LTCC材料要求

LTCC材料要求
LTCC 器件对材料性能的要求包括电性能、热机械性能和工艺性能。

介电常数是 LTCC 材料最关键的特性。 由于射频器件的基本单位——谐振腔的长度与材料的介电常数的平方根成反比,当器件的工作频率较低(如数百兆赫)时,如果一种材料使用低介电常数时,器件尺寸会过大而无法使用。 因此,最好将介电常数序列化以适应不同的工作频率。

介电损耗也是射频器件设计中考虑的一个重要参数,它与器件的损耗直接相关。 理论上,越小越好。 介电常数的温度系数是决定射频器件电性能温度稳定性的重要参数。

为了保证LTCC器件的可靠性,在选择材料时还必须考虑许多热机械性能。 最关键的就是热膨胀系数,要尽量与要焊接的电路板相匹配。 此外,考虑到加工和未来应用,LTCC材料还应满足许多力学性能要求,如弯曲强度σ、硬度Hv、表面平整度、弹性模量E和断裂韧性KIC等。

“工艺性能一般可以包括以下几个方面:首先,它可以在低于 900°C 的温度下烧结成致密、无孔的微观结构。 其次,致密化温度不宜过低,以免妨碍银浆和绿化带中有机物的排放。 第三,加入适当的有机材料后,可以浇铸成均匀、光滑、牢固的绿色胶带。

LTCC材料的分类
目前,LTCC陶瓷材料主要由两大体系组成,即“微晶玻璃”体系和“玻璃+陶瓷”体系。 掺杂低熔点氧化物或低熔点玻璃可以降低陶瓷材料的烧结温度,但烧结温度的降低是有限的,材料的性能会受到不同程度的损害。 寻找低烧结温度的陶瓷材料引起了研究人员的关注。 正在开发的此类材料的主要品种有硼酸锡钡(BaSn(BO3)2)系列、锗酸盐和碲酸盐系列、BiNbO4系列、Bi203-Zn0-Nb205系列、ZnO-TiO2系列等陶瓷材料。 近年来,清华大学周骥课题组一直致力于这方面的研究。
LTCC材料特性
LTCC 产品的性能完全取决于所用材料的性能。 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 材料最关键的特性。 要求介电常数在2到20000范围内系列化,以适应不同的工作频率。 例如,相对介电常数为3.8的衬底适合高速数字电路的设计; 相对介电常数为6~80的基板可以很好地完成高频电路的设计; 相对介电常数高达 20,000 的基板可以使高容量器件集成到多层结构中。 高频是数字3C产品发展的一个比较明显的趋势。 开发低介电常数(ε≤10)LTCC材料以满足高频高速要求是LTCC材料如何适应高频应用的挑战。 FerroA901和杜邦的6体系的介电常数为5.2~5.9,ESL的4110-70C为4.3~4.7,NEC的LTCC基板的介电常数约为3.9,低至2.5的介电常数正在开发中。

谐振器的尺寸与介电常数的平方根成反比,因此当用作介电材料时,要求介电常数大以减小器件尺寸。 目前,超低损耗或超高Q值的极限、相对介电常数(>100)甚至>150的介电材料是研究热点。 对于需要较大电容的电路,可以采用高介电常数的材料,或者在LTCC介电陶瓷基板材料层之间夹一层介电常数较大的介电材料层,介电常数可以在20到100之间选择。 . 介电损耗也是射频器件设计中需要考虑的一个重要参数。 它直接关系到设备的损耗。 理论上,希望越小越好。 目前用于射频器件的LTCC材料主要有杜邦(951,943)、Ferro(A6M、A6S)、Heraeus(CT700、CT800和CT2000)和Electro-science Laboratories。 他们不仅可以提供具有介电常数的系列化LTCC绿色陶瓷带,还可以提供匹配的布线材料。

LTCC材料研究的另一个热点问题是共烧材料的相容性。 共烧不同介电层(电容器、电阻、电感、导体等)时,应控制不同界面之间的反应和界面扩散,使各介电层的共烧匹配良好,密度率和烧结界面层之间的收缩率和热膨胀率尽可能一致,以减少剥落、翘曲和开裂等缺陷的发生。

一般来说,采用LTCC技术的陶瓷材料的收缩率在15-20%左右。 如果两者的烧结不能匹配或兼容,则烧结后界面层会分裂; 如果两种材料在高温下反应,产生的反应层会影响各自材料的原有特性。 具有不同介电常数和成分的两种材料的共烧相容性以及如何降低相互反应性是研究的重点。 当LTCC用于高性能系统时,严格控制收缩行为的关键是控制LTCC共烧系统的烧结收缩。 LTCC共烧体系沿XY方向的收缩率一般为12%~16%。 借助无压烧结或压力辅助烧结技术,可以获得在 XY 方向上零收缩的材料 [17,18]。 烧结时,LTCC共烧层的顶部和底部放置在LTCC共烧层的顶部和底部作为收缩控制层。 借助控制层与多层板之间一定的结合作用以及控制层严格的收缩率,LTCC结构沿X和Y方向的收缩行为受到限制。 为了补偿基板在XY方向的收缩损失,基板会在Z方向进行收缩补偿。 因此,LTCC结构在X、Y方向的尺寸变化仅为0.1%左右,从而保证了烧结后布线和孔的位置和精度,保证了器件的质量。