CN101514102A - 一种铁氧体与陶瓷材料低温匹配共烧方法 - Google Patents

一种铁氧体与陶瓷材料低温匹配共烧方法 Download PDF

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张怀武
陈大明
谢云松
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Abstract

一种铁氧体与陶瓷材料低温匹配共烧方法，属于电子元器件技术领域，涉及陶瓷和铁氧体的低温共烧方法(LTCC技术)，尤其是一种LTCC技术中消除应力、实现异相材料匹配共烧的方法。本发明通过在铁氧体流延浆料配方中加入相当于铁氧体粉料5wt％的BBSZ玻璃作为匹配共烧助剂，控制异相材料之间烧结致密化特性参数的一致，从而实现在共烧过程中的匹配烧结。本发明有效改善了材料的低温烧结致密化特性参数，可以实现异相材料的匹配共烧；同时对陶瓷或铁氧体粉料的电磁性能影响不大。本发明具有简便、可操作性好、价格低廉、效果明显等特点，可广泛应用于LTCC技术中制作各种电子元器件。

Description

一种铁氧体与陶瓷材料低温匹配共烧方法
技术领域
本发明属于电子元器件技术领域，涉及陶瓷和铁氧体的低温共烧方法(LTCC技术)，尤其是一种LTCC技术中消除应力、实现异相材料匹配共烧的方法。
背景技术
多层结构的低温共烧陶瓷和铁氧体(Low Temperature Co-fired Ceramics and Ferrite-统称为LTCC)技术的出现，为系统封装提供了一个理想的解决方案。它是将低温烧结的陶瓷粉或铁氧体粉制成生瓷带，在生瓷带上利用打孔、填孔、精密导体浆料印刷等工艺制作出所需要的电路图形，然后叠压在一起，经过切割、排胶后在900℃下烧结，制成三维空间互不干扰的高密度电路。其中内埋于基板内的元器件主要是电阻、电容、电感、滤波器，天线、耦合器等无源元件，而有源器件、单晶微波集成电路(MMIC)与射频集成电路(RFIC)则贴在LTCC的表面，从而实现各式各样紧密且低成本的小型化无线通讯射频模块(或组件)。因此LTCC技术已成为无源集成技术的研究焦点与主流技术，是射频(RF)及微波领域发展的关键基础技术之一。
近年来，基于异相低温烧结材料，采用LTCC工艺组建各种电子元器件的方法，由于有利于电子元器件向小型化、高频化、集成化及多功能化的方向发展，更是受到了科研工作者的广泛关注。然而，在实现异相材料烧结过程中(特别是针对铁氧体与陶瓷材料体系)，由于材料烧结特性的不匹配，常常会引入大量的共烧缺陷及较大的应力，从而严重的影响了电子元器件的可靠性。为了解决这种材料的不匹配共烧对器件性能产生的影响，目前文献报道的解决方法只有两种：1.采用复合手段：即制备铁氧体与陶瓷的复合材料作为缓冲层，从而减小应力造成的弯曲甚至开裂现象；2.采用中间过渡层：即在两种介质中加入第三种材料作为中间过渡层，也可以减小这种现象造成的影响。但无论是加入中间层还是缓冲层的方案，均无法从根本上解决这种烧结的不匹配带来的影响；同时由于引入了中间层或缓冲层材料，很难知道材料的确切电磁参数，从而无法预计所制作的器件电磁性能，给生产带来极大的不便。因此，如何从材料角度出发，从根本上解决异相材料的匹配共烧问题具有非常重要的工程价值。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种铁氧体与陶瓷材料低温匹配共烧方法，通过在铁氧体流延浆料配方中加入适量的匹配共烧助剂，控制异相材料之间烧结致密化特性参数的一致，从而实现在共烧过程中的匹配烧结。
本发明技术方案是：
一种铁氧体与陶瓷材料低温匹配共烧方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：分别配制陶瓷粉料和铁氧体粉料的流延浆料，其中在铁氧体流延浆料中加入相当于铁氧体粉料5wt％的BBSZ玻璃，即Bi2O3·B2O3·SiO2·ZnO玻璃作为匹配共烧助剂。
步骤2.采用LTCC工艺流程，经流延、打孔、填孔、印刷、叠片、等静压、切割、排胶、烧结、封端和电镀工艺制作出所需要的电子元器件。
本发明提供的用于LTCC技术中实现异相材料匹配共烧的方法，由于引入的匹配共烧助剂BBSZ玻璃可以在较低温度下形成液相或过渡液相烧结，有效改善了材料的低温烧结致密化特性参数，可以实现异相材料的匹配共烧；同时，匹配共烧助剂存在于晶格与晶界中，对陶瓷或铁氧体粉料的电磁性能影响不大，还可以通过仿真预计所制作的器件的电磁性能，既使得电子元器件的可靠性得到了保证，又保证了材料的电磁参数不受影响，从而从根本上克服了目前所使用中间层或缓冲层方法所带来的缺点。这种方法具有简便、可操作性好、价格低廉、效果明显等特点，可广泛应用于LTCC先进制造领域中制作各种电子元器件使用。
附图说明
图1是本发明提供的铁氧体与陶瓷材料低温匹配共烧方法的工艺流程示意图。
图2是本发明提供的铁氧体与BBSZ掺杂铁氧体材料磁导率的测试曲线。
图3是本发明提供的方法所得异相材料的共烧特性参数与未加匹配烧结助剂的共烧特性参数比较，其中曲线(a)为未加匹配烧结助剂的铁氧体与陶瓷的烧结致密化参数、曲线(b)为加匹配烧结助剂的铁氧体与陶瓷的烧结致密化参数。
图4是本发明提供的方法所得异相材料界面的微观形貌图与未加匹配烧结助剂的扫描电镜(SEM)微观形貌图比较。图(a)为未加匹配烧结助剂的铁氧体与陶瓷的烧结界面、图(b)为加匹配烧结助剂的铁氧体与陶瓷的烧结界面。
具体实施方式
称取100.0g NiCuZn铁氧体粉料(自制)，溶剂甲苯30.0g、乙醇20.0g、分散剂5.5g、增塑剂0.7g、球磨5h后加入33.0g粘结剂，球磨8h，加入5wt％的BBSZ匹配烧结助剂，球磨12h，消泡后，流延，膜厚25um，待用。
称取100.0g陶瓷粉料(商品牌号：ULF140，购自美国Ferro公司)，溶剂甲苯30.0g、乙醇20.0g、分散剂5.5g、球磨5h后加入33.0g粘结剂，球磨8h，消泡后，流延，膜厚25um，待用。
对上述实施方式制备的铁氧体浆料经排胶(400℃，8h)后，得到含5wt％BBSZ的铁氧体粉料。经造粒，压制标环，在900℃烧结6h后，用Agilent4291B测试，结果见图2。图2(a)、(b)分别为磁导率实部与虚部的测试数据。从图中可以看出，5wt％BBSZ的加入对磁导率的影响较小。其中磁导率实部有所增加，虚部下降，说明BBSZ的加入对材料电磁性能有所提高，但不明显。测试结果说明适量的BBSZ的加入是不会牺牲材料的电磁性能的。
对上述实施方式制备的流延铁氧体膜片及陶瓷膜片分别用热机械分析仪(TMA)测试其烧结致密化特性参数，见图3。多层样品由铁氧体膜片及陶瓷膜片交替叠片，在55℃、15MPa下等静压10min，经900℃烧结6h制得。图4为样品界面的扫描电镜SEM微观测试图。从图2(a)可以看出在铁氧体与陶瓷材料中存在明显的烧结特性参数不匹配，其中铁氧体在850℃之前的致密过程要远远慢于陶瓷材料，但在850℃之后要比陶瓷材料稍快。同时铁氧体材料的最大致密化温度为980℃，要超过陶瓷材料的最大致密化温度约150℃。这种收缩的不匹配必然会导致在铁氧体与陶瓷材料界面上出现较大的应力和变形。这点可以从图4(a)中证明，正是由于这种不匹配性给器件的可靠性带来了极大的影响。图3(b)是通过本发明提供的方法得到的铁氧体烧结致密化特性参数，与未采用本法制得的铁氧体烧结致密化特性参数相比，可以看出，它的收缩率得到了明显的改善，并且与陶瓷材料的烧结致密化特性参数曲线非常一致，很好的实现了异相材料的匹配烧结。并且从图4(b)也可以看出，样品的界面未出现变形与缺陷，异相材料的晶粒生长正常，微观结构非常致密。

Claims (1)

1、一种铁氧体与陶瓷材料低温匹配共烧方法，包括以下步骤：
步骤1：分别配制陶瓷粉料和铁氧体粉料的流延浆料，其中在铁氧体流延浆料中加入相当于铁氧体粉料5wt％的BBSZ玻璃，即Bi2O3·B2O3·SiO2·ZnO玻璃作为匹配共烧助剂；
步骤2：采用LTCC工艺流程，经流延、打孔、填孔、印刷、叠片、等静压、切割、排胶、烧结、封端和电镀工艺制作出所需要的电子元器件。
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