AI數據分析於5G LTCC陶瓷粉體開發之應用(上)：材料世界網

劉子瑜、邱國創 / 工研院材化所

第五代(5G)通信在其傳輸速度方面帶來了新時代，並超越了包括Sub-6和24 GHz在內的高頻頻譜。這種高頻應用趨勢推動了對具有高Q值和低介電常數及溫度穩定材料的需求。高可靠度的器件主要採用低溫共燒陶瓷(LTCC)技術製造，並與天線封裝在一起。然而，目前大部分LTCC陶瓷材料都由國際公司開發和製造，台灣還沒有能力獨立設計和製造高品質的材料。因此，台灣迫切需要發展材料設計能力並自行掌握原材料，以進行5G基礎設施建設。本文中，我們介紹使用數據庫和人工智慧模型等數位工具以數據驅動研發模式來加速LTCC陶瓷材料開發的經驗，利用實驗室累積的實驗數據，我們以機器學習建模幫助找出材料合成的重要因素，並研究了初始評估模型及提供模型應用建議，未來將收集更多的實驗數據來完善模型以提高模型的準確性。

【內文精選】

5G通訊應用對材料的趨勢與要求

因應5G行動寬頻通訊於ICT/IoT、穿戴式電子及綠能等應用需求逐漸顯現，已帶動國內高頻產業如毫米波基板、材料/元件及模組整合等相關市場蓬勃發展。5G系統要能達到10 Gbps以上的資料傳輸速率支援數萬用戶，及大規模的並發連結能力與感測器網路的部署，在覆蓋率、頻譜效率及低延遲性應遠勝於4G。

LTCC材料在微波無線通訊工業中已有長久歷史，過去常使用高介電常數材料作為達成縮小器件尺寸的主要方法，但當元件操作頻段延伸到毫米波範圍，反而兼具高品質因子Q(低介電損耗tanδ，或低Df)及低介電常數(ε，或Dk)特性的材料成為了重要角色。主因為超高頻範圍之介電損耗可經由使用高Q值之材料以大幅降低，同時低介電常數亦能提升訊號傳送速率。此外，欲成為一個頻率穩定的被動元件，亦需具有諧振頻率溫度飄移係數(τf)為零之特性要求。然而，高介電常數材料通常具有高介電損失及較大的正溫度係數，而低損耗材料通常伴隨著低介電常數及負溫度係數，且常用之介電陶瓷材料又具有高的燒結溫度，因此目前市場上缺乏同時具有低溫燒結、低介電、低損耗和低諧振頻率溫度飄移係數之LTCC元件及封裝用材料。

AI數據分析於低介電常數與低損耗之5G LTCC陶瓷粉體開發應用

1. 5G LTCC陶瓷粉體開發策略

為了實現毫米波應用的高可靠性，根據組成的不同通常有三種類型的陶瓷材料系統可用於LTCC技術(圖三)：玻璃結合陶瓷系統、玻璃陶瓷複合材料系統與玻璃陶瓷系統，其中玻璃陶瓷系統為國際上常使用的技術。此系統分類是根據介電常數和玻璃含量百分比來區別。然而，同時滿足低溫燒結、低Dk、低Df的材料是不容易的，關鍵障礙是低Dk和低Df之間的矛盾，其中用於降低燒結溫度和Dk的玻璃往往是介電損耗的主要貢獻者。幸運的是，通過形成具有結晶相的玻璃陶瓷，可以改善其介電損耗特性。圖四為上述三種LTCC材料體系的傳統合成方法，每一種都有其自身的缺點。對於玻璃結合陶瓷系統（圖四(a)），通常使用助熔劑燒結，我們常用的陶瓷具有高Dk所以不容易滿足低Dk的材料需求，並且由於非晶玻璃晶界，電極中的銀顆粒在燒結過程中容易遷移；對於玻璃陶瓷複合材料系統（圖四(b)），通常採用液相燒結，無序的結構和較差的玻璃結晶度會導致較大的介電損失Df，並且常用陶瓷的高Dk不易滿足低Dk的材料需求；而在圖四(c)，對於傳統玻璃陶瓷(微晶玻璃)系統，通常使用液相燒結＋晶化，由於非晶玻璃需要晶化，通常需要較高的燒結溫度，這也導致操作窗口較窄。

圖三、LTCC可能使用的材料系統

圖五說明工研院材化所陶瓷粉體開發策略與傳統玻璃陶瓷的比較。傳統玻璃陶瓷燒結溫度高，在溫度不夠高的低溫下燒結容易產生缺陷，導致結構難以控制，最終介電損耗高，而採用這種方式的產品通常使用頻率<10 GHz。與現有主流使用固相反應法製備的玻璃陶瓷系統不同，我們於開發過程中提出了更均勻結構的玻璃陶瓷材料系統，藉由合成具有主相與輔相結構的玻璃，開發具有低Dk和低Df的均質晶體材料，以滿足所需的規格---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。