綜述：用于ltcc的低損耗介電材料

1、1《low loss dielectric materials for LTCC applications: a review》《綜述：用于 述：用于 LTCC 的低 的低損耗介 耗介電材料》 材料》A、 摘要。 摘要。隨著無線通訊系統(tǒng)和微波器件的電子消費(fèi)品市場的快速增長，微型、輕便、多功能化的電子元件正吸引人們越來越多的關(guān)注。因此、器件生產(chǎn)商把注意力投向了更先進(jìn)的集成、封裝和連接技術(shù)領(lǐng)域，其中一種好的解決方案就是低溫共燒陶瓷（LTCC

2、）技術(shù)。LTCC 技術(shù)能在三維上設(shè)計(jì)陶瓷模塊，使其具有低介電損耗并能同時(shí)嵌入銀電極。在過去的 15 年里，研究人員已開發(fā)出了大量的用于高頻條件使用的 LTCC；在 LTCC 及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)表了大約 1000 篇論文及約 500 篇的專利。盡管如此，這些材料的技術(shù)數(shù)據(jù)卻很分散，所以本文的一個(gè)主要目的就是集中論述和比較相關(guān)材料的理論及數(shù)據(jù)，這對(duì)全世界的 LTCC 研究者和技術(shù)人員都是非常有幫助的。文章列出了商用 LTCC、低損耗玻璃相和已

3、在研究中的新型材料的相關(guān)性能參數(shù)。另外，還把他們的高頻性能及熱性能與其它一些基質(zhì)材料（如高溫?zé)Y(jié)陶瓷、聚合物）的相關(guān)性能進(jìn)行了比較。最后討論了如何進(jìn)一步提升材料性能。B、介紹。 介紹。傳統(tǒng)微波裝置常由金屬來加工，而同軸 RF 連接采用的連接件缺點(diǎn)是：成本昂貴、過于笨重且封裝龐大。這些金屬封裝都不能滿足移動(dòng)的、低價(jià)的、具有多層外部輸入輸出接口的模塊的市場要求。另外、如今的移動(dòng)設(shè)備產(chǎn)業(yè)、電子娛樂業(yè)和遠(yuǎn)程通訊等所用的電子線路都需要在盡可能小的

4、空間里集成盡可能多的功能。所以在開發(fā)復(fù)雜的微電路方面，引入了柔性玻璃陶瓷帶，即所謂的 LTCC 瓷帶，它作為一種基礎(chǔ)材料，扮演了非常重要的角色。LTCC 面世 15 年來，已經(jīng)成為開發(fā)各種模塊和基底的重要材料。LTCC 技術(shù)原理是：組合了許多陶瓷和導(dǎo)體的薄層，成為多層模塊，大量地使用在設(shè)計(jì)三維布線時(shí)（使用低介電組分，通常 εr≈4~9） 。另外還可以將多功能的、混合使用的被動(dòng)式微波元件如：帶狀傳輸線、電介質(zhì)條狀線、天線、濾波器、諧振器、

5、電容、電感、移相器、分頻器等和整個(gè)母塊一起設(shè)計(jì)，這在常規(guī)的氧化鋁或其它軟基底上是無法實(shí)現(xiàn)的。這些集成的元件在模塊中是通過 3D 線路相互連接的。在各種通過 LTCC 封裝來實(shí)現(xiàn)的器件中，諧振器（resonator）和內(nèi)電容（internal capacitor）是最新技術(shù)的應(yīng)用熱點(diǎn)。可以要求內(nèi)電容在 LTCC封裝中，做成為單片地解耦電容。同時(shí)亦可做出用于 LTCC 層上的 1/4 波長濾波器的諧振器。諧振器和內(nèi)電容合適的相對(duì)介電常數(shù)應(yīng)在

6、 20~100 范圍。將這些被動(dòng)式元素嵌入模塊中，減小了其支座，為其它主動(dòng)式元件的安裝節(jié)約了表面面積。LTCC 技術(shù)具有的低燒結(jié)溫度契合了當(dāng)今微電子、微系統(tǒng)以及微波模塊的封裝新概念。因?yàn)長TCC 能在較低溫度燒結(jié)（＜950℃） ，所以嵌入式微波器件和傳輸線就能夠使用高導(dǎo)性、相對(duì)低價(jià)的金屬（如銀、銅）來制作，這些金屬在高頻下具有低的導(dǎo)體損耗和低的電阻抗。這是一個(gè)相對(duì)于其他技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)。近來，材料專家研究了新型 LTCC 材料，具有低介電

7、損耗、低 tanδ（或高 Q）以及具有溫度補(bǔ)償?shù)南鄬?duì)介電性。如果考慮到 LTCC 的低熱膨脹性（接近于硅的） ，高機(jī)械強(qiáng)度和高熱導(dǎo)性，可以說：這種技術(shù)相對(duì)于聚合物材料更顯優(yōu)勢，特別是在：當(dāng)要求材料具有低損耗時(shí)，當(dāng)要求在高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下使用高頻線路時(shí)，LTCC 優(yōu)勢更明顯。Table 1 基底材料性質(zhì)小結(jié)材料 εr tanδ 備注FR-4 ~4.0 0.0250 ——Rogers RO4003 3.38 0.0027 陶瓷添加聚四氟乙

8、烯（PTFE）Rogers RT/duroid 5880 2.2 0.0009 陶瓷添加聚四氟乙烯（PTFE）Arlon AR600 6.0 0.0035 聚四氟乙烯/有機(jī)織物纖維玻璃-陶瓷Arlon AR1000 10.0 0.0035 聚四氟乙烯/有機(jī)織物纖維玻璃-陶瓷99.6% alumina 9.9 0.0004 陶瓷Dupont 951 7.85 0.0063 玻璃-陶瓷Dupont 943 7.5 0.0020 玻璃-陶瓷3

9、其誤差在 60μm 左右，所以目前采用了更精確的光學(xué)定位方法。另一個(gè)重要的問題是：大面積的導(dǎo)體區(qū)域（如底板）會(huì)在共燒中導(dǎo)致元件產(chǎn)生翹曲（warping） ，這迫使設(shè)計(jì)者采用網(wǎng)格狀的（meshed） 、金屬化覆蓋范圍小于 50%的底板，但由此會(huì)引起諧振器 Q 過量增加并降低絕緣性（isolation properties） 。熱致彎曲（thermally driven curvature）會(huì)導(dǎo)致：產(chǎn)品性質(zhì)產(chǎn)生一些限制性的缺陷。這種彎曲，是

10、由于不適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)物燒排引起的，而不是由燒結(jié)本身或者瓷帶不均勻的收縮引起的。這種彎曲會(huì)導(dǎo)致最終產(chǎn)品的分層、開裂和彎曲。要達(dá)到以上所述的種種要求，可從控制以下幾方面來著手：粒子尺寸大小、形狀、原材料粉的純凈度、化合物組分。導(dǎo)體的損耗非常敏感地受導(dǎo)體在高頻下的表面粗糙度的影響；另外，沉積于介電基質(zhì)上的導(dǎo)體，重新構(gòu)造了基質(zhì)的形狀和式樣，所以這種導(dǎo)體的表面，也靈敏地影響著導(dǎo)體的損耗。盡管如此，LTCC 技術(shù)有很多的好處，諸如：并行制造工藝具有高產(chǎn)

11、出低投入的特點(diǎn)；可使用高電導(dǎo)性、又廉價(jià)的金屬化工藝；快速樣品成型；具有環(huán)境穩(wěn)定性；結(jié)構(gòu)緊湊；集成度高等優(yōu)點(diǎn)。最近有很多文章是介紹 LTCC 微波模塊的優(yōu)良性能的（能達(dá)到 75GHz） 。雖然也有其他的高致密、多層基質(zhì)技術(shù)可被選用（如有機(jī)物疊層結(jié)構(gòu)） ，但 LTCC 具有一系列獨(dú)特的復(fù)合特性，使其成為一種非常吸引人的可選材料，特別是當(dāng)相關(guān)器件的工作條件升高到微波波段時(shí)，LTCC 優(yōu)勢更明顯。事實(shí)上，研究者必須花大量的工作用于挑選適當(dāng)?shù)?L

12、TCC 材料，以便能滿足諸如：LTCC 工藝、多層元件的電性能、外部接口、穩(wěn)定性、密封性等各種要求。D、 材料選擇和要求。 材料選擇和要求。通常認(rèn)為，開發(fā)新 LTCC 的難點(diǎn)不僅僅在于要達(dá)到相關(guān)的介電性能，更在于要滿足其燒結(jié)特性、熱機(jī)械性能、化學(xué)兼容性、產(chǎn)品成本、各參數(shù)的可調(diào)范圍等各種要求。有兩個(gè)制約因素阻止了我們獲得具有總的低損耗的元件：一、電路系統(tǒng)的導(dǎo)電損耗；二、發(fā)生在“玻璃-陶瓷”的玻璃相中的介電損耗或其它介電損耗因素。此外，LT

13、CC 材料還應(yīng)該有好的熱導(dǎo)性、好的機(jī)械性，并且不和使用的導(dǎo)電材料反應(yīng)。Table 3 是關(guān)于一些商用 LTCC 材料的特性和氧化鋁、FR-4 的相關(guān)特性之間的比較。Table 3 商用 LTCC、氧化鋁、FR-4 的性質(zhì)比較性質(zhì) 商用 LTCC 氧化鋁（96%）CoorsFR-4εr@1MHz 3.8~9.2 9.2 5.5tanδ@1MHz 0.0007~0.006 0.003 0.022微波插入損耗（@10MHz） ，dB m-1

14、 4.7~23.6 —— ——CTE， ppm·K-1 4.5~7.5 7.1 12~16熱導(dǎo)性，W·m-1·K-1 2.0~4.5 21 0.2楊氏模量，GPa 80~150 314 24抗彎曲強(qiáng)度，MPa 116~320 397 430表面粗糙，μm·in.-1 <1~25 <25 ——生瓷帶厚度公差，% ±2 到±9 —— ——X,Y 收縮，% (9.5~15

15、)±0.3 —— ——Z 收縮，% (10.3~25)±0.5 —— ——金屬化 Au/Ag —— CuE、LTCC 的一些重要性質(zhì)。 的一些重要性質(zhì)。E1、致密化溫度 、致密化溫度 LTCC 致密化溫度或燒結(jié)溫度應(yīng)該＜950℃,因?yàn)槠胀姌O材料，如：銀，熔化溫度在 961℃，所以模塊的整體共燒溫度應(yīng)該低于電極的熔點(diǎn)。另外，LTCC 材料和電極間必須具有化學(xué)兼容性。電極漿料常采用銀漿，所以共燒溫度應(yīng)調(diào)節(jié)到 900℃左