燒結升溫速率對HTCC低溫共燒陶瓷基板性能的影響

前言：

低溫共燒陶瓷（low temperature co-fired ceramic，LTCC）微波多層電路基板具有工作頻率高、集成密度高、耐高溫高濕、可集成無源元件和有利于實現微波信號耦合或隔離等獨特的技術優(yōu)勢，廣泛應用于通信、航空航天、軍事、汽車電子、醫(yī)療等領域。

LTCC 基板是在不同層生瓷帶上并行開展打孔、填孔、印刷等工藝，然后將不同層生瓷帶一起疊壓，最后一起燒結形成的立體互聯電路基板。燒結是 LTCC 工藝中最為關鍵的工序之一，它直接影響陶瓷的顯微結構，進而影響陶瓷各項性能指標。燒結過程存在復雜的物理變化和化學變化，升溫速率、峰值溫度和保溫時間是燒結工藝中三個重要的參數，尤其是升溫速率選擇不當，容易造成基板翹曲甚至開裂等問題。

LTCC 材料從組成和結構劃分可分為三類，第一類是玻璃陶瓷體系，第二類是傳統意義上的玻璃-陶瓷復合體系，第三類是玻璃鍵合陶瓷體系。目前應用較為廣泛的是第一類陶瓷，以美國 FERRO 公司開發(fā)的 A6-M 為代表，其材料組分是鈣硅石（CaO·SiO2）添加 B2O3 組成，即 Ca-B-Si-O 體系。

本文針對 Ca-B-Si-O 體系國產 MG60 生瓷帶，采用 LTCC 工藝制作陶瓷基板，通過一系列不同的燒結升溫速率試驗，研究升溫速率對 LTCC 基板介電性能、翹曲度、附著力、抗折強度等關鍵性能指標的影響，分析國產 LTCC 材料燒結升溫速率的影響機制，為 LTCC 工藝設計提供借鑒與參考。

     1 實 驗

試驗采用上海晶材新材料科技有限公司的生瓷帶（MG60），生瓷帶單層厚度 117μm（燒結后為 96μm 左右）?？拐蹚姸葴y試樣品層數為 30 層，尺寸 40 mm×4 mm（燒結后），介電性能、翹曲度、附著力測試樣品層數為 10 層，尺寸為 50 mm×50 mm（燒結后）。驗證翹曲度，表層印刷銀電子漿料 MP6012，銀電子漿料面積 40 mm×40 mm（燒結后）；驗證附著力，表層印刷可焊接電子漿料 MP6051，金屬膜層面積 2 mm×2 mm（燒結后）。生瓷帶層壓壓力 20.68 MPa，溫度 70 ℃，保壓時間 10 min。采用馬弗爐，以 1 ℃/min 升溫至排膠峰值溫度（450 ℃），保溫 120 min，之后分別以 4 ℃/min、8 ℃/min、12 ℃/min、16 ℃/min 從排膠峰值溫度（450 ℃）升至燒結峰值溫度（850 ℃）， 燒結峰值溫度保溫 15 min。

2 結果與討論

2.1 升溫速率對陶瓷介電性能影響

圖 1 為不同升溫速率燒結的陶瓷基板的介電常數(10GHz)及介電損耗(10GHz)。在升溫速率為 4℃/min 時，介電常數為 5.787，介電損耗為 0.818×10-3。升溫速率為 8 ℃/min 時，介電常數為 5.788， 介電損耗為 0.821×10-3。4 ℃/min、8 ℃/min 升溫速率燒結的陶瓷介電常數、介電損耗較接近。隨 著升溫速率的增加，當升溫速率為 12 ℃/min 時，介電常數降至 5.667，介電損耗升至 1.204×10-3。隨著升溫速率進一步升至 16 ℃/min，介電常數進一步降低為 5.636，介電損耗升至 1.423×10-3。

介電常數和介電損耗隨升溫速率的變化規(guī)律與陶瓷的微觀結構變化有關。圖 2 為不同升溫速率燒結陶瓷斷面，從圖 2 可知，升溫速率由 4 ℃/min 增加至 16℃/min 陶瓷內部致密性逐漸變差，氣孔率逐漸增加。在升溫速率為 4 ℃/min、8 ℃/min 時，燒結的樣品較致密。在升溫速率為 12 ℃/min 時，內部出現明顯氣孔。升溫速率為 16 ℃/min 時，樣品斷面氣孔進一步增加。這是因為在排膠完成后，由于升溫速率較慢，玻璃陶瓷材料隨著溫度的升高，晶?？捎行虻厣L，隨著晶相的增加和晶粒的長大，內部的氣孔可慢慢地排出，實現玻璃陶瓷材料的致密化。當升溫速率過快時，內部的晶相未能充分地析晶、長大，內部的氣孔不能及時排出，導致內部氣孔增多。

根據復合材料介電常數混合定律，低介電常數物質的引入會降低復合材料的介電常數。由于空氣的介電常數為 1，低于 CaSiO3、CaB2O4 等晶相的介電常數，因此隨著升溫速率增加，介電常數變小，介電損耗變大。

2.2 升溫速率對基板翹曲度影響

圖 3 為不同升溫速率燒結基板的翹曲度和基板實物圖。由圖 3 可以看出，當升溫速率為 4 ℃/min、8 ℃/min 時，基板翹曲度為 0.2%左右，隨著升溫速率升溫至 12 ℃/min、16 ℃/min，基板翹曲度也在逐漸增加，在 16 ℃/min 時，翹曲度為 0.83%。從基板翹曲度實物圖可以看出，升溫速率 8 ℃/min 時平整性較好，16 ℃/min 時中間凸起明顯。這主要是因為玻璃陶瓷材料與銀電子漿料共同升溫燒結，當升溫速率為 4 ℃/min、8 ℃/min 時，銀電子漿料的燒結收縮速率與玻璃陶瓷的燒結收縮速率較為接近，但是當升溫速率增加至 12 ℃/min、16 ℃/min 時，由于銀電子漿料的燒結收縮速率遠大于玻璃陶瓷材料的燒結收縮速率，因此出現了燒結嚴重不匹配的現象，從而導致了基板拱起的現象。

2.3 升溫速率對膜層附著力影響

圖 4 為不同升溫速率燒結膜層的附著力。由圖 4 可以看出，隨著升溫速率的增加，焊盤膜層附 著力呈降低的趨勢。這是因為升溫速率為 4 ℃/min、8 ℃/min 時，陶瓷燒結產生的液相較多，可以與金屬膜層形成較好的附著力，同時瓷體較致密，氣孔較少，金屬膜層與陶瓷間的氣孔少，因此結合力較高；但是當升溫速率增加至 12 ℃/min、16 ℃/min 時，由于陶瓷燒結產生的液相含量降低，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合力。由前文可知，隨著升溫速率的增加， 金屬漿料與陶瓷的共燒匹配性會變差，這也可能會導致金屬膜層與陶瓷間結合力的降低。

2.4 升溫速率對基板抗折強度影響

圖 5 為不同升溫速率燒結的基板抗折強度趨勢圖。升溫速率為 4℃/min 時，陶瓷的抗折強度為 177 MPa；升溫速率為 8 ℃/min 時，陶瓷的抗折強度為 175 MPa；升溫速率為 12 ℃/min 時，陶瓷的抗折強度為 165 MPa；升溫速率為 16 ℃/min 時，陶瓷的抗折強度降為 152 MPa。由圖 5 可以看出，在升溫速率較低時，抗折強度變化趨勢不明顯，但是在升溫速率增加至 12 ℃/min 時，抗折強度出現降低的趨勢，在升溫速率進一步增加至 16 ℃/min，抗折強度進一步降低。這主要是因為在升溫速率 為 4 ℃/min、8 ℃/min 時，由于液相產生較多，可以很好地填補陶瓷顆粒之間的縫隙，陶瓷內部較致密，陶瓷的抗沖擊能力較強；在升溫速率為 12 ℃/min、16 ℃/min 時，由于陶瓷內部氣孔率的增加，降低了陶瓷的致密度，導致了陶瓷抗沖擊能力的降低，因此抗折強度降低。

2.5 升溫速率的影響機制

LTCC 材料一般都是玻璃陶瓷或玻璃復合陶瓷粉的結構，具有較多的玻璃成分，因此 LTCC 燒結屬液相燒結。當 LTCC 材料在高溫段（≥500 ℃）時，玻璃相軟化成黏性液體，將陶瓷粉粒拉近、緊貼，并使粉?；罨?，在濃度差和界面張力的推動下，促使基板中氣孔長大和玻璃流動，實現陶瓷體積收縮和基板致密化。單層 LTCC 生瓷帶通過流延成型，而多層生瓷帶通過等靜壓成型形成致密的坯體。LTCC 基板經過 450 ℃的排膠峰值溫度后，坯體經排膠發(fā)泡后較為疏松，其顆粒間大部分呈分開狀態(tài)，顆粒間的空隙很多。隨著燒結溫度的升高和時間的延長，特別是 650 ℃后，從圖 6 的陶瓷粉體的 DSC 曲線可以看出，陶瓷粉體開始吸熱軟化，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，物質間傳質過程逐漸開始進行，顆粒間接觸狀態(tài)由點接觸逐漸擴大為面接觸，固-固接觸面積增加，固-氣表面積相應減少。

3 結論

（1）燒結升溫速率顯著影響了 LTCC 基板的微觀結構。隨著燒結升溫速率的提高，制備的陶瓷基板內部氣孔增多，導致基板介電常數顯著降低，介電損耗增大，膜層附著力和抗沖擊能力變差。當燒結升溫速率在 8 ℃/min 時，制備的 LTCC 基板不僅氣孔率低，強度高，而且具有良好的介電性能和熱力學性能。

（2）燒結升溫速率會顯著影響銀電子漿料與玻璃陶瓷燒結收縮的匹配性。當燒結升溫速率從 4 ℃ /min 升高到 16 ℃/min 時，翹曲度從 0.2%提高到 0.83%，導致陶瓷基板翹曲，銀電子漿料的燒結收縮速率與玻璃陶瓷的燒結收縮速率失配。

（3）LTCC 陶瓷基板的燒結需要適當的升溫速率。升溫速率會影響燒結過程的傳質、晶相長大，以及氣孔排出和致密化過程，因此會影響力學和電學性能。

文章來源：

燒結升溫速率對低溫共燒陶瓷基板性能的影響-侯清健，游韜，王子鳴，謝廉忠

DOI：10.16552/j.cnki.issn1001-1625.20220114.001