LTCC材料共烧技术基础研究.pptx

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1、2023/3/201LTCCLTCC技术的概念及其分类技术的概念及其分类_ _概念概念 LTCCLTCCLTCCLTCC技术技术技术技术是一种先进的混合电路封装技术它是将四大无源器件，即变压器（T）、电容器（C）、电感器（L）、电阻器（R）集成，配置于多层布线基板中，与有源器件（如：功率MOS、晶体管、IC电路模块等）共同集成为一完整的电路系统。有效地提高电路的封装密度及系统的可靠性 第1页/共55页2023/3/202LTCCLTCC技术的概念及其分类技术的概念及其分类_ _概念概念The character of Thick Film、LTCC、HTCC technology第2页/共55

2、页2023/3/203LTCCLTCC技术的概念及其分类技术的概念及其分类_ _概念概念LTCC substrate with integrated passivesConstruction of typical LTCC mutilayer deviceConstruction of typical LTCC mutilayer device第3页/共55页2023/3/204LTCCLTCC技术的概念及其分类技术的概念及其分类_ _概念概念Cross-section of LTCC multilayer device showing the individual components th

3、at can be integratedIndividual components that can be integrated in LTCC第4页/共55页2023/3/205LTCCLTCC技术的概念及其分类技术的概念及其分类_ _概念概念LTCC INDUCTOR LTCC BANDPASS FILTER 3D LAYOUTLTCC INDUCTOR have been used第5页/共55页2023/3/206LTCCLTCC技术的概念及其分类技术的概念及其分类_ _分类分类LTCC技术的研究 设 计 技 术 生磁料带技术 混合集成技术 混合集成生磁料带制造第6页/共55页2023

4、/3/207LTCCLTCC技术之国内外发展现状技术之国内外发展现状 目前实现多达5050层、1616英寸，应用频率为50MHz50MHz5GHz5GHz 的LTCCLTCC集成电路 日本富士通已研制出6161层，245mm245mm的共烧结构 美国IBMIBM公司研制出了6666层LTCCLTCC基板的多芯片组件第7页/共55页2023/3/208LTCCLTCC技术之国内外发展现状技术之国内外发展现状 仅以对低温共烧片式电感器的需求为例 电子产品名称平均单机用量（只）电子产品名称平均单机用量（只）移动电话手持机3030笔记本计算机2424中文BPBP机1010硬盘驱动器8 8数字BPBP机

5、1010软盘驱动器6 6录像机2020程控交换机2/2/线传真机4 4开关电源4 4无绳电话1212超薄WALKMANWALKMAN8 8大屏幕彩电机芯4 4便携式CDCD唱机7 7DVDDVD和VCDVCD1212数字电视（机顶盖）4040摄录一体机3535其他2020国内需求情况第8页/共55页2023/3/209LTCCLTCC技术有待完善的问题技术有待完善的问题收缩率控制问题收缩率控制问题基板散热问题基板散热问题基板材料的研究基板材料的研究 选择合适的掺杂，保证材料的高频特性并轻松降低 材料烧结温度 材料与内电极的匹配，及进一步提高品质因素，降 低损耗 材料的良好机械性能、化学稳定性等

6、 第9页/共55页2023/3/2010LTCCLTCC材料工艺机理及相关理论材料工艺机理及相关理论低温烧结理论低温烧结理论 铁氧体的固相反应和烧结铁氧体的固相反应和烧结 ZnOFe2O3 高温 ZnFe2O4NiOFe2O3 高温 NiFe2O4 烧结的传质机理烧结的传质机理 粘滞流动 塑性流动 表面扩散 体 扩 散 第10页/共55页2023/3/2011LTCCLTCC材料工艺机理及相关理论材料工艺机理及相关理论晶粒边界在烧结中的作用晶粒边界在烧结中的作用 烧结中原子与空隙流 降温机理降温机理 引入低熔点物质或能与材料中某些成分形成低共熔物的添加剂引入低熔点物质或能与材料中某些成分形成低

7、共熔物的添加剂 引入某些异价离子或配合适当气氛引入某些异价离子或配合适当气氛 使用超细颗粒法使用超细颗粒法 低温烧结理论低温烧结理论 第11页/共55页2023/3/2012LTCCLTCC材料工艺机理及相关理论材料工艺机理及相关理论晶化动力学理论晶化动力学理论 铁氧体多晶成长过程铁氧体多晶成长过程（a）烧结初期（b）孪晶（c）晶粒吞并（d）晶粒生长停止（e）最终密度 第12页/共55页2023/3/2013LTCCLTCC材料工艺机理及相关理论材料工艺机理及相关理论技术公式技术公式 初始磁导率i与截止频率fr的关系 公式中：i初始磁导率 fr截止频率0真空磁导率 Ms饱和磁化强度 畴壁厚度

8、D晶粒平均尺寸旋磁比以磁畴转动为磁化机制的尖晶石铁氧体 软磁铁氧体以畴壁的移动为磁化机制 第13页/共55页2023/3/2014LTCCLTCC材料工艺机理及相关理论材料工艺机理及相关理论技术公式技术公式 初始磁导率初始磁导率i i铁氧体磁芯及其等效电路电感量L及表征磁损耗的等效电阻R分别与磁导率的实部和虚部成正比 公式中：r1环形样品的内径(m)r2环形样品的外径（m）N线圈匝数L环形样品有效磁路长度（m）工作角频率（rad/s）A环形样品的横截面积（m2）第14页/共55页2023/3/2015LTCCLTCC材料工艺机理及相关理论材料工艺机理及相关理论磁滞现象分析模型磁滞现象分析模型P

9、reisachPreisach理论理论 由磁场H引起的磁通密度B B=-S为（，）平面上Hsat-Hsat的矩形区域 第15页/共55页2023/3/2016LTCCLTCC材料工艺机理及相关理论材料工艺机理及相关理论当磁性材料从初始状态（未磁化）到刚被磁化时，磁通密度 Bi=-T()=差分电感：磁滞损耗Pd 磁滞现象分析模型磁滞现象分析模型PreisachPreisach理论理论 第16页/共55页2023/3/2017LTCCLTCC材料工艺机理及相关理论材料工艺机理及相关理论包含不同损耗的磁滞回线图形 不同软磁材料的磁滞回线 磁滞现象分析模型磁滞现象分析模型PreisachPreisac

10、h理论理论 第17页/共55页2023/3/2018复合材料工艺复合材料工艺 复合机理复合机理 Zn2+,Mn2+,Fe3+,Cu1+,Fe2+,Mg2+,Li1+,Cu2+,Mn3+,Ti4+,Ni2+A位 B位金属离子在尖晶石中的A、B位占位倾向 尖晶石结构 第18页/共55页2023/3/2019复合材料工艺复合材料工艺研究方案及工艺路线研究方案及工艺路线 第19页/共55页2023/3/2020实验数据及讨论实验数据及讨论 部分工艺条件对部分工艺条件对NiZnNiZn铁氧体磁性能影响铁氧体磁性能影响 预烧温度对品质因数Q的影响现象：品质因数随预烧温度的 升高而增大，1100后Q值下 降

11、。原因：较高预烧温度可促进固相反应的完全，增加成型密度，从而增加磁芯的密度；当预烧温度超过1100，固相反应完全，材料活性降低。第20页/共55页2023/3/2021 部分工艺条件对部分工艺条件对NiZnNiZn铁氧体磁性能影响铁氧体磁性能影响 预烧温度对磁导率 的影响现象：相同Ts下的铁氧体磁导率随预烧温度的升高逐渐下降。原因：预烧温度低时，材料固相反应生成的立方尖晶石相并不稳定，二次粉碎时的机械能易使部分晶格扭曲变形，粉体表面活性增大，烧成阶段晶粒生长速度比高预烧温度时快，晶粒大，晶界薄，磁导率大。实验数据及讨论第21页/共55页2023/3/2022 部分工艺条件对部分工艺条件对NiZ

12、nNiZn铁氧体磁性能影响铁氧体磁性能影响 烧结温度Ts对Q的影响现象：随着烧结温度的增加，Q值逐渐减小。原因：随Ts的升高，磁芯内密度增加，气孔减少，晶粒粗大，晶界处电阻率减小，Q值减小。另外，随Ts的升高，Zn挥发增加，引起Fe2+增多，八面体位就出现不同价的电子导电,激活能最低，具有强导电性。铁氧体的电阻率降低，涡流损耗增加，Q值减小。烧结温度Ts对Q的影响实验数据及讨论第22页/共55页2023/3/2023 部分工艺条件对部分工艺条件对NiZnNiZn铁氧体磁性能影铁氧体磁性能影响响 烧结温度Ts对的影响Ts1320时：磁导率 随Ts的增加而降低原因：异常晶粒生长实验数据及讨论第23

13、页/共55页2023/3/2024部分工艺条件对部分工艺条件对NiZnNiZn铁氧体磁性能影铁氧体磁性能影响响 Ts=1320的SEM Ts1250的SEM烧结温度为1320时：晶粒大小不均匀，出现异常晶粒(20 m)烧结温度为1250时：晶粒细小，较为均匀。实验数据及讨论第24页/共55页2023/3/2025CuOCuO掺杂对掺杂对NiZnNiZn铁氧体磁性能影响铁氧体磁性能影响 CuO对起始磁导率i的影响规律：随CuO含量的增加铁氧体的i降低。原因：Cu2+倾向占据八面体(B)位，产生能级分裂，改变核外电子云分布，晶体点阵发生畸变，增加各向异性能。i降低。i与各向异性能关系：i （s饱和

14、磁致伸缩系数，内应力）CuO对起始磁导率i的影响实验数据及讨论第25页/共55页2023/3/2026CuOCuO掺杂对掺杂对NiZnNiZn铁氧体磁性能影响铁氧体磁性能影响 CuO对Ts的影响规律：随着CuO含量的增加NiZn铁氧体的烧结温度Ts降低。原因：CuO的熔点较低，高温烧结过程中产生液相，促进固相反应的发生。CuO对Ts的影响实验数据及讨论第26页/共55页2023/3/2027CuOCuO掺杂对掺杂对NiZnNiZn铁氧体磁性能铁氧体磁性能影响影响 CuO对品质因数Q的影响规律：掺有CuO的铁氧体Q值普遍升高。原因：Ts的降低减少Zn挥发，从而Fe2+，提高电阻率，增加Q值。另外

15、CuO的增加冲淡了铁氧体中Zn百分含量，也起到降低Zn的挥发的作用。CuO对品质因数Q的影响实验数据及讨论第27页/共55页2023/3/2028MnCOMnCO3 3掺杂对掺杂对NiCuZnNiCuZn铁氧体磁性能影铁氧体磁性能影响响 MnCO3含量对i的影响现象：随MnCO3含量的增加，NiCuZn铁氧体的起始磁导率i降低。MnCO3含量对i的影响实验数据及讨论第28页/共55页2023/3/2029MnCOMnCO3 3掺杂对掺杂对NiCuZnNiCuZn铁氧体磁性能影铁氧体磁性能影响响 含6wtMnCO3的NiCuZn铁氧体x衍射图谱说明：未出现MnFe2O4的三强峰，铁氧体为NiCu

16、Zn尖晶石结构。实验数据及讨论第29页/共55页2023/3/2030MnCOMnCO3 3掺杂对掺杂对NiCuZnNiCuZn铁氧体磁性能影铁氧体磁性能影响响 MnCO3含量对Q值的影响规律：频率f低于1000KHz时,Q值随掺入量的增加而增加；f高于1000KHZ时，Q值随掺入量的增加而减小。Q值升高原因：Mn2+的电离能介于Fe2+于Ni2+之间，抑制Fe2+及Ni3+的出现，提高电阻率，增加Q值。MnCO3含量对Q值的影响实验数据及讨论第30页/共55页2023/3/2031MnCOMnCO3 3掺杂对掺杂对NiCuZnNiCuZn铁氧体磁性能铁氧体磁性能影响影响 含1wtMnCO3时

17、SEM图像 含6wtMnCO3时SEM图像现象：随MnCO3含量的增多，磁芯断口晶粒粒径分布不均匀，晶粒增大，晶界处气孔增多。说明：根据H.Rikukawa提出的气孔与晶粒边界引起退磁场模型所导出的表现磁导率公式可知，当气孔只在晶界出现时，i按(1-p)（p为气孔率）减小。此结论与MnCO3含量对铁氧体i影响曲线相符。实验数据及讨论第31页/共55页2023/3/2032陶瓷复合对陶瓷复合对NiCuZnNiCuZn铁氧体磁性能铁氧体磁性能影响影响 以两组NiCuZn铁氧体为母体进行复合，平行比较相同情况下各组分的磁性能，具体分组见下表：母体 复合量 0wt5wt10wt15wt20wt25wt

18、NiCuZnAA0A1A2A3A4A5NiCuZnBB0B1B2B3B4B5实验数据及讨论第32页/共55页2023/3/2033陶瓷复合对陶瓷复合对NiCuZnNiCuZn铁氧体磁性能影铁氧体磁性能影响响 陶瓷含量对NiCuZn铁氧体Q值(1MHz)的影响现象：B母体Q值随着陶瓷含量的增加显著增大；A母体Q值总体变化不大。说明：陶瓷材料为有选择性的对某些配方NiCuZn铁氧体Q值进行改善。具体原因有待进一步研究。陶瓷复合量对材料Q值影响实验数据及讨论第33页/共55页2023/3/2034陶瓷复合对陶瓷复合对NiCuZnNiCuZn铁氧体磁性能铁氧体磁性能影响影响 陶瓷材料对磁导率的影响现象

19、：随复合量的增加，下降，趋于平缓，截止频率fr向高频移动。说明：在牺牲一定磁导率的情况下，复合陶瓷材料可大幅度提高截止频率fr。陶瓷对B母体的的影响 陶瓷对B母体的影响实验数据及讨论第34页/共55页2023/3/2035陶瓷复合对陶瓷复合对NiCuZnNiCuZn铁氧体磁性能铁氧体磁性能影响影响陶瓷对A母体的影响陶瓷对A母体”的影响对于A母体：有与B母体一致的现象，复合铁氧体下降，平缓。实验数据及讨论第35页/共55页2023/3/2036陶瓷复合对陶瓷复合对NiCuZnNiCuZn铁氧体磁性能铁氧体磁性能影响影响 陶瓷材料引起下降的原因：部分BaTiO3化学键断裂，其中的Ba2+及Ti4+

20、离子对NiCuZn尖晶石结构中A、B位进行替换，减小总原子磁矩，引起饱和磁化强度Ms减小，从而铁氧体下降。Ti4+离子半径大，改变晶场特性，增加各向异性能，降低。具体解释：原子磁矩影响：母体NiCuZn为混合型尖晶石铁氧体，各金属离子占位情况为：A位 B位（Zn2+xFe3+1-x）Ni2+1-x-y Fe3+1+x Cu2+yO4根据金属离子占位倾向，BaTiO3材料的Ba2+进入尖晶石的A位，Ti4+进入尖晶石B位，对尖晶石原有离子替换。实验数据及讨论第36页/共55页2023/3/2037陶瓷复合对陶瓷复合对NiCuZnNiCuZn铁氧体磁性能铁氧体磁性能影响影响复合材料的原子磁矩位（设

21、A位替代量为，B位替代量为）：M=|MB-MA|=(7.7x+2.3-5-2.7)B B为波尔磁子由上式可知，陶瓷材料对A、B位的复合将减小原子总磁矩。又因为：，饱和磁化强度减小，减小。磁晶各向异性影响：Ti4+离子半径为0.69 比Fe3+离子半径0.67大，进入B位后改变晶体的晶场特性，使磁晶各向异性K1更大，由于：i 1/K1，因此，磁导率降低。实验数据及讨论第37页/共55页2023/3/2038陶瓷复合对陶瓷复合对NiCuZnNiCuZn铁氧体磁性能影响铁氧体磁性能影响A组复合材料A2与A4的截止频率比较 B组复合材料B2与B4的截止频率比较现象：A组复合材料磁导率下降，截止频率未有

22、提高；B组复合材料磁导率下降，截止频率显著提高。说明：对于不同母体铁氧体，陶瓷材料的作用不完全相同。实验数据及讨论第38页/共55页2023/3/2039陶瓷复合对陶瓷复合对NiCuZnNiCuZn铁氧体磁性能影铁氧体磁性能影响响20wt%的陶瓷对不同铁氧体i值及fr的影响 相近磁导率时复合量及fr的比较现象：相同复合量时，B组材料的i下降多，截止频率提高大；相近i时，B组复合材料的截止频率也远大于A组复合材料。进一步证实：陶瓷复合对不同铁氧体作用不同。对B母体的铁氧体有改善高频性能的作用，对A母体则可引起性能恶化。实验数据及讨论第39页/共55页2023/3/2040陶瓷复合对陶瓷复合对Ni

23、CuZnNiCuZn铁氧体磁性能影响铁氧体磁性能影响 陶瓷复合对铁氧体介电常数 的影响现象：介电常数随复合量的增加而增大，1MHz附近时，复合量为25wt的比0wt%大67倍。原因：铁电材料与铁磁材料复合时未发生化学反应，材料中钛矿相与尖晶石相共存，保持各自特性。由于BaTiO3具有高介电常数，复合材料总体表现出介电常数升高。实验数据及讨论第40页/共55页2023/3/2041陶瓷复合对陶瓷复合对NiCuZnNiCuZn铁氧体磁性能影铁氧体磁性能影响响 复合材料温度特性现象：B组复合材料的起始磁导率（右上图)随温度变化不大；A组复合材料在45后下降。复合材料的品质因数随温度的变化（右下图）不

24、大。说明：A组材料的温度特性稍逊于B组复合材料。B组复合材料在 -55到+85具有较好的稳定性。实验数据及讨论第41页/共55页2023/3/2042陶瓷复合对陶瓷复合对NiCuZnNiCuZn铁氧体磁性能影响铁氧体磁性能影响 陶瓷材料粒度对复合材料的影响细颗粒的陶瓷材料对铁氧体材料的磁性能的改善不如粗颗粒的陶瓷材料。具体原因有待进一步研究。组分NiCuZnBNiCuZn-A复合前i260.85340.03陶瓷复合量20.00wt%20.00wt%陶瓷材料粒度200m0.5m200m0.5m复合后i40.3578.0771.4789.64复合后fr(MHz)69.3150.5153.2639.

25、51实验数据及讨论第42页/共55页2023/3/2043陶瓷复合对铁氧体磁性能影陶瓷复合对铁氧体磁性能影响响 复合材料的x衍射图谱现象：钙钛矿结构与尖晶石结构共存，以尖晶石为择优主相。NiCuZn铁氧体 x-衍射图BaTiO3 x-衍射图B5 x-衍射图实验数据及讨论第43页/共55页2023/3/2044陶瓷复合对铁氧体磁性能影陶瓷复合对铁氧体磁性能影响响B5 x-衍射图B3 x-衍射图 复合材料的x衍射图谱现象：随复合量增加，钙钛矿结构的峰值增强。说明：添加陶瓷量的多少可以改变材料结构。如复合量超过一特定值，材料主相转为以钙钛矿为主。实验数据及讨论第44页/共55页2023/3/2045

26、陶瓷复合对陶瓷复合对NiCuZnNiCuZn铁氧体磁性能影铁氧体磁性能影响响 复合材料的电镜扫描图现象：随复合量的增加，材料晶粒变大，大小分布不均匀。有一定择优现象。原因：Ba2+、Ti4+对尖晶石A、B位替换后，由于Ba2+-O2-、Ti4+-O2-链长不一致，晶格常数改变，有晶面择优生长。A5 SEM图A3 SEM图实验数据及讨论第45页/共55页2023/3/2046陶瓷复合对陶瓷复合对NiCuZnNiCuZn铁氧体磁性能影铁氧体磁性能影响响 复合材料的电镜扫描图现象：不同母体的复合材料，晶粒形状不同。A复合材料晶粒为片状，B材料晶粒中有条形晶体。原因：有待进一步研究B5 SEM图A5

27、SEM图实验数据及讨论第46页/共55页2023/3/2047BiBi3+3+对复合材料磁性能影响对复合材料磁性能影响 Bi2O3对烧结温度Ts的影响现象：Ts随Bi2O3的增加而减小，2wt%后下降量减小，3wt%可在900烧熟。原因：Bi2O3熔点低，易形成低共熔化合物，通过液相传质促进烧结。Bi3+与其它离子形成另相化合物，阻碍晶粒的进一步生长，促进烧结。B4的Ts随不同Bi2O3含量的变化B4掺3wt%Bi2O3时不同Ts的磁导率实验数据及讨论第47页/共55页2023/3/2048 Bi2O3对磁导率的影响现象：材料随的增加减小，”趋于平坦。原因：Bi2O3阻碍了材料晶粒尺寸的长大，

28、晶粒尺寸变小（25nm），晶界面积增大，从而降低材料磁导率。不同Bi2O3含量对材料的影响不同Bi2O3含量对材料”的影响实验数据及讨论BiBi3+3+对复合材料磁性能影对复合材料磁性能影响响第48页/共55页2023/3/2049 Bi2O3对截止频率的影响现象：fr随含量的增加增加，当含量达到3wt%时，fr1.8GHz。原因：降低烧结温度形成的多孔细晶粒结构增大了有效各向异性场，提高fr。不同Bi2O3含量对截止频率fr的影响BiBi3+3+对复合材料磁性能影响对复合材料磁性能影响实验数据及讨论第49页/共55页2023/3/2050 Bi2O3对品质因数的影响现象：掺杂后的复合材料品质

29、因数增大，峰值移向高频。掺杂量高于2wt%后，Q值的增加不明显。Q值增加原因：降低烧结温度后Fe2+离子减少，材料电阻率提高，Q值增加。实验数据及讨论BiBi3+3+对复合材料磁性能影响对复合材料磁性能影响第50页/共55页2023/3/2051 Bi2O3对品质因数的影响右上图：掺Bi3+1wt%Ts900 右下图：掺Bi3+3wt%Ts900 现象：随掺杂量的增加，晶粒尺寸减小，气孔率增加。在Bi3+含量为3wt%时晶型趋于完整，晶粒边界较为平直，一次晶粒生长平衡；当Bi3+掺杂量为1wt%时，晶粒细小，近乎于球形，晶粒生长并未完全完成。BiBi3+3+对复合材料磁性能影响对复合材料磁性能

30、影响实验数据及讨论第51页/共55页2023/3/2052磁芯样品磁滞回线图磁芯样品磁滞回线图 磁芯样品磁滞回线磁环样品绕两组线圈：N1=20匝，N2=100匝，直流磁特性测量议测得结果。Bs=0.21T；Hc=1.7 Oe样品磁滞回线实验数据及讨论第52页/共55页2023/3/2053结论结论NiZn铁氧体品质因数Q值在预烧温度不超过1100时随预烧温度的升高而升高；随烧结温度Ts的升高而降低。起始磁导率i随预烧温度的升高而降低，随烧结温度的升高升高。在NiZn铁氧体中掺入CuO，可降低烧结温度至1050；也可一定程度上增大Q值。NiCuZn铁氧体中掺入MnCO3可显著提高Q值，但将降低材料的起始磁导率。第53页/共55页2023/3/2054BaTiO3对铁氧体的复合随铁氧体组分的不同而不同。A组分NiCuZn铁氧体，复合后i降低，性能未有改善。B组分铁氧体，虽然i下降，但Q值显著增大24倍，fr提高12数量级，提高67倍；-2585温度区间稳定。Bi2O3不仅可以降低复合材料的烧结温度，还可改善复合材料的磁性能，增大Q值，提高fr。实验最后制得：850预烧，900烧结的低温烧结复合双性材料的标准磁芯，测得其起始磁导率i为610，截止频率fr1.8GHz，介电常数2560（1MHz）。结论结论第54页/共55页2023/3/2055感谢您的观看！第55页/共55页