LTCC材料的应用及研究现状

２００４年中国电子学会第十三届电子元件学术年会论文集ＬＴＣＣ材料的应用及研究现状崔擘民，周济，缪春林，沈建红青华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，北京，１０００８４摘要：本文主要概述了低温共烧陶瓷（Ｌ【ｃＬ）技术的应用和研究现状。

文中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研究发展的一个重要方向；在我国应该大力发展县有自主知识产权的ＬＴＣＣ技术。

关键词：低温共烧陶瓷‘‘警’；多层陶瓷基板；信息功能陶瓷近年来，信息技术的发展要求高速数据和高ＬＵ流密度传输，￡Ｈｆ线路日益向微型化、集成化和高频化的方向发展。

这就刘ｌ｛＿！予元件提出了尺、』ｊ：：＿々小、高频、离可靠性，价格低廉和高集成度的要求。

低温共烧陶瓷（Ｌｏｗ７ＩｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏ．ｆｉｒｅｄＣｅｒａｍｉｃ，ＵＦＣＣ）足丁１９８２年由休斯公司开发的新型材料技术【１Ｊ，它采川厚膜材料，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。

它是一种川丁实现高集成度、高性能的电子封装技术。

ＬＴＣＣ普遍麻Ｊ１４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，在布线线宽和线问距、低阻抗金属化、设计的多样性及优良的高频性能等方面部显现出诱人的魅力““”。

１．ＬＴＣＣ的技术特点从国内外ＬＴＣＣ技术的应ｊｉｌｊ领域来看，主要在Ｆ面三个方面大量应用”。

‘…ｌ：（１）高频无线通讯领域这基丁［ＴＣＣ村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：（２）航空航天工业领域例如，美国的空间系统制造公司Ｌｏｒａｌｌｎｃ．为满足通讯卫星上控制电路２５０ｕｎｌ线宽，每层１５０个以上通孔的ＭＣＭ－－Ｃ组件的电路要求，选用了杜邦公司的ＬＴＣＣ材料技术。

（３）存储器、驱动器、滤波器、传感器等领域ＬＴＣＣ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入应力释放层的方法，研制出了０８０５规格的片式叠层ＬＣ组合元件。

ＬＴＣＣ的一ｒ艺流程比较复杂，下｜面以低温共烧陶瓷基扳为例介绍其主要１：艺过程（３，１０－１ｈ“·”Ｉ（１）流延片的制各采用不同的配比，可以制备出各种性能的流延片生带，目前１廿界上提供ＬＴＣＣ流延，；‘生带的生产厂家有Ｄｕｐｏｎｔ、Ｆｅｒｒｏ、Ｈｅｒａｅｕｓ、ＮｏｒｔｈｒｏＰ、ＳｗｅｄｉｓｈＣｅｒａｍｉｃＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｋｙｏｃｅｒａ、Ｓａｒｎｏｆｆ、ＮａｔｉｏｎａｌＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，ＮＩＫＫＯ、ＮｉｐｐｅｎＥｌｅｃｔｒｉｃＧｌａｓｓ，Ｓａｍｓｕｎｇ，台湾璨德屯子■：业股份有限公司、国内的原ｌ乜子一［业部４３所等。

（２）流延片的下料、打孔流延生带可采Ｊ千ｉ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７Ｌ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３种方法：钻孔、冲孔和激光打孔。

激光法所打孔精度和孔径都比较合适，而且打７Ｌ速度高，所ｊ＝ｆ；ｆＬ易＿ｒ７口成亩孔，是最理想的打孔方法。

（３）通孔填充通７Ｌ填充是制造ＬＴＣＣ基板的关键工艺之，其方法有３种：厚膜印刷、．３９．丝网印刷（Ｓｃｍ＇ｅｎＰｒｉｎｔｉｎｇ）和导体生片填充法。

（４）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（ＭｅｔａＩｌｌｚａｔｉｏｎ）的两部分。

（５）叠层、热压及切片将印制好的导体和形成互连通７Ｌ的生瓷片，按预先没计的层数和次序，依次叠放。

在一定的温度和压力下粘接在一起形成…个完整的多层基板坯体。

切片Ｊ：艺是将多层生瓷坯体切成更小的部件或其他形状，可由钻石轮划片、超声切割、激光切割等３种方法来实现。

（６）共烧由于ＬＴＣＣ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，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：（１）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：（２）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；（３）为了降低成本，烧结温度必须低，以便和廉价的银电极能够共烧。

２．ＬＴＣＣ材料的应用ＬＴＣＣ材料一般是玻璃陶瓷介质材料，并掺有有机填充物。

添加这些有机填充物是考虑热膨胀原因而调整ＬＴＣＣ材料的收缩率，进而达到一次性共烧的目的１１０－２。

Ｉ。

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【Ｉ“””’“ｌ。

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。

这些特性是与化学成分、工艺和与导电材料紧密相连的。

按照ＬＴＣＣ的应用领域来分的话，主要有以’ＦＪＬ个方面：２．１ｕ’ＣＣ基板、封装材料传统基板材料（Ａ】２０３、ＳｉＣ等）和高温烧结陶瓷（ＨＴＣＣ），不仅烧结温度高（大于１５０００Ｃ），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）与陶瓷坯片共烧．提高厚膜电路的导电性能、降低了成本。

电子封装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、保护和冷却等项工艺措施。

多芯片等技术的出现。

对基板技术提出更高的要求。

多芯片封装低温烧结陶瓷基板的特征是：与导体（Ｃｕ．Ａｇ等），电阻（Ｒ）．电容（Ｃ），电感（Ｌ）材料同时烧成，在顶层键合ＩＣ、ＬＳＩ等有源器件和芯片元件。

封装对基板材料有如下的要求：①高电阻率（大于１０“ｏｃｍ）．保证信号线间的绝缘性：②低介电常数，提高信号的传输速率，低介电损耗降系数减小了在交变电场中的损耗：②低烧结温度（９５０．１０００ｏＣ），同Ａｇ，ｃｕ等高电导率的金属共烧：④与单晶ｓｊ相应热膨胀系数，保证与ｓｉ芯片封装的兼容性；⑤较高的热导率。

防止多层基板过热。

ＬＴＣＣ常通过提高通孔面积分数来提高导热率；⑤较好的物理、化学性能利综合机电性能ｐ。

１０－１４，”‘１７１ｏ根据配料的不同，ＬＴＣＣ材料的介电常数可在很大的范围内变化，增加了线路设计的灵活性。

例如相对介电常数为３．８的基板适用于高速数字电路的设计：相对介电常数为６～８０的基板可很好地完成高频线路的设计；而高达２００００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。

－４０·由于大规模集成电路的发展，ｌｃ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、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。

美国ｌＢＭ公司在８０年代首先制备出多层陶瓷共烧基板．到目前为止，多层低温共烧技术已经取得了很大的进展。

多层陶瓷低温麸烧技术是一种改进了的厚膜工艺，采用的介质材料是流延法制备的生带，通过印制导体浆料进行布线后，叠层、热压后形成多层基板，陶瓷的烧结和金属化布线一次完成，因而减少了基板的变形；由于层间介质较厚，耐高压能力强、分布电容小、机械强度高，加上表面平坦，基本不受层数的限制。

多层低温共烧基板经常与厚、薄膜基板配合后混合使用。

目前使用的低温烧结低介电常数陶瓷材料可分为三太类Ｉｌ”ｋ”４０”Ｊ：微晶玻璃系：玻璃＋陶瓷填充料的复合系、非晶玻璃系．近年来人们把研究的重点放在玻璃＋陶瓷填充料的复合系及微晶玻璃上，发展了很多低烧结温度、低介电常数体系。

Ｋｕｍａｒ［｜０］等人于１９＇７７年制成成分为ＡＪ２０３－Ｓｉ０２一ＭｇＯ—Ｂ２岛一Ｐ２ｑ的微晶玻璃之后．有关ＬＴＣＣ的玻璃陶瓷体系得到了蓬勃发展。

Ｋｏｎｄｏ［２１］等人开发了ＺｎＯ－－ＭｇＯ－－Ａ１２０３－－Ｓｉ０２体系玻璃陶瓷材料Ｋａｗａｋａｍｆ””研究了硅酸盐玻璃加Ａ１２０３系基板材料，通过加入镁橄榄石（２ＭｇＯ·Ｓｉ０２）或董青石（２ＭｇＯ·２Ａ１２０３·５ｓｉ０２）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（ＢＳＧＣ）和高硅玻璃陶瓷（ＨＳＧＣ）体系等，２．２Ｉ卫ＣＣ电子元器件材料电路元器件在当今电子产业中己越来越重要。

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薪技术．与此同时。

元器件厂商也在提高各种电路的元器件安装密度。

因此复合元器件已成为当今发展的主流方向之一ｌＩ“‘１８－２１）ｏ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ＬＣ谐振器、片式ＣＲ组件刚剐进入商品化阶段，而利用低温共烧陶瓷（ＬＴＣＣ）技术将有源元件和无源元件集成在基板上的技术在我国尚处于初步的研究开发阶段。

至于将有源元件和无源元件集成的技术，还需要很长的路要走。

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Ｉｌ“．仅我国．到２００５年，国内市场需求各类片式元件约１５００亿只。

采用片式多层技术制各元器件具备低成本、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。

例如将多层电容器与多层电感器复台、多层电容器与多层压敏电阻器复合后构成抗噪声ＥＭＩ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。

例如应用在总线阻抗选配、减小反射增加信号完整性、数一模与模一数接口线路。

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，那么将导致成本增加、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利后果。

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广泛的重视ｌｌ“１８＂２０Ｊｕ为了减少微波器件的体积．适应通信系统的小型化要求，基于低温麸烧技术（ＬＴＣＣ）的多层结构片式ＬＣ－４Ｉ．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）烧结温度低。