【学术聚焦】2025年第35期：微电子学院汪胜祥教授团队在微波介电材料与器件领域取得重要成果

近日，微电子学院汪胜祥教授团队杜康副教授在陶瓷领域国际顶级期刊《Journal of Advanced Ceramics》(中科院一区Top)上发表了题为“Achieving ultra-low thermal expansion and excellent microwave dielectric properties in osumilite-type BaMg₂Al₆Si_9-xGe_xO₃₀ ceramics”的研究成果(https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221146)。武汉纺织大学2023级电子信息专业硕士研究生李成云为论文的第一作者，武汉纺织大学杜康副教授、汪胜祥教授和华中科技大学雷文研究员为论文的共同通讯作者。

通信技术向毫米波甚至太赫兹频段的发展，要求应用于介质谐振器、滤波器、双工器、基板等元器件的微波介质陶瓷满足超低介(ε_r≤ 6)、高品质因数(Q×f)和近零的谐振频率温度系数(τ_f)特性。甚至在集成电路封装基板的应用中，系统对封装基板的热膨胀匹配有严格要求，微波介质陶瓷要具备尽可能小的热膨胀系数(CTE)以应对使用过程中的热匹配失调问题。但绝大部分的低介微波介质陶瓷的τ_f值为较大的负值(约‒60.0ppm/°C)，且其CTE一般也较大(约为10 ppm/℃)，与硅芯片热膨胀系数(约3.2 ppm/℃)不匹配，通过加入第二相调控剂调控其τ_f值和CTE时，第二相调控剂的引入会极大恶化微波介电性能，在现有的微波介质陶瓷中难以协同实现超低ε_r、高Q×f、近零τ_f和超低CTE值。

图 BaMg₂Al₆Si_9-xGe_xO₃₀陶瓷的晶体结构与晶胞参数

针对上述问题，团队聚焦具有[Si/AO₄]四面体六元环结构的大隅石型BaMg₂Al₆Si₉O₃₀基陶瓷，提出基于多面体耦合策略，在特点位点上设计合适的结构优化方案，通过对材料自身晶体结构的调控，协同实现单相大隅石型BaMg₂Al₆Si₉O₃₀基陶瓷的超低ε_r、高Q×f、近零τ_f和超低热膨胀，打破了微波介质陶瓷中微波介电性能和热膨胀系数难以协同优化的难题，率先在致密的BaMg₂Al₆Si_9-xGe_xO₃₀ (x = 1.25)微波介质陶瓷中实现了兼具超低ε_r、高Q×f、近零τ_f和超低热膨胀系数：ε_r = 5.84, Q×f = 32,351 GHz, τ_f = ‒7.27 ppm/°C, CTE = +1.07 ppm/°C (‒150 °C~+274 °C)。该陶瓷在宽温度范围内表现出超低热膨胀特性，打破了致密低介微波介质陶瓷的热膨胀系数纪录，并同时保持了优异的微波介电性能，展现出在高可靠性集成电路封装领域的巨大潜力。

图 BaMg₂Al₆Si_9-xGe_xO₃₀陶瓷的相结构演变与热膨胀系数值

微电子学院汪胜祥教授领衔的智能材料与器件研究团队致力于功能材料与器件的研究，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等上发表多篇论文。