第三章2--LTCC材料共烧技术基础研究

1、2022-3-231LTCC材料共烧技术基础研究 张怀武 教授2022-3-232LTCC材料共烧技术基础研究 LTCC相关概念及技术机理 实验数据及讨论 实验结果工艺条件掺杂CuO、MnCO3材料双性复合降温掺杂2022-3-233LTCC技术的概念及其分类_概念 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 2022-3-234LTCC技术的概念及其分类_概念The character

2、of Thick Film、LTCC、HTCC technology2022-3-235LTCC技术的概念及其分类_概念LTCC substrate with integrated passivesConstruction of typical LTCC mutilayer deviceConstruction of typical LTCC mutilayer device2022-3-236LTCC技术的概念及其分类_概念Cross-section of LTCC multilayer device showing the individual components that can be

3、 integratedIndividual components that can be integrated in LTCC2022-3-237LTCC技术的概念及其分类_概念LTCC INDUCTOR LTCC BANDPASS FILTER 3D LAYOUTLTCC INDUCTOR have been used2022-3-238LTCC技术的概念及其分类_分类LTCC技术的研究 设 计 技 术 生磁料带技术 混合集成技术 混合集成混合集成生磁料带制造生磁料带制造2022-3-239LTCC技术之国内外发展现状 目前实现多达目前实现多达5050层、层、1616英寸，应用频率为英寸，应

4、用频率为50MHz50MHz5GHz5GHz 的的LTCCLTCC集成电路集成电路 日本富士通已研制出日本富士通已研制出6161层，层，245mm245mm的共烧结构的共烧结构 美国美国IBMIBM公司研制出了公司研制出了6666层层LTCCLTCC基板的多芯片组件基板的多芯片组件2022-3-2310LTCC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 电子产品名称电子产品名称平均单机用量（只）平均单机用量（只）电子产品名称电子产品名称平均单机用量（只）平均单机用量（只）移动电话手持机移动电话手持机3030笔记本计算机笔记本计算机2424中文中文BPBP机机1010硬盘驱动器硬盘

5、驱动器8 8数字数字BPBP机机1010软盘驱动器软盘驱动器6 6录像机录像机2020程控交换机程控交换机2/2/线线传真机传真机4 4开关电源开关电源4 4无绳电话无绳电话1212超薄超薄WALKMANWALKMAN8 8大屏幕彩电机芯大屏幕彩电机芯4 4便携式便携式CDCD唱机唱机7 7DVDDVD和和VCDVCD1212数字电视（机顶盖）数字电视（机顶盖）4040摄录一体机摄录一体机3535其他其他2020国内需求情况国内需求情况2022-3-2311LTCC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

6、的高频特性并轻松降低选择合适的掺杂，保证材料的高频特性并轻松降低 材料烧结温度材料烧结温度 材料与内电极的匹配，及进一步提高品质因素，降材料与内电极的匹配，及进一步提高品质因素，降 低损耗低损耗 材料的良好机械性能、化学稳定性等材料的良好机械性能、化学稳定性等 2022-3-2312LTCC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 )1 (123DRrdtdD塑性流动 表面扩散 体 扩 散 tdKTrDkVV5256052)(

7、=2022-3-2313LTCC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 低温烧结理论低温烧结理论 2022-3-2314LTCC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 2022-3-2315LTCC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 3)1(sriMf2)2() 1(02121DMsfri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 2022-3-2316LTCC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 10724lANL10724lANR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）rrrrrl1212ln)(222022-3-2317LTCC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PreisachPreis

9、ach理论理论 由磁场H引起的磁通密度B ( , )( )H d dS ( , )d dS ( , )d dSB=-S为（，）平面上Hsat- Hsat的矩形区域 2022-3-2318LTCC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 ( , )d dS ( , )d dSBi=- ,( , )x y dxdyy ( , )x y dydxx T( )=i-iB-BNAdid) i (L1-nn1-nn=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 dtiLiTPTLd)(102022-3-2319LTCC

10、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PreisachPreisach理论理论 2022-3-2320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 2022-3-2321复合材料工艺研究方案及工艺路线研究方案及工艺路线 2022-3-2322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

11、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。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。2022-3-2323 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2022-3-2324 部分

12、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 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2022-3-2325 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 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

13、据及讨论2022-3-2326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 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2022-3-2327CuOCuO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饱和磁致伸缩系数，内应力）

14、 CuO对起始磁导率i的影响sK2311实验数据及讨论2022-3-2328CuOCuO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2022-3-2329CuOCuO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CuO的增加冲淡了铁氧体中Zn百分含量，也起

15、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2022-3-2330MnCOMnCO3 3掺杂对掺杂对NiCuZnNiCuZn铁氧体磁性能影响铁氧体磁性能影响 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2022-3-2331MnCOMnCO3 3掺杂对掺杂对NiCuZnNiCuZn铁氧体磁性能影响铁氧体磁性能影响 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NiCuZn尖晶石结构。实验数据及讨论2022-3-2332MnCOMnCO3 3掺杂对

16、掺杂对NiCuZnNiCuZn铁氧体磁性能影响铁氧体磁性能影响 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2022-3-2333MnCOMnCO3 3掺杂对掺杂对NiCuZnNiCuZn铁氧体磁性能影响铁氧体磁性能影响 含1wtMnCO3时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

17、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2022-3-2334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 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 0wt5wt10wt15wt20wt25wtNiCuZnAA0A1A2A3A4A5NiCuZnBB0B1B2B3B4B5实验数据及讨论2022-3-2335陶瓷复合对陶瓷复合对

18、NiCuZnNiCuZn铁氧体磁性能影响铁氧体磁性能影响 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2022-3-2336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 陶瓷材料对磁导率的影响现象：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

19、响实验数据及讨论2022-3-2337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2022-3-2338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 陶瓷材料引起下降的原因：部分BaTiO3化学键断裂，其中的Ba2+及Ti4+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NiCu

20、Zn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2022-3-2339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复合材料的原子磁矩位（设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

21、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。 aMMBs38=实验数据及讨论2022-3-2340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2022-3-2341陶瓷复合对陶瓷复合对NiCuZnNiCuZn铁氧体磁性能影

22、响铁氧体磁性能影响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2022-3-2342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

23、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2022-3-2343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 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2022-3-2344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

24、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)69.3150.5153.2639.51实验数据及讨论2022-3-2345 陶瓷复合对铁氧体磁性能影响陶瓷复合对铁氧体磁性能影响 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202

25、2-3-2346陶瓷复合对铁氧体磁性能影响陶瓷复合对铁氧体磁性能影响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2022-3-2347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 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

26、图A3 SEM图实验数据及讨论2022-3-2348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 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 SEM图实验数据及讨论2022-3-2349BiBi3+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

27、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2022-3-2350 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，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响对复合材料磁性能影响2022-3-2351 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