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的介电常数的平方根成反比，当器件的工作频率较低时(如数百兆赫兹)，如果用介电常数低的材料，器件尺寸将大得无法使用。因此，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，它直接与器件的损耗相关。理论上希望越小越好。 　　介电常数的温度系数，这是决定射频器件电性能的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。其中最关健的是热膨胀系数，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σ、硬度Hv、表面平整度、弹性模量E及断裂韧性KIC等等。

　　工艺性能大体可包括如下方面：，能在900℃以下的温度下烧结成致密、无气孔的显微结构。第二，致密化温度不能太低，以免阻止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。

分类

　　目前，LTCC陶瓷材料主要是两个体系,即“微晶玻璃”系和“玻璃+ 陶瓷”系。采用低熔点氧化物或低熔点玻璃的掺杂可以降低陶瓷材料的烧结温度，但是降低烧结温度有限，而且不同程度会损坏材料性能，寻找自身具有烧结温度低的陶瓷材料引起研究人员的重视。此类材料，正在开发的主要品种为硼酸锡钡（BaSn(BO3)2）系和锗酸盐和碲酸盐系、 BiNbO4系、Bi203-Zn0-Nb205系、ZnO-TiO2系等陶瓷材料。近年来，清华大学周济课题组一直致力于这方面的研究。

性能

　　LTCC产品性能好坏完全依赖所用材料的性能。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材料最关健的性能。要求介电常数在2～20000范围内系列化以适用于不同的工作频率。例如相对介电常数为3.8的基板适用于高速数字电路的设计；相对介电常数为6～80的基板可很好地完成高频线路的设计；相对介电常数高达20000的基板，则可以使高容性器件集成到多层结构中。高频化是数位3C产品发展比然的趋势，发展低介电常数（ε≤10）的LTCC材料以满足高频和高速的要求是LTCC材料如何适应高频应用的一个挑战。FerroA6和DuPont的901系统介电常数为5.2～5.9，ESL公司的4110-70C为4.3～4.7，NEC公司LTCC基板介电常数为3.9左右，介电常数低达2.5的正在开发。

　　谐振器的尺寸大小与介电常数的平方根成反比，因此作为介质材料时，要求介电常数要大，以减小器件尺寸。目前，超低损耗的极限或超高Q值、相对介电常数（>100）乃至>150的介质材料是研究的热点。需要较大电容量的电路，可以采用高介电常数的材料，也可在LTCC介质陶瓷基板材料层中夹入有较大介电常数的介质材料层，其介电常数可在20～100之间选择。介电损耗也是射频器件设计时一个重要考虑参数，它直接与器件的损耗相关，理论上希望越小越好。目前，生产用于射频器件的LTCC材料主要有DuPont(951 ,943），Ferro（A6M，A6S），Heraeus（CT700,CT800和CT2000)和Electro-science Laboratories。他们不仅可以提供介电常数系列化的LTCC生瓷带，而且也提供与其相匹配的布线材料。

　　LTCC材料研究中的另一个热点问题就是共烧材料的匹配性。将不同介质层（电容、电阻、电感，导体等）共烧时，要控制不同界面间的反应和界面扩散，使各介质层的共烧匹配性良好，界面层间在致密化速率、烧结收缩率及热膨胀速率等方面尽量达到一致，减少层裂、翘曲和裂纹等缺陷的产生。

　　一般说了，利用LTCC技术的陶瓷材料收缩率大约为15～20％左右。若两者烧结无法匹配或兼容，烧结之后将会出现界面层分裂的现象；如果两种材料发生高温反应，其生成的反应层又将影响原来各自材料的特性。对于不同介电常数和组成的两种材料的共烧匹配性以及如何减少相互间的反应活性等是研究的重点。在LTCC应用于高性能系统时，对收缩行为的严格控制关键在于对LTCC共烧体系烧结收缩率的控制，LTCC共烧体系沿X-Y方向的收缩一般为12％～16％。借助无压烧结或助压烧结技术，获得沿X-Y方向零收缩率的材料[17,18]烧结时，在LTCC共烧层的顶部和下部放置于压片作为收缩率控制层。借助控制层与多层之间一定的粘结作用及控制层严格的收缩率，限制了LTCC结构沿X、Y方向的收缩行为。为了补充基板沿X-Y方向的收缩损失，基板将沿Z方向进行收缩补偿。结果，LTCC结构在X、Y方向上的尺寸变化只有0.1％左右，从而保证了烧结后，布线及孔的位置和精度，保证了器件的质量。

发展趋势

　　综上所述，LTCC材料经历了从简单到复合、从低介电常数到高介电常数和使用频段不断增加等发展过程。从技术成熟程度、产业化程度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。LTCC属于高新科技的前沿产品，广泛应用于微电子工业的各个领域，具有十分广阔的应用市场和发展前景。同时LTCC技术也将面临来自不同技术的竞争与挑战，如何继续保持在无线通讯组件领域的主流地位，还必须继续强化自身技术发展和大力降低制造成本，不断完善或亟待开发相关技术。如美国 (ITRI)正积极主导开发可埋入电阻、电容的PCB技术，并预计2～3年后达到成熟阶段，届时将以MCM-L形式与LTCC/MLC技术在高频通信模块领域成为强有力竞争对手。至于以微电子技术为核心开发的MCM-D技术来制作高频通信模块，也正在美、日、欧各大公司内积极展开。如何继续保持LTCC技术在无线通讯组件领域的主流地位，还必须继续强化自身技术发展和大力降低制造成本，不断完善或亟待开发相关技术，如解决与器件集成化制备工艺中异质材料的匹配共烧，化学兼容性及机电性能与界面行为等问题。

　　我国对低温烧结的低介电常数的介质材料的研究明显落后。开展低温烧结介质材料与器件的大规模国产化工作，不仅具有重要的社会效益而且具有显着的经济利益。目前，如何在国际上先进国家已有一定范围知识产权保护垄断的形势下，开发/优化及拥有自主知识产权地利用新原理、新技术、新工艺或新材料制造具有新功能、新用途、新结构的新型低温烧结介质材料和器件，大力开展LTCC器件设计与加工技术、应用LTCC器件的大规模产品生产线，尽快促进我国LTCC技术产业的形成与发展是今后研究的主要工作。

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