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新型陶瓷——陶瓷介质滤波器

 发布时间:2019-09-17 点击:载入中...

新型陶瓷——陶瓷介质滤波器

    新型陶瓷材料,作为新材料领域的重要分支,逐步成为许多高技术领域发展的重要关键材料,受到各工业发达国家的极大关注,下面将为大家介绍一款陶瓷新型材料,陶瓷介质滤波器。

一.陶瓷介质滤波器
    介质滤波器(英文Dielectric filter)利用介质陶瓷材料的低损耗、高介电常数、频率温度系数和热膨胀系数小、可承受高功率等特点设计制作的,由数个长型谐振器纵向多级串联或并联的梯形线路构成。
介质滤波器是一种采用介质谐振腔经过多级耦合而取得选频作用的微波滤波器。进入21世纪后,介质滤波器经过理论和实践方面的长期积累,逐渐从实验室走向生产线。由于介质滤波器具有小型化、低损耗和温度特性好等优点,所以在移动通信和微波通信等系统中得到了广泛应用。其特点是插入损耗小、耐功率性好、带宽窄,特别适合CT1,CT2,900MHz,1.8GHz,2.4GHz,5.8GHz,便携电话、汽车电话、无线耳机、无线麦克风、无线电台、无绳电话以及一体化收发双工器等的级向耦合滤波。介质滤波器的表面覆盖着切向电场为零的金属层,电磁波被限制在介质内,形成驻波振荡,其几何尺寸约为波导波长的一半。材料一般采用相对介电常数为60~80之间的陶瓷,实际应用于无线通信中的介质陶瓷滤波器尺寸在厘米级。介质滤波器的主要优点是功率容量大,插入损耗低,但存在两大缺点:第一,体积较大,在厘米量级,与集成电路相比占用了系统很大的体积;第二,介质滤波器一般是分立器件,无法与信号处理电路进行集成,而且由滤波器到信号处理芯片需要经过一条不可忽略的传输线,必须进行阻抗匹配,不但结构复杂而且造成一定的信号衰减。介质滤波器是由若干个介质谐振器耦合而成的。金属空腔谐振器的主要损耗来自导体的损耗,介质器用介质(如微波陶瓷)取代金属导体,能够把电磁场限制于谐振腔之内,因此具有较高的Q值。目前,陶瓷介质材料的相对介电常数约为39,大到可以做到90以上。因此,使用陶瓷介质材料作谐振器,可以大大缩减滤波器的体积和质量,并且不会降低滤波器的性能。
二.陶瓷介质滤波器的应用
     滤波器,基站选频的眼睛:基站可狭义地理解为一个无线电收发信电台。一般基站有属于自己的明确的工作频段,因此基站必须有选择各种频率信号来进行收发的能力。滤波器的主要功能就是帮助基站实现选频,即通过需要的频率信号,而抑制不需要或者有害的频率信号。5G时代对滤波器用量的提升就对器件尺寸和发热性能提出了严格的要求。陶瓷介质滤波器凭借其尺寸优势在Massive MIMO(大规模天线技术) 天线中有望得到大规模应用。而5G 的另一个技术趋势是微型基站,是实现毫米波信号覆盖和高连接密度的关键。毫米波的应用使基站天线尺寸降低至毫米量级,使得传统基站有了小型化的可能,同时也对滤波器的体积和功耗提出了更高的要求。另一方面频率提升对滤波器尺寸提出更高要求,小型化趋势利好介质滤波器。滤波器的原理是使用不同尺寸的谐振杆或陶瓷基块来让特定频率的电磁波在其中来回反射形成驻波。滤波器的尺寸与谐振频率、滤波器材质的相对介电常数有关,谐振频率越高、相对介电常数越大,滤波器尺寸越小。通常情况下,谐振器或介质滤波器的尺寸和波长在一个数量级。随着频段提升尤其是毫米波开始投入使用,相应的毫米波基站所使用的滤波器的尺寸也将缩小,这对于需要装配的同轴腔体滤波器来说是不小的挑战,而一体化的陶瓷介质滤波器则更具备优势。在过去的4G时代里面,主要使用的是同轴腔体,滤波器,虽然说成本较低,工艺精湛,因而成为主流,可是这个技术在5g时代却不能满足5g传输的需求。5g因为需要集成大量的电子元器,所以,滤波器需要更滤波加的小心以及集成。因此体积小,能够传输上减少损耗,频率稳定,可承受高功率特点的陶瓷介质滤波器应运而生;介质滤波器中的电磁波谐振就发生在介质材料内部,没有金属腔体,体积较小。而且使用的陶瓷介质材料介电常数大,Q值高,选频特性好,工作频率稳定性好,损耗小,同时具有较高的带外抑制。随着5G时代来临,为了减少远距离传输造成的高频信号快速衰减,对元器件空间利用率要求较高的小基站即将大量建设,因此这种体积小、性能优良的介质滤波器将极具发展潜力。
三.陶瓷滤波器的市场情况
     5G基站向着小型化、轻量化和高集成化发展,Massive MIMO(大规模天线)技术使得天线的数量倍数增长,通道数达64甚至128个,因此对于滤波器的需求量将大量增加,因此,陶瓷介质滤波器凭借高Q值,低插损,高介电,小尺寸、轻量化和低成本的优势,成为5G基站滤波器的主流。目前,四大基站终端中,华为和爱立信倾向于陶瓷介质滤波器,中兴和诺基亚目前仍以小型化金属腔体滤波器为主,未来将向陶瓷介质滤波器过渡,陶瓷滤波器的市场份额将不断提升。据研究机构预测,5G时代全球基站数将近850万台,按每个基站3面天线,每面天线64个滤波器估算,介质滤波器需求16亿只,陶瓷介质滤波器全球市场容量约566亿元。陶瓷介质滤波器市场巨大,然而目前能够实现量产供货的企业并不是很多,这是因为陶瓷介质滤波器的开发生产存在技术壁垒,移动通信技术的持续升级,滤波器生产商需要具备快速响应和快速研发的能力,资金的投入以及设备终端的审核认证周期等因素。目前,陶瓷介质滤波器处于供不应求的状态,产能尚未能满足市场需求,滤波器企业正在终端需求的推动下在做产能的扩充。陶瓷介质滤波器将占有5G基站滤波器的主要市场,为迎接5G新机遇,多家滤波器厂商纷纷布局陶瓷介质滤波器;如:张家港灿勤,深圳大富科技,武汉凡谷,深圳国人通信,广东国华新材,深圳摩比通信,广东通宇通信,东莞粤博电子,深圳顺络电子,潮州三环股份,苏州艾福电子,嘉兴佳利电子,浙江嘉康电子,中电德清华萤,江苏江佳电子,重庆思睿创磁电科技,河北中磁电子,深圳粤凌电子等等企业都已经在开始积极布局陶瓷介质滤波器。
四.制备工艺
     虽然很多企业都在积极布局陶瓷介质滤波器,但是陶瓷滤波器并非一次成型,生产过程所需的设备较多,对于设备的选择都有要求,因此陶瓷滤波器的巨大市场需求对于设备厂商来说既是一场新机遇,也是一个新挑战。

下面就制备工艺做一个简单的介绍:如下图




1.配料:根据配方设定各种原材料的比例进行配料;

2.混料:将配料进行准确的称重后倒入指定容器放入混料机,并根据不同的配方加入不同比例的去离子水;
3.干燥预烧:将混料后的物料放入烘箱中进行低温烘干(200℃左右);干燥后的物料放入隧道炉内进行预烧,预烧的温度在1100-1200℃范围内;
4.混料和球磨:将预烧后的物料放入到球磨机中,利用磨球与粉料在球磨腔体内告诉翻滚,对粉料产生强力的剪切,冲击,碾压,达到粉碎,分散,乳化粉料的目的;
5.喷雾造粒:在经过球磨机压碎的物料里面加入聚乙烯醇(粘合剂),在全封闭的喷雾造粒机中进行喷雾造粒,目的是使材料形成均匀的小颗粒;
6.干压成型:将造粒好的粉料用模具进行干压成型;对于不能一次性成型的产品,需要增加CNC的工序进行压制成型;

7.烧结:将干压成型后的陶瓷胚放入烧结炉内,以3-5℃/min的升温速率,在1100-1700℃范围内,经过8-40小时的烧结,形成陶瓷胚件;

8.双面磨削:将烧结成型后的陶瓷胚件进采用绿软砂和水进行双面磨削至准确胚件的尺寸;

9.清洗:将磨削成准确尺寸的陶瓷胚件进行清洗(清洗液成分未知),去掉表面残留的颗粒和粉料;

10.表面金属化(批银工艺):将银浆采用滴孔,喷涂,丝网印刷或浸银的方式将银浆附着到陶瓷配胚件的表面,银浆喷涂完成后,将产品放入到700-900℃的烧银炉(网带炉,烧结气氛:CDA)进行10-200分钟的烧结,将银浆固化在陶瓷件上面;银浆的涂覆方式有喷涂模式,点银模式以及丝网印刷模式;

快速网带炉

11.制电极:在进行过金属化后的陶瓷件上面采用激光机进行激光电极以及数控钻床进行电机加工,通过激光光源或者钻头打磨将电极处的银层去掉;

12.清洗烘干:将合格的电极陶瓷件进行清洗和烘干;

鼓风干燥箱

13.焊接组装:将烘干后的产品进行SMT焊装,用锡膏进行回流焊接或手工焊装和分板;
14.调频测试:通过网络分析进行调频测试或激光调试;
15.标志:对于调试合格的产品进行标识和张贴条码和品比膜;
16.终测:进行最终测试;类似于出货前的检测;
17.包装:包装出货。

介质陶瓷滤波器的图片


在整个陶瓷介质滤波器生产过程中,涉及到设备很多,主要有:喷雾造粒设备,球磨机,磨砂机,压模机,精雕机,磨片机,烘箱,干燥炉,烧银炉,覆银设备,贴片机,超声波清洗机等等等等相关的设备,而真萍科技可满足工艺流程所具备的专业设备,可以使陶瓷介质滤波器更好的运用在5G科技中,为世界打开新的大门。


*文章仅为个人观点,不作为具体技术参考。具体细节请咨询技术人员。

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