1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

1.引言

随着微电子信息技术的迅猛发展，电子元件在小型化、便携式、多功能、数字化及高可靠性 、高性能方面的需求，进一步推动了其日益向微型化 、集成化和高频化的方向发展,这就要求基板能满足高传播速度 、高布线密度和大芯片封装等要求。

近年来，由于用低温共烧陶瓷制作的电子元器件及基板材料具有小而轻，并且高频性能好等特点而得到了极大的关注，目前已经应用于便携式电子装置如移动电话、PDA、蓝牙设备及超级电脑等^[1-2]。

低温共烧陶瓷技术 (Low Temperature Co-fired Ceramic,LTCC)是近年来兴起的一种令人瞩目的多学科交叉的整合组件技术，涉及电路设计 、材料科学、微波技术等广泛的领域。由于它在信息时代为各种电子系统的元器件以及模块小型化、轻量化提供了比较好的解决途径，因此在国内国际上越来越受到重视，广泛用于基板材料、封装材料以及微波器件材料等。其中该种基板被用作第五代电子元件组装用基板，已经成为无源集成的主流技术，成为无源元件领域的发展方向和新的元件产业的经济增长点。目前，LTCC材料在日本 、美国等发达国家已进入产业化、系列化和可进行材料设计的阶段^[3]。

上世纪80年代末，美国和日本的一些电子和陶瓷制造商加大了LTCC 技术的研发力度，其中美国 IBM公司率先成功实现了将铜作为布线材料和用低介电常数陶瓷基板的商业应用，该基板的尺寸为127mm#215;127mm#215;7层，作为多芯片组件(MCM)封装材料应用在大型计算机中^[4-5]。

目前一般认为 LTCC 基板材料可分为两类：玻璃/陶瓷体系和微晶玻璃体系。玻璃/陶瓷体系是通过添加低软化点玻璃来降低电子陶瓷材料的烧结温度来实现的^[6]，由于该体系工艺相对简单，在各项性能的可设计上具有独到优势而得到了广泛应用。本文将系统介绍玻璃/陶瓷体系多层陶瓷基板的技术概况、组成、制备方法、存在的问题和未来的发展趋势。

2 .LTCC的技术概况

LTCC技术是于1982年休斯公司开发的新型材料技术^[7]，是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制成所需要的电路图形，并将多个被动组件 (如低容值 电容 、电阻、滤波器 、阻抗转换器 、耦合器等)埋入多层陶瓷基板中，然后叠压在一起，内外电极可分别使用银、铜、金等金属，在900℃下烧结，制成三维电路网络的无源集成组件，也可制成内置无源元件的三维电路基板，在其表面可以贴装IC和有源器件，制成无源/有源集成的功能模块，LTCC工艺流程见图1^[8-10]。

图1 LTCC工艺流程图

LTCC技术目前主要包括设计技术、生磁 (瓷)料带技术和混合集成技术（生磁瓷)。料带技术主要是指四大无源器件材料的低温烧结黑白陶瓷技术，包括电容器陶瓷电阻器陶瓷、电感器铁氧体和变压器铁氧体、生磁带材低温共烧 ”陶瓷/Ag浆”、”铁氧体/Ag浆”、”铁氧体/电子陶瓷/Ag浆 ”体系，通过优化设计，用不同的配料方法可生产出品种不同、性能各异的生瓷带。

LTCC产品性能好坏完全依赖所用材料的稳定性和工艺。 LTCC材料特性与组成配方控制、玻璃及介质陶瓷材料的种类、组成与粒径控制等有很大关系。作为 LTCC技术关键的基础材料，应达到下列要求：

(1)介电常数在2~20000范围内系列化，以适应多种用途。用于多层布线基板的基材应使用介电常数较小的介质陶瓷材料以改善信号延迟，一般要求ε_r 小于l0，最好lt; 4～5.如能将介电常数减小到4左右，信号延迟时间就可以减小33％以上^[11]。

(2)良好的热稳定性，要求热膨胀系数(CTE)可以调整到接近所载芯片的CTE.LTCC材料的CTE为4ppm/℃左右，Si的CTE为3.5ppm/℃。因此，LTCC材料与Si芯片的具有良好的CTE匹配性，谐振频率的温度系数尽可能的小，大约在10^-6数量级，最好为零，从而保证器件的热稳定性。

(3)烧结温度应控制在900℃以下，使用Ag、Cu等高电导率的金属做内电极材料。瓷料致密化和晶化的温度适宜，不能过低，从而使有机物及溶剂挥发除尽得到具有致密、无孔洞的微观结构。保持玻璃致密化及结晶化时，内部组成相的收缩率玻璃与金属布线烧时的伸缩变化应基本一致。

(4)除此之外，还要求材料物理、化学稳定性高、机械强度大、弹性模量小、热传导率高、热扩散性好、局部缺陷尽可能的少等。

3.LTCC基板

目前已开发的LTCC基板材料很多，大致可分为三大类^[12]。

(1)陶瓷-玻璃系(微晶玻璃)。烧结过程中，玻璃晶化成低损耗相，使材料具有低介电损耗，这种工艺适用于制作 20~30GHz 器件；

(2)玻璃加陶瓷填充料的复合系。玻璃作为粘结剂使陶瓷颗粒粘结在一起，玻璃和陶 瓷间不发生反应并要求填充物在烧结时与玻璃形成较好的浸润。填充物主要是用来改善陶瓷的抗弯强度、热导率等，此时玻璃不仅作为粘结剂，而且在烧结过程中玻璃和填充料反应形成高Q值晶体。材料的性能由烧结工艺条件控制，如烧结升温速率、烧结温度、保温时间等；

(3)非晶玻璃系。国内外研究集中在”微晶玻璃”系^[13-15]和”玻璃 陶瓷”系^[16-19]。但仍存在”微晶玻璃”系材料烧结温度难于低于900℃和”玻璃 陶瓷”系材料难于高致密化而使材料介电常数比较大、介电损耗过大等问题，还不能完全满足多层电路性能的要求。

4.制备低温共烧陶瓷材料的方法

(1) 加入低熔点玻璃或氧化物作为烧结助剂^[20]，进行液相活性烧结：陶瓷 玻璃复合体系或玻璃 陶瓷复合体系。实际上，由大量玻璃相和陶瓷相组成的共同体系#8212;玻璃陶瓷，是目前LTCC材料主要的制备方法；

(2) 采用化学法制取表面活性高的粉体，如溶胶-凝胶法，共沉淀法，水热法等制备陶瓷粉体^[21]尽可能采用颗粒度细、主晶相合成温度低的陶瓷材料；

(3) 选择自身烧结温度低的陶瓷材料体系，如微晶玻璃或非晶玻璃等材料体系；

(4) 采用微晶玻璃或非晶玻璃等材料体系。

5.制备低温共烧陶瓷材料主要成型方法

（1）干压成型

按玻璃料(55wt%) Al₂O₃(45wt%)的比例，混料20h，加20wt%浓度2%聚乙烯醇水溶液造粒，过40目筛。在100MPa压强下，压制成Ф13mm#215;2~4mm的生坯圆片，于450℃排胶2h后，升到一定温度，保温30min烧成得到试样。干压成型的具体流程如下。

图2干压成型工艺流程图

（2）流延成型

按玻璃料(55wt%) Al₂O₃(45wt%)的比例，混料20h，加20wt%浓度2%聚乙烯醇水溶液造粒，过40目筛。加入溶剂、增塑剂、粘结剂、分散剂，配置成一定粘度浆料，流延成型，多层叠压，于450℃排胶2h后，升到一定温度，保温30min烧成得到试样。流延成型的具体流程如下。

图3流延成型工艺流程图

6.存在问题与展望

近几年，低温共烧陶瓷得到了很大的发展，但是目前的体系仍不能令人满意。原因主要有：

(1)在体系选择和性能提高等方面主要是以大量的实验结果进行经验总结为基础，缺乏有效的理论指导。对材料的性能与晶体结构的内在关系无系统研究，导致一些微观结构方面的重要基本问题未被很好地认识；

(2)目前低温共烧陶瓷材料多采用常规的玻璃粉末烧结法，大多要经历传统的玻璃熔制工序，温度较高。与传统陶瓷制备工艺相比，不仅制备方法复杂、所需时间长，而且组分容易挥发，使产物偏离预期的组成并形成多相结构，从而导致性能的劣化和不稳定性^[22]；

(3)玻璃粉末烧结法是玻璃工艺与陶瓷工艺相结合的方法，使材料制备工艺的整体成本提高，这是制约其广泛应用的另一关键因素；

(4)如何保证材料与电极导体材料各种性能相匹配，实现布线共烧，是另外一个急需解决的难题。但是我国在这些方面的研究还不够深入和细致，还有待进一步的研究。

我国对低温烧结的低介电常数的介质材料的研究明显落后，开展低温烧结介质材料与器件的大规模国产化工作，不仅具有重要的社会效益而且具有显著的经济利益。目前, 如何在国际上先进国已有一定范围知识产权保护垄断的形势下，开发、优化及拥有自主知识产权地利用新原理、新技术、新工艺或新材料制造具有新功能、新用途 、新结构的新型低温烧结介质材料和器件，大力开展 LTCC器件设计与加工技术、应用LTCC器件的大规模产品生产线，尽快促进我国LTCC技术产业的形成与发展是今后研究的主要工作。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、实验过程：

原料以纯的sio₂、h₃bo₃、caco₃、al₂o₃、bao、na₂co₃、k₂co₃以不同的质量百分数进行配比，在球磨机上混料24小时，用铂金坩埚作为熔制器皿，于1450-1550℃的温度下熔融1h，然后在水中进行淬冷，得到玻璃碎片。玻璃碎片先经过破碎机粗碎，然后在快速磨中细磨2h（快速磨每30min停一下，玻璃颗粒，锆球和水的质量百分数为（1：4：0.8），过100目筛得到玻璃粉末的粒径为5μm，采用干压和流延两种工艺，干压片于不同温度下烧成；流延得到表面平整的生料带，进行裁剪、热压叠合等工艺制得生坯，在硅碳棒炉中于875℃烧结，制得试样，并对其相关性能进行测试。

二、复相材料的烧成制度设计方案：