【摘 要】
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随着5G通讯技术的飞速发展,为满足电子封装用微波通讯器件的高频化、高效率以及具有良好热稳定性等的高要求,则需持续探索与开发出一系列固有烧结温度、介电常数（εr）低、品质因数（Q=1/tanδ）高和谐振频率温度系数（τf）近零的微波介质材料。目前,5G用介质基片介电性能的研究主要聚焦于如何降低基体材料的εr和介电损耗（tanδ）。其中,硼酸（H3BO3）由于在超低温烧结成瓷时,具有相对较低的εr（≈
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随着5G通讯技术的飞速发展,为满足电子封装用微波通讯器件的高频化、高效率以及具有良好热稳定性等的高要求,则需持续探索与开发出一系列固有烧结温度、介电常数（εr）低、品质因数（Q=1/tanδ）高和谐振频率温度系数（τf）近零的微波介质材料。目前,5G用介质基片介电性能的研究主要聚焦于如何降低基体材料的εr和介电损耗（tanδ）。其中,硼酸（H3BO3）由于在超低温烧结成瓷时,具有相对较低的εr（≈2.84）和较高的Q值（≈8,000GHz）等优点而备受关注,但其实用化发展受限于H3BO3本身易潮解的缺陷,如能通过掺杂、复合等方式有效解决这一问题,硼酸基体材料将极有可能成为可同时满足各项高性能要求的新型介质基片用关键材料。因此,本文选取低损耗聚合物聚乙烯（PE）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、可溶性聚四氟乙烯（PFA）与H3BO3基体进行复合以形成聚合物-陶瓷复合体系,旨在获得可维持较低εr（＜3）、tanδ（＜0.004）及τf（≈0ppm/℃）的同时,提升硼酸复合陶瓷的防潮特性。主要研究内容和结果如下:1、对（1-x）H3BO3-x PE（x=0.0～0.5）体系进行研究:通过XRD、Raman分析,可获知纯H3BO3陶瓷在近室温下即可致密成瓷,其主相为三斜晶系相,而聚合物-陶瓷体系在不同含量配比下均显示为H3BO3、PE两相共存态;结合SEM、EDS分析发现,体系的孔隙随着PE掺杂量的增加略呈增大趋势,但PE逐渐均匀附着在H3BO3基体表面。随着x的增加,εr由2.83减小到2.14,Q×f由116,000GHz减小到37,000GHz,τf则由-147ppm/°C增加到+27ppm/°C。其中,当x=0.3时,在100℃下可获得组分体系的微波介电性能较优:εr≈2.38,Q×f≈46,000GHz（15.7GHz）和τf≈+9ppm/℃。此外,通过选取H3BO3、0.7H3BO3-0.3PE、0.6H3BO3-0.4PE样品进行水解实验可知,纯H3BO3陶瓷经水解后出现了表面粉层脱离的现象,而x=0.4样品完整且Q×f值仍然可维持在40,000GHz左右,这说明PE添加可在一定程度上提升H3BO3材料抗潮解能力。2、对（1-x）H3BO3-x PTFE/x PET/x PFA（x=0.0～0.5）体系进行研究:结合XRD、Raman测试结果可知,三种不同聚合物添加体系均表现为H3BO3和PTFE/PET/PFA物相共存态;通过运用几何法对不同聚合物-陶瓷体系体积密度进行分析,获知（1-x）H3BO3-x PTFE聚合物-陶瓷体积密度随x值增大而上升,但（1-x）H3BO3-x PET和（1-x）H3BO3-x PFA的体积密度却随之下降的变化趋势;依据SEM观测结果,PTFE掺杂量越高,（1-x）H3BO3-x PTFE聚合物-陶瓷孔隙越少,而PET/PFA添加样品的孔隙却增多,这是由于三种聚合物体积密度存在一定差异所致。对于微波介电性能,结合微结构特征分析结果,组分0.5H3BO3-0.5PET在90°C烧结1h具有较低的εr≈2.75、较高的Q×f≈5,238GHz、近零的τf≈+4ppm/°C以及较强的抗潮解能力。3、基于较强抗潮解能力组分下的H3BO3-PE复合材料,设计了一种带通基片集成波导滤波器（中心频率f0～16.3GHz）:通过构建可满足性能要求的滤波器模型,结合TE激励测得的（1-x）H3BO3-x PE（x=0.4）复合基片电磁波流向,采用三维电磁仿真,获得了该类型基片集成波导滤波器在高频、高功率等条件下的结构变化及电磁场分布,模拟结果显示该滤波器复合基片具有良好的微波介电性能、机械性能以及较强的抗干扰能力,即验证了该复合材料可作为高性能介质基片的可行性。
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