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1、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900C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
2、、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。、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
3、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。DTbp.心MF迥h/m HU whb SiScrwn-priTitgro.nthtt to >ntfan 川:*1* Mit by tcroen Ut cwidiictprW«> 仪仏 呻皿1弊号 一 9" 3«&a
4、mp;vHitt 曲tdcn f i 1 l«r inapoeI9)A>a»bl»ooapooM 8)Plu>"Bun outNi/Au * orAwnit* * ud cafire6)Re tin tajidiMLnatai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，
5、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
6、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
7、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 C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
8、。 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-2A12035Si02)系玻璃一陶瓷、钙硅石(CaO. Si02
9、) 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 A12
10、03、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
11、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 900C 1000C烧成。这些系统的结晶度较高，从而高温高湿度状态下也并不引起Ag 布线的迁移。 Matj
12、azvalant 等研究了锗酸钙、硅酸钙和碲酸钙三种单相低烧结温度材料的烧结性能、介电性能 以及与 Ag 导体间的作用。实验结果表明碲酸钙材料烧结温度最低，但介电常数较大，并与 Ag 导体发生反应硅酸钙具有较低的介电常数和损耗，但烧结温度较高锗酸钙具有较低的介电常数和损耗，且烧成温度适当，是最具有发展潜力的LTCC材料，通过进一步细化粉体或添加少量烧结助剂，使烧结温度降低至900 C以下。3.4LTCC微波元器件材料采用LTCC技术将多种元器件复合或集成在多层陶瓷基板中已经成为当今电子电路研究发展 的主流技术 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
13、重点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。应用LTCC技术的陶瓷材料应具备以下几个要求：（1）烧结温度一般应低于 950。C,以便和Ag、Cu等导体共烧；（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矸 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国际上微波介质材料与器件行业一方面为了缩小器件的体积而 开发高介电常数的材料体系。四、LTCC 布线材料对金属材料有如下要求： 1）金属粉的物理性质适于丝网漏
14、印细线和填满通孔；2） 浆料与基板生片粘合剂的有机体系兼容； 3）金属粉末的烧结行为与基板生料的烧结行为匹配， 控制收 缩达到好的面间整体性， 烧结时的收缩差异不能造成基板变形；4）烧结后的导带有高的电导率.LTCC通常使用的导体材料有铜、银、金和银/钯、金/钯其中铜系统是研究的热点， 是较为理想的导体材料，具有电导率高、成本低、抗电迁移性良好等特点。五、发展现状国内LTCC产品的开发比国外发达国家至少落后5年。这主要是由于电子终端产品发展滞后造成的。LTCC功能组件和模块组要用于 CSM CDMA和 PHS手机、无绳电话、WLAN和蓝牙等 通信产品，除 40 多兆的无绳电话外，这几类产品是国
15、内近 4 年才发展起来的。深圳南玻电 子有限公司引进了目前世界上最先进的设备，建成了国内第一条LTCC生产线，开发了多种LTCC产品并已投产，如片式 LC滤波器系列、片式蓝牙天线、片式定向耦合器、片式平衡-不平衡转换器、低通滤波器阵列等，性能已达到国外同类产品水平，并已进入市场。目前， 南玻电子正在开发 LTCC多层基板和无线传输用的多种功能模块。国内目前尚不能生产 LTCC专用工艺设备。拒不完全统计，国内南玻电子引进了一条完整的 LTCC生产线，另外约有 4家研究所已经正在引进 LTCC中试设备，开发LTCC功能模块。香港青石集成微系统公司长期从事微波电磁场的研究与LTCC产品的设计。他们采
16、用先进的电磁场模拟优化软件，设计出了多款LC滤波器和LTCC模块，取得了良好的效果。目前清华大学材料系、上海硅酸盐研究所等单位正在开发LTCC用陶瓷粉料，但尚未得到批量生产的程度。国内目前急需开发出系列化的、有自主知识产权的LTCC用陶瓷粉料，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。六、LTCC材料问题及发展趋势LTCC材料经历了从简单到复合、从低介电常数到高介电常数和使用频段不断增加等发展过 程，但是目前的体系还是不能令人满意。 存在的主要问题包括： 1) 在体系的选择和性能的提 高等方面主要是对大量的实验结果进行经验总结为基础，尚缺乏有效的理论作指导。 如决定介
17、电常数、 介质损耗、 谐振频率的温度系数等物理机制间的内在制约关系； 材料中各组分在 共烧过程中的各元素迁移规律及相互作用的机理、 动力学过程、 共烧过程的致密化、 异质界 面的应力失配、 结构失配、兼容性等问题； 2)材料的制备方法多采用高温固相反应法，不仅烧结时间长，而且难获得致密均匀的显微结构材料系统组成复杂，相互间化学兼容性、自 谐等原因难以在高频下正常工作等问题影响材料的稳定性， 因此不仅需要开发新的材料系统 进行组分的优化， 而且需要开发新的工艺方法， 使其具有良好的高频特性以及系列化工作频 率并适应集成化需要。LTCC技术发展面临来自不同技术的竞争与挑战，如何继续保持在无 线通讯组件领域的主流地位， 还必须继续强化自身技术发展和大力降低制造成本， 不断完善 或亟待开发相关技术。 我国对低温烧结的低介电常数的介质材料的研究明显落后 开展低温 烧结介质材料与器件的大规模国产化工作， 不仅具有重要的社会效益而且具有显著的经济利 益。目前， 如何在国际上先进国家已有一定范围知识产权保护垄断的形势下，开发优化及拥有自主知识产权地利用新原理、新技术、新工艺或新材料制造具有新功能、新用途、新结构的新型低温烧结介质材料和器件，大力开展LTCC器件设计与加工技术、应用LTCC器件的大规模产品生产线，尽快促进我国LTCC技术产业的形成与发展是今后研究的主要工作。