[整理]低温共烧陶瓷

--------------------------低温共烧陶瓷(LTCC)技术应用进展马勇甜陕西国防学院微电309122#710300摘要:作为一种新兴的集成封装技术，低温共烧陶瓷(型化、高可靠而备受关注.介绍了低温共烧陶瓷技术的工艺、领域应用的可行性.关键词:LTCC技术;工艺;材料特性;应用;发展趋势1引言迅速向短、近年来随着军用电子整机、通讯类电子产品及消费类电子品小、轻、薄方向发展，手机、PDA、MP3、笔记本电脑等终端系统的功能愈来愈多，体积愈来愈小，电路组装密度愈来愈高[‘一31。若能将部分无源元件集成到基板中，则不仅有利于系统的小型化，提高电路的组装密度，还有利于提高系统的可靠性。目前的集成封装技术主要有薄膜技术、硅片半导体技术、多层电路板技术以及LTCC技术。LTCC技术是一种低成本封装的解决方法，具有研制周期短的特点。本文综合介绍了LTCC技术的现状、工艺及其优势，探讨了LTCC技术在开发功能器件及模块，特别是高频功能模块应用的可行性。ZLTCC技术概述LTCC技术是一门新兴的集成封装技术。所谓LTCC技术，就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，并将多个无源元件埋入其中，然后叠压在一起，在90℃左右烧结，制成三维电路网络的无源集成组件，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。总之，利用这种工艺可以成功地制造出各种高技术LTCC产品。以多层LTCC开发的产品具有系统面积最小化、高系统整合度、系统功能最佳化、较短的上市时间及低成本等特性，从而具有相当的竞争力相对于传统的封装集成技术LTCC技术具有如下优点:(1)陶瓷材料具有优良的高频高Q特性，使用频率可高达几十GHz;(2)具有较好的温度特性，如较小的热膨胀系数、较小的介电常数温度系数;(3)可以制作层数很多的电路基板，并可将多个无源元件埋入其中，除L、R、C外，还可--------------------------以将敏感元件、EMI抑制元件、电路保护元件等集成在一起，有利于提高电路的组装密度;(4)能集成的元件种类多、参量范围大，可以在层数很多的三维电路基板上，用多种方式键连IC和各种有源器件，实现无源/有源集成;(5)可靠性高，耐高温、高湿、冲振，可应用于恶劣环境;LTCC技术以其优异的电学、机械、热学及工艺特性，将成为未来电子器件集成化、模块化的首选方式，从技术成熟程度、产业化程度以及应用广泛程度等角度来评价，目前，LTCC技术是无源集成的主流技术。3LTCC工艺概述图1给出了LTCC工艺流程，主要有混料、流延、打孔、填孔、丝网印刷、叠片、等静压、排胶烧结等主要工序，下面简单介绍各个工序工艺。第一步:混料、流延。将有机物(主要由聚合物粘结剂和溶解于溶液的增塑剂组成)和无机物(由陶瓷和玻璃组成)成分按一定比例混合，用球磨的方法进行碾磨和均匀化，然后浇注在一个移动的载带上(通常为聚酷膜)，通过一个干燥区，去除所有的溶剂，通过控制刮刀间隙，流延成所需要的厚度。此工艺的一般厚度容差是幼%。其他流延技术可实现更小的容差。第二步:把生(未烧结)瓷带按需要的尺寸进行裁切。第三步:利用机械冲压、钻孔或激光打孔技术形成通孔。通孔是在生瓷片上出的小孔(直径通常为0.1一0.2Inm)，用在不同层上以互连电路。在此阶段还要冲制模具孔，帮助叠片时的对准;对准孔用于印刷导体和介质时自对位。第四步:通孔填充。利用传统的厚膜丝网印刷或模板挤压把特殊配方的高固体颗粒含量的导体浆料填充到通孔。第五步:利用标准的厚膜印刷技术对导体浆料进行印刷和烘干。通孔填充和导体图形在箱式或链式炉中按相关工艺温度和时间进行烘干。根据需要，所有电阻器、电容器和电感器在此阶段印刷和烘干。--------------------------第六步:检查、整理和对准。检查、整理和对准不同层，使每层中的对准孔同心并准备叠层。叠层期间(无论是单轴还是等静压)，整理和对准的基板层被热压在一起(通常为60一70℃，ZIMPa下10一30而n)。然后一步共烧叠层。图1LTCC工艺流程压在一起(通常为60一70℃，ZIMPa下10一30而n)。然后一步共烧叠层。第七步:排胶、烧结。20一50℃之间的区域被称为有机排胶区(建议在此区域叠层保温最少6Omin)。然后在5一15而n将叠层共烧至峰值温度(通常为580℃)。气氛烧成金属化的典型排胶和烧成曲线会用上2一Ioh。烧成的部件准备好后烧工艺，如在顶面上印刷导体和精密电阻器，然后在空气中烧成。如果Cu用于金属化，烧结必须在姚链式炉中进行。然后对电路进行激光调阻(如果需要)、测试、切片和检验，LTCC封装中可用硬钎焊引线或散热片(如果需要)。--------------------------4LTCC材料的特性4.1生瓷带材料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三方面，介电常数是LTCC材料最关健的性能。由于射频器件的基本单元—谐振器的长度与材料介电常数的平方根成反比，当器件的工作频率较低(如数百MHz)时，如果用介电常数低的材料，器件尺寸将大得无法使用。因此，最好能使介电常数系列化以适用于不同的工作频率。介电损耗也是射频器件设计时一个重要考虑参数，它直接决定了器件的损耗。理论上希望越小越好。而介电常数的温度系数，也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，在材料选择时还必须考虑到许多热机械性能。其中最关键的是热膨胀系数，应尽可能与其要焊接的电路板相匹配。此外，考虑到加工及以后的应用，LTCC材料还应满足许多机械性能的要求，如弯曲强度J、硬度Hv、表面平整度、弹性模量E及断裂韧性天了C等等。工艺性能大体可包括如下方面:第一，能在90℃左右的温度下烧结形成致密、无气孔的显微结构。第二，致密化温度不能太低，以免阻碍银浆料和生带中有机物的排出。第三，加入适当有机材料后可流延成均匀、光滑、有一定强度的生带。4.2金属导体导体浆料通过丝网印刷在烧结后形成电路的导体部分。颗粒尺寸、颗粒组织和尺寸分布在决定烧成导体的最终电性能和物理性能上起着重要作用。选择合适的金属导体取决于各种因素的组合，‘如电阻率、可焊性、引线键合力、用途(通孔填充、焊接、接地层)、附着力、电子迁移、衰减、RF性能、外观和成本。表1列举了LTCC技术采用的各种金属化材料。5LTCC技术应用的现状及动态--------------------------LTCC技术已广泛应用于宇航工业、军事、无线通信、全球定位系统、无线局域网、汽车等产业。美国、日本等著名的DuPont、CTS、NS、MUrata、Soshin、TDK等大公司力推LTCC技术的应用。利用LTCC技术，既可制造单一功能元件(如电阻、电感、天线、双工器、滤波器等)，还可以整合前端元件，如天线、开关、滤波器、双工器、LNA、功率放大器等制成RF前端块，可有效地降低产品重量及体积，达到产品轻、薄、短、小、低功耗的要求14一71。LTCc产品按技术层次划分，可粗略地分为以下四类:(1)高精度片式元件:如高精度片式电感器、电阻器、片式微波电容器等，以及这些元件的阵列。(2)无源集成功能器件:如片式射频无源集成组件，包括LC滤波器及其阵列、定向祸合器、功分器、功率合成器、Balun、天线、延迟线、衰减器，共模扼流圈及其阵列，EMI抑制器等。(3)无源集成基板:如蓝牙模块基板、手机前端模块基板、集中参数环行器基板等。(4)功能模块:如蓝牙模块、手机前端模块、天线开关模块、功放模块等。近年来，以LTCC技术为基础的多层片式介质天线取得了长足的进步。Murata，Allgon，TbkoandRangestar等著名公司已经开发出各种结构类型、用于移动通信设备的片式多层天线，并已面市，如Murata最近推出了专门用于蓝牙高频模块的LDAGZ型叠层天线，工作频带0.8一2.4GHz，尺寸为9。snunxZ刀nunxZ刀mm，在水平360O.方位内天线增益一3dBi，在垂直平面为一3一20dBi，可用于CDMA、PDC、蓝牙技术等电子产品中。在片式多层天线发展的同时，片式多层双工器、滤波器、平衡一不平衡转换器也相继研究开发Shen等利用DuPont低介常数材料设计，较好解决了高介电常数难以集成问题，把两个叠层滤波器(带通和带阻滤波器)集成在RF电路中，组合成双工器，适用于DCS。随后，松村定幸等发明了一种具有叠层结构的双工器，包括并联LC谐振器的第一个三级带通滤波器和具有并联LC谐振器的第二个三级带通滤波器。研制生产用于移动通信的片式叠层LC滤波器品种较多，如中心频率为0.9一1.OGHz，外形尺寸3.2mlnX冬SlnlnXI.65Inln的高通滤波器:中心频率覆盖1.9一5.SGHz，外形尺寸4.srnmX3.Zlnrnxl.6nun、--------------------------3.Zrn扣。XZ.srOrnXLsmm、2.SInlnX2.ommXI.omm的带通滤波器。T缸19和shen采用阶梯阻抗模式，利用多层结构、曲折线和多节祸合线设计了片式多层平衡一不平衡转换器，多节祸合线具有不同的阻抗比，缩小了兄14祸合传输线，易于与各种平衡输出阻抗匹配，平衡一不平衡输出阻抗为50Q，在工作频率范围内，插入损耗小于1.02dB，回波损耗小于14.5dB，振幅平衡度小于0.43dB，相平衡度小于1.23。，可应用于认飞AN、Bluetooth等通信设备。美国的半导体公司己开发多种LTCC功能模块，其中用于无线通信的频率合成模块，有14层陶瓷层，内置谐振电容、反馈电容、级间祸合电容、输出电容、谐振电感及输出匹配电感等无源电子元件，然后在表面上安装IC、压控振荡器、变容二极管，形成一个表面贴装型微波功能模块，体积大大减小。Motorola制作的移动通信接收模块，包括收发开关、四个滤波器、低躁声放大器，阻抗匹配电路、铸J置尺寸仅为12.snunxlZ.smxZ.Zmm，元件组装密度达到34个几mZ。另外，对于短距离无线通讯用的蓝牙组件，也可使用LTCC多芯片组件，由于采用内埋式无源元件及倒装焊芯片，从而使整个组件实现了小型化。日本松下公司制作的超小型蓝牙模块，在该模块LTCC基板内置有电容器、滤波器、阻抗变压器及天线，在LTCC基板表面安装有蓝牙射频、基频、快速存储器、晶体振荡器及开关二极管等。6LTCC技术的问题及未来展望6.ILTCC技术的问题[8一10]虽然与其他封装技术相比LTCC技术有不可取代的优越性，但LTCC技术本身仍然存在收缩率控制和基板散热等问题。(1)收缩率问题。LTCC存在许多涉及可靠性的难点，基板与布线共烧时的收缩率及热膨胀系数匹配问题即是其中的一个重要挑战，它关系到多层金属化布线的质量。LTCC共烧时，基板与浆料的烧结特性不匹配主要体现在三个方面:①烧结致密化完成温度不一致;②基板与浆料的烧结收缩率不一致;③烧结致密化速度不匹配。这些不匹配容易导致烧成后基板表面不平整、翘曲、分层。不匹配的另一个后果是金属布线的附着力下降。(2)散热问题。虽然LTCC基板比传统的PCB板在散热方面已经有了很大的改进，但由于集成度高、层数多、器件工作功率密度高，LTCC基板的散热仍是一个关键问题，成为影响系统工作稳定性的决定因素之一。随着微电子技术的进步，器件工作能量密度越来越高，如何--------------------------把热量及时有效地散发出去，保障器件的稳定工作，是封装所面临的艰巨挑战。采用高导热率的材料及新型的封装设计是提高封装部件散热效率的常用方法。但对LTCC来说，其明显的不足之处就是基片的导热率低(2一6Wlm·K)，远低于AIN基片的导热率()100Wlm·K)，比A1203基片的导热率(15~25Wlm·K)也低了不少。这限制了LTCC在大型、高性能计算系统中的应用。6.2LTCC技术未来展望目前，尽管LTCC技术为多层线路设计