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LTCC陶瓷材料

发布时间:2014-12-24 09:26:15   阅读:3651
LTCC陶瓷材料

LTCC陶瓷材料 
LTCC产品性能好坏完全依赖所用材料的性能。LTCC陶瓷材料主要包括,LTCC 基板材料、封装材料和微波器件材料。介电常数是LTCC材料最关健的性能。要求介电常数在220000范围内系列化以适用于不同的工作频率。例如相对介电常数为3.8的基板适用于高速数字电路的设计;相对介电常数为680的基板可很好地完成高频线路的设计;相对介电常数高达20000的基板,则可以使高容性器件集成到多层结构中。高频化是数位3C产品发展比然的趋势,发展低介电常数(ε≤10)的LTCC材料以满足高频和高速的要求是LTCC材料如何适应高频应用的一个挑战。FerroA6DuPont901系统介电常数为5.25.9,ESL公司的4110-70C4.34.7,NEC公司LTCC基板介电常数为3.9左右,介电常数低达2.5的正在开发。

谐振器的尺寸大小与介电常数的平方根成反比,因此作为介质材料时,要求介电常数要大,以减小器件尺寸。目前,超低损耗的极限或超高Q值、相对介电常数(>100)乃至>150的介质材料是研究的热点。需要较大电容量的电路,可以采用高介电常数的材料,也可在LTCC介质陶瓷基板材料层中夹入有较大介电常数的介质材料层,其介电常数可在20100之间选择。介电损耗也是射频器件设计时一个重要考虑参数,它直接与器件的损耗相关,理论上希望越小越好。目前,生产用于射频器件的LTCC材料主要有DuPont(951 ,943,FerroA6M,A6S,HeraeusCT700,CT800CT2000)Electro-science Laboratories。他们不仅可以提供介电常数系列化的LTCC生瓷带,而且也提供与其相匹配的布线材料。 
  
材料的许多热机械性能也是影响LTCC器件可靠性的一个主要因素,其中最关健的是热膨胀系数,应尽可能与其要焊接的电路板相匹配。图1IC封装的各材料的热膨胀系数。LTCC、氧化铝和其他陶瓷材料的TCE接近Si、砷化镓及磷化铟的TCE,从而可以减小机械应力,应用在大尺寸的晶片上不需要使用有机叠层。同时,减小热不匹配性可以增强机械的整体性,降低温度特性的变化,以及增加数位、光学和电子技术的集成能力。

1用于IC制造、封装何连接材料的TCE

 

谐振频率的温度系数(τf)尽可能的小,大约在106数量级,最好为零。此外,考虑到加工及以后的应用,LTCC材料还应满足许多机械性能的要求,如弯曲强度σ、硬度Hv、表面平整度、弹性模量E及断裂韧性KIC等等。表1为一些公司的LTCC材料性能。

目前,LTCC陶瓷材料主要是两个体系,即“微晶玻璃”系和“玻璃+ 陶瓷”系。采用低熔点氧化物或低熔点玻璃的掺杂可以降低陶瓷材料的烧结温度,但是降低烧结温度有限,而且不同程度会损坏材料性能,寻找自身具有烧结温度低的陶瓷材料引起研究人员的重视。此类材料,正在开发的主要品种为硼酸锡钡(BaSn(BO3)2)系和锗酸盐和碲酸盐系、 BiNbO4系、Bi203-Zn0-Nb205系、ZnO-TiO2系等陶瓷材料。近年来,清华大学周济课题组一直致力于这方面的研究。

1一些公司的低温共烧介质材料性能

 

LTCC材料研究中的另一个热点问题就是共烧材料的匹配性。将不同介质层(电容、电阻、电感,导体等)共烧时,要控制不同界面间的反应和界面扩散,使各介质层的共烧匹配性良好,界面层间在致密化速率、烧结收缩率及热膨胀速率等方面尽量达到一致,减少层裂、翘曲和裂纹等缺陷的产生。

一般说了,利用LTCC技术的陶瓷材料收缩率大约为1520%左右。若两者烧结无法匹配或兼容,烧结之后将会出现界面层分裂的现象;如果两种材料发生高温反应,其生成的反应层又将影响原来各自材料的特性。对于不同介电常数和组成的两种材料的共烧匹配性以及如何减少相互间的反应活性等是研究的重点。在LTCC应用于高性能系统时,对收缩行为的严格控制关键在于对LTCC共烧体系烧结收缩率的控制,LTCC共烧体系沿X-Y方向的收缩一般为12%~16%。借助无压烧结或助压烧结技术,获得沿X-Y方向零收缩率的材料烧结时,LTCC共烧层的顶部和下部放置于压片作为收缩率控制层。借助控制层与多层之间一定的粘结作用及控制层严格的收缩率,限制了LTCC结构沿XY方向的收缩行为。为了补充基板沿X-Y方向的收缩损失,基板将沿Z方向进行收缩补偿。结果,LTCC结构在XY方向上的尺寸变化只有0.1%左右,从而保证了烧结后,布线及孔的位置和精度,保证了器件的质量。

Dupont公司研发的控制收缩烧结技术已应用于60LTCC基板和30%的LTCC电路产品中。图2Dupont公司的控制收缩技术,2给出相应的性能。

2 Dupont公司的控制收缩技术


2 Dupont公司的控制收缩技术性能参数

目前,如果实现基片与布线共烧时的收缩率及热膨胀系数匹配问题是重要挑战,它关系到多层金属化布线的质量。LTCC共烧时,基片与浆料的烧结特性不匹配主要体现在三个方面:烧结致密化完成温度不一致;基片与浆料的烧结收缩率不一致;烧结致密化速度不匹配。这些不匹配容易导致烧成后基片表面不平整、翘曲、分层。不匹配的另一个后果是金属布线的附着力下降。Heraeus公司由于推出HeraLock tape系统而排名第一。这种LTCC材料和银导线完全和目前LTCC工艺兼容,X-Y方向上有小于0.2%的收缩,收缩的变化量小于0.014%。对于传统材料,8英寸的薄片在边缘就会有8-mil配准误差。这种新的材料,配准误差小于0.5milHeraeus公司已推出零收缩的CT800系列产品。


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