低温共烧陶瓷

低温共烧陶瓷（LTCC)材料简介及其应用

电子科技大学微电子与固体电子学院

张一鸣 22

一、简介

所谓低温共烧陶瓷（Low-temperature cofired ceramics, 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，然后叠压在一起，在900℃烧结，制成三维电路网络的无源集成组件，也可制成内置无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。总之，利用这种技术可以成功制造出各种高技术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办法，主要有低温共烧陶瓷（LTCC）技术、薄膜技术、硅半导体技术、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式主动或被动组件产品，整合型组件产品项目包含零组件、基板与模块。

二、LTCC技术特点

LTCC与其他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和互联通孔进行质量检查，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，从而可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；

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工艺流程如图所示。由此可知，采用LTCC工艺制作的多芯片组件具有可实现IC芯片封装，内埋置无源元件及高密度电路组装的功能。

与其他集成技术相比，具有以下特点：

1.根据配料的不同，LTCC材料的介电常数可以在很大范围内变动，增加了电路设计的灵活性；

2.陶瓷材料具有优良的高频、高Q和高速传输特性；

3.使用电导率高的金属材料作为导体材料，有利于提高电路系统的品质因数；

4.制作层数很高的电路基板，易于形成多种结构的空腔，内埋置元器件，免除了封装组件的成本，减少连接芯片导体的长度与接点数，可制作线宽<50um的细线结构电路，实现更多布线层数，能集成的元件种类多，参量范围大，于实现多功能化和提高组装密度；

5.可适应大电流和耐高温特性要求，具有良好的温度特性，如较小的热膨胀系数，较小的介电常数稳定系数。LTCC基板材料的热导率是有机叠层板的20倍，故可简化热设计，明显提高电路的寿命和可靠性；

6.与薄膜多层布线技术具有良好的兼容性，二者结合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；

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、耐高温、高湿、冲振，可以应用于恶劣环境；

8.非连续式的生产工艺，便于基板烧成前对每一层布线和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。

三、LTCC基板、封装材料

目前已开发的LTCC基板材料很多，大致可分为三大类：

1.陶瓷-玻璃系（微晶玻璃）：烧结过程中，玻璃晶化成低损耗相，使材料具有低介电损耗，这种工艺适用于制作20-30GHz器件；

2.玻璃加陶瓷填充料复合系：玻璃作为粘结剂使陶瓷颗粒粘结在一起，玻璃和陶瓷间不发生反应并要求填充物在烧结时与玻璃形成较好的浸润。填充物主要是用来改善陶瓷的抗弯强度，热导率等，此时玻璃不仅作为粘结剂，而且在烧结过程中玻璃和填充料反应形成高Q

值晶体，材料的性能由烧结工艺条件控制，如烧结升温速率，烧结温度，保温时间等；

3.非晶玻璃系，国内外研究集中在“微晶玻璃”系和“玻璃+陶瓷”系，但扔存在“微晶玻璃”系材料烧结温度难于低于900℃和“玻璃+陶瓷材料难于高致密化而使材料介电常数比较大，介电损耗过大等问题，还不能完全满足多层电路性能的要求。

3.1玻璃-陶瓷体系

玻璃一陶瓷体系一般是由硼和硅构成基本的玻璃网状组织，这些玻璃的构成物加上单价或双价碱性的难以还原的氧化物类元素可以重建玻璃的网状组织。该玻璃材料在烧结前是玻璃相，在烧结过程中，经过成核与结晶化过程成为具有结晶相的陶瓷材料。掌握玻璃的成核和析晶规律，有效地控制成核和析晶是得到所需性能玻璃陶瓷的关键。控制晶化依赖于有效地成核。不同的热处理过程可以得到不同粗细的晶粒，如果成核温度过高或过低、成核时间过短，则玻璃体中晶核浓度过低，在后期将可能长成粗达几十微米的晶粒；如果晶体生长期保温时间过短，则不能长成必要的晶相百分比；只有在恰当的成核温度和成核时间，才能获得足够的晶核浓度，有利于成长足够的细小晶粒和必要的结晶率．晶体生长温度和时间也很关键，温度过高则可能使晶核重新溶入或使试样变形；温度太低或保温时间过短则使晶粒成长不足，结晶率过低．因此，确定适当的热处理制度是决定最后材料性能的关键之一．

一般这种玻璃一陶瓷材料以堇青石(2MgO-2A1203·5Si02)系玻璃一陶瓷、钙硅石(CaO．Si02) 玻璃一陶瓷及锂辉石(Li20·A1203·4S102)等最为著名115j。另外，也有钙长石系里的钙长石玻璃．陶瓷．以上都采用硅酸盐类的玻璃一陶瓷材料，添加P205、Li20、B203、Zr02、ZnO、Ti02、Sn02中1，--,3种添加物组成，其烧结温度均在850—1050。C之间，介电常数及热膨胀系数均小． Ca-B—Si—O体系材料作为封装材料得到了广泛的研究，几年才开始被作为低介高频陶瓷材料研究．其离子具有较低的极化强度，在850。C烧结时经致密化成硼酸钙，其复合介电常数为6。

3.2玻璃+陶瓷

玻璃加各种难溶陶瓷填充相系统是目前最常用的LTCC材料。填充相主要有A1203、Si02、堇青石、莫来石等，玻璃主要是各种晶化玻璃．该系统主要包括结晶化玻璃．氧化铝复合系和结晶化玻璃一其他陶瓷复合系．结晶化玻璃和其他陶瓷的复合系主要包括蓝晶石

(A1203·Si02)、锂辉石(Li20·A1203·4Si02)、硅灰石(CaO·Si02)、硅酸镁(MgO·Si02)、四硼酸锂等与Li20．K20—Na20一A120a—B203一Si02玻璃的混合体，其烧结温度在900C 左右。这种方法不仅工艺简化，成分易控制，而且烧结时的密度快速增长移向较高温度，有利于烧尽来自生片和浆料的有机物和降低基板的高温变形。此类低温共烧陶瓷介质材料具有较低的介电常数、较小的温度系数、较高的电阻率和化学反应稳定性等特性。

3.3单相陶瓷

商用LTCC生片多以高性能的玻璃陶瓷体系作为基板材料为主，材料中各组分较多，组成复杂，共烧时要求各组成间的烧结特性匹配和化学性能兼容．多相系统的存在增加了与导体材料相互作用的可能性，降低了材料的可靠性．因此需要开发新的材料系统，减少LTCC生片材料组分．因此无玻璃组分的单相陶瓷材料引起人们的重视．此类材料，已开发的主要品种为硼酸锡钡陶瓷(BaSn(B03)2)和硼酸锆钡陶瓷BaZr(B03)2，烧结范围都在900℃一1000℃