下。
微波信号的特点
• 基本特点：频率高，波长短 • 频带宽，信息容量大，穿透能力强——通讯 • 波长很短，容易定向发射——雷达 • 某些介质对微波有很强的穿透和吸收能力 —
—微波医学治疗，微波探伤，微波吸收材料 和发热体
• 微波设备的数字化——通信的保密性
微波技术发展动向
• 移动通讯技术的发展促进微波技术向微电
微波材料概述
报告人：康利平
何谓微波材料
• 应用于微波频段用来进行微波传输的材料 • 微波：米波到亚毫米波（波长范围：
1m~0.1mm，频率范围：300MHz～ 3000GHz ），位于超短波和红外波之间。 按照波长可划分为分米波段、厘米波段、 毫米波段和亚毫米波段；按照频率可对应 划分为甚高频段、超高频段和极高频段。
微波器件对介质材料的基本要求
• 高介电常数 • 高品质因素（即小损耗） • 零频率温度系数 • 其他特殊要求：有时还要考虑材料的机
械特性、物理化学特性以及导热系数、 绝缘电阻和相对密度等因素
高介电常数εr
• 根据电磁场理论，谐振腔高度L与谐振频率f和介
电常数ε r的关系如下(c为光速)：
L
c 4f
•
•
Bi2O3-ZnO-Nb2O5（BZN）体系
70年代由我国材料工作者独立研制开发。 90年代开始，在西安交通大学姚熹以及贝尔 实验室的 H.C.Ling 等众多科学家的系列研究 下，对其结构和性能渐有了一定的了解。多 数 BZN 材料具有焦绿石型结构，有两种典型 相：立方相即 α -BZN 和正交相即 β -BZN （近 期文献称单斜类钙钛矿结构）。
我国对微波介质材料的研究
• 始于 80 年代初，从无到有，得到了长足的
发展 • 我国在BZN低烧微波介质陶瓷材料的工艺、 材料介电性能改良以及微观机理的研究上 始终处于世界前列
两类已商业化的产品
• 一 类 是 BSSZ(BaO+SrO+SiO2+ZrO2) 和
CZG(CaZrO3+玻璃)材料 • 烧结温度都在 1000℃以下，温度系数和介 电损耗也能够满足制作器件的要求 • 介电常数过低，只有 10 ～ 25 ，不利于器件 的小型化 • 另一类：基于TiO2的材料
BZN研究工作进展
目前对 BZN 三元体系中焦绿石的结构、 相变及介电性能，立方相和正交相的关系 及Bi离子对立方相变所起的作用已经有了较 深的研究，初步定出了两相的晶格原子排 布和晶格常数；但对于立方相的介电弛豫 现象的机理仍然没有定论。对于BZN体系的 添加改性工作也处于进行中，并取得了一 些成效。
介质谐振器的工作模式
a TE01δ模
b TEM模
C
带状谐振器
几个概念
• 介电常数：表征相同体积介质电容大小的物理量。 • • •
真空介电常数ε0、绝对介电常数ε，相对介电常数 εr 介质损耗角正切tgδ：简称损耗，介质的有功功率 与无功功率的比值，即表征介质阻性大小的物理 量 品质因素Q值：与损耗互为倒数 温度系数：表征物理量随温度的稳定性，物理量 随温度的相对变化率。电容温度系数（介电常数 温度系数）、损耗温度系数
低烧结温度的材料体系
• Pb系钙钛矿型化合物：较高的介电常数和Q
值，近零τf值。可通过替代、掺杂等方式使 烧结温度进一步降低。但会对环境造成一 定程度的破坏 • Bi基系列微波介质陶瓷
Bi基系列微波介质陶瓷
• Bi203-Nb2O5二元体系 • Bi2O3-ZnO-Nb2O5三元体系 • Bi2O3-ZnO-Ta2O5三元体系
BZN研究工作进展——α相
• 典型配方Bi1.5ZnNb1.5O7 • 低频（1MHz）介电性能良好：εr≈145，
τf≈-400ppm/℃，损耗小于6×10-4；介电 性能以及组分配比可在较大的范围内进行 调整并保持原有相结构 • 因为低频介电弛豫的存在，微波介电性能 很差 • 介电弛豫
α相的介电弛豫
子方向发展，呈现了很多新特点： • 进入毫米波段 • 微波固态器件走向小型化 • 微波技术与光波技术相结合
市场对微波器件的要求
• 高性能，高可靠性，高机动性，体积小，
重量轻
实现途径
• 微波电路混合集成和表面贴装技术(SMT)
谐振器
• 微波电路的重要部分——选频谐振 • 谐振器的工作原理：将高频电磁波引
• 从经济性和环境保护角度考虑，使用贱金属Ag或
Cu等作为电极材料最为理想
• Ag和Cu的熔点较低（分别为962℃和1083℃），
要求低温烧结的微波介质陶瓷
微波介质陶瓷的发展与研究现状
• 1939年，第一次将介质材料应用于微波电路 • 60年代，开始对微波介质材料的特性进行较
广泛的研究 • 60年代末期，利用TiO2陶瓷设计出微波滤波 器，但由于其频率温度系数高达 450ppm/℃ 而未能使之实用化 • 70年代，开始了大规模的对介质陶瓷材料的 研究工作
低温烧结的方法
• 氧化物或低熔点玻璃的掺加 ——应用最广泛、最 •
来自百度文库• •
经济，但是温度降低的幅度并不大，同时它们还 会对材料的微波介电性能带来不同程度的损坏 化学合成方法 —— 需要复杂的处理步骤，会大大 增加微波介质元器件的生产成本和时间 降低原始颗粒大小——增加成本，效果也不明显 选用低烧结温度的材料体系
入电介质（或金属腔）中，电磁波在 电介质（或金属面）与自由空间的界 面不断反射，形成驻波产生振荡
介质谐振器与金属谐振腔的比较
• 金属谐振腔和金属波导（空腔谐振器）
体积和重量过大——逐渐被淘汰 • 微波介质谐振器便于集成——被广泛 研究和应用 • 微波介质陶瓷制作的谐振器与微波管、 微带线等构成的微波混合集成电路， 可使器件尺寸达到毫米量级
r
• 若谐振频率固定，谐振器的大小与εr成反比。
• 金属谐振腔：空气εr≈1
• 一般要求介质材料的介电常数在20～100之间。
高品质因数Q值
• 提高谐振频率的频率控制精度 • 抑止回路中的噪声 • 减少发热 • 一般要求介质材料的损耗角正切tgδ小于104，即Q值大于10000（无损Q值）
零频率温度系数τf