第三章2--LTCC材料共燒技術基礎研究

1、2022-2-241LTCC材料共燒技術基礎研究 張懷武 教授2022-2-242LTCC材料共燒技術基礎研究 LTCC相關概念及技術機理 實驗數(shù)據(jù)及討論 實驗結果工藝條件摻雜CuO、MnCO3材料雙性復合降溫摻雜2022-2-243LTCC技術的概念及其分類_概念 是一種先進的混合電路封裝技術它是將四大無源器件，即變壓器（T）、電容器（C）、電感器（L）、電阻器（R）集成，配置于多層布線基板中，與有源器件（如：功率MOS、晶體管、IC電路模塊等）共同集成為一完整的電路系統(tǒng)。有效地提高電路的封裝密度及系統(tǒng)的可靠性 2022-2-244LTCC技術的概念及其分類_概念The character

2、of Thick Film、LTCC、HTCC technology2022-2-245LTCC技術的概念及其分類_概念LTCC substrate with integrated passivesConstruction of typical LTCC mutilayer deviceConstruction of typical LTCC mutilayer device2022-2-246LTCC技術的概念及其分類_概念Cross-section of LTCC multilayer device showing the individual components that can be

3、 integratedIndividual components that can be integrated in LTCC2022-2-247LTCC技術的概念及其分類_概念LTCC INDUCTOR LTCC BANDPASS FILTER 3D LAYOUTLTCC INDUCTOR have been used2022-2-248LTCC技術的概念及其分類_分類LTCC技術的研究 設 計 技 術 生磁料帶技術 混合集成技術 混合集成混合集成生磁料帶制造生磁料帶制造2022-2-249LTCC技術之國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 目前實現(xiàn)多達目前實現(xiàn)多達5050層、層、1616英寸，應用頻率為英寸，應

4、用頻率為50MHz50MHz5GHz5GHz 的的LTCCLTCC集成電路集成電路 日本富士通已研制出日本富士通已研制出6161層，層，245mm245mm的共燒結構的共燒結構 美國美國IBMIBM公司研制出了公司研制出了6666層層LTCCLTCC基板的多芯片組件基板的多芯片組件2022-2-2410LTCC技術之國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 僅以對低溫共燒片式電感器的需求為例 電子產(chǎn)品名稱電子產(chǎn)品名稱平均單機用量（只）平均單機用量（只）電子產(chǎn)品名稱電子產(chǎn)品名稱平均單機用量（只）平均單機用量（只）移動電話手持機移動電話手持機3030筆記本計算機筆記本計算機2424中文中文BPBP機機1010硬盤驅(qū)動器硬盤

5、驅(qū)動器8 8數(shù)字數(shù)字BPBP機機1010軟盤驅(qū)動器軟盤驅(qū)動器6 6錄像機錄像機2020程控交換機程控交換機2/2/線線傳真機傳真機4 4開關電源開關電源4 4無繩電話無繩電話1212超薄超薄WALKMANWALKMAN8 8大屏幕彩電機芯大屏幕彩電機芯4 4便攜式便攜式CDCD唱機唱機7 7DVDDVD和和VCDVCD1212數(shù)字電視（機頂蓋）數(shù)字電視（機頂蓋）4040攝錄一體機攝錄一體機3535其他其他2020國內(nèi)需求情況國內(nèi)需求情況2022-2-2411LTCC技術有待完善的問題 收縮率控制問題收縮率控制問題 基板散熱問題基板散熱問題 基板材料的研究基板材料的研究 選擇合適的摻雜，保證材料

6、的高頻特性并輕松降低選擇合適的摻雜，保證材料的高頻特性并輕松降低 材料燒結溫度材料燒結溫度 材料與內(nèi)電極的匹配，及進一步提高品質(zhì)因素，降材料與內(nèi)電極的匹配，及進一步提高品質(zhì)因素，降 低損耗低損耗 材料的良好機械性能、化學穩(wěn)定性等材料的良好機械性能、化學穩(wěn)定性等 2022-2-2412LTCC材料工藝機理及相關理論低溫燒結理論低溫燒結理論 鐵氧體的固相反應和燒結鐵氧體的固相反應和燒結 ZnOFe2O3 高溫 ZnFe2O4NiOFe2O3 高溫 NiFe2O4 燒結的傳質(zhì)機理燒結的傳質(zhì)機理 粘滯流動 )1 (123DRrdtdD塑性流動 表面擴散 體 擴 散 tdKTrDkVV5256052)(

7、=2022-2-2413LTCC材料工藝機理及相關理論晶粒邊界在燒結中的作用晶粒邊界在燒結中的作用 燒結中原子與空隙流 降溫機理降溫機理 低溫燒結理論低溫燒結理論 2022-2-2414LTCC材料工藝機理及相關理論晶化動力學理論晶化動力學理論 鐵氧體多晶成長過程鐵氧體多晶成長過程 （a）燒結初期 （b）孿晶 （c）晶粒吞并 （d）晶粒生長停止（e）最終密度 2022-2-2415LTCC材料工藝機理及相關理論技術公式技術公式 初始磁導率i與截止頻率fr的關系 3)1(sriMf2)2() 1(02121DMsfri公式中： i初始磁導率 fr截止頻率0真空磁導率 Ms飽和磁化強度 疇壁厚度

8、D晶粒平均尺寸旋磁比以磁疇轉(zhuǎn)動為磁化機制的尖晶石鐵氧體 軟磁鐵氧體以疇壁的移動為磁化機制 2022-2-2416LTCC材料工藝機理及相關理論技術公式技術公式 初始磁導率初始磁導率i i鐵氧體磁芯及其等效電路電感量L及表征磁損耗的等效電阻R分別與磁導率的實部和虛部成正比 10724lANL10724lANR公式中： r1環(huán)形樣品的內(nèi)徑(m) r2環(huán)形樣品的外徑（m）N線圈匝數(shù)L環(huán)形樣品有效磁路長度（m）工作角頻率（rad/s）A環(huán)形樣品的橫截面積（m2）rrrrrl1212ln)(222022-2-2417LTCC材料工藝機理及相關理論磁滯現(xiàn)象分析模型磁滯現(xiàn)象分析模型PreisachPreis

9、ach理論理論 由磁場H引起的磁通密度B ( , )( )H d dS ( , )d dS ( , )d dSB=-S為（，）平面上Hsat- Hsat的矩形區(qū)域 2022-2-2418LTCC材料工藝機理及相關理論當磁性材料從初始狀態(tài)（未磁化）到剛被磁化時，磁通密度 ( , )d dS ( , )d dSBi=- ,( , )x y dxdyy ( , )x y dydxx T( )=i-iB-BNAdid) i (L1-nn1-nn=差分電感： 磁滯損耗Pd 磁滯現(xiàn)象分析模型磁滯現(xiàn)象分析模型PreisachPreisach理論理論 dtiLiTPTLd)(102022-2-2419LTCC

10、材料工藝機理及相關理論包含不同損耗的磁滯回線圖形 不同軟磁材料的磁滯回線 磁滯現(xiàn)象分析模型磁滯現(xiàn)象分析模型PreisachPreisach理論理論 2022-2-2420復合材料工藝 復合機理復合機理 Zn2+, Mn2+, Fe3+, Cu1+, Fe2+, Mg2+, Li1+, Cu2+, Mn3+, Ti4+, Ni2+A位 B位金屬離子在尖晶石中的A、B位占位傾向 尖晶石結構 2022-2-2421復合材料工藝研究方案及工藝路線研究方案及工藝路線 2022-2-2422實驗數(shù)據(jù)及討論 部分工藝條件對部分工藝條件對NiZnNiZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 預燒溫度對品質(zhì)因數(shù)Q的

11、影響現(xiàn)象：品質(zhì)因數(shù)隨預燒溫度的 升高而增大，1100后Q值下 降。原因：較高預燒溫度可促進固相反應的完全，增加成型密度，從而增加磁芯的密度；當預燒溫度超過1100，固相反應完全，材料活性降低。2022-2-2423 部分工藝條件對部分工藝條件對NiZnNiZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 預燒溫度對磁導率 的影響現(xiàn)象：相同Ts下的鐵氧體磁導率隨預燒溫度的升高逐漸下降。原因：預燒溫度低時，材料固相反應生成的立方尖晶石相并不穩(wěn)定，二次粉碎時的機械能易使部分晶格扭曲變形，粉體表面活性增大，燒成階段晶粒生長速度比高預燒溫度時快，晶粒大，晶界薄，磁導率大。 實驗數(shù)據(jù)及討論2022-2-2424 部分

12、工藝條件對部分工藝條件對NiZnNiZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 燒結溫度Ts對Q的影響現(xiàn)象：隨著燒結溫度的增加，Q值逐漸減小。原因：隨Ts的升高，磁芯內(nèi)密度增加，氣孔減少，晶粒粗大，晶界處電阻率減小，Q值減小。另外，隨Ts的升高，Zn揮發(fā)增加，引起Fe2+增多，八面體位就出現(xiàn)不同價的電子導電,激活能最低，具有強導電性。鐵氧體的電阻率降低，渦流損耗增加，Q值減小。 燒結溫度Ts對Q的影響實驗數(shù)據(jù)及討論2022-2-2425 部分工藝條件對部分工藝條件對NiZnNiZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 燒結溫度Ts對的影響Ts1320時：磁導率 隨Ts的增加而降低原因：異常晶粒生長實驗數(shù)

13、據(jù)及討論2022-2-2426部分工藝條件對部分工藝條件對NiZnNiZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 Ts=1320的SEM Ts1250的SEM燒結溫度為1320時：晶粒大小不均勻，出現(xiàn)異常晶粒(20 m)燒結溫度為1250時：晶粒細小，較為均勻。實驗數(shù)據(jù)及討論2022-2-2427CuOCuO摻雜對摻雜對NiZnNiZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 CuO對起始磁導率i的影響規(guī)律：隨CuO含量的增加鐵氧體的i降低。原因：Cu2+傾向占據(jù)八面體(B)位，產(chǎn)生能級分裂，改變核外電子云分布，晶體點陣發(fā)生畸變，增加各向異性能。i降低。i與各向異性能關系：i （s飽和磁致伸縮系數(shù)，內(nèi)應力）

14、 CuO對起始磁導率i的影響sK2311實驗數(shù)據(jù)及討論2022-2-2428CuOCuO摻雜對摻雜對NiZnNiZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 CuO對Ts的影響規(guī)律：隨著CuO含量的增加NiZn鐵氧體的燒結溫度Ts降低。原因：CuO的熔點較低，高溫燒結過程中產(chǎn)生液相，促進固相反應的發(fā)生。CuO對Ts的影響實驗數(shù)據(jù)及討論2022-2-2429CuOCuO摻雜對摻雜對NiZnNiZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 CuO對品質(zhì)因數(shù)Q的影響規(guī)律：摻有CuO的鐵氧體Q值普遍升高。原因：Ts的降低減少Zn揮發(fā)，從而Fe2+，提高電阻率，增加Q值。另外CuO的增加沖淡了鐵氧體中Zn百分含量，也起

15、到降低Zn的揮發(fā)的作用。CuO對品質(zhì)因數(shù)Q的影響實驗數(shù)據(jù)及討論2022-2-2430MnCOMnCO3 3摻雜對摻雜對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 MnCO3含量對i的影響現(xiàn)象：隨MnCO3含量的增加，NiCuZn鐵氧體的起始磁導率i降低。MnCO3含量對i的影響實驗數(shù)據(jù)及討論2022-2-2431MnCOMnCO3 3摻雜對摻雜對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 含6wtMnCO3的NiCuZn鐵氧體x衍射圖譜說明：未出現(xiàn)MnFe2O4的三強峰，鐵氧體為NiCuZn尖晶石結構。實驗數(shù)據(jù)及討論2022-2-2432MnCOMnCO3 3摻雜對

16、摻雜對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 MnCO3含量對Q值的影響規(guī)律：頻率f低于1000KHz時,Q值隨摻入量的增加而增加；f高于1000KHZ時，Q值隨摻入量的增加而減小。Q值升高原因：Mn2+的電離能介于Fe2+于Ni2+之間，抑制Fe2+及Ni3+的出現(xiàn)，提高電阻率，增加Q值。MnCO3含量對Q值的影響實驗數(shù)據(jù)及討論2022-2-2433MnCOMnCO3 3摻雜對摻雜對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 含1wtMnCO3時SEM圖像 含6wtMnCO3時SEM圖像現(xiàn)象：隨MnCO3含量的增多，磁芯斷口晶粒粒徑分布不均勻，晶粒增大，晶界處

17、氣孔增多。說明：根據(jù)H.Rikukawa提出的氣孔與晶粒邊界引起退磁場模型所導出的表現(xiàn)磁導率公式可知，當氣孔只在晶界出現(xiàn)時，i按(1-p)（p為氣孔率）減小。此結論與MnCO3含量對鐵氧體i影響曲線相符。 實驗數(shù)據(jù)及討論2022-2-2434陶瓷復合對陶瓷復合對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 以兩組NiCuZn鐵氧體為母體進行復合，平行比較相同情況下各組分的磁性能，具體分組見下表：母體 復合量 0wt5wt10wt15wt20wt25wtNiCuZnAA0A1A2A3A4A5NiCuZnBB0B1B2B3B4B5實驗數(shù)據(jù)及討論2022-2-2435陶瓷復合對陶瓷復合對

18、NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 陶瓷含量對NiCuZn鐵氧體Q值(1MHz)的影響現(xiàn)象：B母體Q值隨著陶瓷含量的增加顯著增大；A母體Q值總體變化不大。說明：陶瓷材料為有選擇性的對某些配方NiCuZn鐵氧體Q值進行改善。具體原因有待進一步研究。陶瓷復合量對材料Q值影響實驗數(shù)據(jù)及討論2022-2-2436陶瓷復合對陶瓷復合對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 陶瓷材料對磁導率的影響現(xiàn)象：隨復合量的增加，下降，趨于平緩，截止頻率fr向高頻移動。說明：在犧牲一定磁導率的情況下，復合陶瓷材料可大幅度提高截止頻率fr。 陶瓷對B母體的的影響 陶瓷對B母體的影

19、響實驗數(shù)據(jù)及討論2022-2-2437陶瓷復合對陶瓷復合對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響陶瓷對A母體的影響陶瓷對A母體”的影響對于A母體：有與B母體一致的現(xiàn)象，復合鐵氧體下降， 平緩。實驗數(shù)據(jù)及討論2022-2-2438陶瓷復合對陶瓷復合對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 陶瓷材料引起下降的原因：部分BaTiO3化學鍵斷裂，其中的Ba2+及Ti4+離子對NiCuZn尖晶石結構中A、B位進行替換，減小總原子磁矩，引起飽和磁化強度Ms減小，從而鐵氧體下降。Ti4+離子半徑大，改變晶場特性，增加各向異性能，降低。具體解釋： 原子磁矩影響：母體NiCu

20、Zn為混合型尖晶石鐵氧體，各金屬離子占位情況為： A位 B位（Zn2+xFe3+1-x）Ni2+1-x-y Fe3+1+x Cu2+yO4根據(jù)金屬離子占位傾向，BaTiO3材料的Ba2+進入尖晶石的A位， Ti4+進入尖晶石B位，對尖晶石原有離子替換。 實驗數(shù)據(jù)及討論2022-2-2439陶瓷復合對陶瓷復合對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響復合材料的原子磁矩位（設A位替代量為，B位替代量為）： M=|MB-MA| =(7.7x+2.3-5-2.7) B B為波爾磁子由上式可知，陶瓷材料對A、B位的復合將減小原子總磁矩。又因為： ，飽和磁化強度減小， 減小。 磁晶各向異性

21、影響：Ti4+離子半徑為0.69 比Fe3+離子半徑0.67大，進入B位后改變晶體的晶場特性，使磁晶各向異性K1更大，由于：i 1/ K1，因此，磁導率降低。 aMMBs38=實驗數(shù)據(jù)及討論2022-2-2440陶瓷復合對陶瓷復合對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響A組復合材料A2與A4的截止頻率比較 B組復合材料B2與B4的截止頻率比較現(xiàn)象：A組復合材料磁導率下降，截止頻率未有提高；B組復合材料磁導率下降，截止頻率顯著提高。說明：對于不同母體鐵氧體，陶瓷材料的作用不完全相同。 實驗數(shù)據(jù)及討論2022-2-2441陶瓷復合對陶瓷復合對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影

22、響鐵氧體磁性能影響20wt%的陶瓷對不同鐵氧體i值及fr的影響 相近磁導率時復合量及fr的比較現(xiàn)象：相同復合量時，B組材料的i下降多，截止頻率提高大；相近i時，B組復合材料的截止頻率也遠大于A組復合材料。進一步證實：陶瓷復合對不同鐵氧體作用不同。對B母體的鐵氧體有改善高頻性能的作用，對A母體則可引起性能惡化。實驗數(shù)據(jù)及討論2022-2-2442陶瓷復合對陶瓷復合對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 陶瓷復合對鐵氧體介電常數(shù) 的影響現(xiàn)象：介電常數(shù)隨復合量的增加而增大， 1MHz附近時，復合量為25wt的比0wt%大67倍。原因：鐵電材料與鐵磁材料復合時未發(fā)生化學反應，材料中

23、鈦礦相與尖晶石相共存，保持各自特性。由于BaTiO3具有高介電常數(shù)，復合材料總體表現(xiàn)出介電常數(shù)升高。實驗數(shù)據(jù)及討論2022-2-2443陶瓷復合對陶瓷復合對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 復合材料溫度特性現(xiàn)象：B組復合材料的起始磁導率（右上圖) 隨溫度變化不大；A組復合材料在45后下降。復合材料的品質(zhì)因數(shù)隨溫度的變化（右下圖）不大。說明：A組材料的溫度特性稍遜于B組復合材料。B組復合材料在 -55到+85具有較好的穩(wěn)定性。實驗數(shù)據(jù)及討論2022-2-2444陶瓷復合對陶瓷復合對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 陶瓷材料粒度對復合材料的影響細顆粒

24、的陶瓷材料對鐵氧體材料的磁性能的改善不如粗顆粒的陶瓷材料。具體原因有待進一步研究。組分NiCuZnBNiCuZn-A復合前i260.85340.03陶瓷復合量20.00wt%20.00wt%陶瓷材料粒度200m0.5m200m0.5m復合后i40.3578.0771.4789.64復合后fr(MHz)69.3150.5153.2639.51實驗數(shù)據(jù)及討論2022-2-2445 陶瓷復合對鐵氧體磁性能影響陶瓷復合對鐵氧體磁性能影響 復合材料的x衍射圖譜現(xiàn)象：鈣鈦礦結構與尖晶石結構共存，以尖晶石為擇優(yōu)主相。 NiCuZn鐵氧體 x-衍射圖BaTiO3 x-衍射圖B5 x-衍射圖實驗數(shù)據(jù)及討論202

25、2-2-2446陶瓷復合對鐵氧體磁性能影響陶瓷復合對鐵氧體磁性能影響B(tài)5 x-衍射圖B3 x-衍射圖 復合材料的x衍射圖譜現(xiàn)象：隨復合量增加，鈣鈦礦結構的峰值增強。說明：添加陶瓷量的多少可以改變材料結構。如復合量超過一特定值，材料主相轉(zhuǎn)為以鈣鈦礦為主。實驗數(shù)據(jù)及討論2022-2-2447陶瓷復合對陶瓷復合對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 復合材料的電鏡掃描圖現(xiàn)象：隨復合量的增加，材料晶粒變大，大小分布不均勻。有一定擇優(yōu)現(xiàn)象。原因： Ba2+ 、Ti4+對尖晶石A、B位替換后，由于Ba2+-O2-、 Ti4+-O2-鏈長不一致，晶格常數(shù)改變，有晶面擇優(yōu)生長。A5 SEM

26、圖A3 SEM圖實驗數(shù)據(jù)及討論2022-2-2448陶瓷復合對陶瓷復合對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 復合材料的電鏡掃描圖現(xiàn)象：不同母體的復合材料，晶粒形狀不同。A復合材料晶粒為片狀，B材料晶粒中有條形晶體。原因：有待進一步研究B5 SEM圖A5 SEM圖實驗數(shù)據(jù)及討論2022-2-2449BiBi3+3+對復合材料磁性能影響對復合材料磁性能影響 Bi2O3對燒結溫度Ts的影響現(xiàn)象：Ts隨Bi2O3的增加而減小，2wt%后下降量減小，3wt%可在900燒熟。原因： Bi2O3熔點低，易形成低共熔化合物，通過液相傳質(zhì)促進燒結。Bi3+與其它離子形成另相化合物，阻礙晶粒

27、的進一步生長，促進燒結。 B4的Ts隨不同Bi2O3含量的變化B4摻3wt% Bi2O3時不同Ts的磁導率實驗數(shù)據(jù)及討論2022-2-2450 Bi2O3對磁導率的影響現(xiàn)象：材料隨的增加減小，”趨于平坦。原因： Bi2O3阻礙了材料晶粒尺寸的長大，晶粒尺寸變小（25nm），晶界面積增大，從而降低材料磁導率。不同Bi2O3含量對材料的影響不同Bi2O3含量對材料”的影響實驗數(shù)據(jù)及討論BiBi3+3+對復合材料磁性能影響對復合材料磁性能影響2022-2-2451 Bi2O3對截止頻率的影響現(xiàn)象：fr隨含量的增加增加，當含量達到3wt%時，fr1.8GHz。原因：降低燒結溫度形成的多孔細晶粒結構增大了有效各向異性場，提高fr。不同Bi2O3含量對截止頻率fr