Requisiti dei materiali LTCC
I requisiti per le proprietà dei materiali dei dispositivi LTCC includono proprietà elettriche, proprietà termomeccaniche e proprietà di processo.

La costante dielettrica è la proprietà più critica dei materiali LTCC. Poiché l’unità di base del dispositivo a radiofrequenza, la lunghezza del risonatore è inversamente proporzionale alla radice quadrata della costante dielettrica del materiale, quando la frequenza di lavoro del dispositivo è bassa (come centinaia di MHz), se un materiale con una bassa costante dielettrica, il dispositivo La dimensione sarà troppo grande per essere utilizzata. Pertanto, è meglio serializzare la costante dielettrica per adattarsi alle diverse frequenze operative.

Anche la perdita dielettrica è un parametro importante considerato nella progettazione di dispositivi a radiofrequenza ed è direttamente correlata alla perdita del dispositivo. In teoria, più piccolo è, meglio è. Il coefficiente di temperatura della costante dielettrica è un parametro importante che determina la stabilità in temperatura delle prestazioni elettriche del dispositivo a radiofrequenza.

Per garantire l’affidabilità dei dispositivi LTCC, nella scelta dei materiali è necessario considerare anche molte proprietà termomeccaniche. Il più critico è il coefficiente di dilatazione termica, che dovrebbe corrispondere il più possibile al circuito da saldare. Inoltre, considerando la lavorazione e le applicazioni future, i materiali LTCC dovrebbero anche soddisfare molti requisiti di prestazioni meccaniche, come resistenza alla flessione σ, durezza Hv, planarità superficiale, modulo elastico E e tenacità alla frattura KIC e così via.

“Le prestazioni del processo possono generalmente includere i seguenti aspetti: in primo luogo, può essere sinterizzato a una temperatura inferiore a 900°C in una microstruttura densa e non porosa. In secondo luogo, la temperatura di densificazione non dovrebbe essere troppo bassa, in modo da non impedire lo scarico di materia organica nella pasta d’argento e nella cintura verde. Terzo, dopo aver aggiunto materiali organici appropriati, può essere colato in un nastro verde uniforme, liscio e resistente.

Classificazione dei materiali LTCC
Attualmente i materiali ceramici LTCC sono principalmente composti da due sistemi, ovvero il sistema “vetroceramica” e il sistema “vetro + ceramica”. Il drogaggio con ossido a basso punto di fusione o vetro a basso punto di fusione può ridurre la temperatura di sinterizzazione dei materiali ceramici, ma la riduzione della temperatura di sinterizzazione è limitata e le prestazioni del materiale saranno danneggiate in varia misura. La ricerca di materiali ceramici a bassa temperatura di sinterizzazione ha attirato l’attenzione dei ricercatori. Le principali varietà di tali materiali in fase di sviluppo sono bario stagno borato (BaSn(BO3)2), germanato e tellurato, BiNbO4, Bi203-Zn0-Nb205, ZnO-TiO2 e altri materiali ceramici. Negli ultimi anni, il gruppo di ricerca di Zhou Ji presso l’Università Tsinghua si è impegnato nella ricerca in questo settore.
Proprietà del materiale LTCC
Le prestazioni dei prodotti LTCC dipendono interamente dalle prestazioni dei materiali utilizzati. I materiali ceramici LTCC includono principalmente materiali di substrato LTCC, materiali di imballaggio e materiali per dispositivi a microonde. La costante dielettrica è la proprietà più critica dei materiali LTCC. La costante dielettrica deve essere serializzata nell’intervallo da 2 a 20000 per essere adatta a diverse frequenze operative. Ad esempio, un substrato con una permittività relativa di 3.8 è adatto per la progettazione di circuiti digitali ad alta velocità; un substrato con una permittività relativa da 6 a 80 può ben completare la progettazione di circuiti ad alta frequenza; un substrato con una permittività relativa fino a 20,000 può far sì che i dispositivi ad alta capacità siano integrati in una struttura multistrato. L’alta frequenza è una tendenza relativamente ovvia nello sviluppo di prodotti digitali 3C. Lo sviluppo di materiali LTCC a bassa costante dielettrica (ε≤10) per soddisfare i requisiti di alta frequenza e alta velocità è una sfida per il modo in cui i materiali LTCC possono adattarsi alle applicazioni ad alta frequenza. La costante dielettrica del sistema 901 di FerroA6 e DuPont è da 5.2 a 5.9, la 4110-70 °C di ESL è da 4.3 a 4.7, la costante dielettrica del substrato LTCC di NEC è circa 3.9 e la costante dielettrica a partire da 2.5 è in fase di sviluppo.

La dimensione del risonatore è inversamente proporzionale alla radice quadrata della costante dielettrica, quindi quando viene utilizzato come materiale dielettrico, è necessario che la costante dielettrica sia grande per ridurre le dimensioni del dispositivo. Attualmente, il limite del valore Q ultra-basso o ultra-alto, la permittività relativa (>100) o anche >150 materiali dielettrici sono punti caldi della ricerca. Per i circuiti che richiedono una capacità maggiore, è possibile utilizzare materiali con un’elevata costante dielettrica oppure è possibile inserire uno strato di materiale dielettrico con una costante dielettrica maggiore tra lo strato di materiale del substrato ceramico dielettrico LTCC e la costante dielettrica può essere compresa tra 20 e 100. Scegliere tra . Anche la perdita dielettrica è un parametro importante da considerare nella progettazione di dispositivi a radiofrequenza. È direttamente correlato alla perdita del dispositivo. In teoria, si spera che più piccolo è, meglio è. Attualmente, i materiali LTCC utilizzati nei dispositivi a radiofrequenza sono principalmente DuPont (951,943), Ferro (A6M, A6S), Heraeus (CT700, CT800 e CT2000) ed Electro-science Laboratories. Non solo possono fornire nastro ceramico verde LTCC serializzato con costante dielettrica, ma forniscono anche materiali di cablaggio corrispondenti.

Un altro tema caldo nella ricerca dei materiali LTCC è la compatibilità dei materiali co-cotti. Quando si co-accendono diversi strati dielettrici (condensatori, resistenze, induttanze, conduttori, ecc.), la reazione e la diffusione dell’interfaccia tra le diverse interfacce devono essere controllate per fare in modo che l’accoppiamento di co-combustione di ciascuno strato dielettrico sia buono e il tasso di densità e la sinterizzazione ritiro tra gli strati di interfaccia Il tasso e il tasso di espansione termica sono il più coerenti possibile per ridurre il verificarsi di difetti come scheggiature, deformazioni e fessurazioni.

In generale, il tasso di ritiro dei materiali ceramici che utilizzano la tecnologia LTCC è di circa il 15-20%. Se la sinterizzazione dei due non può essere abbinata o compatibile, lo strato di interfaccia si dividerà dopo la sinterizzazione; se i due materiali reagiscono ad alta temperatura, lo strato di reazione risultante influenzerà le caratteristiche originali dei rispettivi materiali. La compatibilità della co-combustione di due materiali con costanti dielettriche e composizioni diverse e come ridurre la reattività reciproca sono al centro della ricerca. Quando LTCC viene utilizzato in sistemi ad alte prestazioni, la chiave per un controllo rigoroso del comportamento di ritiro è controllare il ritiro di sinterizzazione del sistema co-fired LTCC. Il ritiro del sistema co-cotto LTCC lungo la direzione XY è generalmente compreso tra il 12% e il 16%. Con l’aiuto della sinterizzazione senza pressione o della sinterizzazione assistita da pressione, si ottengono materiali con ritiro nullo nella direzione XY [17,18]. Durante la sinterizzazione, la parte superiore e inferiore dello strato co-cotto LTCC vengono posizionati sopra e sotto lo strato co-cotto LTCC come strato di controllo del ritiro. Con l’aiuto di un certo effetto di adesione tra lo strato di controllo e il multistrato e il rigoroso tasso di ritiro dello strato di controllo, il comportamento di ritiro della struttura LTCC lungo le direzioni X e Y è limitato. Per compensare la perdita di ritiro del supporto nella direzione XY, il supporto sarà compensato per il ritiro nella direzione Z. Di conseguenza, la variazione dimensionale della struttura LTCC nelle direzioni X e Y è solo dello 0.1% circa, garantendo così la posizione e la precisione del cablaggio e dei fori dopo la sinterizzazione e garantendo la qualità del dispositivo.