CN1117478A - 用于混合式集成电路的陶瓷基片 - Google Patents

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Abstract

本文是生产薄Ba2Ti9O20陶瓷基片的工艺。为了生成具有98.5％密度、高损耗特性和光滑的表面的接近单相的陶瓷，应确保初始粉末在1020℃至1090℃的范围内进行预反应，加工成所要求的形状，然后在温度为1330℃至1350℃范围内烧结成型。Ba2Ti9O20化合物中掺入稍过量的TiO2会比按照标准配比或掺入稍过量Ba具有更光滑的表面。由这种预反应粉末形成的基片比在高于1075℃条件下具有较少的表面缺陷。较低的烧结温度也降低基片/安装器反应的可能性。

Description

用于混合式集成电路的陶瓷基片
此项发明涉及用于混合式集成电路的陶瓷基片。
在射频模块中需要使用大量的薄陶瓷基片。这些模快(微带线)的技术使用了高电介常数基片上的印刷电路以减小电路尺寸、降低成本及简化设计。当陶瓷基片作为薄膜的无源底座时，其物理特性很重要，如：表面粗糙度，电阻率、导热性及密度，表面粗糙度影响薄膜导体的均匀性同时要求高电阻率防止漏电和短路。足够的导热性防止由于温度偏移造成设备变形同时高密度提高抗弯曲强度。
常规地，在Al2O3基片上安装薄膜电路(FIC工艺)或混合式集成电路(HIP工艺)。此基片提供具有高导热性和高电阻率的惰性强平台。然而，较低的电介常数(K～9.6)对电路性能有一定的影响。当用在这些模块(微带线)中时，陶瓷基片应具有高电介常数，使导体间的相互作用很强。由于Ba2Ti9O20陶瓷具有高电介常数，K＝40，低微波损耗，在4GHz时，Q＝10000和电介常数不随温度变化等特性，所以已用于谐振器中。需要的是从这种陶瓷材料中制造出具有无缺陷、无大颗粒的光滑表面的有用基片。
此项发明体现了用在用金属化薄膜的射频模块中的细薄Ba2Ti9O20陶瓷基片。具有密度为98.5％(4.56g/cm3)、高损耗特性和光滑的表面接近单相的陶瓷的构成，是通过使初使粉末在1020℃至1090℃，优选温度1030℃至1075℃，最佳温度1045℃至1075℃的范围内进行预反应，将预反应后的粉末加工成所要求的形状，然后在1330℃至1350℃、优选温度1340℃至1350℃范围内烧结成形来保证的。Ba2Ti9O20化合物中掺入稍多些的TiO2会比按照标准配比或掺入稍多些的Ba离子具有更光滑的表面。由这种预反应粉末形成的基片比在高于1075℃条件下形成的基片具有较少的表面缺陷。较低的烧结温度也降低基片/定位器反应的可能性。
图1表示在1330℃至1390℃条件下烧结后的粉末，其预反应温度与密度间的曲线图。画圆圈点表明大颗粒的Ba2Ti4O9作为主相。
大的Ba2Ti9O20陶瓷基片正被考虑用于射频模块中。基片厚度范围在0.010至0.080英寸之内，优选厚度范围在0.025至0.030英寸。基片应满足一定的绝缘性、强度、厚度及光滑等技术要求。为满足绝缘性指标，Ba2Ti9O20陶瓷密度必须均匀同时当密度至少为4.568g/cm3时，可获得足够的强度。为达到此密度，常规的粉末处理工艺要求使用1135℃至1145℃的高预反应温度和大约1390℃的高烧结温度。通常，在1100℃至1150℃下已对BaTiO3和TiO2粉末进行预反应至少6小时，然后在1380℃至1390℃下将粉末在氧气中烧结达6小时，从而获得了适用于谐振器的陶瓷。
在用常规的制造细薄Ba2Ti9O20基片(0.025～0.030英寸)工艺中所面临的一个问题是在烧结过程中Ba2Ti9O20陶瓷基片与支承基片的安装器(陶瓷底座)之间产生反应。这种反应在基片表面与陶瓷底座或盖重(cover weights)连接处产生缺陷。第二种缺陷，是其直径或深度≥0.002英寸的较大表面颗粒，也影响具有线宽≥0.004英寸，厚度～0.0003英寸的导体的薄膜金属化。由于不正确的预反应或不合适的阳离子标准配比，当BaTi4O9颗粒快速生长时，就会出现后一种缺陷。
Ba2Ti9O20是在高温下，BaCO3和TiO2或BaTiO3和TiO2反应形成几种Ba—Ti—O化合物中的一种。如果初始粉末按照适当比例充分混合后，预反应粉末生成多种化合物的含量取决于温度和加热时间。除Ba2Ti9O20相外，在预反应过程中会生成其它相，包括Ba4Ti13O30、BaTi4O9和BaTi5O11。除非在预反应过程中生成至少15％的Ba2Ti9O20相，否则不会产生一个高密度、接近单相，具有高损耗特性的Ba2Ti9O20陶瓷。这种情况是由于在预反应和烧结过程中Ba2Ti9O20相对于BaTi4O9具有较慢的生成动力，和在预反应和烧结过程中BaTi4O9颗粒的加速生长。一旦生成较大颗粒，BaTi4O9相对稳定且趋向集中在加热表面，使表面粗糙度增加。
在以往Ba—Ti—O陶瓷工艺过程中，如使用Ba2Ti9O20作为低损耗、高绝缘性的谐振器陶瓷，目的是使加工的陶瓷具有机械稳定性、高损耗特性和较低谐振器频率温度系数。这些目的是通过对阳离子标准配比的精确控制、采用高纯度原材料，高密度处理工艺、完全氧化过程及对TiO2的第二相抑制来达到的。要求在较高烧结温度即1390℃左右产生这种特性的陶瓷。较低温度的预反应下产生的粉末不含有一定量的Ba2Ti9O20，就不能生产出适用于谐振器的陶瓷。这些陶瓷经常含有大量的BaTi4O9第二相，从而降低电介常数，增加温度系数。当降低烧结温度以防止BaTi4O9的形成时，陶瓷密度和损耗特性也随之降低。
在射频模块中使用Ba2Ti9O20基片，由于它具有已金属化而不是正被非金属化的表面，因此其固有的损耗特性就不显得那么重要。同样地，就谐振器陶瓷而言，要求在化合物中掺入过量的Ba以避免基片产生细微裂纹。我们已发现：基片的细薄截面降低了再氧化的需要和产生细微裂纹的趋势，这一现象不取决于在射频模块中的标准配比。我们还发现如果预反应温度降低到一定范围且仍能进行充分地反应，则较低的预反应温度容许较低的烧结温度并使生成的陶瓷基片性能得到改善。降低烧结速度也将减少基片/安装器的反应程度。另外，由于较低的温度减小了象弯曲或裂纹等方面的变形和产生较小的表面颗粒，从而还能改善平滑度，拥有更光滑的表面。申请人已发现预反应温度在1020℃至1090℃范围内，优选温度在1030℃至1075℃范围，然后在1330℃至1350℃温度范围内进行烧结，产生的细薄基片具有高密度(≥4.559/cm3)和光滑的表面。掺入稍过量的TiO2所生成的化合物比按照标准配比或掺入稍过量的Ba离子所生成的化合物具有更光滑的表面。
将BaTiO3＋TiO2充分地混合得到适用于制造基片的粉末。配比公式是BaTiO3＋3.5XTiO2，这里X从1.001至1.01。X值是根据经验确定的，以在烧结过程中，产生具有少量的TiO2第二相位的陶瓷。由于电容的大温度系数，不期望X值过大。
将预反应后的粉末放在具有1/2英寸的ZrO2介质的水中碾磨5个小时之后，使粉末干燥并结成颗粒。在900℃的条件下，将粉末在空气中充分加热一段时间以去掉任何粘滞的杂质，然后把预加热后的粉末加工成各种形状和尺寸。采用如冲压、浇铸、滚动铸压成型等方法将这些粉末加工成细薄的形状。在1330℃至1390℃下，在氧气中烧结6小时。
在抛光的圆盘或取样管上测量颗粒的大小，在1150℃下进行热蚀，通过浸没法获得颗粒的密度。在热蚀的前后用光学方法检查圆盘剖面的微结构得到第二相的资料。采用一个在2mm的轨道上带有一个12μm直径的触针的轮廓仪(Dectak II，Veeco Corp)测量表面粗糙度。通过染料着色程度确定是否有造成不稳定绝缘特性的微细裂纹出现。
图1表示了预反应和烧结温度对烧结后陶瓷密度的影响。对密度＞4.559/cm3、在≤1045℃预反应的粉末必须在低于1370℃以下进行烧结而在1135℃下的预反应的粉末必须在1350℃以上进行烧结。在1030℃至1075℃进行预反应生成的粉末在1350℃下进行烧结可达到最高密度。产生第二相的情况是用一个特殊的符号(大圆圈)表示的。将用在1135℃、1100℃和1075℃下预反应并在1330℃至1400℃范围内进行烧结的粉末制造的陶瓷基片样品的密度和表面粗糙度在表1中进行比较。对于相同的密度，用在较低温度下预反应的粉末制造出来的高密度陶瓷可得到较小的表面粗糙度。
                     表I
                 基片特性烧结温度      预反应温度℃            1135℃     1100℃         1075℃
    密度        粗糙度  密度   粗糙度   密度   粗糙度1400    4.603g/cm3 52μm1390    4.595       44      4.599  521380    4.5881370    4.572       34                      4.598  361350    4.539       31      4.588  30       4.598  281340    4.498               4.567  311330                        4.548  23       4.569  21
由预反应粉末做成的陶瓷微结构通常是＞95％的Ba2Ti9O20相位。将从≤1045℃下预反应并在≥1370℃下进行烧结的粉末得到的陶瓷是例外的。在这些温度下，有助于BaTi4O9颗粒的生长并在较小的Ba2Ti9O20和TiO2颗粒的晶格中发现很大的BaTi4O9颗粒(～500μm×100μm)，对在＞1090℃预反应的粉末，Ba2Ti9O20颗粒的尺寸随烧结温度从1330℃时的3～5μm增加到在1390℃时的10—15μm。
本领域技术人员很容易对本发明进行附加的改进及修正。因此，本发明从广义方面上讲，并不局限于具体技术细节，相应的设备及本文所显示和描绘的图表数据。相应地，允许对此发明进行各种修正，而不脱离在附加权利要求和与之等效的范围下所定义的总体发明概念的实质和范围。

Claims (9)

1.一个生产Ba2Ti9O20陶瓷基片的工艺过程，包括：
预反应包含TiO2与BaCO3和BaTiO3两者之中至少一种的初始材料，将预反应后的材料加工成所要求的薄片，然后对构成的预反应后的材料进行烧结，其中
为确保生成具有光滑表面的高密度结构，所述预反应在1020℃至1090℃范围内进行，所述烧结过程在1330℃至1350℃范围内进行。
2.在权利要求1所述的工艺过程中，所述的初始反应材料是BaTiO3和TiO2。
3.在权利要求2所述的工艺过程中，初始材料按照一个配比公式进行混合，即
BaTiO3＋3.5XTiO2，其中X值为1.001～1.01之间。
4.在权利要求1所述的工艺过程中，所述的预反应温度范围从1045℃至1075℃。
5.在权利要求1所述的工艺过程中，所述的烧结温度范围从1340℃至1350℃。
6.在权利要求1所述的工艺过程中，所述的薄结构厚度范围从0.010至0.080英寸。
7.在权利要求1所述的工艺过程中，所述厚结构厚度范围从0.025至0.030英寸。
8.在权利要求1所述的工艺过程中，烧结后的结构表面粗糙度小于30μ英寸。
9.按照权利要求1的方法生产一个Ba2Ti9O2基片，其中所述基片的密度大于4.55g/cm3，基片主表面粗糙度小于30μ英寸。
CN95105587A 1994-06-02 1995-05-29 用于混合式集成电路的陶瓷基片 Pending CN1117478A (zh)

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