(干货)陶瓷滤波器讲解----材料篇
由于网上很多陶瓷滤波器的工序讲解不全, 现邀请中国5G陶瓷协会常务副会长周先生提供以下讲解资料, 后续将陆续有更精彩的细节分享:
5G陶瓷滤波器组成
5G陶瓷滤波器作为5G基站中的核心器件，其主要组成为全镀银介质陶瓷件、PCB板、镀银抽头，其结构图1示。其中核心器件为全镀银介质陶瓷件，介质陶瓷成型烧结后在表面通过浸银、喷银或者真空镀银的方式形成全镀层。
而PCB线路板、镀银抽头是根据客户整机设计需求，由设备商客户指定。
2. 5G陶瓷滤波器材料体系
在现有低频2~5GHz频段，陶瓷滤波器使用的介质陶瓷主要是中频介电常数，结合现在市场上材料的成熟度，一般主流都会选用介电常数为18~22的材料，其主要体系包括Mg-Ca-Ti体系和Ca-Sm-Al体系，这两款材料各有优势，其性能如表1。其他介电常数的材料也均在尝试之中。
表1 微波材料体系性能表
System | εr | Q×f | Tf(ppm) | ρ(g/cm3) | sintering temp（℃） |
Mg-Ca-Ti | 18~22 | 5~7×104 | ±7 | 3.75 | 1300~1460 |
Ca-Sm-Al | 19~22 | >7×104 | ±3 | 5.27 | 1320~1560 |
针对两款材料的优势与劣势分析如表2。
表2 介质材料体系优劣分析
材料体系 | 优势 | 劣势 |
Ma-Ca-Ti | （1）材料烧结温度低，具有能源优势； | （1）材料高低温性能较差，生产的器件在高&低温环境下工作，中心频点偏移较大（1MHz左右） |
（2）材料密度小，具有成品重量优势； | （2）材料Q×f值偏低，通过配方调整Tf值时，Q×f值会有恶化。 | |
（1）高低温性能好，器件在高低温环境下工作，中心频点偏移<0.5M； | （1）烧结温度偏高，耗能较高 | |
（2）体系中含有稀土氧化物Sm2O3，材料成本较高 | ||
（2）产品Q×f值高，一般能做到8×104以上。 | （3）材料密度较大，导致产品质量急剧上升，增加了基站的整体质量，也进一步增加了材料成本。 |
3. 材料问题的解决方案
（1） Mg-Ca-Ti体系
Mg-Ca-Ti体系高温性能较差的问题一般可以通过材料配方的调整进行，一般的，Mg-Ca-Ti体系通过材料中MgTiO3和CaTiO3的含量来调整温度系数（具体的材料讲解将在公 众 号其它文章中涉及），而经过调整，材料的介电常数将会降低，这就是市场上材料介电常数从最初的21下降至19的原因。
（2） Ca-Sm-Al体系
Ca-Sm-Al体系由于自身材料组成的问题，成本很难下降，针对滤波器质量问题，只能通过优化滤波器的结构进行优化，如增加滤波器的腔体数、增加介质块的耦合槽、降低介质陶瓷块的厚度等方式，但由于介质滤波器的结构是基于客户指定的尺寸和Max-well方程解而得到的，更改受到的限制较多，还需要射频工程师进一步的优化。
4. 5G陶瓷滤波器材料的展望
在现有的6GHz以内的频段，基站滤波器的形式可能不会发生太大的变化，但随着频率的增加，要求介质滤波器的尺寸越来越小，如5G频段内有一个28GHz的频段，这才真正意义上属于毫米波段，对滤波器的尺寸将会是毫米级，现有的干压工艺将很难实现如此小尺寸的器件成型，后续LTCC工艺制备的滤波器可能会爆发，此项进展约有2~3年的窗口期，现在进行LTCC技术的投入正当其时。
5. 总结
5G陶瓷滤波器正如火如荼的进行，国内外大量的陶瓷厂商、设备厂商、原材料厂商皆蠢蠢欲动，但如何在这个巨大的市场中分得一杯羹，关键还得靠过硬的技术实力，大家各司其职解决产业链中的各个难题，吾辈还需努力。
