LTCC-Materialanforderungen
Die Anforderungen an die Materialeigenschaften von LTCC-Bauelementen umfassen elektrische Eigenschaften, thermomechanische Eigenschaften und Prozesseigenschaften.

Die Dielektrizitätskonstante ist die kritischste Eigenschaft von LTCC-Materialien. Da die Grundeinheit des Hochfrequenzgeräts die Länge des Resonators umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstante des Materials ist, wenn die Arbeitsfrequenz des Geräts niedrig ist (z. B. Hunderte von MHz), wenn ein Material mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante verwendet wird, ist das Gerät zu groß für die Verwendung. Daher ist es am besten, die Dielektrizitätskonstante zu serialisieren, um verschiedenen Betriebsfrequenzen zu entsprechen.

Der dielektrische Verlust ist auch ein wichtiger Parameter, der bei der Konstruktion von Hochfrequenzgeräten berücksichtigt wird, und er steht in direktem Zusammenhang mit dem Verlust des Geräts. Theoretisch gilt: Je kleiner, desto besser. Der Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstante ist ein wichtiger Parameter, der die Temperaturstabilität der elektrischen Leistung des Hochfrequenzgeräts bestimmt.

Um die Zuverlässigkeit von LTCC-Geräten zu gewährleisten, müssen bei der Materialauswahl auch viele thermomechanische Eigenschaften berücksichtigt werden. Am kritischsten ist der Wärmeausdehnungskoeffizient, der möglichst der zu lötenden Leiterplatte entsprechen sollte. Darüber hinaus sollten LTCC-Materialien unter Berücksichtigung der Verarbeitung und zukünftigen Anwendungen auch viele mechanische Leistungsanforderungen erfüllen, wie z. B. Biegefestigkeit σ, Härte Hv, Oberflächenebenheit, Elastizitätsmodul E und Bruchzähigkeit KIC usw.

„Die Prozessleistung kann im Allgemeinen die folgenden Aspekte umfassen: Erstens kann es bei einer Temperatur von unter 900 °C zu einem dichten, nicht porösen Gefüge gesintert werden. Zweitens sollte die Verdichtungstemperatur nicht zu niedrig sein, um den Austritt von organischem Material in die Silberpaste und das Grünband nicht zu verhindern. Drittens kann es nach Zugabe geeigneter organischer Materialien zu einem gleichförmigen, glatten und starken grünen Band gegossen werden.

Klassifizierung von LTCC-Materialien
Derzeit bestehen LTCC-Keramikmaterialien hauptsächlich aus zwei Systemen, nämlich dem System „Glaskeramik“ und dem System „Glas + Keramik“. Die Dotierung mit niedrigschmelzendem Oxid oder niedrigschmelzendem Glas kann die Sintertemperatur von keramischen Materialien senken, aber die Reduzierung der Sintertemperatur ist begrenzt und die Leistung des Materials wird in unterschiedlichem Maße beeinträchtigt. Die Suche nach keramischen Materialien mit niedriger Sintertemperatur hat die Aufmerksamkeit der Forscher auf sich gezogen. Die Hauptvarianten solcher Materialien, die entwickelt werden, sind Barium-Zinn-Borat (BaSn(BO3)2)-Serie, Germanat- und Tellurat-Serie, BiNbO4-Serie, Bi203-Zn0-Nb205-Serie, ZnO-TiO2-Serie und andere keramische Materialien. In den letzten Jahren hat sich die Forschungsgruppe von Zhou Ji an der Tsinghua-Universität der Forschung auf diesem Gebiet verschrieben.
LTCC-Materialeigenschaften
Die Leistung von LTCC-Produkten hängt vollständig von der Leistung der verwendeten Materialien ab. LTCC-Keramikmaterialien umfassen hauptsächlich LTCC-Substratmaterialien, Verpackungsmaterialien und Materialien für Mikrowellengeräte. Die Dielektrizitätskonstante ist die kritischste Eigenschaft von LTCC-Materialien. Die Dielektrizitätskonstante muss im Bereich von 2 bis 20000 serialisiert werden, um für verschiedene Betriebsfrequenzen geeignet zu sein. Zum Beispiel ist ein Substrat mit einer relativen Permittivität von 3.8 für den Entwurf von digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen geeignet; ein Substrat mit einer relativen Permittivität von 6 bis 80 kann das Design von Hochfrequenzschaltungen gut vervollständigen; ein Substrat mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von bis zu 20,000 kann hochkapazitive Bauelemente in eine Mehrschichtstruktur integriert werden. Hochfrequenz ist ein relativ offensichtlicher Trend bei der Entwicklung digitaler 3C-Produkte. Die Entwicklung von LTCC-Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante (ε≤10), um die Anforderungen von Hochfrequenz und Hochgeschwindigkeit zu erfüllen, ist eine Herausforderung für die Anpassung von LTCC-Materialien an Hochfrequenzanwendungen. Die Dielektrizitätskonstante des 901-Systems von FerroA6 und DuPont beträgt 5.2 bis 5.9, die 4110-70C von ESL beträgt 4.3 bis 4.7, die Dielektrizitätskonstante des LTCC-Substrats von NEC beträgt etwa 3.9 und eine Dielektrizitätskonstante von nur 2.5 ist in der Entwicklung.

Die Größe des Resonators ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstante, so dass bei Verwendung als dielektrisches Material die Dielektrizitätskonstante groß sein muss, um die Größe der Vorrichtung zu verringern. Derzeit sind die Grenzen von ultraniedrigem Verlust oder ultrahohem Q-Wert, relativer Permittivität (>100) oder sogar >150 dielektrische Materialien Forschungs-Hotspots. Für Schaltungen, die eine größere Kapazität erfordern, können Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante verwendet werden, oder eine dielektrische Materialschicht mit einer größeren Dielektrizitätskonstante kann zwischen die dielektrische LTCC-Keramiksubstratmaterialschicht gelegt werden, und die Dielektrizitätskonstante kann zwischen 20 und 100 liegen. Wählen Sie zwischen . Der dielektrische Verlust ist auch ein wichtiger Parameter, der bei der Konstruktion von Hochfrequenzgeräten zu berücksichtigen ist. Es hängt direkt mit dem Verlust des Geräts zusammen. Theoretisch ist zu hoffen, dass je kleiner, desto besser. Derzeit werden in Hochfrequenzgeräten verwendete LTCC-Materialien hauptsächlich von DuPont (951,943), Ferro (A6M, A6S), Heraeus (CT700, CT800 und CT2000) und Electro-science Laboratories verwendet. Sie können nicht nur serialisiertes grünes LTCC-Keramikband mit Dielektrizitätskonstante liefern, sondern auch passendes Verdrahtungsmaterial.

Ein weiteres heißes Thema bei der Erforschung von LTCC-Materialien ist die Kompatibilität von gemeinsam gebrannten Materialien. Beim gemeinsamen Brennen verschiedener dielektrischer Schichten (Kondensatoren, Widerstände, Induktivitäten, Leiter usw.) sollten die Reaktion und Grenzflächendiffusion zwischen verschiedenen Grenzflächen kontrolliert werden, um die Anpassung beim gemeinsamen Brennen jeder dielektrischen Schicht sowie die Dichterate und das Sintern zu gewährleisten Schrumpfung zwischen den Grenzflächen Die Geschwindigkeit und die Wärmeausdehnungsgeschwindigkeit sind so konstant wie möglich, um das Auftreten von Fehlern wie Abplatzen, Verziehen und Rissbildung zu reduzieren.

Im Allgemeinen beträgt die Schrumpfrate von keramischen Materialien mit LTCC-Technologie etwa 15-20%. Wenn das Sintern der beiden nicht abgestimmt oder kompatibel ist, wird die Grenzschicht nach dem Sintern gespalten; Wenn die beiden Materialien bei hoher Temperatur reagieren, beeinflusst die resultierende Reaktionsschicht die ursprünglichen Eigenschaften der jeweiligen Materialien. Die Co-Firing-Kompatibilität zweier Materialien mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten und Zusammensetzungen und die Reduzierung der gegenseitigen Reaktivität stehen im Fokus der Forschung. Beim Einsatz von LTCC in Hochleistungssystemen liegt der Schlüssel zur strikten Kontrolle des Schrumpfverhaltens in der Kontrolle der Sinterschrumpfung des LTCC-co-fired-Systems. Die Schrumpfung des mitbefeuerten LTCC-Systems entlang der XY-Richtung beträgt im Allgemeinen 12% bis 16%. Mit Hilfe des drucklosen Sinterns oder der druckunterstützten Sintertechnologie werden Materialien ohne Schrumpfung in XY-Richtung erhalten [17,18]. Beim Sintern werden die Ober- und Unterseite der gemeinsam gebrannten LTCC-Schicht als Schrumpfkontrollschicht auf die Ober- und Unterseite der gemeinsam gebrannten LTCC-Schicht gelegt. Mit Hilfe einer gewissen Bindungswirkung zwischen Kontrollschicht und Multilayer und der strikten Schrumpfrate der Kontrollschicht wird das Schrumpfverhalten der LTCC-Struktur entlang der X- und Y-Richtung eingeschränkt. Um den Schrumpfverlust des Substrats in XY-Richtung zu kompensieren, wird das Substrat in Z-Richtung schrumpfen. Als Ergebnis beträgt die Größenänderung der LTCC-Struktur in X- und Y-Richtung nur etwa 0.1%, wodurch die Position und Genauigkeit der Verdrahtung und der Löcher nach dem Sintern sichergestellt und die Qualität der Vorrichtung sichergestellt wird.