低温共烧陶瓷——一种理想的微波材料

低温共烧陶瓷——一种理想的微波材料
李 泊1, 潘凤娥2  
1. 河北半导体研究所, 河北 石家庄 050051；2. 青岛远洋船员学院机电系， 山东 青岛 266071 )
摘要：重点介绍了目前LTCC技术状态，MCM封装技术的发展，及低温陶瓷性能。使用Au, Ag, Cu等较低电阻率金属材料作导电材料，可以极大地降低插入损耗，并且介电常数比高温共烧陶瓷(HTCC) 低，因此可以提高微波信号传输速率，减小信号延迟时间。在提高材料性能方面提出了一些建议和方法。
关键词：低温共烧陶瓷；插损；延迟时间；微波性能

中图分类号：TB34 文献标识码： A 文章编号：1003-353X(2003)11-0071-05


1 引言
在陶瓷基片多芯片组件（MCM-C）的基板制造及封装中，Al2O3瓷已得到了成功使用，但随着工作频率的增加，组件对材料的物理及电性能的要求不断提高，Al 2O3微波性能已影响了它在高速数字电路及高频微波电路信号中的传输，而低温共烧陶瓷（LTCC）已成为微波MCM理想材料。

MCM技术领域主要集中在不同的封装技术上，如叠层多芯片组件（MCM-L）技术、淀积薄膜多芯片组件技术（MCM-D）和陶瓷多芯片组件技术。另外，近几年发展起来的三维（3D）多芯片组件技术也得到相当关注。

LTCC技术是陶瓷领域的一个分支，在高频微波以及高速数字电路方面具有一定的优点。

2 LTCC技术简介

LTCC的工艺设备及流程与高温共烧陶瓷（HTCC）没有太大的区别，它的工艺流程如图1。不同之处主要有：陶瓷粉配料不同，采用的金属化材料不同，在烧结气氛上控制更为方便，烧结温度更低等。

浆料的组分包括粘结剂、溶剂、增塑剂及润湿剂等。在选择粘结剂时需重点考虑的是粘结剂系统的热解行为。粘结剂种类较多，如聚乙烯醇缩丁醛（PVB）、聚甲基丙烯醇酸甲脂（PMMA）等，但不管选用哪一种都要求在排胶期间（常在220～450℃）能干净地分解完，尽可能减少残余碳的存在。如果碳含量超过100ppm，将会严重影响介质的击穿电压，甚至影响基板的致密度和抗弯强度。

陶瓷粉的比例是决定材料物理性能及电性能的关键因素[1]。为了使材料具有不同的性能，其配比也是不一样的，主要有硼硅酸玻璃/填充物系统、玻璃/氧化铝系统、玻璃/莫来石系统等。其中的添加剂主要是用来改善陶瓷的抗弯强度、热导率等，但要求填充物在烧结时能与玻璃形成较好的浸润。表1 是Kyocea公司的硼硅酸玻璃陶瓷组分及相对应的材料介电常数 [2]。

另外，对于玻璃/氧化铝系统，为了降低介电常数，在氧化铝中加入低介电常数的玻璃成分，它们的比例大约是50︰50。IBM公司的玻璃/陶瓷组分如表2 [3]。

现许多公司都以卷的形式提供商用LTCC生瓷流延片，并提供与之收缩率和材料相匹配的金属化膏。一些公司材料性能如表3。

一旦各层金属化线条和层间互连小孔金属化都作好了，用合适的模具定位并按顺序叠起来，在一定的温度和压力下进行层压，形成一个整体，然后在800～900℃下进行共烧形成致密的完整的基板或管壳。 由于元器件直接安装在管壳表面（不是安装在分离的陶瓷基板上，然后还需安装在一个标准的管壳内与外引线键合），因此减小了额外的引线键合并提高了可靠性，对于MCM应用是很理想的。


在烧结过程中，流延带在X和 Y轴方向有12%～16%在Z轴有15%左右的收缩率。假如有对应的金属化和较好的工艺稳定性，收缩率是可以达到一致的，但是对于有的系统，要求制作时需要较小的收缩率误差。烧结气氛一般不需像AlN ,Al2O3那样严格控制，除非金属化是采用需要保护的Cu等材料，因此成本较低，工艺简单。
3 低温共烧陶瓷材料的特点

3.1 可制作精细线条和线间距


在LTCC技术中，厚膜印刷工艺很容易达到 0.15mm，并且0.1mm的线条和间距也已做到并得到应用。假如需要更细的线条及线间距，一种方法就是在表面层采用薄膜淀积工艺，但是造价昂贵，共烧的陶瓷表面必须非常光滑平整，且与溅射的金属化材料有较好的黏附性，如抛光过后在表面上会留下一些小坑从而引起黏附性问题；另外一个办法就是采用可光刻的厚膜Au后烧工艺。Dupont公司已经介绍了称作FODEL的材料系统，可实现 0.04mm/0.05mm的线条和线间距。

FODEL材料系统是先在需要细线条处印刷Au 浆，经过干燥后，用高强度紫外灯光源将Au区进行曝光，用Na 2CO3显影，再用水漂洗并烘干，然后通过一个链式炉在850℃下烧结就可得到细线条图形。尽管还有其它可刻蚀的Au厚膜工艺，但是FODEL所使用的Na 2CO3液不会腐蚀LTCC基板，并且不需要另外的掩模和剥离。Jurate Minalgiege等人也开发出类似FODEL称作Saule可光致成图的厚膜浆料，[4]工艺流程与Dupont的FODEL材料相似。

在高速或高频组件及高密度封装等很多情况下，使用细线条和细节距是较合适的，但在大多数情况下，增加基板的层数和线条的宽度却可以极大地节省成本。

3.2 可使用低电阻率金属化材料


在HTCC技术中使用的金属化为高电阻率的W或Mo，因此不可避免的将产生较高的IL损耗。相对HTCC，LTCC采用了如Au、Ag、Cu电阻率较低的厚膜浆料（如表4），低温陶瓷的微带方阻可以做到小于2m