摘 要

LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic），即低温共烧陶瓷，因其良好的介电特性，而被广泛应用于新型微波介质材料。由于现有的微波材料烧结温度高，与之匹配的电极大多数为贵金属电极。为了降低成本，微波材料须具有与贱金属电极（如银、钯电极）相似的烧结温度，从而可以与贱金属电极共烧。本课题以适应5G高频通信条件要求，开发具有优良性能的且可以与贱金属电极共烧（烧结温度小于950 ℃）的LTCC粉体材料为主要目的。文献调研表明，Mo基体系具有低介电常数（＜20），高品质因子，且其温度系数可调，是一种理想的LTCC介质调控体系。而Mo基体系中，MgMoO₄体系综合性能较佳，符合本课题所需要的参数需求，适合为本课题所选择的LTCC开发基体材料。

通过固相合成法合成MgMoO₄粉体及陶瓷。在此基础上，通过添加玻璃粉、Al₂O₃等物质，探究组分含量、烧结温度对体积密度、介电常数、介电损耗等性能参数的影响规律。

（1）玻璃粉的添加降低MgMoO₄陶瓷的烧结温度

纯MgMoO₄陶瓷烧结温度为1100 ℃。为降低烧结温度，本课题在MgMoO₄体系中加入玻璃粉，使样品在650 ℃便可烧结成瓷，这表明玻璃粉的添加能够显著降低陶瓷体系的烧结温度。

（2）MgMoO₄陶瓷中玻璃粉的最佳含量

综合研究不同含量的玻璃粉对陶瓷介电损耗的影响，发现在玻璃粉含量为4 wt.%时，陶瓷体系具有最低的介电损耗，即4 wt.%为玻璃粉的最佳含量。

（3）Al₂O₃的添加降低MgMoO₄陶瓷复合体系的介电损耗

玻璃粉的添加会提升陶瓷体系的介电损耗，为降低介电损耗，本课题采用低介电常数、低介电损耗的Al₂O₃作为添加剂进行改性研究。随着Al₂O₃含量的增加，介电常数不断降低；介电损耗先降低后升高，在0.1 wt.% Al₂O₃添加量下，介电损耗最小，为0.004。这表明Al₂O₃在本体系中可以有效降低介电损耗。

关键词：5G通信；低温共烧陶瓷；烧结温度；介电性能。

Abstract

LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic), is widely used in new microwave dielectric materials due to its good dielectric properties. Due to the high sintering temperature of existing microwave materials, most of the matching electrodes are noble metal electrodes. In order to reduce the cost, the microwave material must have a sintering temperature similar to that of a base metal electrode (such as a silver or palladium electrode), so that it can be co-fired with it. In order to meet the requirements of 5G high-frequency communication conditions, this subject develops LTCC powder materials with excellent performance and can be co-fired with tantalum metal electrodes (sintering temperature less than 950 °C). Literature research shows that the Mo-based composition has a low dielectric constant (lt;20), a high quality factor, and its temperature coefficient is adjustable, which is an ideal LTCC medium control system. In the Mo-based system, the MgMoO₄ system has better comprehensive performance, which meets the requirements of the parameters required by this subject, and it is suitable for the development of the matrix material for the LTCC selected for this topic.

The MgMoO₄ powder and ceramics were synthesized by solid phase synthesis. On this basis, by adding glass powder, Al₂O₃ and other substances, the influence of component content and sintering temperature on the performance parameters such as bulk density, dielectric constant and dielectric loss was investigated.

(1) Addition of glass frit reduces the sintering temperature of MgMoO₄ ceramics

The sintering temperature of the pure MgMoO₄ ceramic is 1100 °C. In order to reduce the sintering temperature, the subject added glass powder to the MgMoO₄ system so that the sample can be sintered into porcelain at 650 °C, which indicates that the addition of glass powder can significantly reduce the sintering temperature of the ceramic system.

(2) The content of glass powder affects the bulk density of MgMoO₄ ceramic

The effect of different content of glass powder on the dielectric loss of ceramics was studied comprehensively. It was found that the ceramic system had the lowest dielectric loss when the glass powder content was 4 wt.%, that is, 4 wt.% was the optimum content of glass powder.

(3) Addition of Al₂O₃ reduces the dielectric loss of MgMoO₄ ceramic composite system

The addition of glass powder will increase the dielectric loss of the ceramic system. In order to reduce the dielectric loss, this study used Al₂O₃ with low dielectric constant and low dielectric loss as additives to modify the research. With the increase of Al₂O₃ content, the dielectric constant decreased continuously; the dielectric loss decreased firstly and then increased. Under the addition of 0.1 wt.% Al₂O₃, the dielectric loss is the smallest, which is 0.004. This indicates that Al₂O₃ can effectively reduce the dielectric loss in this system.

Key Words：5G Communication; Low Temperature Co-fired Ceramic; Sintering Temperature; Dielectric Properties.

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 5G通信与微波材料 1

1.1.1 推动基于5G的微波材料创新 1

1.1.2 5G的相关技术特征 1

1.1.3 5G对微波材料的新要求 2

1.2 LTCC及其应用发展状况 3

1.2.1 LTCC技术简介 3

1.2.2 LTCC的基本性能参数 3

1.2.3 LTCC的技术特点 4

1.2.4 LTCC的应用领域 4

1.3 LTCC的研究现状 4

1.3.1 几种常见的LTCC 4

1.3.2 LTCC的研究进展 5

1.4 本课题的研究方向与意义 6

1.4.1 本课题的研究目的 6

1.4.2 本课题的研究内容 7

1.4.3 本课题的研究意义 7

第2章 实验过程及测试方法 8

2.1 实验原料与实验设备 8

2.1.1 实验原料 8

2.1.2 实验设备 8

2.2 实验流程 8

2.2.1 实验设计思路 8

2.2.2 样品制备与测试流程 9

2.2.3 样品表征与性能测试 11

第3章 玻璃粉改性的MgMoO₄陶瓷的制备与性能 13

3.1 MgMoO₄粉体的制备与XRD测试 13

3.2 烧结温度制度的确定 13

3.3 不同玻璃粉含量改性的MgMoO₄陶瓷的体积密度测试 14

3.4 不同玻璃粉含量改性的MgMoO₄陶瓷的介电性能测试 15

3.5 不同玻璃粉含量改性的MgMoO₄陶瓷的SEM表征 16

第4章 Al₂O₃改性的MgMoO₄陶瓷复合体系的制备与性能 18

4.1 添加Al₂O₃对样品介电常数的影响 18

4.2 添加Al₂O₃对样品介电损耗的影响 18

4.3 Al₂O₃改性的MgMoO₄陶瓷复合体系的SEM表征 19

4.4 测试频率对样品介电性能的影响 20

第5章 结论 22

参考文献 23

致谢 25

附录一：论文所用原材料费用一览表 26

附录二：论文测试及分析费用一览表 27

第1章 绪论

1.1 5G通信与微波材料

1.1.1 推动基于5G的微波材料创新

5G，即第五代移动通信系统。从第一代、第二代通信技术到3G、4G，每一次通信技术的升级换代，都极大地推动人类社会的发展进步。进入5G时代，无线通信领域将发生根本变化，从人与人之间的通信，走向人与物、物与物之间的通信，实现万物互联，推动社会发展。高通CEO莫仑科夫说：“5G的诞生与电力或汽车同等重要，它将对经济和社会产生深远影响”。4G改变生活，5G将改变社会。

移动通信技术一直是科技革命和产业变革的重要驱动力，是发达国家构筑竞争优势的战略必争地。5G被誉为“数字经济新引擎”，是云计算，物联网，智慧城市等新时代产业革命先驱技术的原动力^[1]，其战略意义早已超出了行业本身。谁主导了5G，谁就站在了未来经济的制高点。当前，美、日、韩和欧盟等国，围绕争夺5G优势展开激烈博弈。抢先控制5G主导权，是我国在新一轮科技和产业革命中赢得竞争优势的重要战略支撑。

移动通信技术标准的研发和产业化是一个系统工程，需要全产业链的协同创新。长期以来，我国电子材料研发相对滞后，通信产业发展严重依赖进口元器件，受制于西方发达国家。加强基于5G的新型材料创新，是推动5G产业加快发展、提升全球竞争力的关键因素。

1.1.2 5G的相关技术特征

表1.1列举了4G和5G的主要性能参数。与4G相比，5G在应用领域具有增强型移动带宽（eMBB）、超可靠低延迟通信（URLLC）、海量机器类通信（mMTC）等独特优势，网速快、信号广、时延少^[2]。

表1.1 4/5G移动通信系统性能对比

性能参数	4G	5G
平均速率	25 MB/s	100 MB/s
最大速率	300 MB/s	20 GB/s
平均延迟	10-50 ms	1 ms

从微波材料角度分析，其相关技术特征主要包括：

（1）超高频率

每一代通信技术都不断提升工作频率，以拓展带宽、提高速率。4G的通信频率达到1.8 GHz-2.6 GHz，5G则在此基础上进一步提升，目前商用5G的通信频率预期可达到24.25 GHz-52.6 GHz，拓展到超高频（SHF）和极高频（EHF）频段，从而极大地丰富了频谱资源，对高速通信提供有效支持。

（2）毫米波通信

根据公式1.1（为频率，c为光速，为波长）：

（1.1）

显然，频率与波长存在倒数关系，频率越高、波长越短。4G通信尚处于分米波范围，5G通信频率达到24 GHz以上，对应的波长则降到毫米级。使用毫米波通信，是5G的显著特征。

（3）多天线技术（Massive MIMO）

根据天线特性，天线长度应与波长成正比，约在1/10至1/4之间。随着波长不断下降，天线长度也大幅缩短。5G采用毫米波通信，天线长度也降为毫米级。这样，不仅移动设备可以内置多根天线，采用收发双工模式有效降低延迟^[3]；而且固定基站也可在缩小体积的同时采取天线阵列模式，从而提高传输功率。

（4）小微基站

众所周知，电磁波波长越短，穿透损耗越大，传播距离越短；频率越高，传播衰减越快，覆盖面积越小。5G采用超高频率和毫米波通信，基站覆盖面积大幅缩小，所需基站数量大量增加。同时，天线尺寸的缩短，使基站小型化成为可能，小体积、高密度、广分布的小微基站，将是5G的一个鲜明特点。

1.1.3 5G对微波材料的新要求

在4G时代，传统移动设备的天线材料多为PCB基板等传统微波材料，或是利用纳米注塑技术，在设备外壳内印刷出天线结构。这些技术的优点在于成熟可靠，且拥有一定的成本优势。但5G的到来，对微波材料的低损耗、高集成、高一致性和易加工性提出了更高技术要求。相比于4G来讲，主要有几个方面：

（1）介质损耗低

通信频率的不断升高对降低介质损耗提出了新要求。在高频率下如何减少电磁波在天线或者发射组件中的损耗，成为5G介质材料的一大挑战。

（2）封装体积小

基站和天线的小型化，对电子元器件的小型化和电子封装技术提出新要求。尤其是5G的MIMO天线数目和复杂程度远高于4G，对提高天线集成度、降低装配难度，提出了新的挑战。

（3）温度特性好

更小的空间布局、更高的集成密度，对于材料的导热率和热膨胀系数的匹配性提出新要求^[4]。改进材料的热性能，是5G发展需要突破的另一个挑战。

（4）生产成本少

基站的高密度部署，移动终端的广泛普及，对微波材料的经济性提出了更高要求。研发适用于贱金属和简单制备工艺的新材料，是加快5G发展的一大挑战。

为满足5G通信的相关技术要求，在合理采用前文所述多天线技术，缩小基站体积等方法外，减小电磁波在天线或者发射组件中的损耗也不可或缺。