LTCC材料的分类
目前,LTCC陶瓷材料主要是两个体系,即“微晶玻璃”系和“玻璃+ 陶瓷”系。采用低熔点氧化物或低熔点玻璃的掺杂可以降低陶瓷材料的烧结温度,但是降低烧结温度有限,而且不同程度会损坏材料性能,寻找自身具有烧结温度低的陶瓷材料引起研究人员的重视。此类材料,正在开发的主要品种为硼酸锡钡(BaSn(BO3)2)系和锗酸盐和碲酸盐系、 BiNbO4系、Bi203-Zn0-Nb205系、ZnO-TiO2系等陶瓷材料。近年来,清华大学周济课题组一直致力于这方面的研究。
LTCC材料的性能
LTCC产品性能好坏完全依赖所用材料的性能。LTCC陶瓷材料主要包括,LTCC 基板材料、封装材料和微波器件材料。介电常数是LTCC材料最关健的性能。要求介电常数在2~20000范围内系列化以适用于不同的工作频率。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;相对介电常数高达20000的基板,则可以使高容性器件集成到多层结构中。高频化是数位3C产品发展比然的趋势,发展低介电常数(ε≤10)的LTCC材料以满足高频和高速的要求是LTCC材料如何适应高频应用的一个挑战。FerroA6和DuPont的901系统介电常数为5.2~5.9,ESL公司的4110-70C为4.3~4.7,NEC公司LTCC基板介电常数为3.9左右,介电常数低达2.5的正在开发。
谐振器的尺寸大小与介电常数的平方根成反比,因此作为介质材料时,要求介电常数要大,以减小器件尺寸。目前,超低损耗的极限或超高Q值、相对介电常数(>100)乃至>150的介质材料是研究的热点。需要较大电容量的电路,可以采用高介电常数的材料,也可在LTCC介质陶瓷基板材料层中夹入有较大介电常数的介质材料层,其介电常数可在20~100之间选择。介电损耗也是射频器件设计时一个重要考虑参数,它直接与器件的损耗相关,理论上希望越小越好。目前,生产用于射频器件的LTCC材料主要有DuPont(951 ,943),Ferro(A6M,A6S),Heraeus(CT700,CT800和CT2000)和Electro-science Laboratories。他们不仅可以提供介电常数系列化的LTCC生瓷带,而且也提供与其相匹配的布线材料。
LTCC材料研究中的另一个热点问题就是共烧材料的匹配性。将不同介质层(电容、电阻、电感,导体等)共烧时,要控制不同界面间的反应和界面扩散,使各介质层的共烧匹配性良好,界面层间在致密化速率、烧结收缩率及热膨胀速率等方面尽量达到一致,减少层裂、翘曲和裂纹等缺陷的产生。
一般说了,利用LTCC技术的陶瓷材料收缩率大约为15~20%左右。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。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重点。在LTCC应用于高性能系统时,对收缩行为的严格控制关键在于对LTCC共烧体系烧结收缩率的控制,LTCC共烧体系沿X-Y方向的收缩一般为12%~16%。借助无压烧结或助压烧结技术,获得沿X-Y方向零收缩率的材料[17,18]烧结时,在LTCC共烧层的顶部和下部放置于压片作为收缩率控制层。借助控制层与多层之间一定的粘结作用及控制层严格的收缩率,限制了LTCC结构沿X、Y方向的收缩行为。为了补充基板沿X-Y方向的收缩损失,基板将沿Z方向进行收缩补偿。结果,LTCC结构在X、Y方向上的尺寸变化只有0.1%左右,从而保证了烧结后,布线及孔的位置和精度,保证了器件的质量。
LTCC材料的分类
目前,LTCC陶瓷材料主要是两个体系,即“微晶玻璃”系和“玻璃+ 陶瓷”系。采用低熔点氧化物或低熔点玻璃的掺杂可以降低陶瓷材料的烧结温度,但是降低烧结温度有限,而且不同程度会损坏材料性能,寻找自身具有烧结温度低的陶瓷材料引起研究人员的重视。此类材料,正在开发的主要品种为硼酸锡钡(BaSn(BO3)2)系和锗酸盐和碲酸盐系、 BiNbO4系、Bi203-Zn0-Nb205系、ZnO-TiO2系等陶瓷材料。近年来,清华大学周济课题组一直致力于这方面的研究。
LTCC材料的性能
LTCC产品性能好坏完全依赖所用材料的性能。LTCC陶瓷材料主要包括,LTCC 基板材料、封装材料和微波器件材料。介电常数是LTCC材料最关健的性能。要求介电常数在2~20000范围内系列化以适用于不同的工作频率。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;相对介电常数高达20000的基板,则可以使高容性器件集成到多层结构中。高频化是数位3C产品发展比然的趋势,发展低介电常数(ε≤10)的LTCC材料以满足高频和高速的要求是LTCC材料如何适应高频应用的一个挑战。FerroA6和DuPont的901系统介电常数为5.2~5.9,ESL公司的4110-70C为4.3~4.7,NEC公司LTCC基板介电常数为3.9左右,介电常数低达2.5的正在开发。
谐振器的尺寸大小与介电常数的平方根成反比,因此作为介质材料时,要求介电常数要大,以减小器件尺寸。目前,超低损耗的极限或超高Q值、相对介电常数(>100)乃至>150的介质材料是研究的热点。需要较大电容量的电路,可以采用高介电常数的材料,也可在LTCC介质陶瓷基板材料层中夹入有较大介电常数的介质材料层,其介电常数可在20~100之间选择。介电损耗也是射频器件设计时一个重要考虑参数,它直接与器件的损耗相关,理论上希望越小越好。目前,生产用于射频器件的LTCC材料主要有DuPont(951 ,943),Ferro(A6M,A6S),Heraeus(CT700,CT800和CT2000)和Electro-science Laboratories。他们不仅可以提供介电常数系列化的LTCC生瓷带,而且也提供与其相匹配的布线材料。
LTCC材料研究中的另一个热点问题就是共烧材料的匹配性。将不同介质层(电容、电阻、电感,导体等)共烧时,要控制不同界面间的反应和界面扩散,使各介质层的共烧匹配性良好,界面层间在致密化速率、烧结收缩率及热膨胀速率等方面尽量达到一致,减少层裂、翘曲和裂纹等缺陷的产生。
一般说了,利用LTCC技术的陶瓷材料收缩率大约为15~20%左右。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。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重点。在LTCC应用于高性能系统时,对收缩行为的严格控制关键在于对LTCC共烧体系烧结收缩率的控制,LTCC共烧体系沿X-Y方向的收缩一般为12%~16%。借助无压烧结或助压烧结技术,获得沿X-Y方向零收缩率的材料[17,18]烧结时,在LTCC共烧层的顶部和下部放置于压片作为收缩率控制层。借助控制层与多层之间一定的粘结作用及控制层严格的收缩率,限制了LTCC结构沿X、Y方向的收缩行为。为了补充基板沿X-Y方向的收缩损失,基板将沿Z方向进行收缩补偿。结果,LTCC结构在X、Y方向上的尺寸变化只有0.1%左右,从而保证了烧结后,布线及孔的位置和精度,保证了器件的质量。
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