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燒結(jié)升溫速率對(duì)HTCC低溫共燒陶瓷基板性能的影響

178 2022-05-16
HTCC低溫共燒陶瓷基板

                                             燒結(jié)升溫速率對(duì)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(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、汽車電子、醫(yī)療等領(lǐng)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(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裂等問題。

LTCC 材料從組成和結(jié)構(gòu)劃分可分為三類,第一類是玻璃陶瓷體系,第二類是傳統(tǒng)意義上的玻璃-陶瓷復(fù)合體系,第三類是玻璃鍵合陶瓷體系。目前應(yīng)用較為廣泛的是第一類陶瓷,以美國(guó) 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(duì) Ca-B-Si-O 體系國(guó)產(chǎn) 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(jié)升溫速率試驗(yàn),研究升溫速率對(duì) LTCC 基板介電性能、翹曲度、附著力、抗折強(qiáng)度等關(guān)鍵性能指標(biāo)的影響,分析國(guó)產(chǎn) LTCC 材料燒結(jié)升溫速率的影響機(jī)制,為 LTCC 工藝設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。

     1 實(shí) 驗(yàn)

試驗(yàn)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(jié)后為 96μm 左右)??拐蹚?qiáng)度測(cè)試樣品層數(shù)為 30 層,尺寸 40 mm×4 mm(燒結(jié)后),介電性能、翹曲度、附著力測(cè)試樣品層數(shù)為 10 層,尺寸為 50 mm×50 mm(燒結(jié)后)。驗(yàn)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(jié)后);驗(yàn)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(jié)后)。生瓷帶層壓壓力 20.68 MPa,溫度 70 ℃,保壓時(shí)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(jié)峰值溫度(850 ℃), 燒結(jié)峰值溫度保溫 15 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 升溫速率對(duì)陶瓷介電性能影響

圖1.png 

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

 

圖二.png 

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)。圖 2 為不同升溫速率燒結(jié)陶瓷斷面,從圖 2 可知,升溫速率由 4 ℃/min 增加至 16℃/min 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 ℃/min、8 ℃/min 時(shí),燒結(jié)的樣品較致密。在升溫速率為 12 ℃/min 時(shí),內(nèi)部出現(xiàn)明顯氣孔。升溫速率為 16 ℃/min 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??捎行虻厣L(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。

2.2 升溫速率對(duì)基板翹曲度影響

圖3.png 

圖 3 為不同升溫速率燒結(jié)基板的翹曲度和基板實(shí)物圖。由圖 3 可以看出,當(dāng)升溫速率為 4 ℃/min、8 ℃/min 時(shí),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(shí),翹曲度為 0.83%。從基板翹曲度實(shí)物圖可以看出,升溫速率 8 ℃/min 時(shí)平整性較好,16 ℃/min 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 ℃/min、8 ℃/min 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 ℃/min、16 ℃/min 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。

2.3 升溫速率對(duì)膜層附著力影響

圖4.png 

圖 4 為不同升溫速率燒結(jié)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(shì)。這是因?yàn)樯郎厮俾蕿?4 ℃/min、8 ℃/min 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 ℃/min、16 ℃/min 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。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(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。

2.4 升溫速率對(duì)基板抗折強(qiáng)度影響

圖 5 為不同升溫速率燒結(jié)的基板抗折強(qiáng)度趨勢(shì)圖。升溫速率為 4℃/min 時(shí),陶瓷的抗折強(qiáng)度為 177 MPa;升溫速率為 8 ℃/min 時(shí),陶瓷的抗折強(qiáng)度為 175 MPa;升溫速率為 12 ℃/min 時(shí),陶瓷的抗折強(qiáng)度為 165 MPa;升溫速率為 16 ℃/min 時(shí),陶瓷的抗折強(qiáng)度降為 152 MPa。由圖 5 可以看出,在升溫速率較低時(shí),抗折強(qiáng)度變化趨勢(shì)不明顯,但是在升溫速率增加至 12 ℃/min 時(shí),抗折強(qiáng)度出現(xiàn)降低的趨勢(shì),在升溫速率進(jìn)一步增加至 16 ℃/min,抗折強(qiáng)度進(jìn)一步降低。這主要是因?yàn)樵谏郎厮俾?為 4 ℃/min、8 ℃/min 時(shí),由于液相產(chǎn)生較多,可以很好地填補(bǔ)陶瓷顆粒之間的縫隙,陶瓷內(nèi)部較致密,陶瓷的抗沖擊能力較強(qiáng);在升溫速率為 12 ℃/min、16 ℃/min 時(shí),由于陶瓷內(nèi)部氣孔率的增加,降低了陶瓷的致密度,導(dǎo)致了陶瓷抗沖擊能力的降低,因此抗折強(qiáng)度降低。

2.5 升溫速率的影響機(jī)制

圖5.png 

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?;罨?,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(jīng)過 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,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(zhì)間傳質(zhì)過程逐漸開始進(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。

3 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 ℃/min 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 ℃ /min 升高到 16 ℃/min 時(shí),翹曲度從 0.2%提高到 0.83%,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?。升溫速率?huì)影響燒結(jié)過程的傳質(zhì)、晶相長(zhǎng)大,以及氣孔排出和致密化過程,因此會(huì)影響力學(xué)和電學(xué)性能。

文章來(lái)源:

燒結(jié)升溫速率對(duì)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


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