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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于流延技术的LTCC基板材料研究 姓名：高靖 申请学位级别：硕士 专业：材料物理与化学 指导教师：郝永德 20090525 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 LTCC 即低温共烧陶瓷， 具有热膨胀系数可调、 导热性能好、 介电性能可调特点。 本课题研究了 LTCC 厚膜基板的制备工艺过程，包括各种工艺条件对浆料、生带以 及陶瓷基片的影响，总结出了一条比较成熟的工艺路线。实验采用玻璃/陶瓷复合体 系，选择 CBS 系玻璃粉和氧化铝分别为玻璃添加剂和陶瓷原料。 论文首先介绍了课题研究背景，简介了
2、LTCC 技术的发展和应用，重点阐述了 LTCC 基板的组成、发展和国内外研究进展，最后介绍了流延技术的发展和用于流延 的浆料。 论文分析了各种氧化物的特点以及对玻璃粉性能的影响，探讨成分对玻璃烧结 温度和软化温度的影响，最后得到的玻璃粉均可在 650800之间软化。得到的玻 璃粉配方为：(4753)SiO2+ (811)B2O3 +(3037)CaO+(24)Al2O3+ (0.61) Na2CO3 +(0.30.6)K2CO3,配方中为玻璃粉原料的质量比。 论文针对不同类型玻璃粉、不同玻璃添加量和烧结制度对陶瓷性能的影响进行 了研究， 总结得到了最佳的玻璃粉和陶瓷配方。 该配方陶瓷的最佳烧
3、结温度为 900， 样品的主要性能包括：密度为 2.9g/cm3、抗折强度达到了 140MPa、介电常数为 4.97.9、介电损耗为 10.310- 4、热膨胀系数为 5.12ppm/。 实验对浆料的组成和性能进行了研究，包括固体颗粒比例和粒度、粘合剂、增 稠剂、溶剂和分散剂对浆料稳定性及粘度的影响，实验最终得到了较成熟的浆料组 成：(4050)固体粉料+(1620)乙醇+(2732) PVB(10%乙醇溶剂)+(1.52)松油醇 +(1.52)聚乙二醇- 400( PVB 体系)。 论文最后分析了生带和陶瓷基片的表面形貌，总结了本课题取得的主要研究进 展和成果，并提出了现阶段工作中的不足之处
4、，为下一步的工作提出了建议。 关键词：LTCC 玻璃添加剂 玻璃/陶瓷体系 流延 生带 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract The material of LTCC (Low Temperature Co- fired ceramics) is composed of glass- ceramic, microcrystalline glass or amorphous glass. The sintering temperature of LTCC material can be dropped to 850
5、950 , so it can be co- fired with Ag, Cu, which have low melting point and high conductivity. LTCC material has many useful properties, including adjustable thermal expansion coefficient, good thermal conductivity and excellent dielectric properties. Glass- ceramic composite system was adopted. In t
6、he experiment, CBS glass was used as glass additives and alumina has been adopted as the ceramic raw materials. The frontier thesis presented the development of the applications and major research progress of LTCC technology. Then ceramic and glass raw material type and characteristics were introduc
7、ed. Finally the tape casting technology and slurry were introduced. Glass powers were prepared for the study of the impacts of the composition on the sintering and softening temperature. Finally, the glass powders all can be soften below 800. The impact of the types, the amount of glass and sinterin
8、g temperature on ceramics were explored, finally we get one of the best kind of glass additives and glass- ceramic, which owns the sintering temperature of 900, theof 2.9g/cm3,the mechanical strength of 140MPa, the of 4.9- 7.9, dielectric loss of 10.310- 4, the TEC of 5.12ppm /. The compositions of
9、slurry were studied study, three kind of slurry were obtained. The process of the Preparation of LTCC substrate was investigated. Finally the surface morphology and structural characteristics of the green tape and the ceramic substrate were analyzed. In the last of this paper, I summarized the resea
10、rch results and innovation, analyzed the lack of work at this stage and make recommendations for the next work. Key words: LTCC glass addition glass- ceramic tape casting green tape 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在
11、文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中
12、 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 1 绪 论 1.1 课题研究背景及意义课题研究背景及意义 随着科技的进步，对基板材料的性能要求更高更多了，除了一般的机械性能、 绝缘性能以及化学稳定性之外，热膨胀系数、导热率和介电性能也被更多的考虑在 其中13。常用的无机基板主要是无机非金属类材料，如氧化铝、碳化硅、氧化铍、 氮化铝等4，这些物质在热导率、机械强度和热膨胀系数等方面有很大的优势，大面 积、厚度薄的无机基板可以通过高温共烧陶瓷和低温共烧陶瓷两种方法制备57。 高温共烧陶瓷，主要是用高熔点的金属和高熔点的陶瓷共烧得到的基板材料， 虽然可以得到立体的电路体系，优势和劣势同样突
13、出，低温共烧陶瓷（LTCC）就是 在这种情况下发展出来的。 LTCC 主要通过引入玻璃成分，可以将烧结温度降到 900左右，与 Ag、Cu、 Ag- Pd 等熔点较低金属烧结，既提高电导率，又降低了烧结温度。采用 LTCC 技术成 本低、尺寸不等的各种有源无源器件，同时器件的性能得到很大的提高，热导率问 题可以通过结构或其它辅助结构实现79。 氧化铝陶瓷基板由于技术成熟,材料廉价等优点, 在应用领域还将起着主要作 用。随着陶瓷材料配方的发展、工艺路线的成熟, LTCC 应用领域会更广。本课题研 究工作就是基于 LTCC 的技术优势和发展前景下展开的10。 1.2 LTCC 技术简介技术简介 L
14、TCC 技术作为一种新技术已经被广泛研究和发展了 20 多年，就是将陶瓷原料 配制成浆料，然后制成尺寸大、厚度小的生带11，在生带上打孔、印刷，制成所需 要的电路图形， 并将多种元器件设计到多层生带中， 压结在一起， 在 900左右烧结， 制成一个立体电路，替代传统的 PCB 电路，然后表面可以再焊接各种器件。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 下图为常见的 LTCC 工艺流程12：从浆料的制备、生带的裁减开始，通过打孔 等工艺，烧结得到立体电路，减小了体积、增大了空间利用率，提高了电路的性能。 图 1- 1 LTCC 工艺流程
15、LTCC 采用多种方法1 、13、14能够让烧结温度下降到 900左右，可与低熔点、高 电导率的金属共烧。LTCC 没有传统 PCB 稳定性差、导热性能不好等缺陷，具有机 械强度大、热膨胀系数可调等优点15 、16。 低温共烧陶瓷还集中了厚膜技术和高温共烧陶瓷的许多优点，如投入少、电阻 率低、结构的可设计型等。LTCC（低温共烧陶瓷）的应用领域很广，如在通信领域 中使用，主要利用 LTCC 的低介电常数和低的介电损耗，在信号的传输过程中可以 减小信号损耗和信号延迟的时间17。 低温共烧陶瓷还可以在汽车以及封装行业发挥优势，因为这两种情况下要求内 部的元件具有较好的抗高温等性能，而 LTCC 满
16、足这样的要求，主要因为 LTCC 基 板具有较高的稳定性、对工作环境适应强等特点18。低温共烧陶瓷技术还可以用于 制备无源器件，如电阻、电感、电容等。通过布线结构设计和使用不同电阻率的导 线，可以得到各种型号的电阻、电感、电容。而这些无源器件可大规模应用在 SMT 陶瓷粉料 有 机 物 浆 料 生 带 裁 剪 打 孔 填 充 印 刷 热 压 烧 结 产 品 检 测 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 （表面贴装与组装技术）中19 。 1.3 LTCC 基板基板 低温共烧陶瓷的形成可通过以下几种途径20：玻璃粉在高温烧结过程中，形 成液相，在冷却的过程中，其内部物质发生重排，进而致密形成晶体；主要是利 用玻璃粉形成的液相优势来降低烧结温度；主要是利用非晶玻璃的韧性好等优点， 弥
