低温共烧陶瓷——一种理想的微波材料

关键词：低温共烧陶瓷；插损；延迟时间；微波性能

中图分类号：TB34 文献标识码： A 文章编号：1003-353X(2003)11-0071-05

1 引言

在陶瓷基片多芯片组件（MCM-C）的基板制造及封装中，Al2O3瓷已得到了成功使用，但随着工作频率的增加，组件对材料的物理及电性能的要求不断提高，Al 2O3微波性能已影响了它在高速数字电路及高频微波电路信号中的传输，而低温共烧陶瓷（LTCC）已成为微波MCM理想材料。

MCM技术领域主要集中在不同的封装技术上，如叠层多芯片组件（MCM-L）技术、淀积薄膜多芯片组件技术（MCM-D）和陶瓷多芯片组件技术。另外，近几年发展起来的三维（3D）多芯片组件技术也得到相当关注。

LTCC技术是陶瓷领域的一个分支，在高频微波以及高速数字电路方面具有一定的优点。

2 LTCC技术简介

LTCC的工艺设备及流程与高温共烧陶瓷（HTCC）没有太大的区别，它的工艺流程如。不同之处主要有：陶瓷粉配料不同，采用的金属化材料不同，在烧结气氛上控制更为方便，烧结温度更低等。

浆料的组分包括粘结剂、溶剂、增塑剂及润湿剂等。在选择粘结剂时需重点考虑的是粘结剂系统的热解行为。粘结剂种类较多，如聚乙烯醇缩丁醛（PVB）、聚甲基丙烯醇酸甲脂（PMMA）等，但不管选用哪一种都要求在排胶期间（常在220～450℃）能干净地分解完，尽可能减少残余碳的存在。如果碳含量超过100ppm，将会严重影响介质的击穿电压，甚至影响基板的致密度和抗弯强度。

陶瓷粉的比例是决定材料物理性能及电性能的关键因素[1]。为了使材料具有不同的性能，其配比也是不一样的，主要有硼硅酸玻璃/填充物系统、玻璃/氧化铝系统、玻璃/莫来石系统等。其中的添加剂主要是用来改善陶瓷的抗弯强度、热导率等，但要求填充物在烧结时能与玻璃形成较好的浸润。表1 是Kyocea公司的硼硅酸玻璃陶瓷组分及相对应的材料介电常数 [2]。

另外，对于玻璃/氧化铝系统，为了降低介电常数，在氧化铝中加入低介电常数的玻璃成分，它们的比例大约是50︰50。IBM公司的玻璃/陶瓷组分如表2 [3]。

现许多公司都以卷的形式提供商用LTCC生瓷流延片，并提供与之收缩率和材料相匹配的金属化膏。一些公司材料性能如表3。

一旦各层金属化线条和层间互连小孔金属化都作好了，用合适的模具定位并按顺序叠起来，在一定的温度和压力下进行层压，形成一个整体，然后在800～900℃下进行共烧形成致密的完整的基板或管壳。 由于元器件直接安装在管壳表面（不是安装在分离的陶瓷基板上，然后还需安装在一个标准的管壳内与外引线键合），因此减小了额外的引线键合并提高了可靠性，对于MCM应用是很理想的。

3 低温共烧陶瓷材料的特点
3.1 可制作精细线条和线间距

在LTCC技术中，厚膜印刷工艺很容易达到 0.15mm，并且0.1mm的线条和间距也已做到并得到应用。假如需要更细的线条及线间距，一种方法就是在表面层采用薄膜淀积工艺，但是造价昂贵，共烧的陶瓷表面必须非常光滑平整，且与溅射的金属化材料有较好的黏附性，如抛光过后在表面上会留下一些小坑从而引起黏附性问题；另外一个办法就是采用可光刻的厚膜Au后烧工艺。Dupont公司已经介绍了称作FODEL的材料系统，可实现 0.04mm/0.05mm的线条和线间距。

FODEL材料系统是先在需要细线条处印刷Au 浆，经过干燥后，用高强度紫外灯光源将Au区进行曝光，用Na 2CO3显影，再用水漂洗并烘干，然后通过一个链式炉在850℃下烧结就可得到细线条图形。尽管还有其它可刻蚀的Au厚膜工艺，但是FODEL所使用的Na 2CO3液不会腐蚀LTCC基板，并且不需要另外的掩模和剥离。Jurate Minalgiege等人也开发出类似FODEL称作Saule可光致成图的厚膜浆料，[4]工艺流程与Dupont的FODEL材料相似。

在高速或高频组件及高密度封装等很多情况下，使用细线条和细节距是较合适的，但在大多数情况下，增加基板的层数和线条的宽度却可以极大地节省成本。

3.2 可使用低电阻率金属化材料

在HTCC技术中使用的金属化为高电阻率的W或Mo，因此不可避免的将产生较高的IL损耗。相对HTCC，LTCC采用了如Au、Ag、Cu电阻率较低的厚膜浆料（如表4），低温陶瓷的微带方阻可以做到小于2mΩ。表5是用线宽都为0.1mm不同导体材料进行布线测得的电气特性，由此可见，Ag被用在低温陶瓷上是一种较理想的材料。

用Ag作内层布线和小孔金属化[5,6] ，表面用印刷Au膏形成的50Ω微带线，表6是P.Johosson等人用这种方法测得和进行仿真的每波长的插入损耗结果。可以看出，仿真结果和测试结果基本一致，损耗很低，且插损随频率的增高而减小。

在不牺牲电性能情况下，LTCC制造商使用混合金属化和Cu系统来解决费用问题。混合金属化系统就是在内层布线使用低成本的Ag，表面层使用Au，在Ag和Au之间的互连小孔填充一阻挡层形成层间互连，以避免内层的Ag迁移导致开路。

在LTCC中，低费用的Cu系统现也得到应用。虽然金属化系统费用降了，但是在烧结工艺时就需要潮湿的N 2 ，要维护和安装这样一个系统，如果没有较大规模生产的话，费用也是较昂贵的。

LTCC流延带制造商将继续努力降低金属化的费用，另外作为一种趋势，将重点放在具有可焊性较好且能键合的Au/ Ag，Cu及Cu/ Ag/ Au混合金属化系统上。

3.3 极好的高频特性
LTCC系统表现出极好的高频特性使得它成为各公司制作相控阵雷达T/R组件的理想材料。除了因使用了低电阻率金属材料减小了微波插损因素外，相对于Al2O3（k=9.5～10），LTCC有较低的介电常数。如Ferro A6和Dupont 的901系统介电常数为5.2～5.9，ESL公司的41110-70C为4.3～4.7，有的公司甚至做到了3.5左右。由于信号延迟时间t与有效介电常数k1/2成正比，如能将介电常数减小到4左右，信号延迟时间就可以减小33%以上。

在降低低温陶瓷的介电常数研究方面，NEC的研究人员在玻璃陶瓷中引入第二相以便在陶瓷中形成微孔结构的孔隙，当孔隙度变化在13%和49% 时，相应的介电常数为4.2到2.9。这种技术对于减小LTCC的介电常数是非常合适的，另外它还有好的损耗角正切特性。虽然高频及微波电路要求材料具有低的介电常数，但是一些流延带制造商也在进行将非常高k值与低k值流延带结合在一起的试验，这样便可以使设计者在基板的内层制作高容值电容器以满足电路组件的需要。

还有一个优点是LTCC的热膨胀系数（CTE≈ 7.0）与GaAs的热膨胀系数（CTE≈6.5）近似，可以减小芯片与基板间的热应力，提高组件的可靠性，因而非常适宜在GaAs MMIC的封装上。

3.4 独特的MCM气密性封装设计

使用LTCC技术可以很容易地制造出针栅阵列封装(PGA)、球栅阵列封装（BGA）及四方扁平封装（QFP）。这些管壳由腔体、台阶、厚膜导体、印刷在介质上的电阻器及电容器、表面安装焊盘、密封圈、引线框以及针组成。由于不需要较高的设计费用LTCC每层都是单独制作的，因此只需按照腔体的所需尺寸简单地冲出来，然后根据要求的深度叠起来进行层压就能得到满足设计的腔体。

厚膜电阻器可以用电阻浆料印刷在顶层和底层，并通过激光调阻调整到标称值的±1%内。当然对要求在内层埋置不高的电阻器时，通过印刷并经过后烧便可达到要求，但只能达到±30%的。当电阻器和电容器的值超过了厚膜印刷工艺的限制时，可以在顶层和底层贴装表面元件。连接内层的表面安装焊盘可以通过印刷厚膜浆料，经过后烧，在烧好的基板或腔体中的表面焊盘上进行表面元件的安装。

用作LTCC典型的钎焊系统是Au-Sb，Au-Ge， Au-In共晶材料，在380～580℃温度间进行回流。钎焊系统中也包括了黏附和阻挡材料以使得钎焊工艺质量容易控制。

虽然钎焊系统为具有引线框或针的管壳提供了气密性，但是Au使得管壳的价格变得很高，制造商们正在选择新材料来有效降低费用。

4 LTCC的局限性和新的发展

收缩率稳定性的控制和较低的热导率，是需要解决的问题。

4.1 收缩率控制

即使收缩率控制在±0.2%，对于制作大的多层结构（>5英寸×5英寸），如节距和线条为0.15mm 时，在X和Y方向上，对于细节距的连接器或自动键合来说，由于累积误差将会出现对不准基板上的对应焊盘问题。

为了消除收缩率问题，有制造商推出了“基板上流延片”技术，即通过在烧好的Al2O 3，BeO，AlN基板上贴上一层或多层生瓷片后进行层压和烧结，但是“基板上流延片”技术的一系列工艺导致了更高的费用，并且LTCC多层的能力也受到了限制。Ragan技术公司还研究了一种0收缩〔ZSTTM 〕LTCC流延带系统，这一系统不要求机体基板，并且收缩率不到1%，其公差为±0.2%。初步测试结果表明，这种材料是很有希望的。

4.2 热导率

LTCC 2.0~3.0W/m·K的热导率对一些功率MCM的设计是一个限制。为了提高热导率，可以采用一些热管理技术，如采用散热孔。散热孔是一些填充Au或Ag金属化的通孔，将它们放在发热元件的芯片焊盘下面。由于金属化的通孔减小了在Z 轴方向的热阻，从而达到比70 W/m·K 更高的热导率。但热孔面积不能占基板面积太大，原则上不超过20%，否则就会显著降低基板强度。散热孔面积对热导率的关系如表7，这是Dupont公司推荐的设计指南。

一旦热通过散热孔转移后，就希望在 X和Y轴整个面能得到均匀散热。散热通常的办法就是在基板的背面作一层厚膜Au。要求更好的散热，就需在背面制作更高的热导率金属化或安装更高热导率材料在基板上，如CuW和Cu-Mo-Cu等。CuW 和Cu-Mo-Cu的热导率很高分别为190 W/m·K和160 W/m·K，而且它们的CTE和GaAs（6.5×10-6/K）的CTE很接近，比较匹配。使用这种材料作热沉缺点就是增加了组件的重量。

在对重量和热导率要求很严的应用中，可以利用不同的封装选择，一种办法是Lanxide公司的加入Al的以SiC微粒为母体的材料（SiC p/Al），或Brush-Wellman公司的较轻的金属合金材料，这些材料具有极好的热导率和CTE性能。另一个是利用 “基板上流延片”技术也可改进热导率，衬底基板可以选择Al 2O3（17 W/m·K），AlN（200 W/m·K） 或者BeO （250 W/m·K ）等高热导率材料。表8是常用材料的一些性能。

在MCM应用中，少许几个元件需耗散大量的热量，在大多数情况下，可以通过热孔和热沉来进行热管理。在热孔不能满足热管理要求的时候， Ragan 技术公司采取了一种将BeO 小块嵌入0收缩率的LTCC陶瓷中，并且在流延片和BeO 小块之间形成全密封的一个整体。这个技术不但可以解决严重的热管理问题，而且它的费用也不高。

5 总结

LTCC具有较小的介电常数，很低的金属化微带方阻及微带插损，还有它的介质损耗也不算高，加之在以后几年，微波MCM市场将会得到巨大发展，因此在高密度微波封装领域，LTCC技术将会得到越来越广泛的应用。LTCC技术因较高性价比对高可靠的MCM应用提供了一些有益的支持。

0收缩率流延带，以及在瓷料中加入一些高热导率材料以提高材料的热导率，进一步降低介电常数也将是LTCC技术的发展趋势。在改进性能的同时，新的流延带系统的研制将把降低费用作为一个重要追求的目标。