億瓷新材料科技有限公司專家解讀：LTCC材料及其應(yīng)用

• 2021年6月30日 YangJinZhu來源：互聯(lián)網(wǎng) 1498 99
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　　LTCC 是1982年由休斯公司開發(fā)的新型材料技術(shù)，它是采用厚膜材料，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的結(jié)構(gòu)，將電極材料、基板、電子器件等一次性燒成，能用于實(shí)現(xiàn)高集成度、高性能的電子封裝技術(shù)口。LTCC技術(shù)的開發(fā)，將電子元器件包括無源元件及有源元件與線路整合在一多層結(jié)構(gòu)中來達(dá)到集成化，使電子產(chǎn)品體積利用率的提高得以實(shí)現(xiàn)。

　　LTCC基板具有高頻特性、熱穩(wěn)定性、被動(dòng)元件集成化等優(yōu)點(diǎn)：(1)有優(yōu)良的高頻、高Q特性和高速傳輸特性；(2)具有良好的溫度特性，可適應(yīng)大電流及耐高溫特性要求；(3)易于實(shí)現(xiàn)多功能化和提高組裝密度，可靠性高、耐高溫、高濕、沖振，可以應(yīng)用于惡劣環(huán)境。因此，LTCC被認(rèn)為是未來整合元件和高頻應(yīng)用基板材料最具發(fā)展前景的技術(shù)。

　　材料體系

　　從LTCC的制備工藝及其應(yīng)用來看，LTCC對(duì)材料性能的要求為：(1)介電常數(shù)εr 在2 ~ 20000 范圍內(nèi)系列化以適用于不同的工作頻率；(2)低介電損耗以保證器件的高頻特性；(3)燒結(jié)溫度小于900C，以利于和Ag、Cu等導(dǎo)電材料共燒；(4)良好的熱穩(wěn)定性，熱膨脹系數(shù)(TEC)可調(diào)整到接近所載芯片的TEC，諧振頻率溫度系數(shù)τf盡可能??；(5)高熱導(dǎo)率，以提高功率和封裝密度；(6)物理化學(xué)穩(wěn)定性高，粉體利于漿料配置和流延成型，共燒特性匹配，局部缺陷盡可能少。

　　陶瓷材料分類

　　目前低溫共燒陶瓷材料有三大類：微晶玻璃系，玻璃+陶瓷復(fù)合系和非晶玻璃系。

　　微晶玻璃系：微晶玻璃是由一定組成的玻璃通過受控晶化制得的由大量微小晶體和少量殘余玻璃相組成的復(fù)合體。它具有配方易調(diào)節(jié)，工藝簡單且性能較優(yōu)的特點(diǎn)，如低介電損耗，適用于制作工作頻率在20 ~ 30GHz的器件，以堇青石、鈣硅石及鋰輝石應(yīng)用最為廣泛。微晶玻璃按基礎(chǔ)玻璃組成一般可分為硅酸鹽系統(tǒng)、鋁硅酸鹽系統(tǒng)、硼硅酸鹽系統(tǒng)、硼酸鹽系統(tǒng)以及磷酸鹽系統(tǒng)等五大類。微晶玻璃采用硅酸鹽類的玻璃——陶瓷材料，添加1種或多種氧化物，如ZrO2、ZnO、SnO2，燒結(jié)溫度在850 - 1050 ℃，介電常數(shù)和熱膨脹系數(shù)小。

　　玻璃+陶瓷復(fù)合系：這是目前最常用的LTCC材料。在陶瓷中加入低熔點(diǎn)的玻璃相，燒結(jié)時(shí)玻璃軟化，粘度下降，從而可以降低燒結(jié)溫度。玻璃主要是各種晶化玻璃，陶瓷填充相主要是Al2O3、SiO2、堇青石、莫來石等。燒結(jié)溫度在900℃左右，工藝簡單靈活，容易控制調(diào)節(jié)復(fù)合材料的燒結(jié)特性和物理性能，介電常數(shù)及其溫度系數(shù)小，電阻率高，化學(xué)穩(wěn)定性好。

　　非晶玻璃系: 將形成玻璃的氧化物進(jìn)行充分混合，在800 ~ 950℃之間煅燒，然后球磨過篩，按照陶瓷工藝成型燒結(jié)成為致密的陶瓷基板。這種體系的工藝簡單，成分容易控制，但陶瓷基板的綜合性能不太理想，如機(jī)械強(qiáng)度較低，介質(zhì)損耗較大，目前很少采用。

　　除了形成玻璃或者陶瓷的基體材料外，通常還在體系中加入一些添加劑，如晶核劑、燒結(jié)助劑等，以改善體系的析晶能力、燒結(jié)性能、電學(xué)性能等。

　　LTCC材料的應(yīng)用

　　LTCC材料對(duì)電路性能起關(guān)鍵作用的主要是介質(zhì)損耗、介電常數(shù)、絕緣電阻和介質(zhì)強(qiáng)度。對(duì)于發(fā)射和接收信號(hào)來說低損耗是需要的，而低介電常數(shù)對(duì)高速信號(hào)處理也很重要。同時(shí)，高絕緣電阻和介質(zhì)強(qiáng)度也是所要求的，這些特性與化學(xué)成分、工藝和導(dǎo)電材料等緊密相連。

　　按照LTCC陶瓷材料的用途來分，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

　　一：

　　LTCC基板、封裝材料

　　傳統(tǒng)基板材料(Al2O3、SiC等)和高溫?zé)Y(jié)陶瓷(HTCC)不僅燒結(jié)溫度高(> 1500°C)，而且只能與高熔點(diǎn)、高電阻的金屬(Mo、W等)共燒，不利于降低生產(chǎn)成本。為此人們開發(fā)出新型的低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)。低燒結(jié)溫度可以使金屬良導(dǎo)體(Cu、Ag等)與陶瓷流延片共燒，提高厚膜電路的導(dǎo)電性能、降低成本。

　　由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展，IC芯片集成度、速度、功率的提高，要求在封裝上提高散熱條件、增加I/O數(shù)目、堿少互連線尺寸、減少信號(hào)損失、減少器件的體積和降低成本，這就要求基板材料必須具有高熱導(dǎo)率、低介電常數(shù)和損耗等；多層陶瓷低溫共燒基板由于設(shè)備簡單、成本低、陶瓷元件與芯片材料的熱膨脹系數(shù)匹配好、易于金屬布線等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。實(shí)際上，多層陶瓷共燒基板也就是LTCC的一種應(yīng)用。

　　二：

　　LTCC電子元器件材料

　　在通訊技術(shù)領(lǐng)域，小型化和輕量化的微波器件日益受到重視。為了減小微波器件的體積，適應(yīng)通信系統(tǒng)的小型化要求，基于LTCC的多層結(jié)構(gòu)片式LC陶瓷濾波器，及其它結(jié)構(gòu)微波濾波器大大減小了濾波器的尺寸，為通信設(shè)備的小型化和輕便化奠定了良好的基礎(chǔ)。

　　以LTCC技術(shù)制造片式濾波器，陶瓷材料應(yīng)具備以下幾個(gè)要求：(1)燒結(jié)溫度應(yīng)低于950°C；(2)介電常數(shù)和介電損耗適當(dāng)，一般要求Q值越大越好；(3)諧振頻率的溫度系數(shù)應(yīng)??；(4)陶瓷與內(nèi)電極材料等無界面反應(yīng)，擴(kuò)散小，相互之間共燒要匹配；(5)粉體特性應(yīng)利于漿料配制和流延成型等。

　　為了適應(yīng)LTCC微波器件的要求，諸多低燒陶瓷體系已被廣泛開發(fā)和利用，如MgTiO3-CaTiO3體系、(Zr， Sn)TiO3-BaO-TiO2體系，BaO-Ln2O3-TiO2體系、Bi2O3-ZnO-Nb2O5體系、BiNbO4體系、復(fù)合鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和鎢青銅結(jié)構(gòu)材料體系等等。盡管在微波介質(zhì)材料研究中取得了一些進(jìn)展，但助劑選擇，燒結(jié)原理及動(dòng)力學(xué)、相組成、微觀結(jié)構(gòu)和介電性能之間的影響機(jī)制等在理論上還缺乏足夠的研究。為此，材料研究、器件設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制備應(yīng)該統(tǒng)一起來，這對(duì)國內(nèi)電子元器件企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)尤為重要。

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