周雨衡绪论

第一章绪论1.1低温共烧陶瓷的概述随着微电子信息技术的迅猛发展，电子整机在小型化、便携式、多功能、数字化及高可靠性、高性能方面的需求，进一步推动了电子元件日益向微型化、集成化和高频化的方向发展，这就要求基板能满足高传播速度、高布线密度和大芯片封装等要求。

低温共烧陶瓷技术(Low Temperature Cofired Ceramic，LTCC)是近年来兴起的一种令人瞩目的多学科交叉的整合组件技术，涉及电路设计、材料科学、微波技术等广泛的领域。

由于它在信息时代为各种电子系统的元器件以及模块小型化、轻量化提供了比较好的解决途径，因此在国内国际上越来越受到重视，广泛用于基板材料、封装材料以及微波器件材料等。

其中该种基板被用作第五代电子元件组装用基板，已经成为无源集成的主流技术，成为无源元件领域的发展方向和新的元件产业的经济增长点。

目前，LTCC材料在日本、美国等发达国家已进入产业化、系列化和可进行材料设计的阶段。

许多LTCC材料生产厂家可以提配套系列产品。

但在国内仍属于起步阶段，拥有自主知识产权的材料体系和器件几乎是空白。

国内目前LTCC陶瓷材料基本有两个来源：一是购买国外陶瓷生带；二是LTCC生产厂从陶瓷材料到生带自己开发。

随着未来LTCC制品市场中运用LTCC制作的组件数目逐渐被LTCC模块与基板所取代，终端产品产能过剩，价格和成本竞争日趋激烈，元器件的国产化必将提上议事日程，这为国内LTCC产品的发展提供了良好的市场契机。

国内现在急需开发出系列化的、拥有自主知识产权的LTCC瓷粉料，并专业化生产LTCC用陶瓷生带系列，为LTCC产业的开发奠定基础。

1.11 LTCC基板材料的发展历程LTCC基板材料技术的发展离不开材料科学和电子科学,材料科学的进步推动了它的发展,而电子科学又不断提出新的更高要求,从而促使它向着更先进更广阔的空间发展。

为了获得高的信号传输速度,根据信号延迟时间公式Td=L·ε/c可知,信号传输速度与介电常数的平方成反比,故材料的介电常数越小,信号传输速度越快,系统性能越好[3]。

20世纪70年代中期,烧成温度在1000℃以下的玻璃陶瓷基板问世。

到了80年代,LTCC在超级计算机领域获得了应用。

在该发展过程中最著名的IBM公司在玻璃陶瓷/Cu布线及相关理论方面做了大量工作,1977年对Corning公司提供的堇青石微晶玻璃进行了改性。

纯堇青石由于烧成温度高于1000℃,并由于过低的热膨胀系数容易因热应力引起失效问题。

改性后的主要成分与纯堇青石相比,MgO的成分增加而Al2O3的成分减少了,这是因为过量的MgO可以促进基板烧结,且烧结后的基板中会残留部分玻璃相,提高了基板的热膨胀系数,从而能够与Si芯片更好地匹配。

自此之后,对于LTCC基板材料的研究活跃起来,包括对材料体系的选择、优化和制备工艺的改进等,都取得了很多进展和成就。

美国和日本的科学工作者在这方面做了很多工作,包括:ZnO-MgO-Al2O3-SiO2系玻璃陶瓷材料的开发;在Al2O3系基板材料中加入低熔点玻璃(硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃等)和其他添加剂(如镁橄榄石、堇青石)以提高基板致密度;以及利用干压法成型添加了CaO、MgO、SiO2等的Al2O3基板的可行性研究。

1.12 LTCC的技术定义所谓低温共烧陶瓷(Low-Temperature Cofired Ce-ramics，LTCC)技术，就是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确且致密的生瓷带作为电路基板材料，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，并将多个无源元件埋入其中，然后叠压在起，在900℃下烧结，制成三维电路网络的无源集成组件；也可制成内置源元件的三维电路基板，在其表面可以贴装IC和有源器件，制成无源/有源集成的功能模块，利用这种技术可以成功地制造出各种高技术LTCC产品。

多个不同类型、不同性能的无源元件集成在一个封装内有多种方法，主要有低温共烧陶瓷(LTCC)技术、薄膜技术、硅片半导体技术、多层电路板技术等。

目前,LTCC技术是无源集成的主流技术。

LTCC整合型组件包括各种基板承载或内埋各式主动或被动组件的产品，整合型组件产品项目包含零组件(Components)、基板(Substrates)与模块(Modules)。

1.13LTCC技术的特点LTCC与其它多层基板技术相比较,具有以下特点：(1)易于实现更多布线层数,提高组装密度；(2)易于内埋置元器件，提高组装密度，实现多功能；(3)便于基板烧成前对每一层布线的互连通孔进行质量检查有利于提高多层基板的成品率和质量，缩短生产周期,降低成本；(4)具有良好的高频特性和高速传输特性；(5)易于形成多种结构的空腔，实现性能优良的多功能微波MCM；(6)与薄膜多层布线技术具有良好的兼容性，二者结合可实现更高组装密度和更好性能的混合多层基板和混合型多芯片组件(MCM-C/D)；(7)易于实现多层布线与封装一体化结构，进一步减小体积和重量,提高可靠性。

LTCC技术由于其自身具有的独特优点，在制作新一代移动通信中的表面组装型元器件方面显现出巨大的优越性。

1.14 LTCC基板材料的发展方向对于LTCC基板材料的研究,国内的研究水平普遍不高原因之一是由于国外大公司将此类材料的关键技术进行保密,其二是由于材料研究难度大、成本高、周期长。

国内的研究机构虽然也在这方面做了不少工作,但都没有达到实用化。

笔者通过对国内几所使用进口LTCC基板材料的单位进行了解,得知国内产品最大的问题是稳定性不佳,究其原因,主要是没有很好地与生产结合起来。

国外能成功生产LTCC基板材料的多为大公司(如DuPont、Ferro、日立等),及时将研究得出的成果通过生产和市场的检验,才能最终得出实用的材料。

本文通过对市场上较成功的几类材料进行分析,从材料最基本的成分、结构与性能之间的关系出发来分析,指出LTCC基板材料的发展方向:①材料体系会更加丰富,不仅仅局限在已有的几种材料体系的改进上;②通过对材料组分、热处理制度等的控制,能得到满足使用条件的材料;③通过对材料本质的认识,可以发展出LTCC基板材料的理论体系并加以完善,对今后的材料研究提供理论依据,使材料研究的周期缩短,节约成本。

1.15 LTCC 工艺概述图 1 给出了LTCC 工艺流程，主要有混料、流延、打孔、填孔、丝网印刷、叠片、等静压、排胶烧结等主要工序，下面简单介绍各个工序工艺。

第一步：混料、流延。

将有机物（主要由聚合物粘结剂和溶解于溶液的增塑剂组成）和无机物（由陶瓷和玻璃组成）成分按一定比例混合，用球磨的方法进行碾磨和均匀化，然后浇注在一个移动的载带上（通常为聚酯膜），通过一个干燥区，去除所有的溶剂，通过控制刮刀间隙，流延成所需要的厚度。

第二步：把生（未烧结）瓷带按需要的尺寸进行裁切。

第三步：利用机械冲压、钻孔或激光打孔技术形成通孔。

通孔是在生瓷片上打出的小孔（直径通常为0.1~0.2mm），用在不同层上以互连电路。

在此阶段还要冲制模具孔，帮助叠片时的对准；对准孔用于印刷导体和介质时自动对位。

第四步：通孔填充。

利用传统的厚膜丝网印刷或模板挤压把特殊配方的高固体颗粒含量的导体浆料填充到通孔。

第五步：利用标准的厚膜印刷技术对导体浆料进行印刷和烘干。

通孔填充和导体图形在箱式或链式炉中按相关工艺温度和时间进行烘干。

根据需要，所有电阻器、电容器和电感器在此阶段印刷和烘干。

第六步：检查、整理和对准。

检查、整理和对准不同层，使每层中的对准孔同心并准备叠层。

叠层期间（无论是单轴还是等静压），整理和对准的基板层被热压在一起（通常为60~70℃，21MPa 下10~30min）。

然后一步共烧叠层第七步：排胶、烧结。

200~500℃之间的区域被称为有机排胶区（建议在此区域叠层保温最少60min）。

然后在5~15min 将叠层共烧至峰值温度（通常为850℃）。

气氛烧成金属化的典型排胶和烧成曲线会用上2~10h。

烧成的部件准备好后烧工艺，如在顶面上印刷导体和精密电阻器，然后在空气中烧成。

如果Cu 用于金属化，烧结必须在N2链式炉中进行。

然后对电路进行激光调阻（如果需要）、测试、切片和检验，LTCC 封装中可用硬钎焊引线或散热片(如果需要)。

1.16 LTCC 技术的问题及未来展望1.161LTCC 技术的问题虽然与其他封装技术相比 LTCC 技术有不可取代的优越性，但 LTCC 技术本身仍然存在收缩率控制和基板散热等问题。

（1）收缩率问题。

LTCC 存在许多涉及可靠性的难点，基板与布线共烧时的收缩率及热膨胀系数匹配问题即是其中的一个重要挑战，它关系到多层金属化布线的质量。

LTCC 共烧时，基板与浆料的烧结特性不匹配主要体现在三个方面：①烧结致密化完成温度不一致；②基板与浆料的烧结收缩率不一致；③烧结致密化速度不匹配。

这些不匹配容易导致烧成后基板表面不平整、翘曲、分层。

不匹配的另一个后果是金属布线的附着力下降。

（2）散热问题。

虽然 LTCC 基板比传统的PCB 板在散热方面已经有了很大的改进，但由于集成度高、层数多、器件工作功率密度高，LTCC基板的散热仍是一个关键问题，成为影响系统工作稳定性的决定因素之一。

随着微电子技术的进步，器件工作能量密度越来越高，如何把热量及时有效地散发出去，保障器件的稳定工作，是封装所面临的艰巨挑战。

采用高导热率的材料及新型的封装设计是提高封装部件散热效率的常用方法。

但对 LTCC 来说，其明显的不足之处就是基片的导热率低（2~6W/m·K），远低于 AIN 基片的导热率（≥100W/m·K），比 A12O3基片的导热率（15~25W/m·K）也低了不少。

这限制了LTCC 在大型、高性能计算系统中的应用。

1.162 LTCC 技术未来展望目前，尽管 LTCC 技术为多层线路设计带来了巨大的灵活性，但有些相关技术尚未成熟或待开发，也缺乏使用 LTCC 设计线路的技术标准。

业己成熟或即将发展的有关 LTCC 关键技术如下：（1）高电导率介质浆料：用以实现高容量。

如 Cu 布线技术一直是发达国家重点研究项目之一，现在一般采用的是 Ag 进行金属化。

（2）内埋无源元件：目前，电阻和电容己经能够内埋于 LTCC 基板中，但是对于电感的内埋仍有一些问题。

（3）内埋有源元件：借助该技术可集成那些无需共烧在 LTCC 基板的有源元件或芯片，加工出一种带有空腔的 LTCC 载体或基板，装入芯片，加盖并焊接后封闭箱体。

（4）顶底球形阵列：通过安装组成高性能器件，并带有许多有源器件。

（5）零收缩率：由于在烧结过程中 LTCC 生瓷带的不均匀收缩，限制了导体印刷的线宽和线间距。

零收缩率生瓷带将带来性能更卓著的多层线路结构。