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    行業新聞

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    共燒陶瓷板是一種廣泛應用的高技術陶瓷
    2023-03-27
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    共燒陶瓷板元器件及組件可分為高溫共燒陶瓷(HTCC)和低溫共燒陶瓷(LTCC)兩種。HTCC是指在1450℃以上與熔點較高的金屬一并燒結的具有電氣互連特性的共燒陶瓷板。隨著通信向高頻高速發展,為了實現低損耗、高速度和高密度封裝的目的,LTCC應運而生,燒結溫度在900℃左右。然而人類對科學的探究卻從未停止,隨著科技的進步和社會需求的不斷提高,人們又發現了超低溫共燒陶瓷這一新概念。超低溫共燒陶瓷(ULTCC)是由低溫共燒陶瓷發展而來的一類新型電介質材料。


    共燒陶瓷板

    超低溫共燒陶瓷是一種具有眾多優點的新型多層陶瓷

    可在400℃~700℃的極低溫度下燒結,超低燒結溫度使電介質能夠與鋁電極及各類電子器件共燒結以實現電子設備的集成化和多功能化,同時還可以降低成本節約能源,適合用于電子元件的集成。且低燒結溫度允許更廣泛的導體材料用于功能化,使技術混合(半導體工藝、基于聚合物的微電路制造)成為可能。


    ULTCC基板材料需具備低介電常數與低介電損耗確保電路穩定運行

    目前ULTCC材料大多是具有超低燒結溫度的陶瓷材料,例如,碲酸鹽、鉬酸鹽、釩酸鹽等。ULTCC還可以將電路和封裝嵌入和燒結到陶瓷中。這降低了制造成本,從而顯著擴展了ULTCC組件的應用范圍。ULTCC組件非常適合用作電子元件的重新布線載體,用于外殼和封裝技術或用作天線、濾波器和循環器等高頻技術應用的基板。


    微晶玻璃材料用于ULTCC技術的優點

    與傳統的低溫陶瓷相比微晶玻璃材料用于ULTCC技術的優點在于全玻璃帶來的低燒結溫度,易于控制的燒結、析晶行為以及與電極材料良好的化學相容性。研究發現通過在玻璃組成中引入MgO,其含量對微晶玻璃的燒結行為和析晶行為有顯著的影響。低溫共燒陶瓷微波多層電路板具有工作頻率高、集成密度高、耐高溫高濕、可集成無源元件和有利于實現微波信號耦合或隔離等獨特的技術優勢,廣泛應用于通信、航空航天、軍事、汽車電子、醫療等領域。


    低溫共燒陶瓷工藝中最為關鍵的工序之一 —— 燒結

    低溫共燒陶瓷基板是在不同層生瓷帶上并行開展打孔、填孔、印刷等工藝,然后將不同層生瓷帶一起疊壓,最后一起燒結形成的立體互聯電路基板。燒結是LTCC工藝中最為關鍵的工序之一,它直接影響陶瓷的顯微結構,進而影響陶瓷各項性能指標。燒結過程存在復雜的物理變化和化學變化,升溫速率、峰值溫度和保溫時間是燒結工藝中三個重要的參數,尤其是升溫速率選擇不當,容易造成基板翹曲甚至開裂等問題。LTCC材料從組成和結構劃分可分為三類,第一類是玻璃陶瓷體系。第二類是傳統意義上的玻璃陶瓷復合體系。第三類是玻璃鍵合陶瓷體系。目前應用較為廣泛的是第一類陶瓷。


    介電常數和介電損耗隨升溫速率的變化規律與陶瓷的微觀結構變化有關

    升溫速率由4 ℃/分鐘增加至16℃/分鐘陶瓷內部致密性逐漸變差,氣孔率逐漸增加。在升溫速率為4 ℃/分鐘、8 ℃/分鐘時燒結的樣品較致密。在升溫速率為12 ℃/分鐘時內部出現明顯氣孔。升溫速率為16 ℃/分鐘時,樣品斷面氣孔進一步增加。這是因為在排膠完成后,由于升溫速率較慢,玻璃陶瓷材料隨著溫度的升高,晶??捎行虻厣L,隨著晶相的增加和晶粒的長大,內部的氣孔可慢慢地排出,實現玻璃陶瓷材料的致密化。當升溫速率過快時內部的晶相未能充分地析晶、長大內部的氣孔不能及時排出,導致內部氣孔增多。根據復合材料介電常數混合定律,低介電常數物質的引入會降低復合材料的介電常數。由于空氣的介電常數為1,低于CaSiO3、CaB2O4等晶相的介電常數,因此隨著升溫速率增加,介電常數變小,介電損耗變大。


    不同升溫速率會影響基板翹曲度

    當升溫速率為4 ℃/分鐘~8 ℃/分鐘時,基板翹曲度為 0.21%左右,隨著升溫速率升溫至12 ℃/分鐘~16 ℃/分鐘基板翹曲度也在逐漸增加,在16 ℃/分鐘時,翹曲度為0.82%左右。

    由此看出升溫速率8 ℃/分鐘時平整性較好,16 ℃/分鐘時中間凸起明顯。這主要是因為玻璃陶瓷材料與銀電子漿料共同升溫燒結,當升溫速率為4 ℃/分鐘~8 ℃/分鐘時,銀電子漿料的燒結收縮速率與玻璃陶瓷的燒結收縮速率較為接近,但是當升溫速率增加至12 ℃/分鐘~16 ℃/分鐘時,由于銀電子漿料的燒結收縮速率遠大于玻璃陶瓷材料的燒結收縮速率,因此出現了燒結嚴重不匹配的現象,從而導致了基板拱起的現象。


    不同升溫速率會影響膜層附著力

    隨著升溫速率的增加,焊盤膜層附著力呈降低的趨勢。這是因為升溫速率為4 ℃/分鐘~8 ℃/分鐘時,陶瓷燒結產生的液相較多,可以與金屬膜層形成較好的附著力,同時瓷體較致密,氣孔較少,金屬膜層與陶瓷間的氣孔少,因此結合力較高,但是當升溫速率增加至12 ℃/分鐘~16 ℃/分鐘時,由于陶瓷燒結產生的液相含量降低,金屬膜層與陶瓷間的氣孔較多,降低了金屬膜層與陶瓷的結合力。隨著升溫速率的增加金屬漿料與陶瓷的共燒匹配性會變差,這也可能會導致金屬膜層與陶瓷間結合力的降低。


    LTCC液相燒結

    LTCC材料一般都是玻璃陶瓷或玻璃復合陶瓷粉的結構,具有較多的玻璃成分,因此LTCC燒結屬液相燒結。當LTCC材料在高溫段(≥500 ℃)時,玻璃相軟化成黏性液體,將陶瓷粉粒拉近、緊貼,并使粉?;罨?,在濃度差和界面張力的推動下,促使基板中氣孔長大和玻璃流動,實現陶瓷體積收縮和基板致密化。單層LTCC生瓷帶通過流延成型,而多層生瓷帶通過等靜壓成型形成致密的坯體。LTCC基板經過450 ℃的排膠峰值溫度后,坯體經排膠發泡后較為疏松,其顆粒間大部分呈分開狀態,顆粒間的空隙很多。隨著燒結溫度的升高和時間的延長,特別是650 ℃后陶瓷粉體的DSC曲線可以看出,陶瓷粉體開始吸熱軟化,其玻璃化溫度為668 ℃,這期間陶瓷顆粒間不斷發生接觸和重排,大氣孔逐漸消失,物質間傳質過程逐漸開始進行,顆粒間接觸狀態由點接觸逐漸擴大為面接觸,固-固接觸面積增加,固-氣表面積相應減少。


     結論

    (1)燒結升溫速率顯著影響了LTCC 基板的微觀結構。隨著燒結升溫速率的提高,制備的陶瓷基板內部氣孔增多,導致基板介電常數顯著降低,介電損耗增大,膜層附著力和抗沖擊能力變差。當燒結升溫速率在8 ℃/分鐘時,制備的 LTCC 基板不僅氣孔率低,強度高,而且具有良好的介電性能和熱力學性能。

    (2)燒結升溫速率會顯著影響銀電子漿料與玻璃陶瓷燒結收縮的匹配性。當燒結升溫速率從 4 ℃ /分鐘升高到 16 ℃/分鐘時,翹曲度從 0.21%提高到 0.82%,導致陶瓷基板翹曲,銀電子漿料的燒結收縮速率與玻璃陶瓷的燒結收縮速率失配。

    (3)LTCC陶瓷基板的燒結需要適當的升溫速率。升溫速率會影響燒結過程的傳質、晶相長大,以及氣孔排出和致密化過程,因此會影響力學和電學性能。


    氮化鋁( AlN) 陶瓷作為一種典型的高溫共燒陶瓷

    是一種新型的高導熱基板和封裝材料,具有高熱導率、低熱膨脹系數、低介電常數和低介質損耗、高機械強度等特點。AlN多層板加工流程與低溫共燒陶瓷(LTCC)類似,由生瓷片經過打孔、填充、印刷、層壓、切割、共燒和鍍涂等工藝加工而成。目前電子封裝常用的基板材料主要有四大類:聚合物基板,金屬基板,復合基板,陶瓷基板。陶瓷基板材料以其強度高、絕緣性好、導熱和耐熱性能優良、熱膨脹系數小、化學穩定性好等優點,廣泛應用于電子封裝基板。陶瓷封裝基板材料主要包括Al2O3、BeO和AlN等。目前Al2O3陶瓷是應用最成熟的陶瓷封裝材料,以其耐熱沖擊性和電絕緣性較好、制作和加工技術成熟而被廣泛應用。


    多層陶瓷基板使其成為一種廣泛應用的高技術陶瓷

    目前已投入使用的陶瓷基片材料有Al2O3、BeO和AlN、SiC等。從結構與制作工藝,共燒陶瓷板可分為高溫共燒多層陶瓷基板、低溫共燒陶瓷基板、厚膜陶瓷基板、直接鍵合銅陶瓷基板等。高溫共燒多層陶瓷基板制備工藝是先將陶瓷粉Si3N4、Al2O3、AlN加入有機黏結劑,混合均勻后成為膏狀漿料,接著利用刮刀將漿料刮成片狀,再通過干燥工藝使片狀漿料形成生坯,然后依據各層的設計鉆導通孔,采用絲網印刷金屬漿料進行布線和填孔,最后將各生坯層疊加,置于高溫爐(1600℃左右)中燒結而成。因為燒結溫度高,導致金屬導體材料的選擇受限,主要為熔點較高但導電性較差的鎢、鉬、錳等金屬,制作成本高,熱導率一般在20~200W/m℃,這取決于陶瓷粉體組成與純度。


    高溫共燒陶瓷相對于塑料基和金屬基其優點是:

    (1)低介電常數,高頻性能好。

    (2)絕緣性好、可靠性高。

    (3)強度高,熱穩定性好。

    (4)熱膨脹系數低,熱導率高。

    (5)氣密性好,化學性能穩定。

    (6)耐濕性好,不易產生微裂現象。


    陶瓷封裝材料缺點是:成本較高,適用于高級微電子器件的封裝,如航空航天和軍事工程的高可靠、高頻、耐高溫、氣密性強的封裝。在移動通信、家用電器、汽車等領域也有著廣泛應用。

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