摘要低溫共燒陶瓷(LTCC)是現(xiàn)代微電子封裝中的重要組成部分，因其性能優(yōu)良而得到了廣泛應(yīng)用。LTCC基板材料可以分為玻璃/陶瓷體系和微晶玻璃體系兩大類。本文敘述了玻璃/陶瓷體系低溫共燒陶瓷的材料組成、研究現(xiàn)狀、存在問題以及未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞低溫共燒陶瓷，基板，玻璃/陶瓷

1引 言

近三十年來，由于用低溫共燒陶瓷制作的電子元器件及基板材料具有小而輕，并且高頻性能好等特點而得到了極大的關(guān)注，目前已經(jīng)應(yīng)用于便攜式電子裝置如移動電話、PDA、藍牙設(shè)備及超級電腦等[1～3]。上世紀80年代末，美國和日本的一些電子和陶瓷制造商加大了LTCC技術(shù)的研發(fā)力度，其中美國IBM公司率先成功實現(xiàn)了將銅作為布線材料和用低介電常數(shù)陶瓷基板的商業(yè)應(yīng)用，該基板的尺寸為127mm×127mm，70層，作為多芯片組件(MCMs)封裝材料應(yīng)用在大型計算機中[4]。

目前，LTCC基板材料已經(jīng)走向商品化，國外一些公司如DuPont、Ferro等都有自己特有的材料體系的生瓷帶出售[5，6]。目前一般認為LTCC基板材料可分為兩類：玻璃/陶瓷體系[7]和微晶玻璃體系[8]。玻璃/陶瓷體系是通過添加低軟化點玻璃來降低電子陶瓷材料的燒結(jié)溫度來實現(xiàn)的[9]。由于該體系工藝相對簡單，在各項性能的可設(shè)計上具有獨到優(yōu)勢而得到了廣泛應(yīng)用。本文將系統(tǒng)介紹玻璃/陶瓷體系多層陶瓷基板的研究現(xiàn)狀、存在問題和未來的發(fā)展趨勢，為玻璃/陶瓷體系基板材料的開發(fā)提供參考。

2玻璃/陶瓷體系基板材料

2.1 玻璃相

在低熔點玻璃中添加各種難熔陶瓷填充物體系是目前最常用的LTCC材料體系之一。加入了鈉、鉀、鋅、鋇和鉛等網(wǎng)絡(luò)外體氧化物的一種或幾種進行了改性的硼硅酸鹽玻璃，是目前應(yīng)用最廣泛的低熔點玻璃。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)外體氧化物的不同，硼硅酸鹽玻璃又可細分為：堿硼硅酸鹽玻璃、鋅硼硅酸鹽玻璃、鋇硼硅酸鹽玻璃和鉛硼硅酸鹽玻璃。

(1) 堿硼硅酸鹽玻璃。因該玻璃含有的堿金屬離子能降低玻璃的軟化點，而在玻璃/陶瓷復(fù)合材料中得到廣泛應(yīng)用，但堿金屬離子的存在會降低玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性并顯著增大復(fù)合材料的介質(zhì)損耗。Hamzawy等[10]利用組成為Na2O-SiO2-B2O3的硼硅酸鹽玻璃與堇青石陶瓷混合，當(dāng)堇青石含量大于60%時，復(fù)合材料中沒有探測到方石英的析出，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)為3.8～4.2×10-6/℃， ?著=4.7～5.8。Eberstein等[11]對組成為24(Li2O+MgO)-5B2O3-70SiO2的玻璃粉與35.vol%SiO2粉進行混合，在875℃下燒結(jié)得到了相對密度為97%的樣品，在0.1～1GHz的頻率下，?著=4.4，Q=667，可以滿足高頻，甚至能在微波頻率下應(yīng)用，但是熱膨脹系數(shù)偏大，為13.6×10-6/℃。

(2)鋅硼硅酸鹽玻璃。Jantunen等[12，13]研究發(fā)現(xiàn)，組成為60.3ZnO-27.1B2O3-12.6SiO2(摩爾比)的玻璃可以對MgTiO3-CaTiO3陶瓷顆粒進行有效的潤濕，在900℃下燒結(jié)可以得到致密度接近97%的樣品，樣品中析出ZnTiO3、Zn2SiO4、Mg4/3Zn2/3B2O5和TiO2晶相，介電常數(shù)為10.6，介質(zhì)損耗為0.001(7GHz)，是微波性能良好的玻璃陶瓷。

(3) 鋇硼硅酸鹽玻璃。該體系的玻璃潤濕能力較差是其最大缺點。Jantunen等[12]在組成為35BaO-55B2O3-10SiO2(摩爾比)玻璃中加入MgTiO3-CaTiO3陶瓷進行摻雜，發(fā)現(xiàn)燒結(jié)分兩步進行，得到的復(fù)合材料主要為無定型的SiB2O5和SiBa(BO3)2相，TiO2晶相和針狀的BaTi(BO3)2相組成，盡管氣孔率達到了23%，但復(fù)合材料仍具有較低的介質(zhì)損耗(0.002，7MHz)和適中的介電常數(shù)(8.2，7MHz)。

(4) 鉛硼硅酸鹽玻璃。該體系玻璃應(yīng)用得最為廣泛，很多研究者對陶瓷相中添加該玻璃已開展了研究，如Kumar等[14]利用組成為63PbO-25B2O3-12SiO2-1.67Al2O3的鉛硼硅酸鹽與55%的Al2O3進行復(fù)合，在900～1100℃之間進行燒結(jié)，對其液相燒結(jié)行為進行了研究，發(fā)現(xiàn)其在1000℃左右達到最大的致密度，介質(zhì)損耗在0.003左右；Yoon等[7]利用組成為PbO-B2O3-SiO2-CaO-Al2O3的鉛硼硅酸鹽玻璃(軟化點僅為627℃)與Al2O3進行復(fù)合燒結(jié)，得到了?著=8.5，Q·f=4900GHz的LTCC基板材料；張擎雪[15]在組成為PbO-SiO2-B2O3-K2O-Al2O3的鉛硼硅酸鹽玻璃(軟化點為816℃)中加入AlN，燒結(jié)溫度為900～1000℃，得到的最大致密度為99.1%，介電常數(shù)為7～9，介質(zhì)損耗為10-3(1MHz)的復(fù)合材料。

低熔點玻璃除了應(yīng)用較廣泛的硼硅酸鹽玻璃外，一些典型的晶化玻璃也得到了應(yīng)用。這些玻璃主要包括鋰輝石(Li2O·Al2O3·4SiO2)、硅灰石(CaO·SiO2)、硅酸鎂(MgO·SiO2)和堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2)等。Lim等[16]應(yīng)用添加了GeO2的組成為22.8MgO-20.9Al2O3-51.3SiO2-5GeO2的堇青石玻璃與Al2O3進行混合，并以硼酸鋅作為燒結(jié)助劑，在800～950℃下進行燒結(jié)，得到了在頻率為1MHz時，?著=5.47～6.73，tanδ=0.0005～0.0055的復(fù)合材料。以上這些晶化玻璃在經(jīng)過改性并添加陶瓷相后，燒結(jié)溫度一般在900℃左右，可以滿足LTCC低溫?zé)Y(jié)的應(yīng)用。

2.2 陶瓷填充物

當(dāng)Si芯片工作時，其溫度通常接近100℃，停止工作時則下降到室溫，因此如果基板與Si芯片間的熱膨脹系數(shù)差異較大時，在熱循環(huán)下將產(chǎn)生熱應(yīng)力，使基板材料與Si芯片的接合失效。圖1列出了基板的熱膨脹系數(shù)與疲勞壽命的關(guān)系[3]。由圖1可知，選擇合適的陶瓷填充物可以提高基板材料的疲勞壽命。常用陶瓷填充物包括Al2O3、AlN、BeO、SiC、SiO2、Si3N4、莫來石等。表1列出了各種常用陶瓷填充物的基本性能[17]。除了考慮陶瓷添加物的熱膨脹系數(shù)外，還需要考慮其介電常數(shù)、介質(zhì)損耗和熱導(dǎo)率等。

摻雜的Al2O3具有良好的絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性，是目前應(yīng)用最為廣泛的陶瓷填充物，其缺點是熱導(dǎo)率偏低、熱膨脹系數(shù)偏大。A1N應(yīng)用于LTCC基板材料的研究主要集中在利用它的高熱導(dǎo)率，通過添加適當(dāng)?shù)牡腿埸c玻璃使A1N能在常壓低溫(<1000℃)下燒結(jié)致密，從而獲得高熱導(dǎo)率的LTCC基板材料，目前對其研究正是一個熱點，在今后可能會部分代替Al2O3[18]。BeO的熱導(dǎo)率是Al2O3的8倍以上，但是BeO的高成本而且其粉塵和燒結(jié)過程中放出的氣體均有劇毒，所以其生產(chǎn)和應(yīng)用推廣受到了限制。SiC具有高強度和高熱導(dǎo)率，但其電阻率和絕緣耐壓值較低，介電常數(shù)和介質(zhì)損耗均較大，限制了其在LTCC基板材料中的應(yīng)用。

另外，在玻璃中加入多種陶瓷相，在基板材料中也得到了應(yīng)用，其優(yōu)點是可以取得各性能間的均衡。利用不同陶瓷相的物理性質(zhì)的差異，可以對基板材料的一些性能進行改善和提高，如介電常數(shù)、介質(zhì)損耗和熱膨脹系數(shù)等。例如SiO2具有較低的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗，可以添加到玻璃/Al2O3中，改善基板的介電性能[3]。

陶瓷填充物的粒徑和形貌也對基板材料的各項性能有影響。粒徑過大或過小都不利于基板材料的燒結(jié)致密化，從而影響其他性能。Yang等[19]研究發(fā)現(xiàn)，添加粒徑較小的Al2O3( 100nm)時，LTCC基板材料的介電常數(shù)隨玻璃含量的提高而增大，而添加的Al2O3粒徑較大時，則基板材料的介電常數(shù)隨著玻璃含量的提高而減小?？刂铺沾商砑游锏男蚊惨埠苤匾缦虿Ａ嘀刑砑佣嗝骟w狀A(yù)l2O3或者平板狀A(yù)l2O3，復(fù)合材料的各項性能將有較大差異。

3玻璃/陶瓷系低溫共燒陶瓷的優(yōu)缺點及燒結(jié)過程介紹

3.1 玻璃/陶瓷系低溫共燒陶瓷的優(yōu)缺點

低熔點玻璃主要起助熔劑的作用，促進玻璃陶瓷復(fù)合材料的致密化，陶瓷填充物主要用來改善基板的機械強度、絕緣性和防止燒結(jié)時由于玻璃表面張力而引起的翹曲。材料的性能不僅與材料體系有關(guān)，還與燒結(jié)工藝的控制，如燒結(jié)升溫速度、燒結(jié)溫度、保溫時間等有關(guān)。

低熔點玻璃/陶瓷復(fù)合材料體系因其自身的組成特點，作為LTCC基板材料使用時存在一些固有的優(yōu)缺點。其優(yōu)點主要表現(xiàn)在材料性能的可設(shè)計性，因低熔點玻璃與陶瓷填充物在燒結(jié)溫度以下基本上不發(fā)生反應(yīng)(某些體系玻璃/陶瓷也可能存在局部反應(yīng)，因反應(yīng)產(chǎn)物的不同將對基板材料產(chǎn)生積極或者消極的影響)，可以分別控制玻璃相和陶瓷填充物的種類、晶型或粒徑，并通過調(diào)整各自的體積分數(shù)，利用加和法則計算并控制基板材料的性能范圍。其缺點是材料體系中的低熔點玻璃相體積分數(shù)一般不小于50%，玻璃在復(fù)合材料中成為基體相，使陶瓷填充物的各項優(yōu)異性能得不到充分體現(xiàn)，同時大量的玻璃相在進行再次燒結(jié)時可能會發(fā)生軟化現(xiàn)象，對材料性能帶來不可控因素；另外燒結(jié)致密化要求玻璃和陶瓷的潤濕性較好，而這一點很大程度上限制了材料體系的選擇，潤濕性能較差的兩相在燒結(jié)過程中將存在大量的氣相，嚴重影響材料的整體性能。

3.2 玻璃/陶瓷系低溫共燒陶瓷的燒結(jié)過程

對玻璃/陶瓷系基板材料的燒結(jié)過程的控制非常重要，因為沒有合理的燒結(jié)制度，就不可能得到致密而平整的基板。根據(jù)玻璃和陶瓷填充物之間的反應(yīng)程度，可以將玻璃/陶瓷基板材料的燒結(jié)分為三種類型：(1)無反應(yīng)的液相燒結(jié)；(2)部分反應(yīng)的液相燒結(jié)；(3)完全反應(yīng)的液相燒結(jié)。例如，硼硅酸鹽玻璃/堇青石體系，在燒結(jié)過程中堇青石陶瓷顆?；旧喜蝗劢庥诓Ａ?，復(fù)合材料的致密化主要靠玻璃相的重新分布、陶瓷顆粒的重排和粘性流動來實現(xiàn)，是典型的無反應(yīng)的低溫液相燒結(jié)；對于硼硅酸鹽玻璃/Al2O3體系，陶瓷顆粒在玻璃中的熔解十分有限，粒子的基本形狀和大小均未發(fā)生改變，屬于部分反應(yīng)的液相燒結(jié)；對于硼硅酸鹽玻璃/SiO2體系，SiO2顆粒能大量溶解于玻璃中，屬于完全反應(yīng)的液相燒結(jié)。

Ewsuk等[20]針對玻璃/Al2O3復(fù)合材料的低溫?zé)Y(jié)機理進行了研究，認為復(fù)合材料的致密化過程可以描述為如圖2所示的三個階段。第一階段是當(dāng)燒結(jié)溫度高于玻璃軟化點時，玻璃開始熔化成為液相并滲入到材料內(nèi)部的細小空隙中；第二階段是當(dāng)產(chǎn)生足夠的液相時，由于玻璃的軟化和重新分布，使得材料內(nèi)部產(chǎn)生了固-液、固-氣兩相界面，所產(chǎn)生的系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)力促使陶瓷顆粒進行重排；燒結(jié)的第三階段是玻璃液相重排完畢并完全包覆陶瓷顆粒，隨著燒結(jié)溫度的下降，陶瓷顆粒在玻璃表面張力的作用下產(chǎn)生粘性流動并排除封閉氣孔，從而最終完成致密化過程。

4存在的問題和展望

LTCC在高集成度、高性能封裝領(lǐng)域取得了巨大成功。LTCC基板材料也經(jīng)歷了從簡單到復(fù)合、從低介電常數(shù)到高介電常數(shù)和使用頻段不斷增加等發(fā)展過程。雖然目前玻璃/陶瓷體系基板材料得到了廣泛關(guān)注并進行了較多的研究，并且滿足不同功能的玻璃/陶瓷基板材料也由各大公司不斷開發(fā)成功并推向市場，但是目前的體系還遠沒有達到完善的水平。該體系存在的主要問題包括：

(1) 在玻璃和陶瓷體系的選擇和性能的提高等方面主要還是依靠實驗經(jīng)驗，研究還不夠深入和透徹[21]，如決定介電常數(shù)、介質(zhì)損耗、諧振頻率的溫度系數(shù)等物理機制間的內(nèi)在制約關(guān)系；復(fù)合材料中各組分在共燒過程中的各元素遷移規(guī)律及相互作用的機理等問題。

(2) 材料的制備方法多采用高溫固相反應(yīng)法，不僅燒結(jié)時間長，而且難獲得致密均勻的組織結(jié)構(gòu)。材料系統(tǒng)組成復(fù)雜，相互間化學(xué)兼容性、自諧性等原因使其在高頻下應(yīng)用的穩(wěn)定性受到影響。

(3) 收縮率的精確控制也是基板材料需要解決的問題[22]。LTCC基板應(yīng)用于高性能系統(tǒng)時，金屬布線間距小，燒結(jié)的微小變形都會嚴重影響系統(tǒng)的性能，而且基板的收縮對信號孔和散熱孔的對準(zhǔn)也將產(chǎn)生影響，但目前對基板材料收縮率的精確控制技術(shù)還不夠成熟。

(4) 散熱問題也是玻璃/陶瓷基板亟待解決的問題，隨著微電子技術(shù)的進步，器件的工作能量密度越來越高，有效的散熱才能保障器件正常穩(wěn)定地工作。對于現(xiàn)在主流的玻璃/陶瓷體系，熱導(dǎo)率一般在2～6W/m·K[23]，遠低于AlN基板的熱導(dǎo)率(70～260W/m·K)，也低于Al2O3基板的熱導(dǎo)率(15～30 W/m·K)，這已成為制約其發(fā)展的一個瓶頸。

LTCC技術(shù)發(fā)展面臨來自不同技術(shù)的競爭與挑戰(zhàn)，如何繼續(xù)保持在無線通訊組件領(lǐng)域的主流地位，還必須繼續(xù)強化自身技術(shù)發(fā)展和大力降低制造成本，不斷完善和開發(fā)相關(guān)技術(shù)。隨著玻璃/陶瓷系LTCC技術(shù)的不斷成熟，如收縮率控制和基板散熱等問題得到解決后，微電子封裝將會向更小、更輕和更加高效的方向發(fā)展。以LTCC技術(shù)為基礎(chǔ)的器件及系統(tǒng)將會在航空航天、軍事、無線通信、無線局域網(wǎng)和全球定位系統(tǒng)等領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

對于玻璃/陶瓷體系基板材料，國內(nèi)的研究水平普遍不高，雖然國內(nèi)也有一些單位進行了相關(guān)研究，但仍停留在實驗室階段。國內(nèi)幾乎沒有擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的材料系統(tǒng)和器件，因此大力發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的低溫共燒陶瓷材料及技術(shù)，不僅具有重要的社會效益而且具有顯著的經(jīng)濟利益。

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Development of Low Temperature Co-fired Glass/Ceramic Substrate

Chen XingyuZhang WeijunDu YongguoZheng Xiaohui

(College of Aerospace and Materials EngineeringNational University of Defense Technology ChangshaHunan410073)

Abstract: Low temperature co-fired ceramics (LTCC) is the important composite of modern microelectronic packaging. The perfect properties make it useful widely. The material can be divided into two kinds: glass/ceramic and glass-ceramics. The paper is reviewed the composites and research progress of low temperature co-fired glass/ceramic substrate materials in details. The problems and trends of glass/ceramic substrate are also described.

Keywords: low temperature co-fired ceramics (LTCC)，substrate，glass/ceramic

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