LTCC技术技术及其应用

课题大纲LTCC技术简介LTCC中的材料技术LTCC的工艺流程LTCC技术特点和优势LTCC的应用和发展趋势一.LTCC技术简介为什么要发展LTCC技术？什么是LTCC技术LTCC技术的发展历程一.LTCC技术简介（1）为什么要发展LTCC技术？随着当今移动电话的爆炸性增长，用移动电话作为无线终端设备来传输文本和图像数据的通信技术也持续不断的发展。同时宽带和高频技术的各种应用也不断涌现。为了减小电路尺寸，需要将各种高频和无源器件至于基板内部。此外，人们还期待满足高频和带宽要求且高频损耗小的电子器件和基板及早实现。一.LTCC技术简介由于低温共烧陶瓷（LTCC）易于不同特性的材料相结合，这就有可能实现元件的集成和将不同特性的元件至于陶瓷内部。此外，将低损耗金属埋入低温共烧陶瓷中作为导体是可能的，陶瓷的高频介电损耗小，热膨胀系数低，所以LTCC技术被认为在未来的高频应用中，作为器件的集成和基板是极有希望的技术。一.LTCC技术的发展历程元器件发展历程新一代元件封装一.LTCC技术的发展历程（2）什么是LTCC技术？英文全称：Low-TemperatureCofiredCeramics低温共烧陶瓷以陶瓷材料作为电路的介电层将低容值电容、电阻、阻抗转换器、滤波器、耦合器等被动元件内埋入陶瓷基板中，应用金、银、铜等金属当做内外层电极，以平行印刷模式涂布电路，与低于900°的烧结炉中烧结而成陶瓷元件或基板。一.LTCC技术的发展历程传统PCB基板LTCC一.LTCC技术简介（3）LTCC技术的发展历程多层陶瓷技术源于20世纪50年代末期美国无线电（RCA）公司的开发，现行的基本工艺技术（用流延法的生片制造技术、过孔形成技术和多层叠层技术）在当时就已被应用。其后IBM公司在这一领域居于领先地位。80年代初，商业化的主计算机的电路板是这一技术的产物。因为这些多层基板是用氧化铝绝缘材料和导体材料在1600℃下高温共烧的，故而称为高温共烧陶瓷（HTCC）。从80年代中期开始，为提高大型一.LTCC技术简介计算机的速度，LTCC技术应运而生。LTCC技术是于1982年休斯公司开发的新型材料技术，是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，并将多个被动组件（如低容值电容、电阻、滤波器、阻抗转换器、耦合器等）埋入多层陶瓷基板中，然后叠压在一起，内外电极可分别使用银、铜、金等金属，在一.LTCC技术简介900℃下烧结，制成三维空间互不干扰的高密度电路，也可制成内置无源元件的三维电路基板，在其表面可以贴装IC和有源器件，制成无源/有源集成的功能模块，可进一步将电路小型化与高密度化，特别适合用于高频通讯用组件。二、LTCC材料主要内容：LTCC基板、封装材料LTCC布线材料LTCC材料研究存在的问题和发展趋势LTCC基板、封装材料目前已开发的LTCC基板材料大致可分为三类：陶瓷一玻璃系(微晶玻璃)：低介电损耗，适合制作20~30GHz器件。玻璃加陶瓷填充料的复合系：填充物主要是用来改善陶瓷的抗弯强度、热导率等，在烧结过程中玻璃和填充料反应形成高Q值晶体。单相陶瓷系：低烧结温度，高致密化，以减小材料的介电常数和介电损耗，满足多层电路性能的要求。1、陶瓷一玻璃系玻璃—陶瓷体系一般是由硼和硅构成基本的玻璃网状组织，这些玻璃的构成物加上单价或双价碱性的难以还原的氧化物类元素可以重建玻璃的网状组织。掌握玻璃的成核和析晶规律，有效地控制成核和析晶是得到所需性能玻璃陶瓷的关键。确定适当的热处理制度是决定最后材料性能的关键之一。设计和选择获得适当的结晶相，将有助于提高LTCC材料的品质因数、降低材料的高频损耗。1、陶瓷一玻璃系一般这种玻璃—陶瓷材料以堇青石(2MgO·2A1203-5SiO2)系玻璃—陶瓷、钙硅石(CaO-SiO2)玻璃—陶瓷及锂辉石(Li20-A1203·-4SIO2)等最为著名。另外，也有钙长石系里的钙长石玻璃—陶瓷。以上都采用硅酸盐类的玻璃—陶瓷材料，添加P2O5、Li2O、B2O3、ZrO2、ZnO、TiO2、SnO2中的1—3种添加物组成，其烧结温度均在850~1050度之间，介电常数及热膨胀系数均小。2、玻璃加陶瓷填充料的复合系玻璃加各种难溶陶瓷填充相系统是目前最常用的LTCC材料。填充相主要有A12O3、SiO2、堇青石、莫来石等，玻璃主要是各种晶化玻璃。该系统主要包括结晶化玻璃—氧化铝复合系和结晶化玻璃—其他陶瓷复合系。结晶化玻璃和其他陶瓷的复合系主要包括蓝晶石、锂辉石、硅灰石、硅酸镁、四硼酸锂等玻璃的混合体，其烧结温度900度左右。此类低温共烧陶瓷介质材料具有较低的介电常数、较小的温度系数、较高的电阻率和化学反应稳定性等特性。3、单相陶瓷此类材料，已开发的主要品种为硼酸锡钡陶瓷(BaSn(BO3)2)和硼酸锆钡陶瓷BaZr(BO3)2，烧结范围都在900~1000oC烧成。这些系统的结晶度较高，在高温高湿度状态下也并不引起Ag布线的迁移。锗酸钙具有较低的介电常数和损耗，通过进一步细化粉体或添加少量烧结助剂，使烧结温度降至900度以下。LTCC布线材料对金属材料有如下要求金属粉的物理性质适于丝网漏印细线和填满通孔；浆料与基板生片粘合剂的有机体系兼容；金属粉末的烧结行为与基板生料的烧结行为匹配，控制收缩达到好的面间整体性，烧结时的收缩差异不能造成基板变形；烧结后的导带有高的电导率。LTCC布线材料LTCC通常使用的导体材料有铜、银、金和银/钯、金/钯。其中铜系统是研究的热点，是较为理想的导体材料，具有电导率高，成本低、抗电迁移性良好等特点。银导体有最好的射频和直流损耗特性。银迁移可能引起漏电和电介质击穿。银在低于8750C烧结，银离子不扩散，而以本身致密化为主，在9000C以上烧结时，通过含铅和碱离子的玻璃相扩散，氧化铝和钙长石等结晶相对银扩散起壁垒作用。LTCC材料研究存在的问题和发展趋势存在的主要问题包括：（1）在体系的选择和性能的提高等方面主要是对大量的实验结果进行经验总结为基础，尚缺乏有效的理论作指导。（2）材料的制备方法多采用高温固相反应法，不仅烧结时间长，而且难获得致密均匀的显微结构。LTCC材料研究存在的问题和发展趋势材料系统组成复杂，相互间化学兼容性、自谐等原因难以在高频下正常工作等问题影响材料的稳定性，因此不仅需要开发新的材料系统进行组分的优化，而且需要开发新的工艺方法，使其具有良好的高频特性以及系列化工作频率并适应集成化需要。三、LTCC中的工艺流程流延填孔及印刷冲孔叠片静压切割烧结裁片三、LTCC中的工艺流程主要成分：玻璃粉，氧化铝粉亚克力树脂及添加特定的粘接剂及有机/无机溶剂。特点：通过改变材料类型及配比，可获得预期设计要求（如热传导特性、介电常数、损耗因子、绝缘电阻、击穿电压等）的基板。流延裁片冲孔填孔印刷叠片静压切割烧结调阻测试目的：由陶瓷浆料制作出陶瓷基板坯料。配料流延刮刀成型及预固化三、LTCC中的工艺流程流延裁片冲孔填孔印刷叠片静压切割烧结调阻测试目的：将坯料切割成一定尺寸的陶瓷薄片，每一片将成为多层陶瓷基板的一层。过程中，对流延不良的薄片进行剔除。切刀生陶瓷三、LTCC中的工艺流程流延裁片冲孔填孔印刷叠片静压切割烧结调阻测试目的：在薄陶瓷片上制作出用以进行电气互联的过孔、通孔。方法：机械冲孔，激光冲孔冲孔类型机械冲孔激光冲孔冲孔原理冲针冲击成孔激光束烧成孔优点孔径准确速度快，耗材少缺点成孔速度较慢耗材较昂贵孔径有Taper问题，精确度比较差，以光热能方式工作，易产生异物三、LTCC中的工艺流程流延裁片冲孔填孔印刷叠片静压切割烧结调阻测试机械冲孔，激光冲孔原理对比PETfilm生瓷片PinDieVacuum激光束PETfilm生瓷片Vacuum机械冲孔激光冲孔三、LTCC中的工艺流程目的：将过孔填充剂填入过孔中，作为层与层之间电路连接的垂直通路，以制备多层陶瓷基板内部的过孔。多孔台板刮刀浆料真空吸引印刷网版特制纸流延裁片冲孔填孔印刷叠片静压切割烧结调阻测试三、LTCC中的工艺流程目的：使用丝网印刷方法，将导电浆料或介质材料印刷在陶瓷片上，用以制作电气互联的导线及印制元器件（电阻、电容、压敏电阻等）。流延裁片冲孔填孔印刷叠片静压切割烧结调阻测试三、LTCC中的工艺流程目的：将已印刷电路图形的陶瓷片按照次序，依次叠放在一起，使得图形符合电路结构要求，并揭除印刷时的PET膜。流延裁片冲孔填孔印刷叠片静压切割烧结调阻测试三、LTCC中的工艺流程目的：将叠片后的生瓷片利用高压使之粘粘接牢固。流延裁片冲孔填孔印刷叠片静压切割烧结调阻测试方法：机械轴压液体等静压三、LTCC中的工艺流程目的：将较大面积的生瓷基板，按照各元件、模块的切割边界进行切割分离，便于进行烧结。而烧结后，陶瓷片将不易切割。方法：金刚刀切割激光切割流延裁片冲孔填孔印刷叠片静压切割烧结调阻测试金刚刀切割激光切割三、LTCC中的工艺流程01020304050607080901001101201301402004006008001000INOUTABC流延裁片冲孔填孔印刷叠片静压切割烧结调阻测试目的：将生瓷基板加热烧结成熟瓷，使之瓷材硬化、内部浆料固化、结构稳定。对LTCC基板，加热温度一般低于900℃。三、LTCC中的工艺流程目的：对通过印刷制成的电阻等元器件进行精细调节，以修正印刷误差、适配器件参数差异，以达到最佳系统性能。方法：激光脉冲加热流延裁片冲孔填孔印刷叠片静压切割烧结调阻测试三、LTCC中的工艺流程自动光学检测系统可检缺陷包括：过焊、缺焊、污迹、线宽过窄、鼠啮、通孔、污染物、印制漂移、基板收缩、丝网老化等，同时系统还可分辨随机缺陷和系统缺陷。流延裁片冲孔填孔印刷叠片静压切割烧结调阻测试目的：产品加工过程中，对质量进行监察，避免不良品流入下道工序。主要包括外观检查、电气特性测量、内部结构检查。方法：光学检测探针测试X光检测方法1：光学检测三、LTCC中的工艺流程方法2：飞针测试流延裁片冲孔填孔印刷叠片静压切割烧结调阻测试目的：使用探针对印制的导线、金属化孔等进行电气特性判定。3.LTCC中的工艺流程流延裁片冲孔填孔印刷叠片静压切割烧结调阻测试目的：使用X光检测LTCC基板内部电层的不可见缺陷。方法3：X光检测四、LTCC技术与同类技术的比较LTCC技术属于多芯片组件(MCM)技术中的一个分支，最早由美国休斯公司于1982年开发。它兼具高温共烧陶瓷(HTCC)技术和厚膜技术的许多优点，拥有极其广阔的应用前景。四、LTCC技术与同类技术的比较厚膜技术缺点LTCC技术优点HTCC技术缺点厚膜技术优点HTCC技术优点需要多次印刷高导电金属化高印刷分辨率金属熔点高、导电率低需要多次烧结低介电损耗一次烧结成型加工工艺繁琐最大层叠数目受限（一般低于10层）可印刷电阻介质厚度可调不能直接印刷电阻介质层厚度难控制烧结温度低表面光滑，层叠数高生产成本高四、LTCC技术与同类技术的比较相对传统的微波混合集成电路（HMIC），LTCC技术还有如下特点和优势：1.内层基板中可以埋入无源电路元件，这使基板的表面将有更多的区域可以用来安装有源器件和铺设大面积地。这有两方面好处，一可以使组装密度获得提高，生产效率得到改善，系统可靠性得到增强；二可以通过大面积地的设计来实现微波的良好接地，进一步获得优良的高频特性。四、LTCC技术与同类技术的比较四、LTCC技术与同类技术的比较2.不同材料配方制作的LTCC基板的介电常数不同，可以设计在一个较大范围内，这可以提高设计电路时的灵活性。3.温度特性较好，与传统的PCB板电路相比，导热性更好。还具有与半导体材料能够匹配的热膨胀系数，这能够减小裸芯片在安装时与基板的热应力，使得安装更加方便。4.生产方式是不连续的，能够在共烧前对每层布线基板进行检查，有利于提高基板的质量和成品率，使生产周期缩短，成本降低。四、LTCC技术与同类技术的比较此外，芯片之间的距离更加接近，互连线之间的距离也更加缩短，实现了小的系统封装尺寸