微波介質陶瓷是指應用于微波(主要是300MHz~30GHz頻段)電路中作為介質材料并完成一種或多種功能的陶瓷、在現代通信中被用作諧振器、濾波器、介質基片、介質天線、介質波導回路等,應用于微波電路的介質陶瓷除了必備的機械強度、化學穩定性之外,還應滿足如下介電特性,微波頻率下大的相對介電常數C^2高Q·f值以及接近零的頻率溫度系數

微波介質陶瓷可以按照其組成系統,介質特性及應用領域加以分類,較為常見的是按其介電常數的大小來分類,可分為低介電常數類(20~40);中介電常數類(40~80);高介電常數(>80)。低介電微波陶瓷主要應用于微波基板、衛星通訊以及軍事應用等通訊系統中。

目前研究的較多的低介微波陶瓷主要是以AL2O3和AIN的應用,低介微波陶瓷基覆銅板用絕緣散熱材料的理想性能是既要導熱性能好,散熱好,還要在高頻微波作用下產生損耗盡量小。BeO陶瓷是目前陶瓷基覆銅板中絕緣散熱的絕佳材料,但由于BeO粉料具有毒性,在制造過程中需要采取嚴格的防護措施,且在美日等發達國家已禁止生產BeO陶瓷。因此研制替代BeO陶瓷的覆銅板用新型絕緣散熱材料已迫在眉睫。AIN陶瓷是一種散熱性能較好、無毒的陶瓷材料,其熱導率理論值為320W/(m·K),與BeO陶瓷熱導率的理論值370 W/(m·K)相近,并且已研制出熱導率在200 W/(m·K)以上的AIN陶瓷材料。所以AIN陶瓷材料被認為是最有希望替代BeO陶瓷的絕緣散熱材料。

由于BN的介電常數較小,但AIN陶瓷中加入了h-BN,根據復相材料的介電常數公式計算,將h-BN加入到AIN中,還可以降低AIN陶瓷介電常數。本文旨在研制出滿足陶瓷基覆銅板使用要求的高熱導率、低介電損耗AIN及BN-AIN基陶瓷材料,以替代BeO陶瓷材料。

因為BN,AIN均為共價化合物,難以燒結,為了獲得高致密度陶瓷,需添加燒結助劑。燒結助劑的選擇應從兩個方面考慮,其一,能形成低熔物相,實現液相燒結,促進致密;其二,能與AIN中的氧雜質反應,使AIN晶格凈化。基于此兩點,選用Y2O3為燒結助劑。因為Y2O3與AIN表面的氧化鋁形成Y3AI5O12,Y3AI5O12的液相溫度為1760℃,這樣既促進了燒結又凈化了晶格。但是,若燒結助劑分散不均勻,也很難燒制出結構致密的陶瓷材料。

通過化學工藝,將BN包裹到AlN粉體表面,從而實現將BN均勻分散到AIN基體中的目的,并且利用包裹型復合粉體,制備出顯微結構均勻的復相陶瓷,其熱導率為78.1 W/(m·K),在Ka波段介電常數為7.2、介電常數最小值為13×10-4。通過對AIN及BN-AIN基復相陶瓷在Ka波段的微波特性研究,發現AIN基陶瓷材料的介電常數隨頻率變化的幅度很小,但材料的介電損耗隨頻率的變化較大,并且在該區間內存在最大值和最小值。