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无源器件低温共烧结陶瓷整合技术

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-12-13  浏览次数:723
核心提示: 摘 要:低温共烧结陶瓷(LTCC)技术最初被作为与互连,封装及器件集成组合一体的技术。如今将无源器件如电容器,电感器,功率
         要:低温共烧结陶瓷(LTCC)技术最初被作为与互连,封装及器件集成组合一体的技术。如今将无源器件如电容器,电感器,功率/信号偶合/分配器,微波滤波器,传输线等可与TCC结构整合成一体。关键词:LTCC,电容器,生带陶瓷,烧结工艺。

  1、

低温共烧结陶瓷(LTCC)技术最初被作为与互连,封装及器件集成组合一体的技术。如陶瓷封装技术,LTCC扩展了在刚性陶瓷基板(如;氧化铝,氮化硅)上使用多层厚膜材料工艺的传统混合集成电路技术。高层数的多层基板与三维结构使用LTCC技术实现。无源器件如电容器,电感器,功率/信号偶合/分配器,微波滤波器,传输线等可与TCC结构整合成一体。

在陶瓷基板内,使用LTCC介质层制作电容器,平板电容器设计的电容量是由LTCC介质层的介电常数(K),导体层叠接面积与LTCC介质层的厚度决定。LTCC一般是低介电常数(K),用于封装及基板。A6LTCC在自直流(DC)至100GHZ 频率范围,介电常数(K)为5.9(+/- 0.2)。高电容量必须使用高介电常数(K)的丝网印刷介质浆料。印刷介质浆料的选用不仅适应大批量生产,且需要高介电常数(K),薄型介质浆料印刷的厚度,以达到高的比电容量。

  2、实验过程

电容器测试器件使用银导体和A6SLTCC生带,厚 5mi 制作。测试图形有四部分,每一部分由下列三组电容器组成,尺寸分别为:10×1020×2040×4050×50100×100 mil20.25×0.25; 0.5×0.5; 1.0×1.0;1.27×1.27; 2.5×2.5 mm2 。应注意的是,上述尺寸为烧结前,生带上的导体层图形尺寸。电容器印刷的介质层比两平行导电体层,每边大5mil0.13mm)。例如;导电层尺寸为10×10mil20.25×0.25mm2),则介质层是15×15 mil20.38×0.38mm2)。

电容器的制作过程;下导电层首先印刷在LTCC生带上,接后印刷电容器介质浆料,在电容器介质浆料图形上再印刷电容器上导电层。电容器介质层厚度应达到30µm以上,介质浆料图形必须两次印刷。

生带加工时,电容器测试器件的外形尺寸是33"(7.6×7.6cm),厚度50mil(1.27mm),十层5mil生带叠接而一成。在基板中央烧结制作单层电容器介质层。在基板表面制作的电容器介质层,可观察到基板的电容器连接区中的凹坑。这些凹坑暴露导电层的端头,用于电性能测试。

电容器测试器件按标准烧结工艺,在850烧结。电容器电性能测试使用HP4192A阻抗分析仪,测试频率10MHZ 试验报告测试数据是10KHZ 

  3、实验结果

   l 电容器与LTCC的界面

光学显微镜观察照片显示电容介质层与A6LTCC间没有相互干扰,表示导电层起到一阻挡层的作用,防止电容介质层与A6LTCC间的交互影响(图 1所示)。

1 光学显微镜观察照片显示

电容介质层与A6LTCC间没有脱层或相互影响

扫描电镜观察证实高K电容介质层与A6LTCC间没有相互影响。LTCC的组分,CaSiLTCC内没被流失,高K电容介质层的主要组分BaTi也在电容层内,Ag扩散到高K电容介质层没被检测到。

   l 电容量,损耗,介电常数。

电容器的电容量与损耗直接由阻抗分析仪测量得到,从图 2可见频率略有影响,当频率升高,电容量(C)趋与减小,损耗因子(DF)则趋于增大。测试频率提高到10MHZ 没有检测到测试电容器的自振频率,为接下的计算,实验报告提供1KHZ时的数据。

2 100×100 mil2 (生带)电容器的电容量与损耗

电容器介质层的介电常数由电容器的导电层叠接面积与、介质层厚度计算而得。电容器的介质层平均厚度是37.5μm,导电层面积可使用常规生带收缩率折算得到,例如;100×100 mil2 2.5×2.5mm生带)按15%X/Y轴向的收缩率折算平均面积为85 mil22.2×2.2mm2)。

实验使用33-398Ag导电层,根据上述计算,平均介电常数为80。使用不同的导电层材,因导电层与高K介质层中的无机添加剂的影响,介电常数有微小的变化。从电容量与导电层面积的相关曲线,平均介质厚度37.5μm,可推导计算得比电容量(单位面积电容量,曲线斜率)为17.5pf/ mm2。可见比电容量有明显的增加。通常使用5mil1.27μm A6LTCC生带,比电容量大约是0.5pf/ mm2

3 K80介质层的电容量,损耗与温度的关系

   l 电容量的温度系数

K80介质层电容量的温度系数(TCC),使用高低温实验箱(-55-125℃)测试得到。电容器的导电层必须使用可焊性的Ag导电层(33-391)。测试导线焊接在电容器的接线端,连接到实验箱的接线盒上。如前所述,导电层对电容器的性能有略微的影响。但因为TCC的不同,导电层对TCC的影响不明显。图 3 可见,此介质层的温度特性优于X7P的+/-10%,接近X7F的+/-7.5%。在温度大于室温,损耗因子趋于平坦,但温度降到室温以下明显增加。

  4、

K80电容介质浆料与LTCC材料系统整合,介质层厚度37.5μm ,比电容量达到17.5pf/ mm2,这种材料的温度特性优于X7P,见表 1

1 K80介质浆料成功与LTCC整合,

具有比X7P优异的温度特性。

 

 
 
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