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LTCC陶瓷材料的发展与应用摘要：对LTCC陶瓷材料的市场现状和工艺流程作了简要的介绍，通过分类的方式对于近期发展的LTCC陶瓷材料做了一个简单的综述。关键词：LTCC基本和封装材料微波介质陶瓷1.前言随着信息时代的到来与发展，移动通信、航空航天、电子器件等领域飞速发展，这些领域的设备和便携式终端正趋向微型化、轻量化、薄型化、高频化、多功能性、高集成化发展，这些都是衡量其性能的指标。而在其中以低温共烧陶瓷(low-temperatureco-firedceramic，LTCC)技术为基础的多层结构设计可有效减小器件体积，是实现元器件向小型化、集成化、高可靠性和低成本发展的重要途径。多层陶瓷电容器（MLCC）已成为陶瓷电容器的主流，如2004年多层陶瓷电容器（MLCC）的全球市场已达8000多亿只，并且以20％的年增长速度在递增，表现出强劲的增长态势[1]；计算机（Computer）、通信（Communication）和消费类电子产品（ConsumerElectronics）（以下简称3C）是MLCC的主要应用领域。目前全球3C全面升级，新的3C产品所使用MLCC体积更小，容量更大，而且单个电子产品所使用的MLCC的数量大大提高。3C升级带动了全球MLCC的需求持续增加，供求缺口不断增大。2010年全球新增MLCC需求超过25%，MLCC主要厂商Murata、TaiyoYuden、TDK、国巨和韩国SEMCO等2010年产能年增约20%，预计全年产能缺口在5%左右。目前各大厂商交货时间普遍拉长，MLCC电容出货时间已经达到3个月时间。国巨公司预测更加乐观：目前MLCC产能缺口高达35-40%以上，全年产能缺口可能在20%以上，缺货将延续到2010年4季度[2]。LTCC为技术基础的元器件广泛基板、封装和微波介质陶瓷的领域等等。表1过去几年全球LTCC市场增长情况[3]百万美元2003年2004年2005年2006年2007年产值3245788419111045产值成长率20%69%46%8%15%2.LTCC技术概述LTCC技术起源于1982年美国休斯公司开发的新型材料技术。它汇集了高温共烧陶瓷（HTCC）技术和厚膜技术的优点，是实现高集成度、高性能电子封装的主流技术之一。LTCC一般采用低εr、低烧结温度（850~950℃）的陶瓷材料制作基板，用流延法得到致密的生瓷带，按设计要求采用厚膜印刷法等在生瓷带上制作导线，集成各种无源元件（如电阻、电容和电感等），元件组合得到各种器件（如滤波器、天线和巴伦等），进一步集成可得到各种功能模块（如蓝牙及手机前端模块等），生瓷带层间的导线经通孔（内填满导体）相连，多层陶瓷生片对准叠层，热压后共烧形成独石状的LTCC多层结构。LTCC基板材料层中也可以夹入中、高εr的介质材料层作为埋入式滤波器或电容器等，多层结构还易于形成空腔来埋置各种元器件，免除了封装组件的成本[4]。利用LTCC制备片式无源集成器件和模块具有许多优点。（1）陶瓷材料具有优良的高频高Q特性；（2）使用电导率高的金属材料作为导体材料，有利于提高电路系统的品质因子；（3）可适应大电流及耐高温特性要求，并具备比普通PCB电路基板优良的热传导性；（4）可将无源组件埋入多层电路基板中，有利于提高电路的组装密度；（5）具有较好的温度特性，如较小的热膨胀系数、较小的介电常数温度系数，可以制作层数极高的电路基板，可以制作线宽小于50μm的细线结构。（6）非连续式的生产工艺允许对生坯基板进行检查，从而提高成品率，降低生产成本[8]。LTCC广泛应用于大型计算机的基板、汽车电子、无线通信中的高频组件及光通讯用界面模块等。其在无线通信中的应用包括滤波器、谐振器、双工器、天线、介质波导、网络无线接入及卫星定位系统等。LTCC三维立体布线结构大大减小了电子元器件体积，适应了现代移动通信系统小型化的需求。图1LTCC技术工艺流程图[3]3.LTCC材料分类应用按照LTCC材料的用途分类，可分为基板材料、封装材料和微波介质材料。对于不同用途的材料,有不同的性能要求。3.1基板材料和封装材料现代基板和封装材料应当具有以下特性：（1）高电阻率以保证信号线间的绝缘性；（2）低介电常数，提高信号的传输率；（3）低介电损耗；（4）低烧结温度，能与Cu、Ag等高电导率的金属共烧；（5）较低的烧结收缩率，以保证线路设计的准确性；（6）合适的热膨胀系数，保证与硅等芯片的兼容性；（7）较高的热导率，防止基板过热；（8）综合的物理、化学和机械性能[5]。LTCC基板和封装材料具有以下优点：(1)在2．4MHz～80GHz频率范围内，LTCC技术带来的信号损失远远低于多层线路技术，(2)由于批量生产设备和工艺的引入，模块尺寸减小20％～40％，成本得以大幅度降低。LTCC基板材料分为微晶玻璃、玻璃/陶瓷两类。陈国华[9]等采用钙长石和硅酸盐玻璃以一定比例混合，制备了一系列玻璃+陶瓷复合材料,其具有较高的相对密度（≥96.5%），低的介电常数（5-6），低的介电损耗（0.10~0.42%），低的热膨胀系数（4.6~6.5×10-6/℃）和低的烧结温度（≤900℃）。清华大学周济课题组[5]发展了玻璃陶瓷体系，分别采用溶胶一凝胶法和高温锻烧法，成功制备了烧结温度在900℃左右，相对介电常数控制在4-10(1MHZ)，介质损耗系数在0.002左右的玻璃陶瓷材料,有望用作封装和基板材料。目前北京科技大学制备了低温共烧董青石系LTCC基板，密度较大(P≥2．82)，介电常数低(εr---4．6～5．4，1MHz)，介质损耗小(tan8O．17％，1MHz)，烧结温度低(850—900℃)，绝缘电阻大(PV≥4．88×103Ω•cm)，满足了LTCC基板材料的技术要求[6]。Ferro公司的FerroA6和Dupont公司的Dupont901系列基板材料的介电常数为5.2-5.9；NEC公司的LTCC基板的介电常数为3.9左右；ESL公司的4110-70C基板的介电常数为4.3-4.7。图2国外一些公司低温共烧介质材料性能[7]3.2微波介质陶瓷材料微波介质陶瓷（MWDC）是指应用于微波频段(主要是UHF、SHF频段，300MHz～300GHz)电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷微波介质陶瓷一般是用来制造介质谐振器、滤波器、微波介质天线、振荡器、波导传输线等等来实现在移动通信、导弹导航、雷达、卫星定位以及信号发送等领域应用，除了要求必备的机械强度、化学稳定性及经时稳定性外，还要求它具有不同于一般电子陶瓷的特殊性能，微波介质陶瓷要具有以下三个主要性能指标：（1）高的相对介电常数εr，以减小谐振器的尺寸：（2）低的介质损耗tanδ（或高品质因数Q值）以保证优良的选频性；（3）谐振频率温度系数τf尽可能接近于0[1]。按陶瓷材料的εr大小，可将其分为三类：（1）低εr、高Q值材料。主要包括：BaO-MgO-Ta2O5，BaO-ZnO-Ta2O5或BaO-MgO-Nb2O5，BaO-ZnO-Nb2O5系统及它们之间的复合系统微波介质陶瓷材料。其εr=25-30，Q=（1-3）×104（在f10GHz），τf≈0。它们主要用于f≥10GHz的卫星直播等微波通信机中作为介质谐振器件。（2）中等εr和Q值材料。主要是以BaTi4O9，BaTi9O20和(Zr,Sn)TiO4等为基的微波介质材料。其εr≈40，Q=（6-8）×103（在f=3-4GHz）。τf≈0。它们主要用于微波军用雷达及微波通信中作为介质谐振器件。（3）高εr低Q类材料。主要是以简称为BLT的BaO-Ln2O3-TiO2(其中Ln为Sm,Nd等稀土元素)为基的微波介质陶瓷，其εr=80-90，Q=(2-5)×103(在1-3GHz下)，τf=(10±5)×10-6/℃，它主要用于低微波频段(f2GHz)的民用移动通信系统中作为介质谐振器件。这是当前微波介质陶瓷研究的热点之一[1]。图3介电性能随着模板粒子量的变化ZST系列是一类中等εr、高Q的微波介质陶瓷。其制备工艺主要有固相合成法、溶胶-凝胶法[11]、共沉淀法[12]、水热法[13]等,近年来还有制备ZST薄膜材料的。吴坚强[10]等采用ZnO2、TiO2、SnO2通过添加合适的ZnO,可以制得εr为37、Q值为7000(7GHz)、τf为-10～+10(1×10-6/℃)、性能较好的微波陶瓷;用ZST系统的瓷料制作的谐振子Q0值高,用这种谐振子制作的滤波器阻带高、损耗低,稳定性好。XiuliChen[14]等人对Ba4MgTi11O27做了研究发现纯的Ba4MgTi11O27具有约1275℃烧结温度和良好的微波介电性能Q×f=19,630GHz,εr=36.1,τf14.6ppm/℃.通过加入BaCu(B2O5)(BCB)可以有效的降低烧结温度从1275到925℃,并且对其原有优异性能不造成太大影响。最有利的是它可以和Ag电极兼容，从而应用于LTCC技术领域。DhaneshThomas[15]等人在LMP中通过控制加入TiO2的量来探究对其微波介质陶瓷性能的影响，最终发现在添加0.12的时候效果最佳。表现出了优良的性能：εr=10，Q×f=26900GHZ，τf1.2ppm/℃.同样的它也可以和Ag电极兼容。BLT具有优良的介电性能：εr=45并且有高的品质因数Q×f=41,000GHz，但是其温度频率系数却是负数−26ppm/◦C，不符合谐振器应用的原理。现有的一般方法虽然可以提高τf，但是同时也会降低介电常数和品质因数。Y.Fukami[16]等人做出了一种新的突破，通过模板粒子的方法，在50%的添加范围内，介电性能的变化如图3所示4.存在问题和发展趋势LTCC材料的发展经历的从简单到复杂、从低介电到高介电的历程，，虽然逐渐趋于成熟，应用领域日益广阔，市场前景大为可观，但是仍然存在着一些问题：（1）系列化问题：即在体系的选择应用上面，我们还没有做到一个体系系列化，对其性质的调控如介电常数、品质因数、频率系数难以做到平衡发展。（2）制备方法的问题：现有的主要制备方法仍是烧结法，而在烧结法之中，难以解决的问题仍然大有存在，比如界面异质匹配、结构调配、元素迁移规律等等。而新的制备方法的研究也任重道远。________________________________________参考文献：【1】岳振星.功能陶瓷讲义.2010【2】国瓷资讯.2010.8【3】王悦辉,杨振文等.低温共烧陶瓷技术新进展.2006年中国电子学会第十四届电子元器件学术年会论文集【4】梁军,梁飞,吕文中.低温共烧微波介质陶瓷材料研究进展.电子元件与材料.Vol.28No.3.Mar.2009【5】王睿,王悦辉,周济,杜波.低温陶瓷技的发展及其应用.硅酸盐学报.Vol.35.NoS1.August.2007【6】庞学满,陈凯.微电子封装用新型复合材料的研究与应用.科技创新导报.2010.No.23【7】王悦辉,周济,崔学民等:低温共烧陶瓷技术在材料学上的进展.无机材料学报.2006.21(2):267-276【8】郎鹏.微组装中的LTCC技术.电子工艺技术.第29卷第1期.2008.1【9】陈国华,刘心宇.低温烧结玻璃/陶瓷复合材料的微结构及性能.硅酸盐学报.2006.34（8）:956-961【10】吴坚强,刘维良等.微波陶瓷在高阻带低损耗介质滤波器上的应用研究.陶瓷学报.Vol.22,No.3.Sep.2001【11】吴毅强.Sol-gel法制备微波介质陶瓷材料.电子元件与材料.1999,2:5-71【12】K.R.Han,J.W.Jang.Preparationof(Zr0.8Sn0.2)TiO4DielectricPowdersbyCoprecipitationof(Z4+,Ti2+)-HydroxidesinthepresenceofSnO2Particles.J.KoreanCeram.Soc.,1994,3l(11):1293-98【13】D.Chen,X.J