1、LTCC材料共燒技術基礎研 究 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究2 LTCC材料共燒技術基礎研究 LTCC相關概念及技術機理 實驗數據及討論 實驗結果 工藝條件 摻雜CuO、MnCO3 材料雙性復合 降溫摻雜 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究3 LTCC技術的概念及其分類_概念 是一種先進的混合電路封裝技術 它是將四大無源器件，即變壓器（T）、電容器（C）、 電感器（L）、電阻器（R）集成，配置于多層布線基 板中，與有源器件（如：功率MOS、晶體管、IC電路 模塊等）共同集成為一完整的電路系統。 有效地提高電路的封裝密度及系統的可靠性 2021-6-24LTCC材料

2、共燒技術基礎研究4 LTCC技術的概念及其分類_概念 The character of Thick Film、LTCC、HTCC technology 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究5 LTCC技術的概念及其分類_概念 LTCC substrate with integrated passives Construction of typical LTCC mutilayer device Construction of typical LTCC mutilayer device 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究6 LTCC技術的概念及其分類_概念 Cross-se

3、ction of LTCC multilayer device showing the individual components that can be integrated Individual components that can be integrated in LTCC 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究7 LTCC技術的概念及其分類_概念 LTCC INDUCTOR LTCC BANDPASS FILTER 3D LAYOUT LTCC INDUCTOR have been used 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究8 LTCC技術的概念及其分類_分類

4、LTCC技術的研究 設 計 技 術 生磁料帶技術 混合集成技術 混合集成混合集成生磁料帶制造生磁料帶制造 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究9 LTCC技術之國內外發展現狀 目前實現多達目前實現多達5050層、層、1616英寸，應用頻率為英寸，應用頻率為50MHz50MHz5GHz5GHz 的的LTCCLTCC集成電路集成電路 日本富士通已研制出日本富士通已研制出6161層，層，245mm245mm的共燒結構的共燒結構 美國美國IBMIBM公司研制出了公司研制出了6666層層LTCCLTCC基板的多芯片組件基板的多芯片組件 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究10 LTC

5、C技術之國內外發展現狀 僅以對低溫共燒片式電感器的需求為例 電子產品名稱電子產品名稱平均單機用量（只）平均單機用量（只）電子產品名稱電子產品名稱平均單機用量（只）平均單機用量（只） 移動電話手持機移動電話手持機3030筆記本計算機筆記本計算機2424 中文中文BPBP機機1010硬盤驅動器硬盤驅動器8 8 數字數字BPBP機機1010軟盤驅動器軟盤驅動器6 6 錄像機錄像機2020程控交換機程控交換機2/2/線線 傳真機傳真機4 4開關電源開關電源4 4 無繩電話無繩電話1212超薄超薄WALKMANWALKMAN8 8 大屏幕彩電機芯大屏幕彩電機芯4 4便攜式便攜式CDCD唱機唱機7 7 D

6、VDDVD和和VCDVCD1212數字電視（機頂蓋）數字電視（機頂蓋）4040 攝錄一體機攝錄一體機3535其他其他2020 國內需求情況國內需求情況 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究11 LTCC技術有待完善的問題 收縮率控制問題收縮率控制問題 基板散熱問題基板散熱問題 基板材料的研究基板材料的研究 選擇合適的摻雜，保證材料的高頻特性并輕松降低選擇合適的摻雜，保證材料的高頻特性并輕松降低 材料燒結溫度材料燒結溫度 材料與內電極的匹配，及進一步提高品質因素，降材料與內電極的匹配，及進一步提高品質因素，降 低損耗低損耗 材料的良好機械性能、化學穩定性等材料的良好機械性能、化學穩定性

7、等 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究12 LTCC材料工藝機理及相關理論 低溫燒結理論低溫燒結理論 鐵氧體的固相反應和燒結鐵氧體的固相反應和燒結 ZnOFe2O3 高溫 ZnFe2O4 NiOFe2O3 高溫 NiFe2O4 燒結的傳質機理燒結的傳質機理 粘滯流動 )1( 1 2 3 D R r dt dD 塑性流動 表面擴散 體 擴 散 td KT rD k V V 5 2 5 6 0 5 2 )( = 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究13 LTCC材料工藝機理及相關理論 晶粒邊界在燒結中的作用晶粒邊界在燒結中的作用 燒結中原子與空隙流 降溫機理降溫機理 低溫燒結

8、理論低溫燒結理論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究14 LTCC材料工藝機理及相關理論 晶化動力學理論晶化動力學理論 鐵氧體多晶成長過程鐵氧體多晶成長過程 （a）燒結初期 （b）孿晶 （c）晶粒吞并 （d）晶粒生長停止 （e）最終密度 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究15 LTCC材料工藝機理及相關理論 技術公式技術公式 初始磁導率i與截止頻率fr的關系 3 )1( s ri M f 2 ) 2 ( ) 1( 0 2 1 2 1 D Ms fri 公式中： i初始磁導率 fr截止頻率 0真空磁導率 Ms飽和磁化強度 疇壁厚度 D晶粒平均尺寸 旋磁比 以磁疇轉動為磁化

9、機制的尖晶石鐵氧體 軟磁鐵氧體以疇壁的移動為磁化機制 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究16 LTCC材料工藝機理及相關理論 技術公式技術公式 初始磁導率初始磁導率i i 鐵氧體磁芯及其等效電路 電感量L及表征磁損耗的等效電阻R分別與磁導率的實部 和虛部成正比 10 7 2 4 l AN L 10 7 2 4 l A N R 公式中： r1環形樣品的內徑(m) r2環形樣品的外徑（m） N線圈匝數 L環形樣品有效磁路長度（m） 工作角頻率（rad/s） A環形樣品的橫截面積（m2） r r rr rl 1 2 12 ln )( 22 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究1

10、7 LTCC材料工藝機理及相關理論 磁滯現象分析模型磁滯現象分析模型PreisachPreisach理論理論 由磁場H引起的磁通密度B ( , )()H d d S ( , )d d S ( , )d d S B= = - S為（，）平面上Hsat- Hsat的矩形區域 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究18 LTCC材料工藝機理及相關理論 當磁性材料從初始狀態（未磁化）到剛被磁化時，磁通密度 ( , )d d S ( , )d d S Bi=- , ( , )x y dxdy y ( , )x y dydx x T( )= i-i B-B NA di d ) i (L 1-nn

11、1-nn = 差分電感： 磁滯損耗Pd 磁滯現象分析模型磁滯現象分析模型PreisachPreisach理論理論 dtiLi T P T Ld)( 1 0 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究19 LTCC材料工藝機理及相關理論 包含不同損耗的磁滯回線圖形 不同軟磁材料的磁滯回線 磁滯現象分析模型磁滯現象分析模型PreisachPreisach理論理論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究20 復合材料工藝 復合機理復合機理 Zn2+, Mn2+, Fe3+, Cu1+, Fe2+, Mg2+, Li1+, Cu2+, Mn3+, Ti4+, Ni2+ A位 B位 金屬離子

12、在尖晶石中的A、B位占位傾向 尖晶石結構 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究21 復合材料工藝 研究方案及工藝路線研究方案及工藝路線 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究22 實驗數據及討論 部分工藝條件對部分工藝條件對NiZnNiZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 預燒溫度對品質因數Q的影響 現象：品質因數隨預燒溫度的 升高而增大，1100后Q值下 降。 原因：較高預燒溫度可促進固相 反應的完全，增加成型密度， 從而增加磁芯的密度；當預燒 溫度超過1100，固相反應完 全，材料活性降低。 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究23 部分工藝條件對部分工藝條件對

13、NiZnNiZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 預燒溫度對磁導率 的影響 現象：相同Ts下的鐵氧體磁導 率隨預燒溫度的升高逐 漸下降。 原因：預燒溫度低時，材料固 相反應生成的立方尖晶石相 并不穩定，二次粉碎時的機 械能易使部分晶格扭曲變形， 粉體表面活性增大，燒成階 段晶粒生長速度比高預燒溫 度時快，晶粒大，晶界薄，磁導率大。 實驗數據及討論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究24 部分工藝條件對部分工藝條件對NiZnNiZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 燒結溫度Ts對Q的影響 現象：隨著燒結溫度的增加，Q 值逐漸減小。 原因：隨Ts的升高，磁芯內密度 增加，氣孔減少，晶粒

14、粗大， 晶界處電阻率減小，Q值減 小。 另外，隨Ts的升高，Zn揮 發增加，引起Fe2+增多，八面 體位就出現不同價的電子導電, 激活能最低，具有強導電性。 鐵氧體的電阻率降低，渦流 損耗增加，Q值減小。 燒結溫度Ts對Q的影響 實驗數據及討論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究25 部分工藝條件對部分工藝條件對NiZnNiZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 燒結溫度Ts對的影響 Ts1320時：磁導率 隨Ts的增 加而降低 原因：異常晶粒生長 實驗數據及討論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究26 部分工藝條件對部分工藝條件對NiZnNiZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁

15、性能影響 Ts=1320的SEM Ts1250的SEM 燒結溫度為1320時：晶粒大小不均勻，出現異常晶粒(20 m) 燒結溫度為1250時：晶粒細小，較為均勻。 實驗數據及討論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究27 CuOCuO摻雜對摻雜對NiZnNiZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 CuO對起始磁導率i的影響 規律：隨CuO含量的增加鐵氧體的i 降低。 原因：Cu2+傾向占據八面體(B)位，產 生能級分裂，改變核外電子云分布， 晶體點陣發生畸變，增加各向異性 能。i降低。 i與各向異性能關系： i （s飽和磁致 伸縮系數，內應力） CuO對起始磁導率i的影響 sK 2 3

16、 1 1 實驗數據及討論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究28 CuOCuO摻雜對摻雜對NiZnNiZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 CuO對Ts的影響 規律：隨著CuO含量的增加NiZn鐵氧 體的燒結溫度Ts降低。 原因：CuO的熔點較低，高溫燒結過 程中產生液相，促進固相反應的 發生。 CuO對Ts的影響 實驗數據及討論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究29 CuOCuO摻雜對摻雜對NiZnNiZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 CuO對品質因數Q的影響 規律：摻有CuO的鐵氧體Q值普遍升高。 原因：Ts的降低減少Zn揮發，從而 Fe2+，提高電阻率，增加

17、Q值。 另外CuO的增加沖淡了鐵氧 體中Zn百分含量，也起到降低Zn 的揮發的作用。 CuO對品質因數Q的影響 實驗數據及討論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究30 MnCOMnCO3 3摻雜對摻雜對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 MnCO3含量對i的影響 現象：隨MnCO3含量的增加，NiCuZn 鐵氧體的起始磁導率i降低。 MnCO3含量對i的影響 實驗數據及討論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究31 MnCOMnCO3 3摻雜對摻雜對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 含6wtMnCO3的NiCuZn鐵氧 體x衍

18、射圖譜 說明：未出現MnFe2O4的三強峰，鐵 氧體為NiCuZn尖晶石結構。 實驗數據及討論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究32 MnCOMnCO3 3摻雜對摻雜對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 MnCO3含量對Q值的影響 規律：頻率f低于1000KHz時,Q值隨 摻入量的增加而增加；f高于 1000KHZ時，Q值隨摻入量的增 加而減小。 Q值升高原因：Mn2+的電離能介于 Fe2+于Ni2+之間，抑制Fe2+及Ni3+ 的出現，提高電阻率，增加Q 值。 MnCO3含量對Q值的影響 實驗數據及討論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究33

19、MnCOMnCO3 3摻雜對摻雜對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 含1wtMnCO3時SEM圖像 含6wtMnCO3時SEM圖像 現象：隨MnCO3含量的增多，磁芯斷口晶粒粒徑分布不均勻，晶粒增大，晶 界處氣孔增多。 說明：根據H.Rikukawa提出的氣孔與晶粒邊界引起退磁場模型所導出的表 現磁導率公式可知，當氣孔只在晶界出現時，i按(1-p)（p為氣孔率） 減小。此結論與MnCO3含量對鐵氧體i影響曲線相符。 實驗數據及討論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究34 陶瓷復合對陶瓷復合對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 以兩組Ni

20、CuZn鐵氧體為母體進行復合，平行比較相同情況下各 組分的磁性能，具體分組見下表： 母體 復合量 0wt5wt10wt15wt20wt25wt NiCuZnAA0A1A2A3A4A5 NiCuZnBB0B1B2B3B4B5 實驗數據及討論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究35 陶瓷復合對陶瓷復合對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 陶瓷含量對NiCuZn鐵氧體Q值 (1MHz)的影響 現象：B母體Q值隨著陶瓷含量的增加 顯著增大；A母體Q值總體變化不大。 說明：陶瓷材料為有選擇性的對某些 配方NiCuZn鐵氧體Q值進行改善。具 體原因有待進一步研究。 陶瓷復

21、合量對材料Q值影響 實驗數據及討論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究36 陶瓷復合對陶瓷復合對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 陶瓷材料對磁導率的影響 現象：隨復合量的增加，下降，趨于平緩，截止頻率fr向高頻移動。 說明：在犧牲一定磁導率的情況下，復合陶瓷材料可大幅度提高截止頻率fr。 陶瓷對B母體的的影響 陶瓷對B母體的影響 實驗數據及討論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究37 陶瓷復合對陶瓷復合對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 陶瓷對A母體的影響 陶瓷對A母體”的影響 對于A母體：有與B母體一致的現象，復合鐵氧體

22、下降， 平緩。 實驗數據及討論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究38 陶瓷復合對陶瓷復合對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 陶瓷材料引起下降的原因： 部分BaTiO3化學鍵斷裂，其中的Ba2+及Ti4+離子對NiCuZn尖晶石結構 中A、B位進行替換，減小總原子磁矩，引起飽和磁化強度Ms減小，從而 鐵氧體下降。 Ti4+離子半徑大，改變晶場特性，增加各向異性能，降低。 具體解釋： 原子磁矩影響：母體NiCuZn為混合型尖晶石鐵氧體，各金屬離子占位情 況為： A位 B位 （Zn2+xFe3+1-x）Ni2+1-x-y Fe3+1+x Cu2+yO4 根據金屬

23、離子占位傾向，BaTiO3材料的Ba2+進入尖晶石的A位， Ti4+ 進入尖晶石B位，對尖晶石原有離子替換。 實驗數據及討論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究39 陶瓷復合對陶瓷復合對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 復合材料的原子磁矩位（設A位替代量為，B位替代量為）： M=|MB-MA| =(7.7x+2.3-5-2.7) B B為波爾磁子 由上式可知，陶瓷材料對A、B位的復合將減小原子總磁矩。 又因為： ，飽和磁化強度減小， 減小。 磁晶各向異性影響：Ti4+離子半徑為0.69 比Fe3+離子半徑0.67大，進 入B位后改變晶體的晶場特性，使磁晶各向

24、異性K1更大，由于：i 1/ K1，因此，磁導率降低。 a M M B s 3 8 = 實驗數據及討論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究40 陶瓷復合對陶瓷復合對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 A組復合材料A2與A4的截止頻率比較 B組復合材料B2與B4的截止頻率比較 現象：A組復合材料磁導率下降，截止頻率未有提高；B組復合材料磁導率下 降，截止頻率顯著提高。 說明：對于不同母體鐵氧體，陶瓷材料的作用不完全相同。 實驗數據及討論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究41 陶瓷復合對陶瓷復合對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影

25、響 20wt%的陶瓷對不同鐵氧體i值及fr的影響 相近磁導率時復合量及fr的比較 現象：相同復合量時，B組材料的i下降多，截止頻率提高大；相近i時， B組復合材料的截止頻率也遠大于A組復合材料。 進一步證實：陶瓷復合對不同鐵氧體作用不同。對B母體的鐵氧體有改善高 頻性能的作用，對A母體則可引起性能惡化。 實驗數據及討論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究42 陶瓷復合對陶瓷復合對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 陶瓷復合對鐵氧體介電常數 的影響 現象：介電常數隨復合量的增加而 增大， 1MHz附近時，復合量為 25wt的比0wt%大67倍。 原因：鐵電材料與

26、鐵磁材料復合時未 發生化學反應，材料中鈦礦相與尖 晶石相共存，保持各自特性。由于 BaTiO3具有高介電常數，復合材料 總體表現出介電常數升高。 實驗數據及討論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究43 陶瓷復合對陶瓷復合對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 復合材料溫度特性 現象：B組復合材料的起始磁導率 （右上圖) 隨溫度變化不大；A組 復合材料在45后下降。復合材 料的品質因數隨溫度的變化（右 下圖）不大。 說明：A組材料的溫度特性稍遜于B 組復合材料。B組復合材料在 -55到+85具有較好的穩定性。 實驗數據及討論 2021-6-24LTCC材料共燒技術

27、基礎研究44 陶瓷復合對陶瓷復合對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 陶瓷材料粒度對復合材料的影響 細顆粒的陶瓷材料對鐵氧體材料的磁性能的改善不如粗顆粒的陶瓷材料。 具體原因有待進一步研究。 組分NiCuZnBNiCuZn-A 復合前i260.85340.03 陶瓷復合量20.00wt%20.00wt% 陶瓷材料粒度200m0.5m200m0.5m 復合后i40.3578.0771.4789.64 復合后fr(MHz)69.3150.5153.2639.51 實驗數據及討論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究45 陶瓷復合對鐵氧體磁性能影響陶瓷復合對鐵氧體磁性

28、能影響 復合材料的x衍射圖譜 現象：鈣鈦礦結構與尖晶石結構共 存，以尖晶石為擇優主相。 NiCuZn鐵氧體 x-衍射圖 BaTiO3 x-衍射圖 B5 x-衍射圖 實驗數據及討論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究46 陶瓷復合對鐵氧體磁性能影響陶瓷復合對鐵氧體磁性能影響 B5 x-衍射圖 B3 x-衍射圖 復合材料的x衍射圖譜 現象：隨復合量增加，鈣鈦礦結構 的峰值增強。 說明：添加陶瓷量的多少可以改變 材料結構。如復合量超過一特定 值，材料主相轉為以鈣鈦礦為主。 實驗數據及討論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究47 陶瓷復合對陶瓷復合對NiCuZnNiCuZn鐵氧

29、體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 復合材料的電鏡掃描圖 現象：隨復合量的增加，材料晶粒 變大，大小分布不均勻。有一定 擇優現象。 原因： Ba2+ 、Ti4+對尖晶石A、B位 替換后，由于Ba2+-O2-、 Ti4+- O2-鏈長不一致，晶格常數改變， 有晶面擇優生長。 A5 SEM圖 A3 SEM圖 實驗數據及討論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究48 陶瓷復合對陶瓷復合對NiCuZnNiCuZn鐵氧體磁性能影響鐵氧體磁性能影響 復合材料的電鏡掃描圖 現象：不同母體的復合材料，晶粒 形狀不同。A復合材料晶粒為片 狀，B材料晶粒中有條形晶體。 原因：有待進一步研究 B5 SEM圖 A

30、5 SEM圖 實驗數據及討論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究49 BiBi3+ 3+對復合材料磁性能影響 對復合材料磁性能影響 Bi2O3對燒結溫度Ts的影響 現象：Ts隨Bi2O3的增加而減小， 2wt%后下降量減小，3wt%可在 900燒熟。 原因： Bi2O3熔點低，易形成低共熔 化合物，通過液相傳質促進燒結。 Bi3+與其它離子形成另相化 合物，阻礙晶粒的進一步生長， 促進燒結。 B4的Ts隨不同Bi2O3含量的變化 B4摻3wt% Bi2O3時不同Ts的磁導率 實驗數據及討論 2021-6-24LTCC材料共燒技術基礎研究50 Bi2O3對磁導率的影響 現象：材料隨的增加減小，”趨 于平坦。 原因： Bi2O3阻礙了材料