關(guān)鍵詞：5G高導(dǎo)熱絕緣透波低介電材料，氮化硼材料

導(dǎo)語(yǔ)：5G時(shí)代巨大數(shù)據(jù)流量對(duì)于通訊終端的芯片、天線等部件提出了更高的要求，器件功耗大幅提升的同時(shí)，引起了這些部位發(fā)熱量的急劇增加。BN氮化硼散熱膜是當(dāng)前5G射頻芯片、毫米波天線、AI、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域最為有效的散熱材料，具有不可替代性。

致力于解決當(dāng)前我國(guó)電子封裝及熱管理領(lǐng)域面臨的瓶頸技術(shù)問(wèn)題，建立了國(guó)際先進(jìn)的熱管理解決方案及相關(guān)材料生產(chǎn)技術(shù)，是國(guó)內(nèi)低維材料技術(shù)領(lǐng)域頂尖的創(chuàng)新型研發(fā)團(tuán)隊(duì)。本產(chǎn)品是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)自主研發(fā)的高質(zhì)量二維氮化硼納米片，成功制備了大面積、厚度可控的二維氮化硼散熱膜，具有透電磁波、高導(dǎo)熱、高柔性、低介電系數(shù)、低介電損耗等多種優(yōu)異特性,解決了當(dāng)前我國(guó)電子封裝及熱管理領(lǐng)域面臨的“卡脖子”問(wèn)題，擁有國(guó)際先進(jìn)的熱管理TIM解決方案及相關(guān)材料生產(chǎn)技術(shù)，是國(guó)內(nèi)低維材料技術(shù)領(lǐng)域頂尖的創(chuàng)新型高科技產(chǎn)品。

產(chǎn)品的應(yīng)用方向?yàn)?G通訊絕緣熱管理，主要目標(biāo)市場(chǎng)可分為終端設(shè)備，智能工業(yè)，及新能源汽車三大板塊。5G技術(shù)是近年來(lái)最受矚目的關(guān)鍵科技，也是國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)發(fā)展的核心產(chǎn)業(yè)之一。隨著5G商用，工業(yè)4.0、智慧城市、無(wú)人駕駛等科技建設(shè)的推進(jìn)，該項(xiàng)目已經(jīng)初步形成了萬(wàn)億的市場(chǎng)規(guī)模，并持續(xù)快速發(fā)展。

5G通信系統(tǒng)毫米波天線的介紹

眾所周知，5G將會(huì)擁有低頻段和毫米波兩個(gè)頻段，而毫米波的波長(zhǎng)很短損耗很大，所以在5G通信里面，我們必須解決這一問(wèn)題。第一個(gè)方案是，襯底集成天線（substrateintegrated antenna，即SIA）。這種天線主要基于兩個(gè)技術(shù)：空波導(dǎo)傳輸?shù)臅r(shí)候介質(zhì)帶來(lái)的損耗很小，所以可以用空波導(dǎo)來(lái)進(jìn)行饋源傳輸。但這存在幾個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槭强諝獠▽?dǎo)，尺寸非常大，而且無(wú)法和其它電路集成，所以比較適合高功率、大體積的應(yīng)用場(chǎng)景；另一個(gè)是微帶線技術(shù)，它可以大規(guī)模生產(chǎn)，但它本身作為傳輸介質(zhì)的損耗很大，而且很難構(gòu)成大規(guī)模天線陣列。

基于這兩個(gè)技術(shù)就可以產(chǎn)生襯底集成的波導(dǎo)技術(shù)。這一技術(shù)最早由日本工業(yè)界提出來(lái)，他們?cè)?998年發(fā)表了第一篇關(guān)于介質(zhì)集成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)論文，提到了在很薄的介質(zhì)襯底上實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)，用小柱子擋住電磁波，避免沿著兩邊擴(kuò)。這不難理解，當(dāng)兩個(gè)小柱子的間距小魚(yú)四分之一波長(zhǎng)的時(shí)候，能量就不會(huì)泄露出去，這就可以形成高效率、高增益、低輪廓、低成本、易集成、低損耗的天線。利用這一技術(shù)在LTCC上做出來(lái)的60GHz的天線，增益達(dá)到了25dB，尺寸8×8單元。這一方案是適合于毫米波在基站上的應(yīng)用，在移動(dòng)終端上有另外一種方案。第二個(gè)解決方案是把天線設(shè)計(jì)在封裝（package integrated antenna，即PIA）。因?yàn)樘炀€在芯片上最大的問(wèn)題就是損耗太大，而且芯片本身的尺寸很小，把天線設(shè)計(jì)進(jìn)去會(huì)增加成本，所以在工程上幾乎無(wú)法得到大規(guī)模應(yīng)用。如果用封裝（尺寸比芯片大）作為載體來(lái)設(shè)計(jì)天線，不僅能設(shè)計(jì)出單個(gè)天線，還能設(shè)計(jì)天線陣列，這就避免了硅上直接做天線在體積、損耗和成本上的限制。

另外有一點(diǎn)需要注意的問(wèn)題是，能否用PCB板做天線？答案是肯定的。關(guān)鍵的瓶頸并不是材料自身，而是材料帶來(lái)的設(shè)計(jì)問(wèn)題和加工上的問(wèn)題。不過(guò)PCB只適合在60GHz以下的頻段，在60GHz以后推薦用LTCC，但到200GHz后，LTCC也存在瓶頸。未來(lái)天線必須要和系統(tǒng)一起設(shè)計(jì)而不是單獨(dú)設(shè)計(jì)，甚至可以說(shuō)天線將會(huì)成為5G的一個(gè)瓶頸，如果不突破這一瓶頸，系統(tǒng)上的信號(hào)處理都無(wú)法實(shí)現(xiàn)，所以天線已經(jīng)成為5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。天線不只是一個(gè)輻射器，它有濾波特性、放大作用、抑制干擾信號(hào)，它不需要能量來(lái)實(shí)現(xiàn)增益，因此天線不僅僅是一個(gè)器件。

5G毫米波集成天線一體化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的介紹

一

5G毫米波集成天線

作為5G大規(guī)模多輸入/多輸出( MIMO) 的技術(shù)支持，毫米波天線集成技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高分辨數(shù)據(jù)流、移動(dòng)分布式計(jì)算等應(yīng)用場(chǎng)景的關(guān)鍵技術(shù)。討論了封裝天線(AiP) 、片上天線( AoC) 、混合集成等毫米波天線集成技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r、關(guān)鍵技術(shù)及其解決方案，剖析了幾種典型集成天線技術(shù)，分析了技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，總結(jié)了5G毫米波集成天線一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。比如：針對(duì)生命體征監(jiān)測(cè)和姿勢(shì)識(shí)別，IMEC開(kāi)發(fā)了一款帶有片上天線的140GHz FMCW雷達(dá)收發(fā)器。雷達(dá)的工作范圍為0.15米至10米，分辨率為11毫米，射頻帶寬為13GHz，中心頻率為145GHz，收發(fā)器IC采用28nm模塊CMOS技術(shù)制造，可實(shí)現(xiàn)低成本的解決方案。

二

毫米波集成天線技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的探討

毫米波半導(dǎo)體是第五代移動(dòng)通信技術(shù)( 5G ) 的基礎(chǔ)器件，采用毫米波頻率進(jìn)行定向通信的技術(shù)是5G預(yù)期配置的關(guān)鍵技術(shù)之一。毫米波的頻率范圍為30～300 GHz。目前研究的波段范圍有28 GHz頻段、 38 GHz頻段、 60 GHz頻段和E頻段( 71 ～ 76 GHz、 81～86 GHz) 。5G技術(shù)將通信頻段移向比第四代移動(dòng)通信技術(shù)(4G) 高得多的毫米波頻率。5G的頻譜帶寬較4G會(huì)有10倍至20倍的提升，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可以提高20倍，且天線陣列和基站設(shè)備的尺寸更小、成本更低。在毫米波頻段中， 28 GHz頻段、 60 GHz頻段是最有希望應(yīng)用于5G的兩個(gè)頻段。

作為收發(fā)ＲF信號(hào)的無(wú)源器件，天線決定了通信質(zhì)量、信號(hào)功率、信號(hào)帶寬、連接速度等通信指標(biāo)，是通信系統(tǒng)的核心。如何增加頻譜數(shù)據(jù)吞吐量是從4G 到5G的重大挑戰(zhàn)。5G的關(guān)鍵技術(shù)為大規(guī)模多輸入、多輸出( MIMO )的集成毫米波天線技術(shù)。每一個(gè)MIMO信道有著自身的從接收天線、發(fā)射天線到微處理器的信號(hào)通路。接收信道的作用是實(shí)現(xiàn)從天線接收ＲF 信號(hào)到輸入采樣基帶頻率的下變頻， 以及模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換等功能。發(fā)射信道的功能是將上變頻后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬ＲF信號(hào)?？s小尺寸是5G天線的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。最小的基站天線尺寸將縮小到信用卡大小，這會(huì)增大毫米波天線及電路在集成度、低功耗和連接方面的要求。提升功率密度是5G天線的另一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

多天線系統(tǒng)集成是應(yīng)對(duì)5G系統(tǒng) MIMO 、縮小尺寸、提升功率密度等挑戰(zhàn)的重點(diǎn)技術(shù)之一。由于SiGe和 CMOS ＲF集成電路已經(jīng)達(dá)到高的fT、 fmax和高的集成密度，能采用CMOS、 SOI和SiGe工藝來(lái)設(shè)計(jì)大規(guī)模全集成硅毫米波相控陣電路。基于全ＲF結(jié)構(gòu)、 8～32元的發(fā)射( Tx ) 、接收( Ｒx ) 或收/發(fā)( T/ Ｒ) 模式已成功用于45～110 GHz頻段。硅集成方案可以在同一芯片上集成多個(gè)元件。與GaAs和InP等 Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體技術(shù)相比較，硅基技術(shù)具有更高的集成度和更低的成本。硅相控陣芯片在毫米波領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。該項(xiàng)技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)是，在信號(hào)鏈單元上的ＲF功率放大器、低噪聲接收機(jī)放大器、 A/D轉(zhuǎn)換器或D/A轉(zhuǎn)換器都需要很大的效率提升。

無(wú)線通信和傳感器系統(tǒng)均可以通過(guò)ＲF系統(tǒng)提高集成度和采用新封裝技術(shù)的方法來(lái)提高性能。目前實(shí)現(xiàn)前端電路和集成天線的方案有三種。第一種為天線封裝( AiP ) 技術(shù)，天線采用IC封裝工藝制作。第二種為芯片上天線( AoC) 技術(shù)，天線直接在 硅襯底上制作。第三種為AiP和AoC的混合技術(shù)，天線饋電點(diǎn)制作在芯片上，輻射元件在片外實(shí)現(xiàn)。AiP技術(shù)中，芯片和天線的互連在某個(gè)頻率范圍內(nèi)應(yīng)該達(dá)到信號(hào)傳輸?shù)挠行?，其主要的封裝工藝有引線鍵合工藝和倒裝芯片工藝。但是，器件在高頻時(shí)的損耗較大，成本將升高。

1、相控陣接收機(jī)的結(jié)構(gòu)

硅毫米波相控陣技術(shù)在5G通信中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。多家公司采用SiGe 和CMOS工藝來(lái)制作IC，其工作頻率已達(dá)60～100GHz。例如，北美豐田研究所研制了一種具有ＲF波束形成能力的SiGe單芯片汽車相控陣接收機(jī)［1］，如圖1所示。

汽車相控陣接收機(jī)采用低成本的鍵合線技術(shù)進(jìn)行封裝，并與16元線性微帶陣列連接。該天線在77～ 81 GHz頻率的指向性為29. 3 dB，增益為28 dB，每步( 1°) 在方位角平面中能掃描到±50°。該芯片中，平面相控陣天線陣列間距只有0.5λ( λ=3. 75 mm，頻率80 GHz 以下) ，這個(gè)參數(shù)對(duì)于可用面積很小的毫米波電路尤其重要。這種相陣列需要盡可能多地在SiGe或者CMOS芯片上集成更多電路，不僅包括移相器和VGA，而且包括全部的發(fā)射/接收電路、功率合成網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字與SPI控制、偏置電路，某些情況下還包括完整的上/下轉(zhuǎn)換器。

圖1毫米波汽車相控陣接收機(jī)

2、天線集成技術(shù)

目前， 60 GHz封裝的天線和片上天線均使用商用電磁仿真軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于混合解決方案，已開(kāi)發(fā)出補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)IC設(shè)計(jì)工具的建模方法，以實(shí)現(xiàn)引線鍵合與 IC 的協(xié)調(diào)集成。AiP技術(shù)需要確保整體性能的IC與天線間的寬帶低損耗互連設(shè)計(jì)。AoC技術(shù)需要先進(jìn)的后處理步驟或封裝工藝，以減少嚴(yán)重的介電損耗?；旌咸炀€集成技術(shù)則融合了AiP和AoC的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)高輻射效率，無(wú)需芯片與封裝的低損耗互連設(shè)計(jì)。但是，該方案的設(shè)計(jì)靈活性不高，且在寬側(cè)方向上呈現(xiàn)輻射零點(diǎn)，阻止了其在某些場(chǎng)合的應(yīng)用。

2. 1 AiP技術(shù)

2. 1. 1結(jié)構(gòu)

AiP技術(shù)是將一元或多元天線集成到ＲF封裝內(nèi)的關(guān)鍵技術(shù)，其典型方案是采用集成電路封裝工藝。在硅毫米波收發(fā)器中，封裝內(nèi)集成了天線陣列，有助于提供足夠的信號(hào)增益，實(shí)現(xiàn)尺寸最小化。這種工藝是毫米波ＲF集成方案規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵技 術(shù)。例如，30 GHz天線元的尺寸為毫米量級(jí)，在單個(gè)封裝內(nèi)需要采用新類型的天線陣列集成技術(shù)。具有光束轉(zhuǎn)向功能的微小相控陣天線是毫米波無(wú)線電的關(guān)鍵器件［2］。為了在收發(fā)器封裝內(nèi)集成天線陣列，需要考慮芯片組裝方案、陣列元和饋電網(wǎng)絡(luò)、芯片與封裝互連、封裝材料等。如果收發(fā)器采用多層封裝，需要在芯片與天線之間采用先進(jìn)的互連技術(shù)，滿足天線饋電插入損耗最小的要求。芯片可以放置 在封裝正面，也可以放置在封裝底部。

將芯片放置在封裝底部的方案對(duì)芯片接收和發(fā)射的影響最小。一種可用于5G無(wú)線通信的有機(jī)芯片封裝中的相控陣毫米波天線如 圖2所示。為了提高天線帶寬、增益和輻射效率，在一個(gè)厚的覆板上放置了一個(gè)寄生平面結(jié)構(gòu)，構(gòu)成一個(gè)雙貼片天線疊層。為了達(dá)到優(yōu)化ＲF設(shè)計(jì)和制造的目標(biāo)，對(duì)封裝層疊片和低介電常數(shù)材料的參數(shù)作了優(yōu)化選擇，如表1所示。

表1天線陣列設(shè)計(jì)要求

2. 1. 2設(shè)計(jì)與制造

在AiP設(shè)計(jì)中，除了波束形成、信號(hào)放大和具有頻率轉(zhuǎn)換功能的相控陣IC外，具有極化特性的天線也是天線陣列的關(guān)鍵器件。在最早的硅基毫米波IC設(shè)計(jì)發(fā)展階段，天線設(shè)計(jì)采用襯底、形狀和成本與硅基毫米波IC兼容的技術(shù)［3］。目前，已有多種頻率的硅襯底片上毫米波天線，但由于面積較大、發(fā)射效率有限，在100 GHz以上的天線才有研究?jī)r(jià)值。在60 GHz頻率內(nèi)，在液晶聚合物( LCP) 、有機(jī)高密度互連襯底、玻璃襯底、高/低溫共燒陶瓷襯底、硅襯底和模制物料基晶圓級(jí)襯底等材料上制作的硅相控陣天線陣列已被報(bào)道。通常需要對(duì)AiP陣列的增益、帶寬和輻射圖形進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，需要考慮襯底材料、陣列尺寸(即元件和貼片的數(shù)量) 、互連靈活性(如連接電源和控制信號(hào)) 、熱性能與機(jī)械性能的相容性、 IC組裝和板集成等因素。

一種新的天線與 IC/載體結(jié)構(gòu)如圖3所示［4］。天線結(jié)構(gòu)通過(guò)PCB板制作于厚度為T的介質(zhì)襯底上，并懸空倒置，翻轉(zhuǎn)在IC/載體之上。IC封裝基的地也作為天線的鏡像地，天線與地的間距為H。該結(jié)構(gòu)中，天線與地板之間具有非常低的介電常數(shù)，天線結(jié)構(gòu)之上有一層具有較高介電常數(shù)的覆板材料。在保持高天線效率的前提下，相比于標(biāo)準(zhǔn)PCB天線結(jié)構(gòu)，這種堆疊結(jié)構(gòu)具有更高的帶寬。一個(gè)帶有焊球的墊片可以放置在天線覆板的另一端，作為支撐。

圖3天線與IC/載體結(jié)構(gòu)

AiP設(shè)計(jì)中通常采用集成電路封裝工藝進(jìn)行封裝，需要將天線與片上電路進(jìn)行物理連接。低溫共燒陶瓷( LTCC) 工藝可實(shí)現(xiàn)任意數(shù)量層的安裝結(jié)構(gòu)， 具有跨層過(guò)孔、層間形成開(kāi)放腔或密閉腔(IC 可集成于此) 等靈活性。采用該工藝封裝的毫米波天線越來(lái)越受到關(guān)注［5］。有些方案采用傳統(tǒng)的鍵合線、 倒裝芯片和C4焊接等工藝。例如， 60 GHz硅相控陣芯片封裝需要有芯片與天線間低損耗分布網(wǎng)絡(luò)的多層毫米波襯底，必須是多層低損耗的Teflon基或 LTCC 基，成本昂貴。因此，典型的硅相控陣AiP可以達(dá)到30 ～ 60 GHz頻率［6］，達(dá)到80 GHz的難度更大。

較之LTCC封裝方案，印刷電路板( PCB) 封裝方案可以降低成本。有采用PCB等較低成本高頻電路材料制成多層安裝結(jié)構(gòu)的封裝方案，如ＲO3000系列和ＲO4000系列［7-8］的封裝。還有采用液晶聚合物作為基板的低成本方案。但由于使用盲孔或埋孔，層的數(shù)量增多，會(huì)導(dǎo)致PCB技術(shù)的機(jī)械制造成本升高。另外， PCB工藝在極高頻段實(shí)現(xiàn)高密度化的難度增加，這將嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能，導(dǎo)致效率降低。因此， LTCC工藝是大多數(shù)多層結(jié)構(gòu)陣列的選擇，采用該工藝方案的天線性能有改善。

2. 2 AoC技術(shù)

2. 2. 1片上天線

片上天線是采用片上金屬化連線工藝集成制作的天線。在芯片上直接集成和組合天線的制作方法是太赫茲通信器件研究最少的領(lǐng)域之一。在當(dāng)前技術(shù)條件下，由于襯底吸收和傳導(dǎo)電流等原因，消除ＲF電路與天線間所有的連接會(huì)使得設(shè)計(jì)成本大幅 降低，設(shè)計(jì)更加靈活。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，由于沒(méi)有介電鏡( Dielectric Lenses) 補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，片上天線對(duì)于消費(fèi)類的小功率器件并不是最佳結(jié)構(gòu)。雖然典型片上天線的效率只能達(dá)到10%，但如果能在片上設(shè)計(jì)并制造出亞毫米天線( 采用選頻性質(zhì)的表面［9］或者Yagi高方向性的天線［10］) ，則會(huì)帶來(lái)成本大幅降低和設(shè)計(jì)靈活性大幅增加的優(yōu)勢(shì)，這會(huì)超過(guò)使用效率更高、但昂貴且復(fù)雜的片下天線的優(yōu)勢(shì)，從而增加了應(yīng)用的可能性。

隨著載波頻率和帶寬移向亞太赫茲，高寬帶和高載波頻率使得金屬引線變得不穩(wěn)定，片上天線被認(rèn)為是替代印刷板上芯片金屬互連的方法之一。除了片上天線，片上波導(dǎo)和硅穿孔( TSV) 波導(dǎo)也是亞太赫茲頻段大帶寬應(yīng)用中替代金屬連線的有前景的技術(shù)。片上天線的成功實(shí)現(xiàn)將會(huì)使得高集成度收發(fā)器、60 GHz 空間電源組合和更高頻率毫米波系統(tǒng)等眾多應(yīng)用受益。頻率從0. 9GHz［11］到77 GHz［12的多種頻率片上天線已有不少報(bào)道。德國(guó)高性能微電子研究所( IHP) 采用標(biāo)準(zhǔn)SiGe BiCMOS工藝，設(shè)計(jì)并制作了一種130 GHz的片上天線，峰值增益達(dá)到8. 4 dBi。

2. 2. 2 CMOS片上天線

CMOS工藝是 ＲF IC 的一條重要發(fā)展途徑。隨著CMOS管特征頻率( fT) 接近400 GHz［14］， CMOS工藝在毫米波 IC 中得到進(jìn)一步應(yīng)用。文獻(xiàn)［ 15］提 出了一種在CMOS芯片上集成人工磁導(dǎo)體和寬帶窄槽天線的新方法，采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了60 GHz下2 dBi的增益和大于126%的阻抗帶寬。文獻(xiàn)［ 16］采用0. 18 μm CMOS工藝，制作了一種60 GHz的圓極化環(huán)形天線，具有覆蓋57～67 GHz的模擬和測(cè)量的軸向比( axial ratio， AＲ＜3) 帶寬，增益達(dá)4. 4dBi。文獻(xiàn)［ 17］采用能制作阻抗帶寬為25 GHz ( 45～70 GHz) 的器件的Si CMOS工藝，制作了一種60 GHz寬帶的單極子天線，在60 GHz下實(shí)現(xiàn)了－ 4. 96 dB的增益。文獻(xiàn)［18］提出了一種高增益( 8 dBi 最大增益) 和高效率( 96. 7%峰值天線效率) 的片上天線，采用CMOS 0. 18 μm工藝制作，天線的－ 10 dB帶寬為4 GHz。文獻(xiàn)［19］采用0. 18 μm CMOS工藝，制作了一種60 GHz帶寬的CPW饋電環(huán)形單極子天線。

通常，制作在摻雜硅襯底上的片上天線只有約10%的低效率。但若采用成本較高的封裝天線，可實(shí)現(xiàn)比片上天線更高的效率?？刹捎萌菪?u>耦合等先進(jìn)連接技術(shù)，將成熟、低成本、較少摻雜的襯底上制作的天線芯片與有源60 GHz毫米波ＲF芯片連接起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)比采用標(biāo)準(zhǔn)鍵合工藝的器件高得多的工作頻率范圍。天線可以用低成本的工藝( 如0. 18或0. 35 μm) 和較低摻雜的襯底來(lái)制作，再通過(guò)容性耦合，連接到含60 GHz 功率放大器等有源元件上，而不采用更先進(jìn)工藝［20］。一種通過(guò)容性耦合將天線芯片與有源60 GHz ＲF芯片連接的毫米波集成天線如圖4所示。該天線不僅具有舊工藝的低摻雜濃度、高電阻率所致的低電導(dǎo)性、低損失襯底，而且具有更高效率。制作天線陣列時(shí)，低速有源開(kāi)關(guān)( 如二極管) 可以集成到芯片上，采用分相位無(wú)源饋線來(lái)執(zhí)行元件調(diào)諧、移相和波速控制。

圖4通過(guò)容性耦合將天線芯片與有源60 GHz ＲF芯片 連接的毫米波集成天線

2. 3混合集成毫米波天線

混合集成毫米波天線就是采用專用工藝，將天線與前端 IC 集成在同一封裝中。這種制作技術(shù)是純AiP和AoC的替代技術(shù)?；旌霞商炀€的示意圖如圖5所示［21］。熔融石英襯底上的偶極天線的 一半安裝在片上，另一半安裝在片下。這種結(jié)構(gòu)的天線可以直接連接到片上電子器件。在60 GHz全頻段內(nèi)，當(dāng)增益為6～8 dBi時(shí)，芯片最大輻射效率可達(dá)90%。

圖5混合集成天線概念示意圖

3、毫米波天線集成技術(shù)進(jìn)展

3. 1學(xué)術(shù)界發(fā)展情況

物聯(lián)網(wǎng)(IoT) 和5G要實(shí)現(xiàn)全面互聯(lián)的目標(biāo)，就需要開(kāi)發(fā)不同毫米波頻段的天線，并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)。表2總結(jié)了用于廣域IoT和5G無(wú)線通信的近期文獻(xiàn)中毫米波天線及其性能比較?？梢钥闯觯瑢?shí)用的解決方案仍然較少，多數(shù)方案仍然需要解決結(jié)構(gòu)復(fù)雜、增益減少、效率低和功耗高等問(wèn)題。

60 GHz毫米波段器件將應(yīng)用5G并量產(chǎn)化。片上系統(tǒng)或片上前端小型化系統(tǒng)集成的發(fā)展趨勢(shì)要求在不犧牲輻射效率、帶寬、增益的前提下，AoC器件、AiP器件的成本、尺寸和功耗必須向更小化方向發(fā)展。使用硅IC工藝提供了最大的集成度、低成本和低功耗，表明GaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物工藝并不一定是最佳選擇，尤其是考慮封裝、集成和互連問(wèn)題時(shí)。

表2近期文獻(xiàn)中5G毫米波天線及其性能比較

天線元件通常制作于片下，也可以被完整地集成在單個(gè)芯片上。硅襯底由于介電常數(shù)高、電阻率低，片上集成天線的增益很小、輻射效率很低，可以通過(guò)提高襯底的電阻率來(lái)改善性能。例如制作高性能低成本的SoC時(shí)，將天線和IC集成到高電阻率絕緣層上硅( HＲ SOI) 上。在AiP方案中，為解決毫米波頻率下硅襯底上天線陣列的平面饋電器件插入損耗過(guò)大的問(wèn)題，可采用將天線集成在附加基板上的混合集成創(chuàng)新技術(shù)，充分利用封裝和在這種有限空間內(nèi)的耦合可能性。該方案顯現(xiàn)出較高的設(shè)計(jì)靈活性。

IBM公司在過(guò)去的14年中發(fā)展了ＲFIC和AiP系列: 成像和通信應(yīng)用的具有波束形成和波束掃描能力的性能驅(qū)動(dòng)相控陣( 如60 GHz、 94 GHz和28 GHz相控陣) ，支持便攜裝置的V-波段、W波段和Ka波段毫米波模塊( 如60 GHz單元件、開(kāi)關(guān)波束模塊)［27］。

文獻(xiàn)［ 28］提出一種多層LTCC基板上構(gòu)建的線性極化6 GHz天線陣列。這些陣列使用4×4微帶貼片輻射元件，分別由四分之一波長(zhǎng)匹配的T型接頭網(wǎng)絡(luò)和Wilkinson功率分配器網(wǎng)絡(luò)饋電。測(cè)量結(jié)果表明，由前者饋電的陣列比由后者饋電的陣列表現(xiàn)更好。對(duì)于帶有和不帶有嵌入式腔的陣列，測(cè)量的阻抗帶寬分別為9. 5%和5. 8%，最大增益分別為18. 2 dBi和15. 7 dBi。

文獻(xiàn)［ 29］報(bào)道了一種在熔融石英基板上構(gòu)建的線性極化60 GHz天線陣列。該陣列使用由饋電網(wǎng)絡(luò)饋電的2×4微帶貼片輻射元件，饋電網(wǎng)絡(luò)使用了共面條帶和共面條波導(dǎo)。通過(guò)金屬腔增強(qiáng)的陣列實(shí)現(xiàn)了大于9 GHz的測(cè)量阻抗帶寬和約15 dBi的最大增益。

文獻(xiàn)［ 30］提出一種采用LTCC工藝、具有2×2微帶貼片輻射元件的天線陣列，制作出具有線性極化的60 GHz發(fā)射器模塊。

文獻(xiàn)［ 31］分別使用1×8和2×5微帶貼片輻射元件，制作出兩個(gè)有源線性極化60 GHz天線陣列。

文獻(xiàn)［ 32］提出了一種具有由波后波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)饋電的槽輻射元件、線性極化60 GHz的天線陣列。

文獻(xiàn)［ 33］提出了一種圓極化60 GHz的天線陣列，該陣列通過(guò)對(duì)原始天線元件、疊層波導(dǎo)、調(diào)整圓極化軸比進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了寬帶寬。

文獻(xiàn)［ 34］提出了一種在 LCP 基板上制作的圓極化 60 GHz 天線陣列。該陣列采用了新的槽輻射元件和新穎的開(kāi)腔反射器。測(cè)量結(jié)果表明， 2×4輻射元件陣列的峰值增益為15. 6 dBic。

3. 2 商業(yè)化發(fā)展態(tài)勢(shì)

據(jù)Gartner 預(yù)測(cè)，到2021年，市場(chǎng)將有9%的智能手機(jī)支持5G網(wǎng)絡(luò)。5G采用波束成形技術(shù)，必須采用多天線陣列系統(tǒng)( Massive MIMO) 。這將導(dǎo)致天線呈量級(jí)增長(zhǎng)，并推動(dòng)天線向高度集成化、復(fù)雜化的方向發(fā)展，工藝技術(shù)不斷升級(jí)，新材料不斷應(yīng)用。例如，新型材料液晶高分子聚合物( LCP) 材料具有低損耗、高靈活性、高密封性等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于制作微波、毫米波器件。蘋(píng)果公司推出的毫米波天線解決方案中包含采用LCP材料制作的天線，這是5G天線大規(guī)模商用化的一個(gè)重要方向［35］。

高通公司QTM052毫米波天線模組系列支持緊湊封裝尺寸，適合于移動(dòng)終端集成。配置QTM052的毫米波天線模組的終端將于2019年上半年推向市場(chǎng)，顯示出在5G中集成天線和ＲF前端等元器件的發(fā)展趨勢(shì)。意法半導(dǎo)體公司、 STATS ChipPAC和英飛凌科技公司在英飛凌第一代嵌入式晶圓級(jí)球柵陣列 ( eWLB) 技術(shù)的基礎(chǔ)上，合作開(kāi)發(fā)了下一代的eWLB半導(dǎo)體產(chǎn)品封裝技術(shù)。目前已開(kāi)發(fā)出具有8 mm×8 mm封裝的集成天線制作的四通道收發(fā)器。該天線采用ＲDL層中的金屬結(jié)構(gòu)，并集成于封裝中，為在5G等毫米波領(lǐng)域應(yīng)用的雷達(dá)系統(tǒng)封裝提供了解決方案［36］。近期，中芯長(zhǎng)電公司發(fā)布了SmartAiPTM工藝平臺(tái)制作的世界首個(gè)超寬頻雙極化的5G毫米波天線芯片的晶圓級(jí)集成封裝，具有集成度高、散熱性好、工藝簡(jiǎn)練的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)24～43 GHz的超寬頻信號(hào)收發(fā)，達(dá)到 12. 5 dB的超高天線增益。

4、結(jié)束語(yǔ)

在未來(lái)的較長(zhǎng)時(shí)間里， 5G架構(gòu)將繼續(xù)在網(wǎng)絡(luò)、 無(wú)線訪問(wèn)和物理層不斷發(fā)展，需要在ＲF/ 毫米波集成電路、毫米波天線陣列技術(shù)等方面擁有多種創(chuàng)新型產(chǎn)品組合，從而推動(dòng)5G無(wú)線電和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。例如， 5G中功率放大器、天線、濾波器和匹配電路的數(shù)量可以高達(dá)64個(gè)或更多。這些組件在效率和集成度方面的提升對(duì)無(wú)線電的總體能效和性能十分重要。具有大量天線、頻率為27 GHz及以上的高集成度MIMO無(wú)線電是5G系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。上述三種集成方案可用于毫米波天線設(shè)計(jì)。以60 GHz頻段為例， AoC器件的輻射效率和增益指標(biāo)落后于AiP器件和混合方案。AiP器件和混合器件實(shí)現(xiàn)了最佳輻射效率，因此可以認(rèn)為選用AiP技術(shù)比選用AoC技術(shù)更合適。
AiP技術(shù)具有設(shè)計(jì)靈活性和印刷天線結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于復(fù)雜的多層封裝結(jié)構(gòu)，可能不具備與AoC技術(shù)和混合方案同等成本競(jìng)爭(zhēng)的條件。此外， AiP方案芯片到芯片的互連會(huì)導(dǎo)致熱損失、延遲和設(shè)計(jì)量增加?；旌戏桨杆坪跏亲詈玫姆桨?。但是，當(dāng)頻率超過(guò)60 GHz時(shí)，典型的混合技術(shù)、 AiP都是不夠成熟的方案。而AoC方案會(huì)更加完善，且已在THz波段進(jìn)行了測(cè)試。據(jù)預(yù)期，AoC方案在高頻具有更大發(fā)展空間。

天線集成的一個(gè)根本解決方案是將一個(gè)相控陣所需的所有東西集成到一個(gè)芯片上，這是硅基毫米波天線系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)所在。不僅集成電子器件，而且集成通向晶圓級(jí)實(shí)現(xiàn)的高效率天線。晶圓級(jí)相控陣就可放置在輸入/輸出數(shù)據(jù)信號(hào)高達(dá)Gbit/s、布置有控制器件和電源器件的低成本印刷電路板上。整個(gè)毫米波功能均集成于同一芯片上，這種晶圓規(guī)模的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)完全自包含的解決方案。（參考文獻(xiàn)略）。

5G毫米波天線陣列方式

不管是在消費(fèi)電子領(lǐng)域，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，還是在汽車自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，毫米波的應(yīng)用現(xiàn)在越來(lái)越多，實(shí)現(xiàn)了更智能化的感知通信體驗(yàn)。通常，毫米波模塊安裝在由收發(fā)器、天線、電源管理電路、存儲(chǔ)器和接口外設(shè)組成的印刷電路板上。其中毫米波天線在毫米波組件中的地位舉足輕重。毫米波波長(zhǎng)要比低頻率波波長(zhǎng)短很多，而天線尺寸與電磁波波長(zhǎng)成正比，因此毫米波天線的尺寸要比低頻率天線小很多，也因此波束寬度要小很多，能量更加集中。

雖然客觀上毫米波雷達(dá)天線尺寸小一些，但是不同的天線技術(shù)會(huì)直接影響到天線在板上損耗和效率，尤其是損耗這一方面，毫米波的路徑損耗本身就會(huì)比低頻率波大?？梢哉f(shuō)毫米波天線集成技術(shù)是實(shí)現(xiàn)毫米波高分辨數(shù)據(jù)流、移動(dòng)分布式計(jì)算等應(yīng)用場(chǎng)景的關(guān)鍵技術(shù)。

毫米波天線陣列實(shí)現(xiàn)方式

目前毫米波天線集成的實(shí)現(xiàn)方式可分為兩大類——AoC和AiP。AoC天線將輻射原件直接集成到射頻芯片棧的后端，這種集成方式可以在一個(gè)僅幾平方毫米小尺寸單一模塊上做到?jīng)]有任何射頻互連和射頻與基帶功能的相互集成。AiP則基于封裝材料與工藝，將天線與芯片集成在封裝內(nèi)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)無(wú)線功能。AoC技術(shù)需要先進(jìn)的后處理步驟或封裝工藝，以減少嚴(yán)重的介電損耗。在當(dāng)前的技術(shù)條件下，這種集成方式目前看來(lái)競(jìng)爭(zhēng)力并不在毫米波頻段，該天線集成技術(shù)在成本和性能上的性價(jià)比更適合較毫米波有更高寬帶和更高載波頻率的頻段。

AiP技術(shù)可以說(shuō)是5G毫米波頻段毫米波終端天線最適合的方案。AiP技術(shù)能兼顧天線性能、成本及體積，相比傳統(tǒng)天線與射頻模塊的分散式設(shè)計(jì)更順應(yīng)硅基半導(dǎo)體工藝集成度提高的潮流。AiP天線集成技術(shù)進(jìn)一步將各類通信元件，如傳送收發(fā)器、電源管理芯片、射頻前端等元件與天線整并在一起，達(dá)到縮小厚度與減少PCB面積的目的。目前大多數(shù)60GHz無(wú)線通信和雷達(dá)芯片都采用了AiP技術(shù)。AiP技術(shù)助力下的毫米波雷達(dá)毫米波對(duì)于垂直行業(yè)的價(jià)值已經(jīng)得到各產(chǎn)業(yè)界廣泛的認(rèn)同，AiP天線技術(shù)無(wú)疑在其中發(fā)揮了重要作用。利用AiP天線技術(shù)，布板空間的節(jié)省大大降低了模塊的外形尺寸，器件到天線的布線距離縮短也有利于降低功率損耗。另一方面，我們知道PCB 上的天線是需要使用高頻基板材料的，AiP天線技術(shù)可以降低天線對(duì)高頻基板材料的需求。如TI的AiP技術(shù)利用倒裝芯片封裝技術(shù)直接將天線集成到無(wú)塑封裝基板上，防止因天線穿過(guò)塑封材料時(shí)產(chǎn)生損耗而降低效率并導(dǎo)致雜散輻射。

但雷達(dá)傳感方面AiP的應(yīng)用也不是沒(méi)有劣勢(shì)，以TI的6843為例，其AiP方案和普通方案芯片性能完全一致，區(qū)別僅由天線差異引入?？梢院苊黠@地看到由于采用了小型天線，雷達(dá)增益降低，導(dǎo)致探測(cè)威力下降，這也是為什么AiP毫米波雷達(dá)一般只用于近場(chǎng)感應(yīng)。另一個(gè)劣勢(shì)在于空間角分辨能力減弱，對(duì)于復(fù)雜的靜態(tài)場(chǎng)景反而不能很好地構(gòu)建出空間模型。在各種需要傳感器近場(chǎng)感知環(huán)境的場(chǎng)景里，可以說(shuō)有著毫米波雷達(dá)廣闊的用武之地，AiP天線技術(shù)則幫助毫米波雷達(dá)大大強(qiáng)化了近場(chǎng)感知能力。下圖是加特蘭基于AiP毫米波雷達(dá)的人員檢測(cè)演示截圖，從3D追蹤效果來(lái)看AiP技術(shù)大大增加了雷達(dá)的距離分辨率，而且視野足夠?qū)掗煛Ｔ谄?/span>ADAS應(yīng)用里，利用AiP高度集成的毫米波傳感器也能應(yīng)用在各種檢測(cè)中，點(diǎn)云效果也很優(yōu)秀。AiP毫米波雷達(dá)解決了普通毫米波雷達(dá)尺寸大、功耗高等一系列問(wèn)題。AiP技術(shù)助力下的毫米波通信在通信方面AiP技術(shù)同樣效果明顯，目前AiP技術(shù)的開(kāi)發(fā)主要集中在諸如高通及海思等芯片設(shè)計(jì)公司、臺(tái)積電及三星等半導(dǎo)體集成電路制造公司、日月光及矽品等封裝測(cè)試廠家。

5G毫米波特性帶動(dòng)了天線尺寸縮小，但將不同元件整合在單一封裝中，仍然會(huì)存在散熱等諸多問(wèn)題。高通的QTM毫米波模塊方案利用AiP天線技術(shù)解決這些問(wèn)題，支持多達(dá)64個(gè)雙極化天線單元以實(shí)現(xiàn)范圍更廣的最優(yōu)毫米波覆蓋。該全集成系統(tǒng)級(jí)解決方案整合了最新的毫米波技術(shù)，如面向雙向通信的波束成形、波束導(dǎo)向和波束追蹤技術(shù)，在5G毫米波通信集成天線封裝模塊上處于領(lǐng)先地位。射頻元件商如Skyworks、Qorvo，封測(cè)代工廠如日月光、Amko等，也都選擇以AiP技術(shù)為研發(fā)方向切入5G通訊市場(chǎng)。Qorvo就基于OTM設(shè)計(jì)對(duì)AiP模組進(jìn)行了研發(fā)設(shè)計(jì)升級(jí)，整個(gè) AiP 設(shè)計(jì)更小，成本更低，與此同時(shí)整個(gè)AIP的發(fā)射功率不變化，但直流功耗變小，天線設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。5G毫米波模塊的升級(jí)也帶動(dòng)了天線封裝AiP技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。

小結(jié)天線集成的根本是將一個(gè)相控陣所需的所有組件集成到一個(gè)芯片上，這是硅基毫米波天線系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)所在。在毫米波應(yīng)用大放異彩的今天，AiP技術(shù)優(yōu)化了毫米波性能，給予了毫米波充裕的設(shè)計(jì)靈活性，也將毫米波推向更多的應(yīng)用領(lǐng)域。

5G通訊技術(shù)

一

移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的新發(fā)動(dòng)機(jī)---5G

什么是5G？

“5G”一詞通常用于指代第 5 代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。5G 是繼之前的標(biāo)準(zhǔn)（1G、2G、3G、4G 網(wǎng)絡(luò)）之后的最新全球無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，并為數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用提供更高的帶寬。除其他好處外，5G 有助于建立一個(gè)新的、更強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)能夠支持通常被稱為 IoT 或“物聯(lián)網(wǎng)”的設(shè)備爆炸式增長(zhǎng)的連接——該網(wǎng)絡(luò)不僅可以連接人們通常使用的端點(diǎn)，還可以連接一系列新設(shè)備，包括各種家用物品和機(jī)器。公認(rèn)的5G的優(yōu)勢(shì)是：

?具有更高可用性和容量的更可靠的網(wǎng)絡(luò)

?更高的峰值數(shù)據(jù)速度（多 Gbps）

?超低延遲

與前幾代網(wǎng)絡(luò)不同，5G 網(wǎng)絡(luò)利用在 26 GHz 至 40 GHz 范圍內(nèi)運(yùn)行的高頻波長(zhǎng)（通常稱為毫米波）。由于干擾建筑物、樹(shù)木甚至雨等物體，在這些高頻下會(huì)遇到傳輸損耗，因此需要更高功率和更高效的電源。5G部署最初可能會(huì)以增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶應(yīng)用為中心，滿足以人為中心的多媒體內(nèi)容、服務(wù)和數(shù)據(jù)接入需求。增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶用例將包括全新的應(yīng)用領(lǐng)域、性能提升的需求和日益無(wú)縫的用戶體驗(yàn)，超越現(xiàn)有移動(dòng)寬帶應(yīng)用所支持的水平。

毫米波是5G的關(guān)鍵技術(shù)

毫米波通信是未來(lái)無(wú)線移動(dòng)通信重要發(fā)展方向之一，目前已經(jīng)在大規(guī)模天線技術(shù)、低比特量化ADC、低復(fù)雜度信道估計(jì)技術(shù)、功放非線性失真等關(guān)鍵技術(shù)上有了明顯研究進(jìn)展。但是隨著新一代無(wú)線通信對(duì)無(wú)線寬帶通信網(wǎng)絡(luò)提出新的長(zhǎng)距離、高移動(dòng)、更大傳輸速率的軍用、民用特殊應(yīng)用場(chǎng)景的需求，針對(duì)毫米波無(wú)線通信的理論研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨重大挑戰(zhàn)，開(kāi)展面向長(zhǎng)距離、高移動(dòng)毫米波無(wú)線寬帶系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究，已經(jīng)成為新一代寬帶移動(dòng)通信最具潛力的研究方向之一。

毫米波的優(yōu)勢(shì)： 毫米波由于其頻率高、波長(zhǎng)短，具有如下特點(diǎn)：

頻譜寬，配合各種多址復(fù)用技術(shù)的使用可以極大提升信道容量，適用于高速多媒體傳輸業(yè)務(wù)；可靠性高，較高的頻率使其受干擾很少，能較好抵抗雨水天氣的影響，提供穩(wěn)定的傳輸信道；方向性好，毫米波受空氣中各種懸浮顆粒物的吸收較大，使得傳輸波束較窄，增大了竊聽(tīng)難度，適合短距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信；波長(zhǎng)極短，所需的天線尺寸很小，易于在較小的空間內(nèi)集成大規(guī)模天線陣。

毫米波的缺點(diǎn)：毫米波也有一個(gè)主要缺點(diǎn)，那就是不容易穿過(guò)建筑物或者障礙物，并且可以被葉子和雨水吸收。這也是為什么5G網(wǎng)絡(luò)將會(huì)采用小基站的方式來(lái)加強(qiáng)傳統(tǒng)的蜂窩塔。

主要方向。

氮化硼

氮化硼是由氮原子和硼原子所構(gòu)成的晶體?；瘜W(xué)組成為43.6%的硼和56.4%的氮，具有四種不同的變體：六方氮化硼（HBN)、菱方氮化硼（RBN）、立方氮化硼（CBN）和纖鋅礦氮化硼（WBN）。

氮化硼問(wèn)世于100多年前，最早的應(yīng)用是作為高溫潤(rùn)滑劑的六方氮化硼，不僅其結(jié)構(gòu)而且其性能也與石墨極為相似，且自身潔白，所以俗稱：白石墨。

氮化硼（BN）陶瓷是早在1842年被人發(fā)現(xiàn)的化合物。國(guó)外對(duì)BN材料從第二次世界大戰(zhàn)后進(jìn)行了大量的研究工作，直到1955年解決了BN熱壓方法后才發(fā)展起來(lái)的。美國(guó)金剛石公司和聯(lián)合碳公司首先投入了生產(chǎn)，1960年已生產(chǎn)10噸以上。1957年R·H·Wentrof率先試制成功CBN，1969年美國(guó)通用電氣公司以商品Borazon銷售，1973年美國(guó)宣布制成CBN刀具。1975年日本從美國(guó)引進(jìn)技術(shù)也制備了CBN刀具。1979年首次成功采用脈沖等離子體技術(shù)在低溫低壓卜制備崩c—BN薄膜。

20世紀(jì)90年代末，人們已能夠運(yùn)用多種物理氣相沉積（PVD）和化學(xué)氣相沉積（CVD）的方法制備c-BN薄膜。從中國(guó)國(guó)內(nèi)看，發(fā)展突飛猛進(jìn)，1963年開(kāi)始BN粉末的研究，1966年研制成功，1967年投入生產(chǎn)并應(yīng)用于我國(guó)工業(yè)和尖端技術(shù)之中。

物質(zhì)特性：

CBN通常為黑色、棕色或暗紅色晶體，為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，具有良好的導(dǎo)熱性。硬度僅次于金剛石，是一種超硬材料，常用作刀具材料和磨料。

氮化硼具有抗化學(xué)侵蝕性質(zhì)，不被無(wú)機(jī)酸和水侵蝕。在熱濃堿中硼氮鍵被斷開(kāi)。1200℃以上開(kāi)始在空氣中氧化。真空時(shí)約2700℃開(kāi)始分解。微溶于熱酸，不溶于冷水，相對(duì)密度2.29。壓縮強(qiáng)度為170MPa。在氧化氣氛下最高使用溫度為900℃，而在非活性還原氣氛下可達(dá)2800℃，但在常溫下潤(rùn)滑性能較差。氮化硼的大部分性能比碳素材料更優(yōu)。對(duì)于六方氮化硼：摩擦系數(shù)很低、高溫穩(wěn)定性很好、耐熱震性很好、強(qiáng)度很高、導(dǎo)熱系數(shù)很高、膨脹系數(shù)較低、電阻率很大、耐腐蝕、可透微波或透紅外線。

物質(zhì)結(jié)構(gòu)：

氮化硼六方晶系結(jié)晶，最常見(jiàn)為石墨晶格，也有無(wú)定形變體，除了六方晶型以外，氮化硼還有其他晶型，包括：菱方氮化硼（r-BN)、立方氮化硼（c-BN）、纖鋅礦型氮化硼（w-BN)。人們甚至還發(fā)現(xiàn)像石墨稀一樣的二維氮化硼晶體。

通常制得的氮化硼是石墨型結(jié)構(gòu)，俗稱為白色石墨。另一種是金剛石型，和石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸脑眍愃?，石墨型氮化硼在高溫?800℃）、高壓（8000Mpa）[5~18GPa]下可轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎傂偷?。是新型耐高溫的超硬材料，用于制作鉆頭、磨具和切割工具。

應(yīng)用領(lǐng)域：

1. 金屬成型的脫模劑和金屬拉絲的潤(rùn)滑劑。

2. 高溫狀態(tài)的特殊電解、電阻材料。

3. 高溫固體潤(rùn)滑劑，擠壓抗磨添加劑，生產(chǎn)陶瓷復(fù)合材料的添加劑，耐火材料和抗氧化添加劑，尤其抗熔融金屬腐蝕的場(chǎng)合，熱增強(qiáng)添加劑、耐高溫的絕緣材料。

4. 晶體管的熱封干燥劑和塑料樹(shù)脂等聚合物的添加劑。

5. 壓制成各種形狀的氮化硼制品，可用做高溫、高壓、絕緣、散熱部件。

6. 航天航空中的熱屏蔽材料。

7. 在觸媒參與下，經(jīng)高溫高壓處理可轉(zhuǎn)化為堅(jiān)硬如金剛石的立方氮化硼。

8. 原子反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料。

9. 飛機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴口。

10.高壓高頻電及等離子弧的絕緣體。

11.防止中子輻射的包裝材料。

12.由氮化硼加工制成的超硬材料，可制成高速切割工具和地質(zhì)勘探、石油鉆探的鉆頭。

13.冶金上用于連續(xù)鑄鋼的分離環(huán)，非晶態(tài)鐵的流槽口，連續(xù)鑄鋁的脫模劑。

14.做各種電容器薄膜鍍鋁、顯像管鍍鋁、顯示器鍍鋁等的蒸發(fā)舟。

15.各種保鮮鍍鋁包裝袋等。

16.各種激光防偽鍍鋁、商標(biāo)燙金材料，各種煙標(biāo)，啤酒標(biāo)、包裝盒，香煙包裝盒鍍鋁等等。

17.化妝品用于口紅的填料，無(wú)毒又有潤(rùn)滑性，又有光澤。

未來(lái)前景：

由于鋼鐵材料硬度很高，因而加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，金剛石工具在高溫下易分解，且容易與過(guò)渡金屬反應(yīng)，而c-BN材料熱穩(wěn)定性好，且不易與鐵族金屬或合金發(fā)生反應(yīng)，可廣泛應(yīng)用于鋼鐵制品的精密加工、研磨等。c-BN除具有優(yōu)良的耐磨性能外，耐熱性能也極為優(yōu)良，在相當(dāng)高的切削溫度下也能切削耐熱鋼、鐵合金、淬火鋼等，并且能切削高硬度的冷硬軋輥、滲碳淬火材料以及對(duì)刀具磨損非常嚴(yán)重的Si-Al合金等。實(shí)際上，由c-BN晶體（高溫高壓合成)的燒結(jié)體做成的刀具、磨具已應(yīng)用于各種硬質(zhì)合金材料的高速精密加工中。

c-BN作為一種寬禁帶（帶隙6.4 eV）半導(dǎo)體材料，具有高熱導(dǎo)率、高電阻率、高遷移率、低介電常數(shù)、高擊穿電場(chǎng)、能實(shí)現(xiàn)雙型摻雜且具有良好的穩(wěn)定性，它與金剛石、SiC和GaN一起被稱為繼Si、Ge及GaAs之后的第三代半導(dǎo)體材料，它們的共同特點(diǎn)是帶隙寬，適用于制作在極端條件下使用的電子器件。與SiC和GaN相比，c-BN與金剛石有著更為優(yōu)異的性質(zhì)，如更寬的帶隙、更高的遷移率、更高的擊穿電場(chǎng)、更低的介電常數(shù)和更高的熱導(dǎo)率。顯然作為極端電子學(xué)材料，c-BN與金剛石更勝一籌。然而作為半導(dǎo)體材料金剛石有它致命的弱點(diǎn)，即金剛石的n型摻雜十分困難（其n型摻雜的電阻率只能達(dá)到102Ω·cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到器件標(biāo)準(zhǔn)），而c-BN則可以實(shí)現(xiàn)雙型摻雜。例如，在高溫高壓合成以及薄膜制備過(guò)程中，添加Be可得到P型半導(dǎo)體；添加S、C、Si等可得到n型半導(dǎo)體。因此綜合看來(lái)c-BN是性能最為優(yōu)異的第三代半導(dǎo)體材料，不僅能用于制備在高溫、高頻、大功率等極端條件下工作的電子器件，而且在深紫外發(fā)光和探測(cè)器方面有著廣泛的應(yīng)用前景。事實(shí)上，最早報(bào)道了在高溫高壓條件下制成的c-BN發(fā)光二極管，可在650℃的溫度下工作，在正向偏壓下二極管發(fā)出肉眼可見(jiàn)的藍(lán)光，光譜測(cè)量表明其最短波長(zhǎng)為215 nm（5.8 eV）。c-BN具有和GaAs、Si相近的熱膨脹系數(shù)，高的熱導(dǎo)率和低的介電常數(shù)，絕緣性能好，化學(xué)穩(wěn)定性好，使它成為集成電路的熱沉材料和絕緣涂覆層。此外c-BN具有負(fù)的電子親和勢(shì)，可以用于冷陰極場(chǎng)發(fā)射材料，在大面積平板顯示領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在光學(xué)應(yīng)用方面，由于c-BN薄膜硬度高，并且從紫外（約從200 nm開(kāi)始）到遠(yuǎn)紅外整個(gè)波段都具有高的透過(guò)率，因此適合作為一些光學(xué)元件的表面涂層，特別適合作為硒化鋅（ZnSe）、硫化鋅（ZnS）等窗口材料的涂層。此外，它具有良好的抗熱沖擊性能和商硬度，有望成為大功率激光器和探測(cè)器的理想窗窗口材料。

高導(dǎo)熱絕緣氮化硼膜材

六方氮化硼（h-BN）這種二維結(jié)構(gòu)材料，又名白石墨烯，看上去像著名的石墨烯材料一樣，僅有一個(gè)原子厚度。但是兩者很大的區(qū)別是六方氮化硼是一種天然絕緣體而石墨烯是一種完美的導(dǎo)體。與石墨烯不同的是，h-BN的導(dǎo)熱性能很好，可以量化為聲子形式（從技術(shù)層面上講，一個(gè)聲子即是一組原子中的一個(gè)準(zhǔn)粒子）。有材料專家說(shuō)道：“使用氮化硼去控制熱流看上去很值得深入研究。我們希望所有的電子器件都可以盡可能快速有效地散射。而其中的缺點(diǎn)之一，尤其是在對(duì)于組裝在基底上的層狀材料來(lái)說(shuō)，熱量在其中某個(gè)方向上沿著傳導(dǎo)平面散失很快，而層之間散熱效果不好，多層堆積的石墨烯即是如此?！迸c石墨中的六角碳網(wǎng)相似，六方氮化硼中氮和硼也組成六角網(wǎng)狀層面，互相重疊，構(gòu)成晶體。晶體與石墨相似，具有反磁性及很高的異向性，晶體參數(shù)兩者也頗為相近。

二維氮化硼散熱膜是一種性能優(yōu)異的均熱散熱材料。傳統(tǒng)的人工石墨膜和石墨烯薄膜具有電磁屏蔽的特性，在5G通訊設(shè)備中的應(yīng)用場(chǎng)景受限，特別是在分布式天線的5G手機(jī)中。二維氮化硼散熱膜具有極低的介電系數(shù)和介電損耗，是一種理想的透電磁波散熱材料，能被用于解決5G手機(jī)散熱問(wèn)題。

基于二維氮化硼納米片的復(fù)合薄膜，此散熱膜具有透電磁波、高導(dǎo)熱、高柔性、高絕緣、低介電系數(shù)、低介電損耗等優(yōu)異特性，是5G射頻芯片、毫米波天線領(lǐng)域最為有效的散熱材料之一。

高導(dǎo)熱透波絕緣氮化硼膜材主要應(yīng)用

超薄高導(dǎo)熱絕緣氮化硼膜材のTG值測(cè)試結(jié)果