了得網工業技術_多層低溫共燒陶瓷技術

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從事電子、材料等領域研究、開發和生產的技術人員，高等院校相關專業的研究生、本科生

內容簡介

《多層低溫共燒陶瓷技術》全面介紹了低溫共燒陶瓷(LTCC)技術，給出了大量20世紀80年代富士通和IBM美國公司開發的大型計算機用銅電路圖層的大面積多層陶瓷基板的工程圖表。《多層低溫共燒陶瓷技術》共10章。第1章緒論，概述了低溫共燒陶瓷技術的歷史、典型材料、主要制造過程等。第2章至第9章分為兩大部分，**部分為材料技術，包括第2章至第4章，論述了陶瓷材料、導體材料及輔助材料的特性和應用；第二部分為工藝技術，包括第5章至第9章，細致地描述了各工序特點、工藝條件、控制、在制品評價、缺陷防止和產品可靠性等諸多問題。*後，在第10章，展望了低溫共燒陶瓷技術的未來發展。

目錄
中文版寄語
中文版序
譯者序
序
第1章緒論 1
1.1 歷史回顧 1
1.2 典型材料 2
1.3 主要制造過程 3
1.4 典型產品類型 4
1.5 低溫共燒陶瓷的特性 6
1.5.1 高頻特性 6
1.5.2 熱穩定性（低熱膨脹，良好熱阻） 7
1.5.3件集成 8
1.6 有關公司材料發展的趨勢 9
1.7 本書側重點 11
參考文獻 12
**部分材料技術
第2章陶瓷材料 17
2.1 導言 17
2.2 低溫燒結 18
2.2.1 玻璃的流動性 19
2.2.2 玻璃的晶化 21
2.2.3 玻璃的起泡 24
2.2.4 玻璃與氧化鋁之間的反應 26
2.3 介電特性 27
2.3.1 介電常數 27
2.3.2 介電損耗 28
2.4 熱膨脹 30
2.5 機械強度 31
2.5.1 玻璃相的強化 32
2.5.2 耐熱衝擊 34
2.6 熱傳導 36
參考文獻 37
第3章導體材料 40
3.1 引言 40
3.2 導電油墨材料 41
3.3 氧化鋁陶瓷的金屬化方法 42
3.3.1 厚膜金屬化 42
3.3.2 共燒金屬化 44
3.4 導電性 45
3.5 共燒相配性 46
3.6 附著 49
3.7 抗電徙動 50
3.8 膠結性 53
參考文獻 54
第4章電阻材料和高介電材料 57
4.1 引言 57
4.2 電阻器材料 57
4.2.1 氧化釕/玻璃材料 59
4.2.2 氧化釕的熱穩定性 61
4.3 高介電常數材料 63
參考文獻 67
第二部分工藝技術
第5章粉料準備和混合 71
5.1 引言 71
5.2 無機陶瓷材料 71
5.3 有機材料 72
5.3.1 黏結劑 74
5.3.2 可塑性 76
5.3.3 分散劑和料漿的分散性 77
參考文獻 79
第6章流延 81
6.1 引言 81
6.2 流延設備 81
6.3 料漿特性 82
6.4 生片 84
6.4.1 生片的特性要求 84
6.4.2 生片的評價方法 85
6.4.3 影響生片特性的各種因素 88
6.4.4 生片微結構 94
6.4.5 生片外形尺寸的穩定性 96
6.5 衝過孔 97
參考文獻 98
第7章印刷和疊層 100
7.1 印刷 100
7.1.1 絲網規格 101
7.1.2 印刷工藝條件 101
7.1.3 油墨特性 102
7.1.4 生片特性 104
7.2 填過孔 104
7.3 疊層 105
7.3.1 疊層過程技術 105
7.3.2 疊層過程中出現的缺陷 108
7.3.3 防止分層 111
參考文獻 114
第8章共燒 115
8.1 銅的燒結 116
8.2 控制燒結收縮 117
8.2.1 陶瓷 117
8.2.2 銅/陶瓷 119
8.3 燒結行為和燒結收縮率失配 119
8.3.1 ΔT的影響 120
8.3.2 ΔS的影響 122
8.4 銅的抗氧化和黏結劑的排出 124
8.5 零收縮技術 129
8.6 共燒過程和未來的低溫共燒陶瓷 130
參考文獻 131
第9章可靠性 132
9.1 低溫共燒陶瓷的熱衝擊 133
9.2 低溫共燒陶瓷的熱膨脹和剩餘應力 134
9.3 低溫共燒陶瓷的熱傳導 137
參考文獻 137
第10章低溫共燒陶瓷的未來 139
10.1 引言 139
10.2 未來低溫共燒陶瓷技術的發展 139
10.2.1 材料技術開發 140
10.2.2 工藝技術 142
10.3 後-低溫共燒陶瓷技術的背景 144
10.3.1 後-低溫共燒陶瓷技術的氣浮沉積法 147
10.3.2 氣浮沉積陶瓷薄膜目前狀況和未來發展前景 148
參考文獻 149

在線試讀

第1章緒論
隨著當今移動電話的爆炸性增長，用移動電話作為無線終端設備來傳輸文本和圖像數據的通信技術也持續不斷地發展。同時，寬帶和高頻技術的各種應用也在不斷湧現。800MHz、1.5GHz和2GHz頻率的移動電話也正在日益轉向高頻。無線局域網的藍牙（2.45GHz）和電子公路收費繫統（5.3GHz）等也已進入商業應用。2GHz或更高的頻率也在不斷擴大應用[1，2]。10GHz或更高頻率的準毫米波也正在起步引入無線局域環路（WLL，20~30GHz）和汽車用的雷達中（50~140GHz）[3]。為了實現這種高頻無線通信技術的進一步發展，繫統方案與硬件技術的共同發展將在推動移動終端設備的多功能化、高性能化和超小型化的進程中發揮重要的作用。例如，配備有藍牙、全球衛星定位繫統和無線局域網等多功能的移動終端設備相繼問市，為了遏制因此而增加的電路尺寸，迫切需要將各種高頻功能和無源器件置入基板內部，而不是安置在它的表面。此外，為了開通高速數據通信，人們正期待著滿足高頻和寬帶要求且高頻損耗小的電子器件和基板的及早實現[4，5]。
由於低溫共燒陶瓷（LTCC）易於與不同特性的材料相結合，這就有可件的集成和將不同件置入陶瓷內部。此外，將低損耗金屬埋入低溫共燒陶瓷中作為導體是可能的，和其他材料，如樹脂等材料比較，陶瓷的高頻介電損耗小，從而使其有可能制造低損耗的器件。另外，低溫共燒陶瓷的熱膨脹繫數比樹脂材料和其他陶瓷材料低，對於大規模集成電路器件的高密度封裝，就有著極優良的內連可靠性的優點。由於這些原因，低溫共燒陶瓷技術被認為在未來高頻應用中，用做器件的集成和基板是極有希望的技術。
1.1 歷史回顧
多層陶瓷基板技術源於20世紀50年代末期美國無線電（RCA）公司的開發，現行的基本工藝技術（用流延法的生片制造技術、過孔形成技術和多層疊層技術）在當時就已被應用[6~8]。其後，IBM 公司在這一技術領域居領先地位，該公司在80年代初商業化的主計算機的電路板（基板：33層和100倒裝芯片粘接大規模集成電路器件）是這一技術的產物[9~11]。因為這些多層基板是用氧化鋁絕緣材料和導體材料（Mo、W、Mo-Mn）在1600℃的高溫下共燒的，故而稱為高溫共燒陶瓷（HTCC），以區別於後來開發的低溫共燒陶瓷。從20世紀80年代的中期開始，研究人員致力於提高大型計算機的速度，並把此作為提高大型計算機性能的關鍵，從而使高密度安裝應用的多層陶瓷基板得到進一步改善。為了提高高密度安裝電路板的配線密度，使用了精細的導線，結果線路電阻增大，信號被顯著衰減。因此必須使用低電阻的材料（Cu、Au或者類似材料）配線。另外用倒裝芯片的方法，直接連接裸露的大規集成電路器件時，如果基板的熱膨脹不與硅器件的熱膨脹（3.5×10-6/℃）接近，就會導致互連線的不良連接。因此，具有低熱膨脹（陶瓷）的絕緣材料是必不可少的。此外，為了實現信號的高速傳輸，必須保證陶瓷有低的介電常數。20世紀90年代初期，許多日本和美國的電子廠商和陶瓷廠商開發了滿足上述要求的多層基板[12，13] （圖1.1）。其中，富士通和IBM 公司用銅布線材料和低介電常數陶瓷制造的多層基板首先成功地進入商業應用[14，15]。從20世紀90年代的後半期至今，移動通信設備（主要是移動電話）中應用的電子器件、模塊等的主要應用已轉向高頻無線方面。對於以大規模集成電路器件的高密度安裝為目的的多層電路板，陶瓷的低熱膨脹是它的**優點。而且，就高頻通信應用而言，陶瓷的低傳輸損耗是其主要特點，陶瓷的低介電損耗優點使其勝過其他一切材料。
圖1.1 （a）富士通生產的計算機主機用多層陶瓷電路板（尺寸：245μm×245μm，52層）和（b）電路板及內部銅導線的截面圖（孔徑：80μm，導線線寬：80μm，行距：100μm，每層電介質材料厚度：200μm）
1.2 典型材料
顧名思義，低溫共燒陶瓷是陶瓷和金屬線在低溫下一同燒成的，它的主要材料是金屬和陶瓷。低溫共燒陶瓷所用的金屬是高電導材料（Ag、Cu、Au及其合金，如Ag-Pd、Ag-Pt、Au-Pt等）。如表1.1所示，它們的熔點都較低，約為1000℃。因為陶瓷材料要和金屬一同共燒，精確控制溫度在金屬的熔點（900~1000℃）以下是非常必要的。為了保證在低溫共燒條件下有高的燒結密度，通常在組分中添加無定形玻璃、晶化玻璃、低熔點氧化物等來促進燒結。圖1.2所示的玻璃和陶瓷復合材料是一種典型的低溫共燒陶瓷材料。除此之外，還有晶化玻璃，晶化玻璃和陶瓷的復合物及液相燒結陶瓷，都是眾所周知的材料。
圖1.2 氧化鋁含量為20%（體積分數）的玻璃/氧化鋁復合材料復合材料的介電常數為5.6，熱膨脹繫數為3.5×10-6/℃，熱導率為2.4W/（m K），彎曲強度為200MPa
表1.1 低溫共燒陶瓷和高溫共燒陶瓷主要材料比較
1.3 主要制造過程
多層陶瓷基板的基本制造過程如圖1.3所示[16]。首先，陶瓷粉末和有機黏結劑混合配成乳狀料漿。用刮刀法將料漿流延成陶瓷薄片（生片），這種生片燒結前柔軟如紙。生片各層間開有導電過孔，采用絲網印刷方法用導電糊膏將線路圖案印在生片上。印刷的生片按層排列，加熱並施加壓力，以實現疊層（生片中的樹脂在疊層膠接時起到膠的作用）。導體金屬和陶瓷一同煆燒，排出其中的有機膠，*終獲得陶瓷基板。*重要的一點是，注意制造過程中*終產品的尺寸精度和材料質量的變化。同時，過程條件必須設定，以保證工件每一工序的微觀和宏觀結構是均質的。而且，疊層和共燒技術往往涉及兩種以上不同介電特性的陶瓷片，電阻器的共燒形成過程就是眾所周知的一例[17]。
圖1.3 典型的多層陶瓷基板的制造過程
1.4 典型產品類型
圖1.4示出了裝有全球衛星定位繫統的雙波段移動電話的方框圖。其傳輸過程如下：首先由數-模轉換器將說話聲音的模擬信號轉換成數字信號，再用混合器將其與高頻成分混合，此時整個頻率被提高了。隨後用表面波濾波器濾去噪聲，再通過放大器將信號加強，*後由天線將信號發射出去。低溫共燒陶瓷可以用來制作實現這一過程所需的分立器件，如耦合器（在功率放大器輸出側控制功率放大器的輸出增益）、巴倫（轉換平衡和不平衡阻抗的器件）。同樣，低溫共燒陶瓷也可用以制作圖中所劃分的電路模塊（天線轉換模塊、前端模塊和功率放大模塊）。另外，低溫共燒陶瓷還可用於表面波濾波器的封裝。因此，有許多低溫共燒陶瓷產品已進入高頻移動通信終端設備的電路中。可以預期，電路圖中虛線所劃星羅棋布的器件也終將用低溫共燒陶瓷模塊。低溫共燒陶瓷產品可分成三個類型，如表1.2所示，即分立器件、基板和封裝及模塊。所有類型的產品目前都在商業化的無線通信中得到應用。
圖1.4 裝有全球衛星定位繫統的移動電話（CDMA，PCS）框架圖
RX模塊：接收模塊；SAW：表面波；BAW：體波；IFBPF：中頻帶通濾波器；PA模塊：功率放大器模塊；PCS：個人通信業務；APC：自動功率控制
表1.2 低溫共燒陶瓷產品的分類
1.5 低溫共燒陶瓷的特性
在集成無源器件方面，和印刷樹脂板相比，低溫共燒陶瓷有三大優勢，即高頻特性、熱穩定性和電容量。在高頻應用中，低溫共燒陶瓷也非常適合制作集成基板和電子器件。
1.5.1 高頻特性
高頻傳輸損耗（1/Q）可用介電損耗（1/Qd）和導體損耗（1/Qc）的關繫來表示，如圖1.5（a）所示，介電損耗是傳輸線路中導體和地線之間所積累電荷的損耗，頻率升高，使電流洩漏增大，導體中電流流動受阻。介電損耗通常以下面公式表示：式中，λg為波長；f為頻率；C 為光速；εr為介電常數；tanδ為介電損耗角。
圖1.5 （a）介電損耗和導體損耗的頻率屬性和（b）電路中的介電損耗
然而，導體損耗取決於導體的電阻（表面電阻）。當頻率增高時，電流有集中

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