LTCC基板具有高频特性、热稳定性、被动元件集成化等优点:(1)有优良的高频、高Q特性和高速传输特性;(2)具有良好的温度特性,可适应大电流及耐高温特性要求;(3)易于实现多功能化和提高组装密度,可靠性高、耐高温、高湿、冲振,可以应用于恶劣环境。因此,LTCC被认为是未来整合元件和高频应用基板材料最具发展前景的技术。
材料体系
从LTCC的制备工艺及其应用来看,LTCC对材料性能的要求为:(1)介电常数εr 在2 ~ 20000 范围内系列化以适用于不同的工作频率;(2)低介电损耗以保证器件的高频特性;(3)烧结温度小于900C,以利于和Ag、Cu等导电材料共烧;(4)良好的热稳定性,热膨胀系数(TEC)可调整到接近所载芯片的TEC,谐振频率温度系数τf尽可能小;(5)高热导率,以提高功率和封装密度;(6)物理化学稳定性高,粉体利于浆料配置和流延成型,共烧特性匹配,局部缺陷尽可能少。
陶瓷材料分类
目前低温共烧陶瓷材料有三大类:微晶玻璃系,玻璃+陶瓷复合系和非晶玻璃系。
微晶玻璃系:微晶玻璃是由一定组成的玻璃通过受控晶化制得的由大量微小晶体和少量残余玻璃相组成的复合体。它具有配方易调节,工艺简单且性能较优的特点,如低介电损耗,适用于制作工作频率在20 ~ 30GHz的器件,以堇青石、钙硅石及锂辉石应用最为广泛。微晶玻璃按基础玻璃组成一般可分为硅酸盐系统、铝硅酸盐系统、硼硅酸盐系统、硼酸盐系统以及磷酸盐系统等五大类。微晶玻璃采用硅酸盐类的玻璃——陶瓷材料,添加1种或多种氧化物,如ZrO2、ZnO、SnO2,烧结温度在850 - 1050 ℃,介电常数和热膨胀系数小。
玻璃+陶瓷复合系:这是目前最常用的LTCC材料。在陶瓷中加入低熔点的玻璃相,烧结时玻璃软化,粘度下降,从而可以降低烧结温度。玻璃主要是各种晶化玻璃,陶瓷填充相主要是Al2O3、SiO2、堇青石、莫来石等。烧结温度在900℃左右,工艺简单灵活,容易控制调节复合材料的烧结特性和物理性能,介电常数及其温度系数小,电阻率高,化学稳定性好。
非晶玻璃系: 将形成玻璃的氧化物进行充分混合,在800 ~ 950℃之间煅烧,然后球磨过筛,按照陶瓷工艺成型烧结成为致密的陶瓷基板。这种体系的工艺简单,成分容易控制,但陶瓷基板的综合性能不太理想,如机械强度较低,介质损耗较大,目前很少采用。
除了形成玻璃或者陶瓷的基体材料外,通常还在体系中加入一些添加剂,如晶核剂、烧结助剂等,以改善体系的析晶能力、烧结性能、电学性能等。
LTCC材料的应用
LTCC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。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。
按照LTCC陶瓷材料的用途来分,主要体现在以下两个方面。
01
LTCC基板、封装材料
传统基板材料(Al2O3、SiC等)和高温烧结陶瓷(HTCC)不仅烧结温度高(> 1500°C),而且只能与高熔点、高电阻的金属(Mo、W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(LTCC)技术。低烧结温度可以使金属良导体(Cu、Ag等)与陶瓷流延片共烧,提高厚膜电路的导电性能、降低成本。
由于大规模集成电路的发展,IC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I/O数目、碱少互连线尺寸、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LTCC的一种应用。
02
LTCC电子元器件材料
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。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LTCC的多层结构片式LC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LTCC技术制造片式滤波器,陶瓷材料应具备以下几个要求:(1)烧结温度应低于950°C;(2)介电常数和介电损耗适当,一般要求Q值越大越好;(3)谐振频率的温度系数应小;(4)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;(5)粉体特性应利于浆料配制和流延成型等。
为了适应LTCC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MgTiO3-CaTiO3体系、(Zr, Sn)TiO3-BaO-TiO2体系,BaO-Ln2O3-TiO2体系、Bi2O3-ZnO-Nb2O5体系、BiNbO4体系、复合钙钛矿结构和钨青铜结构材料体系等等。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。