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(jī)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(duì)元器件的小型化、集成化以至模塊化要求愈來(lái)愈迫切。有人曾夸張地預(yù)言，以后的電子工業(yè)將簡(jiǎn)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(lái)興起的一種相當(dāng)令人矚目的多學(xué)科交叉的整合組件技術(shù)，以其優(yōu)異的電子、機(jī)械、熱力特性已成為未來(lái)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(chǎng)產(chǎn)值呈現(xiàn)快速成長(zhǎng)趨勢(shì)。表1給出過(guò)去幾年全球LTCC市場(chǎng)產(chǎn)值增長(zhǎng)情況。呂萬(wàn)美元心2003^2004^2iQp5^§006^2導(dǎo)2全球產(chǎn)值殺.324^578^S41^911^1045^產(chǎn)值戚長(zhǎng)率e4E沁15城心表1過(guò)去幾年全球LTCC市場(chǎng)產(chǎn)值增長(zhǎng)情況LTCC技術(shù)最早由美國(guó)開始發(fā)展，初期應(yīng)用于軍用產(chǎn)品，后來(lái)歐洲廠商將其引入車用市場(chǎng)，而后再由日本廠商將其應(yīng)用于資訊產(chǎn)品中。目前，LTCC材料在日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化、系列化和可進(jìn)行材料設(shè)計(jì)的階段［1］。在全球LTCC市場(chǎng)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(guó)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(dǎo)權(quán)等均占有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。圖1給出全球LTCC廠商市場(chǎng)占有情況。而國(guó)內(nèi)LTCC產(chǎn)品的開發(fā)比國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家至少落后五年，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的材料體系和器件幾乎是空白。國(guó)內(nèi)目前LTCC陶瓷材料基本有兩個(gè)來(lái)源：一是購(gòu)買國(guó)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(lái)LTCC制品市場(chǎng)中運(yùn)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(guò)剩，價(jià)格和成本競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，元器件的國(guó)產(chǎn)化必將提上議事日程，這為國(guó)內(nèi)LTCC產(chǎn)品的發(fā)展提供了良好的市場(chǎng)契機(jī)。中國(guó)在LTCC市場(chǎng)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(xué)材料系、上海硅酸鹽研究所等單位正在實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shè)計(jì)、不同工作頻率的LTCC產(chǎn)品的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在急需開發(fā)出系列化的、擁有自主知識(shí)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L(zhǎng)TCC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(diǎn)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?zé)Y(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(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形，并將多個(gè)被動(dòng)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(wú)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(wú)源/有源集成的功能模塊，可進(jìn)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(shí)現(xiàn)IC芯片封裝、內(nèi)埋置無(wú)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(diǎn)［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(dòng)，增加了電路設(shè)計(jì)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(dǎo)率的金屬材料作為導(dǎo)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(dǎo)體的長(zhǎng)度與接點(diǎn)數(shù)，并可制作線寬小于50口m的細(xì)線結(jié)構(gòu)電路，實(shí)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(shí)現(xiàn)多功能化和提高組裝密度；5）可適應(yīng)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(dǎo)率是有機(jī)疊層板的20倍，故可簡(jiǎn)化熱設(shè)計(jì)，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(shí)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(shí)現(xiàn)多層布線與封裝一體化結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步減小體積和重量，提高可靠性、耐高溫、高濕、沖振，可以應(yīng)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(duì)每一層布線和互連通孔進(jìn)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(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在軍事、航天、航空、電子、計(jì)算機(jī)、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域均獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用LTCC材料研究中的另一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)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(dǎo)體等）共燒時(shí)，要控制不同界面間的反應(yīng)和界面擴(kuò)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(dá)到一致，減少層裂、翹曲和裂紋等缺陷的產(chǎn)生。一般說(shuō)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(wú)法匹配或兼容，燒結(jié)之后將會(huì)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(yīng)，其生成的反應(yīng)層又將影響原來(lái)各自材料的特性。對(duì)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(yīng)活性等是研究的重點(diǎn)。在LTCC應(yīng)用于高性能系統(tǒng)時(shí)，對(duì)收縮行為的嚴(yán)格控制關(guān)鍵在于對(duì)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(wú)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(shí)，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(yán)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(bǔ)充基板沿X-Y方向的收縮損失，基板將沿Z方向進(jìn)行收縮補(bǔ)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(yīng)用于60%LTCC基板和30%