LTCC材料要求

LTCC材料要求
LTCC 器件的材料性能要求包括電性能、熱機械性能和工藝性能。

介電常數是 LTCC 材料最關鍵的特性。 由於射頻器件的基本單位——諧振腔的長度與材料的介電常數的平方根成反比,當器件的工作頻率較低(如數百兆赫)時,如果一種材料使用低介電常數時,器件尺寸會過大而無法使用。 因此,最好將介電常數序列化以適應不同的工作頻率。

介電損耗也是射頻器件設計中考慮的一個重要參數,它與器件的損耗直接相關。 理論上,越小越好。 介電常數的溫度係數是決定射頻器件電性能溫度穩定性的重要參數。

為了保證LTCC器件的可靠性,在選擇材料時還必須考慮許多熱機械性能。 最關鍵的就是熱膨脹係數,要盡量與要焊接的電路板相匹配。 此外,考慮到加工和未來應用,LTCC材料還應滿足許多力學性能要求,如彎曲強度σ、硬度Hv、表面平整度、彈性模量E和斷裂韌性KIC等。

“工藝性能一般可以包括以下幾個方面:首先,它可以在低於 900°C 的溫度下燒結成緻密、無孔的微觀結構。 其次,緻密化溫度不宜過低,以免妨礙银浆和綠化帶中有機物的排放。 第三,加入適當的有機材料後,可以澆鑄成均勻、光滑、牢固的綠色膠帶。

LTCC材料的分類
目前,LTCC陶瓷材料主要由兩個體系組成,即“微晶玻璃”體系和“玻璃+陶瓷”體系。 摻雜低熔點氧化物或低熔點玻璃可以降低陶瓷材料的燒結溫度,但燒結溫度的降低是有限的,材料的性能會受到不同程度的損害。 尋找低燒結溫度的陶瓷材料引起了研究人員的關注。 正在開發的此類材料的主要品種有硼酸錫鋇(BaSn(BO3)2)系列、鍺酸鹽和碲酸鹽系列、BiNbO4系列、Bi203-Zn0-Nb205系列、ZnO-TiO2系列等陶瓷材料。 近年來,清華大學週驥課題組一直致力於這方面的研究。
LTCC材料特性
LTCC 產品的性能完全取決於所用材料的性能。 LTCC陶瓷材料主要包括LTCC基板材料、封裝材料和微波器件材料。 介電常數是 LTCC 材料最關鍵的特性。 要求介電常數在2到20000範圍內系列化,以適應不同的工作頻率。 例如,相對介電常數為3.8的襯底適合高速數字電路的設計; 相對介電常數為6~80的基板可以很好地完成高頻電路的設計; 相對介電常數高達 20,000 的基板可以使高容量器件集成到多層結構中。 高頻是數字3C產品發展的一個比較明顯的趨勢。 開發低介電常數(ε≤10)LTCC材料以滿足高頻高速要求是LTCC材料如何適應高頻應用的挑戰。 FerroA901和杜邦的6體系的介電常數為5.2~5.9,ESL的4110-70C為4.3~4.7,NEC的LTCC基板的介電常數約為3.9,低至2.5的介電常數正在開發中。

諧振器的尺寸與介電常數的平方根成反比,因此當用作介電材料時,要求介電常數大以減小器件尺寸。 目前,超低損耗或超高Q值的極限、相對介電常數(>100)甚至>150的介電材料是研究熱點。 對於需要較大電容的電路,可以採用高介電常數的材料,或者在LTCC介電陶瓷基板材料層之間夾一層介電常數較大的介電材料層,介電常數可以在20到100之間選擇。 . 介電損耗也是射頻器件設計中需要考慮的一個重要參數。 它直接關係到設備的損耗。 理論上,希望越小越好。 目前用於射頻器件的LTCC材料主要有杜邦(951,943)、Ferro(A6M、A6S)、Heraeus(CT700、CT800和CT2000)和Electro-science Laboratories。 他們不僅可以提供具有介電常數的系列化LTCC綠色陶瓷帶,還可以提供匹配的佈線材料。

LTCC材料研究的另一個熱點問題是共燒材料的相容性。 共燒不同介電層(電容器、電阻、電感、導體等)時,應控制不同界面之間的反應和界面擴散,使各介電層的共燒匹配良好,密度率和燒結界面層之間的收縮率和熱膨脹率盡可能一致,以減少剝落、翹曲和開裂等缺陷的發生。

一般來說,採用LTCC技術的陶瓷材料的收縮率在15-20%左右。 如果兩者的燒結不能匹配或兼容,則燒結後界面層會分裂; 如果兩種材料在高溫下反應,產生的反應層會影響各自材料的原有特性。 具有不同介電常數和成分的兩種材料的共燒相容性以及如何降低相互反應性是研究的重點。 當LTCC用於高性能係統時,嚴格控制收縮行為的關鍵是控制LTCC共燒系統的燒結收縮。 LTCC共燒體系沿XY方向的收縮率一般為12%~16%。 借助無壓燒結或壓力輔助燒結技術,可以獲得在 XY 方向上零收縮的材料 [17,18]。 燒結時,LTCC共燒層的頂部和底部放置在LTCC共燒層的頂部和底部作為收縮控制層。 借助控制層與多層板之間一定的粘結作用和控制層嚴格的收縮率,限制了LTCC結構沿X和Y方向的收縮行為。 為了補償基板在XY方向的收縮損失,基板會在Z方向進行收縮補償。 因此,LTCC結構在X、Y方向的尺寸變化僅為0.1%左右,從而保證了燒結後佈線和孔的位置和精度,保證了器件的質量。