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共烧陶瓷板是一种广泛应用的高技术陶瓷
2023-03-27
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共烧陶瓷板元器件及组件可分为高温共烧陶瓷(HTCC)和低温共烧陶瓷(LTCC)两种。HTCC是指在1450℃以上与熔点较高的金属一并烧结的具有电气互连特性的共烧陶瓷板。随着通信向高频高速发展,为了实现低损耗、高速度和高密度封装的目的,LTCC应运而生,烧结温度在900℃左右。然而人类对科学的探究却从未停止,随着科技的进步和社会需求的不断提高,人们又发现了超低温共烧陶瓷这一新概念。超低温共烧陶瓷(ULTCC)是由低温共烧陶瓷发展而来的一类新型电介质材料。


共烧陶瓷板

超低温共烧陶瓷是一种具有众多优点的新型多层陶瓷

可在400℃~700℃的极低温度下烧结,超低烧结温度使电介质能够与铝电极及各类电子器件共烧结以实现电子设备的集成化和多功能化,同时还可以降低成本节约能源,适合用于电子元件的集成。且低烧结温度允许更广泛的导体材料用于功能化,使技术混合(半导体工艺、基于聚合物的微电路制造)成为可能。


ULTCC基板材料需具备低介电常数与低介电损耗确保电路稳定运行

目前ULTCC材料大多是具有超低烧结温度的陶瓷材料,例如,碲酸盐、钼酸盐、钒酸盐等。ULTCC还可以将电路和封装嵌入和烧结到陶瓷中。这降低了制造成本,从而显著扩展了ULTCC组件的应用范围。ULTCC组件非常适合用作电子元件的重新布线载体,用于外壳和封装技术或用作天线、滤波器和循环器等高频技术应用的基板。


微晶玻璃材料用于ULTCC技术的优点

与传统的低温陶瓷相比微晶玻璃材料用于ULTCC技术的优点在于全玻璃带来的低烧结温度,易于控制的烧结、析晶行为以及与电极材料良好的化学相容性。研究发现通过在玻璃组成中引入MgO,其含量对微晶玻璃的烧结行为和析晶行为有显著的影响。低温共烧陶瓷微波多层电路板具有工作频率高、集成密度高、耐高温高湿、可集成无源元件和有利于实现微波信号耦合或隔离等独特的技术优势,广泛应用于通信、航空航天、军事、汽车电子、医疗等领域。


低温共烧陶瓷工艺中最为关键的工序之一 —— 烧结

低温共烧陶瓷基板是在不同层生瓷带上并行开展打孔、填孔、印刷等工艺,然后将不同层生瓷带一起叠压,最后一起烧结形成的立体互联电路基板。烧结是LTCC工艺中最为关键的工序之一,它直接影响陶瓷的显微结构,进而影响陶瓷各项性能指标。烧结过程存在复杂的物理变化和化学变化,升温速率、峰值温度和保温时间是烧结工艺中三个重要的参数,尤其是升温速率选择不当,容易造成基板翘曲甚至开裂等问题。LTCC材料从组成和结构划分可分为三类,第一类是玻璃陶瓷体系。第二类是传统意义上的玻璃陶瓷复合体系。第三类是玻璃键合陶瓷体系。目前应用较为广泛的是第一类陶瓷。


介电常数和介电损耗随升温速率的变化规律与陶瓷的微观结构变化有关

升温速率由4 ℃/分钟增加至16℃/分钟陶瓷内部致密性逐渐变差,气孔率逐渐增加。在升温速率为4 ℃/分钟、8 ℃/分钟时烧结的样品较致密。在升温速率为12 ℃/分钟时内部出现明显气孔。升温速率为16 ℃/分钟时,样品断面气孔进一步增加。这是因为在排胶完成后,由于升温速率较慢,玻璃陶瓷材料随着温度的升高,晶粒可有序地生长,随着晶相的增加和晶粒的长大,内部的气孔可慢慢地排出,实现玻璃陶瓷材料的致密化。当升温速率过快时内部的晶相未能充分地析晶、长大内部的气孔不能及时排出,导致内部气孔增多。根据复合材料介电常数混合定律,低介电常数物质的引入会降低复合材料的介电常数。由于空气的介电常数为1,低于CaSiO3、CaB2O4等晶相的介电常数,因此随着升温速率增加,介电常数变小,介电损耗变大。


不同升温速率会影响基板翘曲度

当升温速率为4 ℃/分钟~8 ℃/分钟时,基板翘曲度为 0.21%左右,随着升温速率升温至12 ℃/分钟~16 ℃/分钟基板翘曲度也在逐渐增加,在16 ℃/分钟时,翘曲度为0.82%左右。

由此看出升温速率8 ℃/分钟时平整性较好,16 ℃/分钟时中间凸起明显。这主要是因为玻璃陶瓷材料与银电子浆料共同升温烧结,当升温速率为4 ℃/分钟~8 ℃/分钟时,银电子浆料的烧结收缩速率与玻璃陶瓷的烧结收缩速率较为接近,但是当升温速率增加至12 ℃/分钟~16 ℃/分钟时,由于银电子浆料的烧结收缩速率远大于玻璃陶瓷材料的烧结收缩速率,因此出现了烧结严重不匹配的现象,从而导致了基板拱起的现象。


不同升温速率会影响膜层附着力

随着升温速率的增加,焊盘膜层附着力呈降低的趋势。这是因为升温速率为4 ℃/分钟~8 ℃/分钟时,陶瓷烧结产生的液相较多,可以与金属膜层形成较好的附着力,同时瓷体较致密,气孔较少,金属膜层与陶瓷间的气孔少,因此结合力较高,但是当升温速率增加至12 ℃/分钟~16 ℃/分钟时,由于陶瓷烧结产生的液相含量降低,金属膜层与陶瓷间的气孔较多,降低了金属膜层与陶瓷的结合力。随着升温速率的增加金属浆料与陶瓷的共烧匹配性会变差,这也可能会导致金属膜层与陶瓷间结合力的降低。


LTCC液相烧结

LTCC材料一般都是玻璃陶瓷或玻璃复合陶瓷粉的结构,具有较多的玻璃成分,因此LTCC烧结属液相烧结。当LTCC材料在高温段(≥500 ℃)时,玻璃相软化成黏性液体,将陶瓷粉粒拉近、紧贴,并使粉粒活化,在浓度差和界面张力的推动下,促使基板中气孔长大和玻璃流动,实现陶瓷体积收缩和基板致密化。单层LTCC生瓷带通过流延成型,而多层生瓷带通过等静压成型形成致密的坯体。LTCC基板经过450 ℃的排胶峰值温度后,坯体经排胶发泡后较为疏松,其颗粒间大部分呈分开状态,颗粒间的空隙很多。随着烧结温度的升高和时间的延长,特别是650 ℃后陶瓷粉体的DSC曲线可以看出,陶瓷粉体开始吸热软化,其玻璃化温度为668 ℃,这期间陶瓷颗粒间不断发生接触和重排,大气孔逐渐消失,物质间传质过程逐渐开始进行,颗粒间接触状态由点接触逐渐扩大为面接触,固-固接触面积增加,固-气表面积相应减少。


 结论

(1)烧结升温速率显著影响了LTCC 基板的微观结构。随着烧结升温速率的提高,制备的陶瓷基板内部气孔增多,导致基板介电常数显著降低,介电损耗增大,膜层附着力和抗冲击能力变差。当烧结升温速率在8 ℃/分钟时,制备的 LTCC 基板不仅气孔率低,强度高,而且具有良好的介电性能和热力学性能。

(2)烧结升温速率会显著影响银电子浆料与玻璃陶瓷烧结收缩的匹配性。当烧结升温速率从 4 ℃ /分钟升高到 16 ℃/分钟时,翘曲度从 0.21%提高到 0.82%,导致陶瓷基板翘曲,银电子浆料的烧结收缩速率与玻璃陶瓷的烧结收缩速率失配。

(3)LTCC陶瓷基板的烧结需要适当的升温速率。升温速率会影响烧结过程的传质、晶相长大,以及气孔排出和致密化过程,因此会影响力学和电学性能。


氮化铝( AlN) 陶瓷作为一种典型的高温共烧陶瓷

是一种新型的高导热基板和封装材料,具有高热导率、低热膨胀系数、低介电常数和低介质损耗、高机械强度等特点。AlN多层板加工流程与低温共烧陶瓷(LTCC)类似,由生瓷片经过打孔、填充、印刷、层压、切割、共烧和镀涂等工艺加工而成。目前电子封装常用的基板材料主要有四大类:聚合物基板,金属基板,复合基板,陶瓷基板。陶瓷基板材料以其强度高、绝缘性好、导热和耐热性能优良、热膨胀系数小、化学稳定性好等优点,广泛应用于电子封装基板。陶瓷封装基板材料主要包括Al2O3、BeO和AlN等。目前Al2O3陶瓷是应用最成熟的陶瓷封装材料,以其耐热冲击性和电绝缘性较好、制作和加工技术成熟而被广泛应用。


多层陶瓷基板使其成为一种广泛应用的高技术陶瓷

目前已投入使用的陶瓷基片材料有Al2O3、BeO和AlN、SiC等。从结构与制作工艺,共烧陶瓷板可分为高温共烧多层陶瓷基板、低温共烧陶瓷基板、厚膜陶瓷基板、直接键合铜陶瓷基板等。高温共烧多层陶瓷基板制备工艺是先将陶瓷粉Si3N4、Al2O3、AlN加入有机黏结剂,混合均匀后成为膏状浆料,接着利用刮刀将浆料刮成片状,再通过干燥工艺使片状浆料形成生坯,然后依据各层的设计钻导通孔,采用丝网印刷金属浆料进行布线和填孔,最后将各生坯层叠加,置于高温炉(1600℃左右)中烧结而成。因为烧结温度高,导致金属导体材料的选择受限,主要为熔点较高但导电性较差的钨、钼、锰等金属,制作成本高,热导率一般在20~200W/m℃,这取决于陶瓷粉体组成与纯度。


高温共烧陶瓷相对于塑料基和金属基其优点是:

(1)低介电常数,高频性能好。

(2)绝缘性好、可靠性高。

(3)强度高,热稳定性好。

(4)热膨胀系数低,热导率高。

(5)气密性好,化学性能稳定。

(6)耐湿性好,不易产生微裂现象。


陶瓷封装材料缺点是:成本较高,适用于高级微电子器件的封装,如航空航天和军事工程的高可靠、高频、耐高温、气密性强的封装。在移动通信、家用电器、汽车等领域也有着广泛应用。

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