【儀表網 研發快訊】近日，微電子學院汪勝祥教授團隊杜康副教授在陶瓷領域國際頂級期刊《Journal of Advanced Ceramics》(中科院一區Top)上發表了題為“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2023級電子信息專業碩士研究生李成云為論文的第一作者，武漢紡織大學杜康副教授、汪勝祥教授和華中科技大學雷文研究員為論文的共同通訊作者。
通信技術向毫米波甚至太赫茲頻段的發展，要求應用于介質諧振器、濾波器、雙工器、基板等元器件的微波介質陶瓷滿足超低介(εr≤ 6)、高品質因數(Q×f)和近零的諧振頻率溫度系數(τf)特性。甚至在集成電路封裝基板的應用中，系統對封裝基板的熱膨脹匹配有嚴格要求，微波介質陶瓷要具備盡可能小的熱膨脹系數(CTE)以應對使用過程中的熱匹配失調問題。但絕大部分的低介微波介質陶瓷的τf值為較大的負值(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(約3.2 ppm/℃)不匹配，通過加入第二相調控劑調控其τf值和CTE時，第二相調控劑的引入會極大惡化微波介電性能，在現有的微波介質陶瓷中難以協同實現超低εr、高Q×f、近零τf和超低CTE值。
圖 BaMg2Al6Si9-xGexO30陶瓷的晶體結構與晶胞參數
針對上述問題，團隊聚焦具有[Si/AO4]四面體六元環結構的大隅石型BaMg2Al6Si9O30基陶瓷，提出基于多面體耦合策略，在特點位點上設計合適的結構優化方案，通過對材料自身晶體結構的調控，協同實現單相大隅石型BaMg2Al6Si9O30基陶瓷的超低εr、高Q×f、近零τf和超低熱膨脹，打破了微波介質陶瓷中微波介電性能和熱膨脹系數難以協同優化的難題，率先在致密的BaMg2Al6Si9-xGexO30 (x = 1.25)微波介質陶瓷中實現了兼具超低εr、高Q×f、近零τf和超低熱膨脹系數：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表現出超低熱膨脹特性，打破了致密低介微波介質陶瓷的熱膨脹系數紀錄，并同時保持了優異的微波介電性能，展現出在高可靠性集成電路封裝領域的巨大潛力。
圖 BaMg2Al6Si9-xGexO30陶瓷的相結構演變與熱膨脹系數值
微電子學院汪勝祥教授領銜的智能材料與器件研究團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等上發表多篇論文。
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