TLCC低溫共燒陶瓷技術(shù)

1LTCC產(chǎn)業(yè)概況隨著微電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子整機在小型化、便攜式、多功能、數(shù)字化及高可靠性、高性能方面的需求，對元器件的小型化、集成化以至模塊化要求愈來愈迫切。有人曾夸張地預言，以后的電子工業(yè)將簡化為裝配工業(yè)一一把各種功能模塊組裝在一起即可。低溫共燒陶瓷技術(shù)(lowtemperaturecofiredceramicLTCC)是近年來興起的一種相當令人矚目的多學科交叉的整合組件技術(shù)，以其優(yōu)異的電子、機械、熱力特性已成為未來電子元件集成化、模組化的首選方式，廣泛用于基板、封裝及微波器件等領(lǐng)域。TEK的調(diào)查資料顯示，2004?2007年間全球LTCC市場產(chǎn)值呈現(xiàn)快速成長趨勢。表1給出過去幾年全球LTCC市場產(chǎn)值增長情況。呂萬美元心2003^2004^2iQp5^§006^2導2全球產(chǎn)值殺.324^578^S41^911^1045^產(chǎn)值戚長率e4E沁15城心表1過去幾年全球LTCC市場產(chǎn)值增長情況LTCC技術(shù)最早由美國開始發(fā)展，初期應用于軍用產(chǎn)品，后來歐洲廠商將其引入車用市場，而后再由日本廠商將其應用于資訊產(chǎn)品中。目前，LTCC材料在日本、美國等發(fā)達國家已進入產(chǎn)業(yè)化、系列化和可進行材料設計的階段［1］。在全球LTCC市場占有率九大廠商之中，日商有Murata,Kyocera,TDK和TaiyoYuden;美商有CTS，歐洲商有Bosch，CMAC，Epcos及Sorep-Erulec等。國外廠商由于投入已久，在產(chǎn)品質(zhì)量，專利技術(shù)、材料掌控及規(guī)格主導權(quán)等均占有領(lǐng)先優(yōu)勢。圖1給出全球LTCC廠商市場占有情況。而國內(nèi)LTCC產(chǎn)品的開發(fā)比國外發(fā)達國家至少落后五年，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的材料體系和器件幾乎是空白。國內(nèi)目前LTCC陶瓷材料基本有兩個來源：一是購買國外陶瓷生帶；二是LTCC生產(chǎn)廠從陶瓷材料到生帶自己開發(fā)。隨著未來LTCC制品市場中運用LTCC制作的組件數(shù)目逐漸被LTCC模塊與基板所取代，終端產(chǎn)品產(chǎn)能過剩，價格和成本競爭日趨激烈，元器件的國產(chǎn)化必將提上議事日程，這為國內(nèi)LTCC產(chǎn)品的發(fā)展提供了良好的市場契機。中國在LTCC市場占據(jù)一定份額的是疊層式電感器和電容器生磁帶。目前，清華大學材料系、上海硅酸鹽研究所等單位正在實驗室開發(fā)LTCC用陶瓷粉料，但還尚未到批量生產(chǎn)的程度。南玻電子公司正在用進口粉料，開發(fā)出介電常數(shù)為9.1、18.0和37.4的三種生帶，厚度從10ym到

100ym，生帶厚度系列化，為不同設計、不同工作頻率的LTCC產(chǎn)品的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。國內(nèi)現(xiàn)在急需開發(fā)出系列化的、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的LTCC瓷粉料，并專業(yè)化生產(chǎn)LTCC用陶瓷生帶系列，為LTCC產(chǎn)業(yè)的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。MurataKyocera16%Bosch8%8%TDKCTSKyocera16%Bosch8%8%TDKCTS29%Others11%3書Sorep-Erulec4%7% 6%EpcosCMACYaiyoYuden2LTCC的技術(shù)特點LTCC技術(shù)是于1982年休斯公司開發(fā)的新型材料技術(shù)，是將低溫燒結(jié)陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生瓷帶，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形，并將多個被動組件（如低容值電容、電阻、濾波器、阻抗轉(zhuǎn)換器、耦合器等）埋入多層陶瓷基板中，然后疊壓在一起，內(nèi)外電極可分別使用銀、銅、金等金屬，在900°C下燒結(jié)，制成三維空間互不干擾的高密度電路，也可制成內(nèi)置無源元件的三維電路基板，在其表面可以貼裝IC和有源器件，制成無源/有源集成的功能模塊，可進一步將電路小型化與高密度化，特別適合用于高頻通訊用組件。LTCC工藝流程見圖1。圖2為典型的LTCC基板示意圖，由此可知，采用LTCC工藝制作的基板具有可實現(xiàn)IC芯片封裝、內(nèi)埋置無源元件及高密度電路組裝的功能。

圖1LTCC工藝流程圖圖2LTCC基板與其它集成技術(shù)相比，LTCC具有以下特點［2-5］：1）根據(jù)配料的不同，LTCC材料的介電常數(shù)可以在很大范圍內(nèi)變動，增加了電路設計的靈活性；2）陶瓷材料具有優(yōu)良的高頻、咼Q特性和咼速傳輸特性；3）使用咼電導率的金屬材料作為導體材料，有利于提咼電路系

統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)；4）制作層數(shù)很高的電路基板，易于形成多種結(jié)構(gòu)的空腔，內(nèi)埋置元器件,免除了封裝組件的成本，減少連接芯片導體的長度與接點數(shù)，并可制作線寬小于50口m的細線結(jié)構(gòu)電路，實現(xiàn)更多布線層數(shù)，能集成的元件種類多，參量范圍大，易于實現(xiàn)多功能化和提高組裝密度；5）可適應大電流及耐高溫特性要求，具有良好的溫度特性，如較小的熱膨脹系數(shù)，較小的介電常數(shù)穩(wěn)定系數(shù)。LTCC基板材料的熱導率是有機疊層板的20倍，故可簡化熱設計，明顯提高電路的壽命和可靠性；6）與薄膜多層布線技術(shù)具有良好的兼容性，二者結(jié)合可實現(xiàn)更高組裝密度和更好性能的混合多層基板和混合型多芯片組件；7）易于實現(xiàn)多層布線與封裝一體化結(jié)構(gòu)，進一步減小體積和重量，提高可靠性、耐高溫、高濕、沖振，可以應用于惡劣環(huán)境；8）非連續(xù)式的生產(chǎn)工藝，便于基板燒成前對每一層布線和互連通孔進行質(zhì)量檢查，有利于提高多層基板的成品率和質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，降低成本。表1給出集成電路中常用的幾種基板性能比較。LTCC技術(shù)由于自身具有的獨特優(yōu)點，在軍事、航天、航空、電子、計算機、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域均獲得了越來越廣泛的應用LTCC材料研究中的另一個熱點問題就是共燒材料的匹配性。將不同介質(zhì)層（電容、電阻、電感，導體等）共燒時，要控制不同界面間的反應和界面擴散，使各介質(zhì)層的共燒匹配性良好，界面層間在致密化速率、燒結(jié)收縮率及熱膨脹速率等方面盡量達到一致，減少層裂、翹曲和裂紋等缺陷的產(chǎn)生。一般說了，利用LTCC技術(shù)的陶瓷材料收縮率大約為15?20%左右。若兩者燒結(jié)無法匹配或兼容，燒結(jié)之后將會出現(xiàn)界面層分裂的現(xiàn)象；如果兩種材料發(fā)生高溫反應，其生成的反應層又將影響原來各自材料的特性。對于不同介電常數(shù)和組成的兩種材料的共燒匹配性以及如何減少相互間的反應活性等是研究的重點。在LTCC應用于高性能系統(tǒng)時，對收縮行為的嚴格控制關(guān)鍵在于對LTCC共燒體系燒結(jié)收縮率的控制，LTCC共燒體系沿X-Y方向的收縮一般為12%?16%。借助無壓燒結(jié)或助壓燒結(jié)技術(shù)，獲得沿X-Y方向零收縮率的材料［17,18］燒結(jié)時，在LTCC共燒層的頂部和下部放置于壓片作為收縮率控制層。借助控制

層與多層之間一定的粘結(jié)作用及控制層嚴格的收縮率，限制了LTCC結(jié)構(gòu)沿X、Y方向的收縮行為。為了補充基板沿X-Y方向的收縮損失，基板將沿Z方向進行收縮補償。結(jié)果，LTCC結(jié)構(gòu)在X、Y方向上的尺寸變化只有0.1%左右，從而保證了燒結(jié)后，布線及孔的位置和精度，保證了器件的質(zhì)量。Dupont公司研發(fā)的控制收縮燒結(jié)技術(shù)已應用于60%LTCC基板和30%