共燒陶瓷板元器件及組件可分為高溫共燒陶瓷（HTCC）和低溫共燒陶瓷（LTCC）兩種。HTCC是指在1450℃以上與熔點(diǎn)較高的金屬一并燒結(jié)的具有電氣互連特性的共燒陶瓷板。隨著通信向高頻高速發(fā)展，為了實(shí)現(xiàn)低損耗、高速度和高密度封裝的目的，LTCC應(yīng)運(yùn)而生，燒結(jié)溫度在900℃左右。然而人類(lèi)對(duì)科學(xué)的探究卻從未停止，隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)需求的不斷提高，人們又發(fā)現(xiàn)了超低溫共燒陶瓷這一新概念。超低溫共燒陶瓷（ULTCC）是由低溫共燒陶瓷發(fā)展而來(lái)的一類(lèi)新型電介質(zhì)材料。

超低溫共燒陶瓷是一種具有眾多優(yōu)點(diǎn)的新型多層陶瓷

可在400℃~700℃的極低溫度下燒結(jié)，超低燒結(jié)溫度使電介質(zhì)能夠與鋁電極及各類(lèi)電子器件共燒結(jié)以實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的集成化和多功能化，同時(shí)還可以降低成本節(jié)約能源，適合用于電子元件的集成。且低燒結(jié)溫度允許更廣泛的導(dǎo)體材料用于功能化，使技術(shù)混合（半導(dǎo)體工藝、基于聚合物的微電路制造）成為可能。

ULTCC基板材料需具備低介電常數(shù)與低介電損耗確保電路穩(wěn)定運(yùn)行

目前ULTCC材料大多是具有超低燒結(jié)溫度的陶瓷材料，例如，碲酸鹽、鉬酸鹽、釩酸鹽等。ULTCC還可以將電路和封裝嵌入和燒結(jié)到陶瓷中。這降低了制造成本，從而顯著擴(kuò)展了ULTCC組件的應(yīng)用范圍。ULTCC組件非常適合用作電子元件的重新布線載體，用于外殼和封裝技術(shù)或用作天線、濾波器和循環(huán)器等高頻技術(shù)應(yīng)用的基板。

微晶玻璃材料用于ULTCC技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)的低溫陶瓷相比微晶玻璃材料用于ULTCC技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于全玻璃帶來(lái)的低燒結(jié)溫度，易于控制的燒結(jié)、析晶行為以及與電極材料良好的化學(xué)相容性。研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)在玻璃組成中引入MgO，其含量對(duì)微晶玻璃的燒結(jié)行為和析晶行為有顯著的影響。低溫共燒陶瓷微波多層電路板具有工作頻率高、集成密度高、耐高溫高濕、可集成無(wú)源元件和有利于實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)耦合或隔離等獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于通信、航空航天、軍事、汽車(chē)電子、醫(yī)療等領(lǐng)域。

低溫共燒陶瓷工藝中最為關(guān)鍵的工序之一 —— 燒結(jié)

低溫共燒陶瓷基板是在不同層生瓷帶上并行開(kāi)展打孔、填孔、印刷等工藝，然后將不同層生瓷帶一起疊壓，最后一起燒結(jié)形成的立體互聯(lián)電路基板。燒結(jié)是LTCC工藝中最為關(guān)鍵的工序之一，它直接影響陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響陶瓷各項(xiàng)性能指標(biāo)。燒結(jié)過(guò)程存在復(fù)雜的物理變化和化學(xué)變化，升溫速率、峰值溫度和保溫時(shí)間是燒結(jié)工藝中三個(gè)重要的參數(shù)，尤其是升溫速率選擇不當(dāng)，容易造成基板翹曲甚至開(kāi)裂等問(wèn)題。LTCC材料從組成和結(jié)構(gòu)劃分可分為三類(lèi)，第一類(lèi)是玻璃陶瓷體系。第二類(lèi)是傳統(tǒng)意義上的玻璃陶瓷復(fù)合體系。第三類(lèi)是玻璃鍵合陶瓷體系。目前應(yīng)用較為廣泛的是第一類(lèi)陶瓷。

介電常數(shù)和介電損耗隨升溫速率的變化規(guī)律與陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)變化有關(guān)

升溫速率由4 ℃/分鐘增加至16℃/分鐘陶瓷內(nèi)部致密性逐漸變差，氣孔率逐漸增加。在升溫速率為4 ℃/分鐘、8 ℃/分鐘時(shí)燒結(jié)的樣品較致密。在升溫速率為12 ℃/分鐘時(shí)內(nèi)部出現(xiàn)明顯氣孔。升溫速率為16 ℃/分鐘時(shí)，樣品斷面氣孔進(jìn)一步增加。這是因?yàn)樵谂拍z完成后，由于升溫速率較慢，玻璃陶瓷材料隨著溫度的升高，晶粒可有序地生長(zhǎng)，隨著晶相的增加和晶粒的長(zhǎng)大，內(nèi)部的氣孔可慢慢地排出，實(shí)現(xiàn)玻璃陶瓷材料的致密化。當(dāng)升溫速率過(guò)快時(shí)內(nèi)部的晶相未能充分地析晶、長(zhǎng)大內(nèi)部的氣孔不能及時(shí)排出，導(dǎo)致內(nèi)部氣孔增多。根據(jù)復(fù)合材料介電常數(shù)混合定律，低介電常數(shù)物質(zhì)的引入會(huì)降低復(fù)合材料的介電常數(shù)。由于空氣的介電常數(shù)為1，低于CaSiO3、CaB2O4等晶相的介電常數(shù)，因此隨著升溫速率增加，介電常數(shù)變小，介電損耗變大。

不同升溫速率會(huì)影響基板翹曲度

當(dāng)升溫速率為4 ℃/分鐘~8 ℃/分鐘時(shí)，基板翹曲度為 0.21%左右，隨著升溫速率升溫至12 ℃/分鐘~16 ℃/分鐘基板翹曲度也在逐漸增加，在16 ℃/分鐘時(shí)，翹曲度為0.82%左右。

由此看出升溫速率8 ℃/分鐘時(shí)平整性較好，16 ℃/分鐘時(shí)中間凸起明顯。這主要是因?yàn)椴Ａ沾刹牧吓c銀電子漿料共同升溫?zé)Y(jié)，當(dāng)升溫速率為4 ℃/分鐘~8 ℃/分鐘時(shí)，銀電子漿料的燒結(jié)收縮速率與玻璃陶瓷的燒結(jié)收縮速率較為接近，但是當(dāng)升溫速率增加至12 ℃/分鐘~16 ℃/分鐘時(shí)，由于銀電子漿料的燒結(jié)收縮速率遠(yuǎn)大于玻璃陶瓷材料的燒結(jié)收縮速率，因此出現(xiàn)了燒結(jié)嚴(yán)重不匹配的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了基板拱起的現(xiàn)象。

不同升溫速率會(huì)影響膜層附著力

隨著升溫速率的增加，焊盤(pán)膜層附著力呈降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)樯郎厮俾蕿? ℃/分鐘~8 ℃/分鐘時(shí)，陶瓷燒結(jié)產(chǎn)生的液相較多，可以與金屬膜層形成較好的附著力，同時(shí)瓷體較致密，氣孔較少，金屬膜層與陶瓷間的氣孔少，因此結(jié)合力較高，但是當(dāng)升溫速率增加至12 ℃/分鐘~16 ℃/分鐘時(shí)，由于陶瓷燒結(jié)產(chǎn)生的液相含量降低，金屬膜層與陶瓷間的氣孔較多，降低了金屬膜層與陶瓷的結(jié)合力。隨著升溫速率的增加金屬漿料與陶瓷的共燒匹配性會(huì)變差，這也可能會(huì)導(dǎo)致金屬膜層與陶瓷間結(jié)合力的降低。

LTCC液相燒結(jié)

LTCC材料一般都是玻璃陶瓷或玻璃復(fù)合陶瓷粉的結(jié)構(gòu)，具有較多的玻璃成分，因此LTCC燒結(jié)屬液相燒結(jié)。當(dāng)LTCC材料在高溫段（≥500 ℃）時(shí)，玻璃相軟化成黏性液體，將陶瓷粉粒拉近、緊貼，并使粉粒活化，在濃度差和界面張力的推動(dòng)下，促使基板中氣孔長(zhǎng)大和玻璃流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)陶瓷體積收縮和基板致密化。單層LTCC生瓷帶通過(guò)流延成型，而多層生瓷帶通過(guò)等靜壓成型形成致密的坯體。LTCC基板經(jīng)過(guò)450 ℃的排膠峰值溫度后，坯體經(jīng)排膠發(fā)泡后較為疏松，其顆粒間大部分呈分開(kāi)狀態(tài)，顆粒間的空隙很多。隨著燒結(jié)溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，特別是650 ℃后陶瓷粉體的DSC曲線可以看出，陶瓷粉體開(kāi)始吸熱軟化，其玻璃化溫度為668 ℃，這期間陶瓷顆粒間不斷發(fā)生接觸和重排，大氣孔逐漸消失，物質(zhì)間傳質(zhì)過(guò)程逐漸開(kāi)始進(jìn)行，顆粒間接觸狀態(tài)由點(diǎn)接觸逐漸擴(kuò)大為面接觸，固-固接觸面積增加，固-氣表面積相應(yīng)減少。

 結(jié)論

（1）燒結(jié)升溫速率顯著影響了LTCC 基板的微觀結(jié)構(gòu)。隨著燒結(jié)升溫速率的提高，制備的陶瓷基板內(nèi)部氣孔增多，導(dǎo)致基板介電常數(shù)顯著降低，介電損耗增大，膜層附著力和抗沖擊能力變差。當(dāng)燒結(jié)升溫速率在8 ℃/分鐘時(shí)，制備的 LTCC 基板不僅氣孔率低，強(qiáng)度高，而且具有良好的介電性能和熱力學(xué)性能。

（2）燒結(jié)升溫速率會(huì)顯著影響銀電子漿料與玻璃陶瓷燒結(jié)收縮的匹配性。當(dāng)燒結(jié)升溫速率從 4 ℃ /分鐘升高到 16 ℃/分鐘時(shí)，翹曲度從 0.21%提高到 0.82%，導(dǎo)致陶瓷基板翹曲，銀電子漿料的燒結(jié)收縮速率與玻璃陶瓷的燒結(jié)收縮速率失配。

（3）LTCC陶瓷基板的燒結(jié)需要適當(dāng)?shù)纳郎厮俾省Ｉ郎厮俾蕰?huì)影響燒結(jié)過(guò)程的傳質(zhì)、晶相長(zhǎng)大，以及氣孔排出和致密化過(guò)程，因此會(huì)影響力學(xué)和電學(xué)性能。

氮化鋁( AlN) 陶瓷作為一種典型的高溫共燒陶瓷

是一種新型的高導(dǎo)熱基板和封裝材料，具有高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、低介電常數(shù)和低介質(zhì)損耗、高機(jī)械強(qiáng)度等特點(diǎn)。AlN多層板加工流程與低溫共燒陶瓷(LTCC)類(lèi)似，由生瓷片經(jīng)過(guò)打孔、填充、印刷、層壓、切割、共燒和鍍涂等工藝加工而成。目前電子封裝常用的基板材料主要有四大類(lèi)：聚合物基板，金屬基板，復(fù)合基板，陶瓷基板。陶瓷基板材料以其強(qiáng)度高、絕緣性好、導(dǎo)熱和耐熱性能優(yōu)良、熱膨脹系數(shù)小、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子封裝基板。陶瓷封裝基板材料主要包括Al2O3、BeO和AlN等。目前Al2O3陶瓷是應(yīng)用最成熟的陶瓷封裝材料，以其耐熱沖擊性和電絕緣性較好、制作和加工技術(shù)成熟而被廣泛應(yīng)用。

多層陶瓷基板使其成為一種廣泛應(yīng)用的高技術(shù)陶瓷

目前已投入使用的陶瓷基片材料有Al2O3、BeO和AlN、SiC等。從結(jié)構(gòu)與制作工藝，共燒陶瓷板可分為高溫共燒多層陶瓷基板、低溫共燒陶瓷基板、厚膜陶瓷基板、直接鍵合銅陶瓷基板等。高溫共燒多層陶瓷基板制備工藝是先將陶瓷粉Si3N4、Al2O3、AlN加入有機(jī)黏結(jié)劑，混合均勻后成為膏狀漿料，接著利用刮刀將漿料刮成片狀，再通過(guò)干燥工藝使片狀漿料形成生坯，然后依據(jù)各層的設(shè)計(jì)鉆導(dǎo)通孔，采用絲網(wǎng)印刷金屬漿料進(jìn)行布線和填孔，最后將各生坯層疊加，置于高溫爐（1600℃左右）中燒結(jié)而成。因?yàn)闊Y(jié)溫度高，導(dǎo)致金屬導(dǎo)體材料的選擇受限，主要為熔點(diǎn)較高但導(dǎo)電性較差的鎢、鉬、錳等金屬，制作成本高，熱導(dǎo)率一般在20~200W/m℃，這取決于陶瓷粉體組成與純度。

高溫共燒陶瓷相對(duì)于塑料基和金屬基其優(yōu)點(diǎn)是：

（1）低介電常數(shù)，高頻性能好。

（2）絕緣性好、可靠性高。

（3）強(qiáng)度高，熱穩(wěn)定性好。

（4）熱膨脹系數(shù)低，熱導(dǎo)率高。

（5）氣密性好，化學(xué)性能穩(wěn)定。

（6）耐濕性好，不易產(chǎn)生微裂現(xiàn)象。

陶瓷封裝材料缺點(diǎn)是：成本較高，適用于高級(jí)微電子器件的封裝，如航空航天和軍事工程的高可靠、高頻、耐高溫、氣密性強(qiáng)的封裝。在移動(dòng)通信、家用電器、汽車(chē)等領(lǐng)域也有著廣泛應(yīng)用。

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