武漢紡織大學(xué)微電子學(xué)院汪勝祥教授團(tuán)隊在微波介電材料與器件領(lǐng)域取得重要成果
近日，微電子學(xué)院汪勝祥教授團(tuán)隊杜康副教授在陶瓷領(lǐng)域國際頂級期刊《Journal of Advanced Ceramics》(中科院一區(qū)Top)上發(fā)表了題為“Achieving ultra-low thermal expansion and excellent microwave dielectric properties in osumilite-type BaMg2Al6Si9-xGexO30 ceramics”的研究成果(https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221146)。武漢紡織大學(xué)2023級電子信息專業(yè)碩士研究生李成云為論文的第一作者，武漢紡織大學(xué)杜康副教授、汪勝祥教授和華中科技大學(xué)雷文研究員為論文的共同通訊作者。 
通信技術(shù)向毫米波甚至太赫茲頻段的發(fā)展，要求應(yīng)用于介質(zhì)諧振器、濾波器、雙工器、基板等元器件的微波介質(zhì)陶瓷滿足超低介(εr≤ 6)、高品質(zhì)因數(shù)(Q×f)和近零的諧振頻率溫度系數(shù)(τf)特性。甚至在集成電路封裝基板的應(yīng)用中，系統(tǒng)對封裝基板的熱膨脹匹配有嚴(yán)格要求，微波介質(zhì)陶瓷要具備盡可能小的熱膨脹系數(shù)(CTE)以應(yīng)對使用過程中的熱匹配失調(diào)問題。但絕大部分的低介微波介質(zhì)陶瓷的τf值為較大的負(fù)值(約?60.0ppm/°C)，且其CTE一般也較大(約為10 ppm/℃)，與硅芯片熱膨脹系數(shù)(約3.2 ppm/℃)不匹配，通過加入第二相調(diào)控劑調(diào)控其τf值和CTE時，第二相調(diào)控劑的引入會極大惡化微波介電性能，在現(xiàn)有的微波介質(zhì)陶瓷中難以協(xié)同實現(xiàn)超低εr、高Q×f、近零τf和超低CTE值。
圖 BaMg2Al6Si9-xGexO30陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)與晶胞參數(shù)
針對上述問題，團(tuán)隊聚焦具有[Si/AO4]四面體六元環(huán)結(jié)構(gòu)的大隅石型BaMg2Al6Si9O30基陶瓷，提出基于多面體耦合策略，在特點位點上設(shè)計合適的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，通過對材料自身晶體結(jié)構(gòu)的調(diào)控，協(xié)同實現(xiàn)單相大隅石型BaMg2Al6Si9O30基陶瓷的超低εr、高Q×f、近零τf和超低熱膨脹，打破了微波介質(zhì)陶瓷中微波介電性能和熱膨脹系數(shù)難以協(xié)同優(yōu)化的難題，率先在致密的BaMg2Al6Si9-xGexO30 (x = 1.25)微波介質(zhì)陶瓷中實現(xiàn)了兼具超低εr、高Q×f、近零τf和超低熱膨脹系數(shù)：εr = 5.84, Q×f = 32,351 GHz, τf = ?7.27 ppm/°C, CTE = +1.07 ppm/°C (?150 °C~+274 °C)。該陶瓷在寬溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出超低熱膨脹特性，打破了致密低介微波介質(zhì)陶瓷的熱膨脹系數(shù)紀(jì)錄，并同時保持了優(yōu)異的微波介電性能，展現(xiàn)出在高可靠性集成電路封裝領(lǐng)域的巨大潛力。
圖 BaMg2Al6Si9-xGexO30陶瓷的相結(jié)構(gòu)演變與熱膨脹系數(shù)值
微電子學(xué)院汪勝祥教授領(lǐng)銜的智能材料與器件研究團(tuán)隊致力于功能材料與器件的研究，近期已在Advanced Materials、Laser & Photonics Reviews、Journal of Advanced Ceramics、Applied Physics Letters、Journal of the European Ceramic Society、ACS Applied Materials &Interfaces等上發(fā)表多篇論文。
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