低温共烧陶瓷_LTCC_材料的应用及研究现状.pdf

低温共烧陶瓷材料的应用及研究现状 崔学民等 低温共烧陶瓷材料的应用及研究现状 崔学民 周 济沈建红缪春林 清华大学新型 陶瓷与精细工艺 国家重点实验室 北京 摘要主要概述低温共烧陶瓷 一 简称材料的 应用和研究现 状 认为利用低温共烧陶瓷技术将 多种元器件复合或将其集成在多层陶瓷基板 中是今后信息功能 陶 瓷发展的一个 重要方 向 在我国应大力发展具有自主知识产权的技术 关键词 低温共烧陶瓷高温共烧陶瓷厚膜电子封装 电子元器件 一 一 一 一 近年来 信息技术的发展要求高速数据和高电流密度传输 电子线路日益 向微型化 集成 化和高频化的方向发展 这就对电 子元件提出了尺寸微小 高频 高可靠性 价格低廉和高集成度 的要求 低温共烧陶 瓷 甲 一 是年由休斯公司开发的新型材料技术川 它采用厚 膜材料 根据预先设计的结构 将 电极材料 基板 电子器件等一 次性烧成 是一种用于实现高集成度 高性 能的电子封装技术 图综合比较了厚膜技术 和技术的优劣 可以 看 出 技术集中了厚膜 技术和高温共烧陶 瓷技术 一 的优 点 摒弃了二者明 显 的缺点 比之有更广 阔的应用前景 目前 普遍应用于 多层芯片线路模块化设计中 它除了在成本和集成封装方面 的 优势外 在布线线宽和线间距 低阻抗金属化 设计的多样性及 优良的高频性能等方面都显现出诱人的魅力 图 厚膜技术 与技术的比较 技术 从国内外技术的应 用 领域来看 主要 应用于以下 个方面 一 高频无线通讯领域 基于材料具 有优异 的高频 性能 同时还具有低成本 高集成度等特点 航空航天工业领域例 如 美国的空间系统制 造 公司 玩为满 足 通 讯 卫星上控 制 电路 产 线宽 每层 个以上通 孔的 一 组件的 电路要求 选用了杜邦公司的 材料技术 存储器 驱 动器 滤波器 传感器等电子元器件 领域 可以通过埋植内电容 内电感等形成三维结构 缩小 电路 体积 提高电性能 日本太阳诱电公司采用插人应力释放层的方 法 研制出了 规格的片式叠层组合元件山二 技术 流程比较复杂 图为典型的制备技术 工艺 流程图仁 流延 片 的制备 采用 不同的配比 可以制备出各种性能 的流延 片生带 目前世界上提供流延片生带的生产厂家 有 中国的台湾殆李德电子工业股份有 限公司和原电子工业部所等 流延片的下料 打孔流延生带可采用切割机 激光或冲 床进行切割 通孔质量的好坏直接影响布线的密度和通孔金属 化的质量 通孔过大或过小都不易形成盲孔 生带的打孔主要有 国家计划项目号计划项目号 崔学民 男 年生 博士 一一 材料 导报年 月第卷第期 图技术工艺流 程 图 种方法钻孔 冲孔和激光打孔 激光法所打孔的精度和孔径 都比较合适 而且打孔速度高 所打孔 易于形成盲孔 是最理想 的打孔方法 通孔填充 通孔填充是制造基板的关键工 艺之 一 其方法有 厚膜 印刷 丝 网印刷和导体生片 填充法 导 电介质的印刷 共烧导电体的印刷可采用传统的厚膜 丝 网印刷和计算机直接描绘 通孔填充和导电介质的印刷是生 带金属化的两部分 叠层 热压及 切片将印制好的导体和形成互连通孔的 生瓷片 按预先设计的层数和次序依次叠放 在 一定 的温度和压 力下粘接在一起形成一个完整 的多层基板坯体 叠层 中精确定 位是制造多层结构的基础 切片工艺是将多层生瓷坯体切成更 小的部件或其他形状 可通过钻石轮划 片 超声切割 激 光切割 等种方法来实现 排胶 共烧由于技术需要将电介质 材料 如电 容 基板等 磁介质材料如电感等 和导电材料 包括银 电极 等各种材料以叠层 的形式交叠并一次性烧成 其共烧技术是 瓶 颈 这是 因为共烧过程 中必须克服以下 困难 界面反应和界 面扩散会影 响器件的性能 可靠性以及显微结构 的变化 不同 介质层间在致 密化速率 烧结 收缩率及热膨胀速率等方面的失 配也会导致共烧体内产生很大的内应力 产生层裂 翘 曲和裂纹 等缺陷 为了降低成本 烧结温度必须低 以便和廉价的银 电 极共烧 镀端电极 组装等其 中 制备工艺中关键技术的控制主 要参照烧结收缩率和介电常数这两个重要 的特征参数 烧结收 缩率在叠层制造中决定器件设计尺寸的大小和 电路的分布而 介电常数的稳定性直接影 响器件的品质一致性 材料的应用 目前 低温共烧 陶 瓷 材 料 实 现的方法主要有 种 一 一川 掺入适量的烧结助剂低熔点氧化物或低熔点 玻璃 进行液相 活性烧结 即陶瓷十玻璃复合体系 采用化学 法制取表面活性高的粉体 尽可能采用颗粒度 细 主晶相合成 温度低的材料 采用微晶玻璃或非晶玻璃 这种方法根据材 料的不 同用途而分别使用基板材料主要采用第一种和 第四种方法而电子元器件 材料则 不尽相同 例如 在 一一 系中加人 一一 玻璃等可使烧结温度 下降至 在 一 系 中加人 一 系玻璃 可使烧结温度低于 但烧结助剂降温有 限 而且会影响 器件的性能 如介电损耗等 为了获得更低烧结温度 介电性能 更好控制的陶瓷 人们把注意力放在了易实现低温烧结的陶瓷 材料体系上 如 等 这些材 料体系本身烧结温度低 一般在 少 掺人少量玻璃或 低熔点的氧化物如 等可实现左 右低温烧结 材料对电路性能起关键作用 的主要 是 介质 损耗 介 电常数 绝缘电阻和介质强度 一 一川 对于发射和接收信 号来说低损耗是需要 的 而低介电常数对 高速信号处理也很重 要 同时 高绝缘 电阻和介质强度也是所要求的 这些特性与化 学成分 工艺和导电材料等紧密相连 表为部分商用 陶瓷材料的基本性能指标 为介电损耗川 按照陶瓷材料 的用途来分 主要体现在以下两个方 面 低温共烧陶瓷材料的应用及研究现状崔学民等 表部分商用的基本性能指标 一 一 一 一 一一 一 一 一 士 关 基板 封装材料 传统基板材料几 等和高温烧结陶瓷不 仅烧结温度高 而且只能与高熔 点 高电阻 的金属 等 共烧 不利于降低生产成本 为此人们开发出新型 的低温共烧陶瓷技术 低烧结温度可以使金属良导体 等与陶瓷流延 片共烧 提高厚膜电路的导 电性 能 降 低成本 表为与传统氧化铝基板 和 一 板的性能比 较 从表中可 以看出具有明显的优势和更广阔 的应用范 围 表与常用贬陶瓷基板和树脂蓦 一 板的性能比较 士 二 士 士 士 一 士 一 罗 士 板适用于高速数字 电路的设计相对介电常数为一的基板 可很好地完成 高频线路的设计而高达 相对介电常数的 基板 则可以使电子器件集成到多层结构中 无源器件的高度集 成 减少了表面安装元件 的数量 提高了布线密度 减少了引线 连接与焊点的数目 提高了线路的可靠性 由于大规模集成电路的发展 芯片集成度 速度 功率的 提高 要求在封装上提高散热条件 增加数目 减少互连线 尺 寸 减少信号损失 减少器件的体积和降低成本 这就要求基 板材料必须具有高热导率 低介电常数和损耗等多层 陶瓷低温 共烧基板 由于设备简单 成 本低 陶瓷元件与芯片材料的热膨胀 系数匹配好 易于金属布线等优点而被广泛应用 实际上 多层 陶瓷共烧基板也就是的一种应用 目前使用 的低温烧结 低介电常数陶瓷材料主要 是 陶瓷 玻璃填充料的复合系 微 晶玻璃系和非 晶玻璃系助 习 近 年来人们把研究的重点放在 陶瓷玻璃的复合体系及微晶玻璃 上 发 展了很多低烧结温度 低 介电常数体系 等 口于 年制成成分为 一一一一 的微晶玻璃之 后 有关的玻璃陶瓷体系得到了蓬勃发展 等 开发了 一 一 一 体系玻 璃陶瓷材 料 研究了硅酸 盐玻璃加系基 板 材 料 通 过加 人镁橄榄石 或 董青 石 降低烧结温度 提高基板的致密度另外还有硼硅酸盐玻璃陶瓷 和高硅玻璃 陶瓷体系等 电子 元器件材料 电路元器件在当今 电子产业 中已越来越重要 目前开发人 员正在加速开发高频 超高速数字系统和微型小型化设计等电 路元 器件新技术 元器件厂商也 在提高各种电路的元器件安装 密度 复合元器 件已成为当今发展的主流 方 向之一 仁 一 卜 从功能陶瓷器件的长远 发展来看 功能 陶瓷 的集成化是必然趋 势 目前 在 陶瓷元件自身的集成方面 一些以复合多层技术为 基础 的简单 集成陶瓷元 件 如集 成片式谐振 器 片式滤波 器 片式组件等刚刚进人商品化 阶段 而利用技术将 有源元件或无源元件集成在基板上的技术在我 国尚处于初步研 究的开发阶段 还有很长的路要走 目前 世界上片式元 件 片式复合元件需求达到 一个高峰 研究表明 我国到年 市场需求各类片式元件约 亿只 采用片式 多层技术制备元器件具备低成本 大批 量化 优 势 因此利用 陶瓷低温共烧技术将多种元器件 复合或将其集成 在多层陶瓷基板中已成为研究发展的方 向 如将多层电容器 与 多 层电感器复合 多层 电容器 与 多层 压敏电阻器复合后构成抗 噪声滤波器等 在计算机 通讯行业 有时经常需要将电容 器与 电阻器进行串联连接 如应用在总线阻抗匹配 减小反射增 加信号完整性 数模与模 数接口线路 降低直流电源功耗以及 中央处理器线路等 如果简单地将单个电容器与电阻器进行串 联 将导致成本增加 占用线路板面积增加以及由于焊接点的增 加而引起可靠性下降等不 良后果 因此各国研究机构 生产厂商 都在积极研究开发能将电容器与 电阻器 串联在一个多层陶瓷基 板里的复合元件 近年来只有日本 美国等公司研究开发 出这种 片式多层 陶瓷电容电阻复合元件 对片式多层陶瓷 电容电阻复 是 电子封装技术的一种 是指为满足 不同微电子 应 用特性而采取对半导体线路进行联接 通 电 保护 和冷却等的多 项工艺措施 多芯片等技术的出现 对基板技术提出了更高的要 求 多芯片 封装低温烧结陶瓷基板的特征 是与 导体 等 电阻 电容 电感材 料 同时烧 成 在 顶层 键 合 等有源器件和芯片元件 封装对基板材料有如下的要 求 高电阻率 保证信号线 间的绝缘性 低介 电常数 提高信号的传输速率 低介电损耗降系数能减小交变电 场中的损耗 低烧结温 度 同 等 高电导率 的金属共烧 与单晶相应的热膨胀系数 保证 与芯 片封 装的兼容性 较高的热导率 防止 多层基板过热 较好的物 理 化学性 能和综合机电性能比 一 屯 而 技术恰好满 足了这些要求 根据配料的不 同 材料的介 电常数可在很 大 范 围 内 变化 增加了线路设计的灵活性 例如相对介电常数为的基 材料导报年 月第卷第期 合元件的研制与开发 生 产具有非常重要 的意义 在通讯技术领域 小型化和轻量化的微波器件日益受到重 视 一 卜 为了减小微波器件的体积 适应通信系统的小型化 要求 基于的多层结构片式陶瓷滤波器 及其它结构 微波滤波器 大大减小了滤波器的尺寸 为通信设备的小型化和 轻便化奠定了 良好的基础 以技术制造 片式滤波器 陶 瓷材料应具备以下几个要求 烧结温度应低于 介电 常数和介电损耗适当 一般要求值越大越好 谐振频率的 温度系数应小 陶瓷与内电极材料 等无界面反应 扩散小 相互之间共烧要匹配 粉体特性应利于浆料配制和流延成型 等 为了适应微波器件的要求 诸多低烧陶瓷体系已被 广泛开发和利用 如 一 体系 一 体系 一一 体系 一 一 体系 体系 复合钙钦矿结构和钨青铜结构材料体系等等 表 列出了部分微波介质陶瓷材料体系 的基本情况 尽管在微波介质材料研究中取得了一些进展 但助剂选择 烧结原理及动力学 相组 成 微 观结构和介电性能之间的影 响机 制等在理论上还缺乏足够的研究 为此 材料研究 器 件设计和 生产制备应该统一起来 这对国内电子元器件企业和研究机构 尤为重要 表常用低温烧结微波介质陶瓷体系及其性能 一 制等特点 增加了商业化产品面世 的难度和成本 虽然技术在国外已被深人研究和大量应用 但主要 技术还是掌握在少数几个大公司的手里 在国内 拥有 自主知识 产权的材料体系和器件几乎是空白 因此 大力发展具有自主知 识产权的材料及其技术已是大势所趋 参考文献 基础材料体系 掺人物 掺量烧结温度介电 常数 马 刁 刁刁 广广 广 厂厂 一一 一 一 一一 一一 一 一 一 心 魂 一 一 一 一 一 一 一一一 一 一 一一一 刁 文献 技术 的展望 从国内混合电路技术的现状来看 其主要产品已不能满足 通讯产品的技术 发展需求技术和市场方面均要求有新技术的 突破 通过对 国外技术的跟踪不难看出 是信息功 能陶瓷发展的重要趋势 首先 技术上先进 其次 其投资成本不 大 因为技术 与现 在的厚膜工 艺有 良好的共容性 部分 关键厚膜工艺设备仍能继续使用 幻 技术尽管为多层线路和 电子元器件的设计带来了巨 大的灵活性 但许多相关技术 尚不成熟或巫待开发 由于该技术 需要将 电介质材料 如电容 基板等 磁介质材料 如电感等和 导 电材料主要是银 电极等各种材料以叠层 的形式交叠并一次 性烧成独石结构 必须以先进的流延技术和共烧技术为依托 其 中共烧技术是 瓶颈 正是由于将不 同的多