低温共烧陶瓷(LTCC)材料的应用及研究现状.pdf

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低温共烧陶瓷（LTCC）材料的应用及研究现状崔学民等1一一低温共烧陶瓷（LTCC）材料的应用及研究现状”崔学民周济沈建红缪春林（清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，北京100084）摘要主要概述了低温共烧陶瓷（LDwTemperatureCofjredceramics，简称LTCC）材料的应用和研究现状，认为利用低温共烧陶瓷技术将多种元器件复合或将其集成在多层陶瓷基板中是今后信息功能陶瓷发展的一个重要方向，在我国应大力发展具有自主知识产权的LTCC技术。

关键词低温共烧陶瓷高温共烧陶瓷厚膜电子封装电子元器件ApplicatiOnandResearchProgressofLTCCMaterialsCUIXueminZHOUJiSHENJianhongMIAoChunlin（StateKeyLaboratoryofNewCeramicsandFineProcessing，TsinghuaUniversity，Beijing，1O0084）AbstractThispaperreviewstheapplicationandresearchprogressoflowtemperaturecofiredceramics（LTCC）materiaIsTheauthorthinksthatLTCCisanimportantdevelopingdirectionoftheinformationfunctionceramics，wheremanycomponentscanbeintegratedinmultilayersceramicsubstrateLTCCtechniquewithindependentintelligentpropertyrightinourcountryKeywordslowtemperaturecofiredceramics，hightemperaturecofiredceramics，thickfilm，electricpackaging，electriccomponents近年来，信息技术的发展要求高速数据和高电流密度传输，电子线路目益向微型化、集成化和高频化的方向发展，这就对电子元件提出了尺寸微小、高频、高可靠性、价格低廉和高集成度的要求。

低温共烧陶瓷（LowTemperatureCofiredCeramic，I。

Tcc）是1982年由休斯公司开发的新型材料技术n。

它采用厚膜材料，根据预先设计的结构，将电极材料、基板、电子器件等一次性烧成，是一种用于实现高集成度、高性能的电子封装技术。

图1综合比较了厚膜技术、LTCC和HTCC技术的优劣2，可以看出，LTCC技术集中了厚膜技术和高温共烧陶瓷技术（HighTemperaturecofiredceramic，HTCC）的优点，摒弃了二者明显的缺点，比之有更广阔的应用前景。

目前，LTCC普遍应用于多层芯片线路模块化设计中，它除了在成本和集成封装方蕊的优势外，在布线线宽和线间距、低阻抗金属化、设计的多样性及优良的高频性能等方面都显现出诱人的魅力。

厂L1cc技术厚腱技术的缺点：

厚膜优点Ir优点耵cc的缺点

（1）多欢印捌（1J高屯导金属化

（1）高印删分辨搴

（1）高熔点垒一电导

（2）多次烧结f（2H匠的介电损耗

（2）一次性烧成串不高（3）叠层数目受I（3）可印尉电阻（3价电屡犀度可控lc删鲁工艺繁琐限制I（懈结鼍度彘（4）表面光滑J（3）不雒直接印刷电（4）介电层厚度不（5）叠层数目无限制阻軎易控制等H，生产成本高等与si圈1厚膜技术、HTCC与LTCC技术的比较1LTCC技术从国内外LTCC技术的应用领域来看，主要应用于以下3个方面1“：

（1）高频无线通讯领域：

基于LTCC材料具有优异的高频性能，同时还具有低成本、离集成度等特点

（2）航空航天工业领域：

例如，美国的空间系统制造公司LoralInc。

为满足通讯卫星上控制电路250弘m线宽，每层150个以上通孔的MCMC组件的电路要求，选用了杜邦公司的LTCC材料技术。

（3）存储器、驱动器、滤波器、传感器等电子元器件领域：

LTCc可以通过埋植内电容、内电感等形成三维结构，缩小电路体积，提高电性能。

日本太阳诱电公司采用插入应力释放层的方法，研制出了0805规格的片式叠层LC组合元件1“。

LTCC技术流程比较复杂，图2为典型的LTcC制备技术工艺流程图3“。

（1）流延片的制备：

采用不同的配比，可以制备出各种性能的流延片生带，目前世界上提供LTCc流延片生带的生产厂家有Dupont、Ferro、Heraeu8、NorthroP、SwedishCeramicInstitute、Kyocera、Sarnoff、NationalSemiconductor、NIKK0、NippenElectricGlas8、Samsung、中国的台湾璨德电子工业股份有限公司和原电子工业部43所等。

（2）流延片的下料、打孔：

流延生带可采用切割机、激光或冲床进行切割。

通孔质量的好坏直接影响布线的密度和通孔金属化的质量，通孔过大或过小都不易形成盲孔。

生带的打孔主要有*国家863计划（项目号2003AA32G030）；973计划（项目号2002CB613306）崔学民：

男，1971年生，博士Email：

cuixmmailtsinghuaeducn万方数据。

2材料导报2005年4月第19卷第4期一一：

一1）T鼍Porgreensheet卜2）cm。

p3）Punchthe-4）via栅with叫-5）scre如一嘲ntthe。

oIigreepsheetViaandpastebyscreenconductorlines毪戤2eand12rmcaVitiespfintingofdryandinspect9）As姥mble卜_一8）P18teNiAu__一7）Bumoutorgalli一卜一6）Regigterandlaminatecomponentsandcofire一，穆圈2LTcC技术工艺流程圈3种方法：

钻孔、冲孔和激光打孔。

激光法所打孔的精度和孔径都比较合适，而且打孔速度高，所打孔易于形成盲孔，是最理想的打孔方法。

（3）通孑L填充：

通孔填充是制造LTCC基板的关键工艺之一，其方法有：

厚膜印刷、丝网印刷（ScreenPrinting）和导体生片填充法。

（4）导电介质的印刷：

共烧导电体的印刷可采用传统的厚膜丝网印刷和计算机直接描绘。

通孔填充和导电介质的印刷是生带金属化（Metallization）的两部分。

（5）叠层、热压及切片：

将印制好的导体和形成互连通孔的生瓷片，按预先设计的层数和次序依次叠放，在一定的温度和压力下粘接在一起形成一个完整的多层基板坯体。

叠层中精确定位是制造多层结构的基础。

切片工艺是将多层生瓷坯体切成更小的部件或其他形状，可通过钻石轮划片、超声切割、激光切割等3种方法来实现。

（6）排胶、共烧：

由于LTCC技术需要将电介质材料（如电容、基板等）、磁介质材料（如电感等）和导电材料（包括银电极）等各种材料以叠层的形式交叠并一次性烧成，其共烧技术是“瓶颈”。

这是因为共烧过程中必须克服以下困难：

界面反应和界面扩散会影响器件的性能、可靠性以及曼微结构的变化；不同介质层间在致密化速率、烧结收缩率及热膨胀速率等方面的失配也会导致共烧体内产生很大的内应力，产生层裂、翘曲和裂纹等缺陷；为了降低成本，烧结温度必须低，以便和廉价的银电极共烧。

（7）镀端电极，组装等：

其中，制备工艺中关键技术的控制主要参照烧结收缩率和介电常数这两个重要的特征参数。

烧结收缩率在叠层制造中决定器件设计尺寸的大小和电路的分布；而介电常数的稳定性直接影响器件的品质一致性。

2LTCC材料的应用目前，低温共烧陶瓷材料实现的方法主要有4种21“”J”：

掺入适量的烧结助剂（低熔点氧化物或低熔点玻璃）进行液相活性烧结，即陶瓷+玻璃复合体系采用化学法制取表面活性高的粉体尽可能采用颗粒度细、主晶相合成温度低的材料；采用微晶玻璃或非晶玻璃。

这4种方法根据材料的不同用途而分别使用；LTCC基板材料主要采用第一种和第四种方法而LTCc电子元器件材料则不尽相同。

例如，在Ba0一Tio。

一w03系中加入ZnOB20sSi02玻璃等可使烧结温度下降至10000C，在CazroaSrTi03系中加入Si02一B203系玻璃可使烧结温度低于looooC，但烧结助荆降温有限，而且会影响器件的性能，如介电损耗等。

为了获得更低烧结温度、介电性能更好控制的陶瓷，人们把注意力放在了易实现低温烧结的陶瓷材料体系上，如ZnNb205、BiTaot、ZnTi03、BiNb04等。

这些材料体系本身烧结温度低。

一般在9501150。

C，掺入少量玻璃或低熔点的氧化物（如Bi20s、Zn0、Cu0、Vzos等）可实现900。

C左右低温烧结。

LTCC材料对电路性能起关键作用的主要是介质损耗、介电常数、绝缘电阻和介质强度1“”1521”“。

对于发射和接收信号来说低损耗是需要的，丽低介电常数对高速信号处理也很重要。

同时，高绝缘电阻和介质强度也是所要求的，这些特性与化学成分、工艺和导电材料等紧密相连。

表1为部分商用LTCC陶瓷材料的基本性能指标，DF为介电损耗7。

按照LTCC陶瓷材料的用途来分，主要体现在以下两个方面。

万方数据低温共烧陶瓷（LTCC）材料的应用及研究现状崔学民等3表1部分商用LTCC的基本性能指标*LTCCdesignguidemadebyCTSMicroelectronics，WestI。

afayette，lN，USA21LTCC基板、封装材料传统基板材料（Alz0。

、sic等）和高温烧结陶瓷（HTcc）不仅烧结温度高（1500。

c），而且只能与高熔点、高电阻的金属（Mo、w等）共烧，不利于降低生产成本。

为此人们开发出新型的低温共烧陶瓷（LTCC）技术。

低烧结温度可以使金属良导体（Cu、Ag等）与陶瓷流延片共烧，提高厚膜电路的导电性能、降低成本。

表281为LTcc与传统氧化铝基板和FR一4板的性能比较，从表中可以看出LTCC具有明显的优势和更广阔的应用范围。

裹2LTCc与常用A1203陶瓷基扳和树脂基FR一4板的性能比较PmpertyCommercialLTCC96A1203FR一4LTCC是电子封装技术的一种，是指为满足不同微电子应用特性而采取对半导体线路进行联接、通电、保护和冷却等的多项工艺措施。

多芯片等技术的出现，对基板技术提出了更高的要求。

多芯片封装低温烧结陶瓷基板的特征是：

与导体（cu、Ag等）、电阻（R）、电容（c）、电感（L）材料同时烧成，在顶层键合IC、LSI等有源器件和芯片元件。

封装对基板材料有如下的要求：

高电阻率（10Qcm），保证信号线间的绝缘性l低介电常数，提高信号的传输速率。

低介电损耗降系数能减小交变电场中的损耗；低烧结温度（9504C），同Ag、Cu等高电导率的金属共烧；与单品Si相应的热膨胀系数，保证与Si芯片封装的兼容性；较高的热导率，防止多层基板过热；较好的物理、化学性能和综合机电性能o1”“173；面LTCC技术恰好满足了这些要求。

根据配料的不同，LTCC材料的介电常数可在很大范围内变化，增加了线路设计的灵活性。

例如相对介电常数为38的基板适用于高速数字电路的设计；相对介电常数为680的基板可很好地完成高频线路的设计；而高达20000相对介电常数的基板，则可以使电子器件集成到多层结构中。

无源器件的高度集成，减少了表面安装元件的数量，提高了布线密度；减少了引线连接与焊点的数目，提高了线路的可靠性。

由于大规模集成电路的发展，Ic芯片集成度、速度、功率的提高，要求在封装上提高散热条件、增加Io数目、减少互连线尺寸、减少信号损失、减少器件的体积和降低成本，这就要求基板材料必须具有高热导率、低介电常数和损耗等；多层陶瓷低温共烧基板由于设备简单、成本低、陶瓷元件与芯片材料的热膨胀系数匹配好、易于金属布线等优点而被广泛应用。

实际上，多层陶瓷共烧基板也就是LTCC的一种应用。

目前使用的低温烧结、低介电常数陶瓷材料主要是陶瓷+玻璃填充料的复合系、微晶玻璃系和非晶玻璃系D“61凡”J。

近年来人们把研究的重点放在陶瓷+玻璃的复合体系及微晶玻璃上，发展了很多低烧结温度、低介电常数体系。

Kumar等”3于1977年制成成分为A1203一Si02一MgoB。

03一P：

05的徽晶玻璃之后，有关LTcC的玻璃陶瓷体系得到了蓬勃发展。

Kondo等21】开发了ZnoMgoA120。

一Si02体系玻璃陶瓷材料。

Kawakamf1妇研究了硅酸盐玻璃加AI。

0。

系基板材料，通过加入镁橄榄石（2MgOSi02）或堇青石（2MgO2A120。

5Si02）降低烧结温度，提高基板的致密度；另外还有硼硅酸盐玻璃陶瓷（BsGC）和高硅玻璃陶瓷（HsGC）体系等。

22LTCc电子元器件材料电路元器件在当今电子产业中已越来越重要，目前开发人员正在加速开发高频、超高速数字系统和微型小型化设计等电路元器件新技术，元器件厂商也在提高各种电路的元器件安装密度，复合元器件已成为当今发展的主流方向之一1“18”“。

从功能陶瓷器件的长远发展来看，功能陶瓷的集成化是必然趋势。

目前，在陶瓷元件自身的集成方面，一些以复合多层技术为基础的简单集成陶瓷元件，如集成片式LC谐振器、片式滤波器、片式CR组件等刚刚进入商品化阶段，而利用LTCC技术将有源元件或无源元件集成在基板上的技术在我国尚处于初步研究的开发阶段，还有很长的路要走。

目前，世界上片式元件、片式复合元件需求达到一个高峰，研究表明”，我国到2005年，市场需求各类片式元件约1500亿只。

采用片式多层技术制备元器件具备低成本、大批量化优势，因此利用陶瓷低温共烧技术将多种元器件复合或将其集成在多层陶瓷基板中已成为研究发展的方向。

如将多层电容器与多层电感器复合、多层电容器与多层压敏电阻器复合后构成抗噪声EMI滤波器等。

在计算机、通讯行业，有时经常需要将电容器与电阻器进行串联连接，如应用在总线阻抗匹配、减小反射增加信号完整性、数模与模数接口线路、降低直流电源功耗以及中央处理器线路等。

如果简单地将单个电容器与电阻器进行串联，将导致成本增加、占用线路板面积增加以及由于焊接点的增加而引起可靠性下降等不良后果。

因此各国研究机构、生产厂商都在积极研究开发能将电容器与电阻器串联在一个多层陶瓷基板里的复合元件，近年来只有日本、美国等公司研究开发出这种片式多层陶瓷电容电阻复合元件。

对片式多层陶瓷电容电阻复万方数据4材料导报2005年4月第19卷第4期合元件的研制与开发、生产具有非常重要的意义。

在通讯技术领域，小型化和轻量化的微波器件日益受到重视1”2”3。

为了减小微波器件的体积，适应通信系统的小型化要求，基于LTCC的多层结构片式LC陶瓷滤波器，及其它结构微波滤波器大大减小了滤波器的尺寸，为通信设备的小型化和轻便化奠定了良好的基础。

以LTCC技术制造片式滤波器，陶瓷材料应具备以下几个要求：

烧结温度应低于950。

c；介电常数和介电损耗适当，一般要求Q值越大越好；谐振频率的温度系数q应小；陶瓷与内电极材料等无界面反应，扩散小，相互之间共烧要匹配；粉体特性应利于浆料配制和流延成型等。

为了适应LTCC微波器件的要求，诸多低烧陶瓷体系已被广泛开发和利用，如MgTiO；一CaTi03体系、（zr，Sn）Ti03一Ba0一Ti02体系、Ba0一Ln203一Ti02体系、Bi203一znONb205体系、BiNbo。

体系、复合钙钛矿结构和钨青铜结构材料体系等等。

表3列出了部分微波介质陶瓷材料体系的基本情况。

尽管在微波介质材料研究中取得了一些进展，但助剂选择、烧结原理及动力学、相组成、微观结构和介电性能之间的影响机制等在理论上还缺乏足够的研究。

为此，材料研究、器件设计和生产制备应该统一起来，这对国内电子元器件企业和研究机构尤为重要。

袭3常用低温烧结微波介质陶瓷体系及其性能22303LTCC技术的展望从国内混合电路技术的现状来看，其主要产品已不能满足通讯产品的技术发展需求；技术和市场方面均要求有新技术的突破。

通过对国外LTCC技术的跟踪不难看出，LTCC是信息功能陶瓷发展的重要趋势。

首先，技术上先进其次，其投资成本不大，因为LTCc技术与现在的厚膜工艺有良好的共容性，部分关键厚膜工艺设备仍能继续使用13“1“。

LTCC技术尽管为多层线路和电子元器件的设计带来了巨大的灵活性，但许多相关技术尚不成熟或亟待开发。

由于该技术需要将电介质材料（如电容、基板等）、磁介质材料（如电感等）和导电材料（主要是银电极）等各种材料以叠层的形式交叠并一次性烧成独石结构，必须以先进的流延技术和共烧技术为依托，其中共烧技术是“瓶颈”。

正是由于将不同的多层功能单元采用叠层技术共烧形成独石结构复合元件的复杂性、棘手性及难以控制等特点，增加了商业化产品面世的难度和成本。

虽然LTCc技术在国外已被深入研究和大量应用，但主要技术还是掌握在少数几个大公司的手里。

在国内，拥有自主知识产权的材料体系和器件几乎是空白，因此，大力发展具有自主知识产权的LTcC材料及其技术已是大势所趋。

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