高頻信號一般指頻率較高的電磁信號，在通信行業(yè)高頻一般定義為頻率在1GHz以上，移動通信行業(yè)從1G、2G、3G逐步發(fā)展至目前4G、5G（備注：12345G的G代表“代”，G指的是Generation，也就是“代”的意思）正是通信行業(yè)從低頻向高頻發(fā)展的顯著代表。高頻通信業(yè)務的發(fā)展極大改善了居民的生活質(zhì)量并改變了大眾的生活方式，目前，高頻通信主要集中在移動通信、汽車、衛(wèi)星導航、軍工雷達和通信等對信號傳輸速度和質(zhì)量要求較高的領(lǐng)域。其中，移動通信行業(yè)是高頻通信最重要、市場規(guī)模最大的應用領(lǐng)域。

3G、4G、5G 傳輸速率對比

圖片來源：與非網(wǎng)

高頻通信應用場合

圖片來源：華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院

信息處理和信息傳播的高頻、高速化對通信材料的介電常數(shù)（符號代表Dk，ε，Er）、介質(zhì)損耗因子（符號代表Df，tanδ，tgδ）等方面的性能參數(shù)提出了更高的要求。高頻通信要求相關(guān)的電子材料有精準且穩(wěn)定的介電常數(shù)（Dk）和更小的介質(zhì)損耗（Df）；精準的介電常數(shù)有利于提升對電路設(shè)計的匹配度，而穩(wěn)定的介電常數(shù)有利于高速電路中抗阻的連續(xù)穩(wěn)定進而保障信號傳輸?shù)目焖俸头€(wěn)定性，更小的介質(zhì)損耗則有利于最大限度的降低傳播中的信號損失。

氧化鋁陶瓷是一種重要的微波陶瓷，具有良好的硬度大、機械強度高，耐磨損，電阻率高、化學穩(wěn)定性好及較好的導熱性能，以及對熱沖擊作用的良好抵抗性、與金屬之間能形成密封的釬焊等優(yōu)勢，可以滿足基板的剛性承載需求及耐環(huán)境侵蝕的功能，并具有良好的介電性能可以符合電路設(shè)計的需求。且無論是多晶型材料或是單晶型的氧化鋁材料，其介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ均處于較廣的頻率范圍內(nèi)，不過包括在超高頻情況下其介電損耗依然不大（備注：介質(zhì)損耗，絕緣材料在電場作用下，由于介質(zhì)電導和介質(zhì)極化的滯后效應，在其內(nèi)部引起的能量損耗。也叫介質(zhì)損失），且隨著溫度的升高其變化也不大，同時其介電常數(shù)Dk與溫度之間的關(guān)系不明顯，可見氧化鋁陶瓷材料是較為理想的電路基板材料，被廣泛應用于芯片封裝結(jié)構(gòu)件的上蓋板，導熱陶瓷基板、PCB印刷電路板的導熱填充材料。

氧化鋁基板（毫米波/微波用基板）

10 GHz時tanδ為1×10^-4

圖片來源：JAPAN_FINE_CERAMICS_CO,LTD

球形氧化鋁導熱填料

氧化鋁陶瓷在高頻微波通信器件方面有十分廣闊的應用領(lǐng)域，不同高純氧化鋁材料的主要物理性能，如強度、電阻率、熱導率、膨脹系數(shù)、彈性模量及介電常數(shù)等變化不大，但不同廠家生產(chǎn)的氧化鋁陶瓷的介電損耗性能差別很大。而為滿足通信技術(shù)向大容量、高頻發(fā)展趨勢對材料的要求，實現(xiàn)電路基板的低介電損耗是一個重要的努力方向。下文我們來談一談制取“低介質(zhì)損耗的氧化鋁陶瓷的關(guān)鍵”。

介質(zhì)損耗的影響因素

介質(zhì)損耗可以分為本征損耗和非本征損耗。前者代表了某種材料能獲得的最低損耗，與制備過程和微觀缺陷無關(guān)，存在于完美晶格中，它的根本原因取決于微波電磁場與晶體振動的非簡諧性項的相互作用。非本征損耗與晶體及顯微結(jié)構(gòu)缺陷有關(guān)，如雜質(zhì)、晶界、氣孔、裂紋及晶粒的取向等。

我們知道實際上晶體是不可能完美，非本征損耗是控制制備出來的陶瓷材料介質(zhì)損耗大小的重要因素，因而非本征因素通常在微波陶瓷研究中占據(jù)主導位置，對它的研究是指導我們調(diào)整工藝參數(shù)、工藝配方、改善材料介電性的重要依據(jù)。

在微波頻段，單晶氧化鋁是已知具有最低介電損耗的材料之一，被廣泛應用于微波元器件。藍寶石（單晶氧化鋁陶瓷）的介電損耗極低，為1×10^-5量級（品質(zhì)因子Q=1/tanδ=100000），但是單晶材料應用成本高，如何制備出與單晶材料的介電損耗相近的氧化鋁陶瓷，成為高純氧化鋁陶瓷研究的一個熱點。

這些其他元素會改變氧化鋁的介電損耗

根據(jù)當前科學家的研究表明，雖然帶有雜元素的“不純氧化鋁”往往Q值較低（損耗較高），但高純的氧化鋁也不能保證一定高Q值，為了獲得高Q值氧化鋁，除了要控制原料高純外還需與合理的工藝制度配合。

高純的氧化鋁燒結(jié)溫度太高，硬度也賊大，這對于成型加工是不利的，因此有時候為了促進燒結(jié)或達成其它目的會主動摻雜一些其他元素，這些元素的摻雜對氧化鋁陶瓷的介電損耗有著重要的影響。此外，高純氧化鋁原料中的自帶的雜質(zhì)元素對氧化鋁陶瓷的介電性能的影響也是不可忽視的。然而，不同雜質(zhì)及摻雜對氧化鋁陶瓷的介電損耗影響較為復雜。下文摘取參考文獻1部分內(nèi)容進行說明，對相關(guān)內(nèi)容感興趣的可以閱讀參考文獻1。

燒結(jié)助劑的影響案例：MgO是高純氧化鋁的重要燒結(jié)助劑，燒結(jié)助劑MgO的加入，在低頻下會增加氧化鋁陶瓷的介電損耗；但在微波頻段，當MgO的加入量大于Mg在氧化鋁中的固溶極限時，通過優(yōu)化燒結(jié)工藝，可以得到1×10^-5量級的介電損耗（相當于藍寶石）。

其他雜質(zhì)或摻雜元素的影響案例：氧化鋁粉體中的雜質(zhì)，如Na、Si、K、Ca、Fe、Zr、Y、Ti等對于介電損耗有著不同的影響；雜質(zhì)Y₂O₃通常有促進氧化鋁燒結(jié)的作用，但往往會使氧化鋁陶瓷的介電損耗增加。

此外，有研究表明加入0.25-0.5%質(zhì)量分數(shù)的TiO₂，可以有效地提高氧化鋁陶瓷的Q值（降低介電損耗），當加入0.5%時，Q值最高為50300，這大約相關(guān)于高純單晶藍寶石Q值的50%。

當然，除了“其他元素”會影響陶瓷的介電性能外，陶瓷的介電性能主要還受陶瓷材料結(jié)構(gòu)中的氣孔、晶粒、晶格缺陷等因素的影響。對相關(guān)內(nèi)容感興趣的，可以查閱“參考資料2”繼續(xù)閱讀。陶瓷的介質(zhì)損耗主要源于電導損耗、松弛質(zhì)點的極化損耗及結(jié)構(gòu)的損耗等內(nèi)部因素外，陶瓷材料表面氣孔吸附水分、油污、及灰塵造成的表面電導也會造成較大的介質(zhì)損耗。

除了介質(zhì)損失因子Df，介電常數(shù)Dk也是高頻通信器件基板材料重要關(guān)注性能指標值。為了滿足低衰減高速信號傳輸要求，通常要求陶瓷封裝基板材料的介電常數(shù)Dk在＜10。一般情況下，滿足低介質(zhì)損耗因數(shù)的氧化鋁陶瓷基板的介電常數(shù)一般在9到10之間，可以很好的滿足部分頻段及應用方向的高頻器件的工作要求。

參考資料：

1、摻雜對高純氧化鋁陶瓷介電損耗的影響；清華大學材料科學與工程系，新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室；司文捷，劉人淼；稀有金屬材料與工程[J]。

2、微波介質(zhì)陶瓷介電性影響因素的研究；華中科技大學電子科學與技術(shù)系；胡明哲，周東祥，龔樹萍；材料導報[J]。

粉體圈編輯：ALPHA