LTCC材料共烧技术基础研究.ppt

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1、2023/7/31,1,LTCC材料共烧技术基础研究,张怀武 教授,2023/7/31,2,LTCC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,2023/7/31,3,LTCC技术的概念及其分类_概念,LTCC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,2023/7/31,4,LTCC技术的概念及其分类

2、_概念,The character of Thick Film、LTCC、HTCC technology,2023/7/31,5,LTCC技术的概念及其分类_概念,LTCC substrate with integrated passives,Construction of typical LTCC mutilayer device,Construction of typical LTCC mutilayer device,2023/7/31,6,LTCC技术的概念及其分类_概念,Cross-section of LTCC multilayer device showing the indiv

3、idual components that can be integrated,Individual components that can be integrated in LTCC,2023/7/31,7,LTCC技术的概念及其分类_概念,LTCC INDUCTOR,LTCC BANDPASS FILTER 3D LAYOUT,LTCC INDUCTOR have been used,2023/7/31,8,LTCC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,生磁料带制造,2023/7/31,9,LTCC技术之国内外发展现状,目前实现

4、多达50层、16英寸，应用频率为50MHz5GHz 的LTCC集成电路 日本富士通已研制出61层，245mm的共烧结构 美国IBM公司研制出了66层LTCC基板的多芯片组件,2023/7/31,10,LTCC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,国内需求情况,2023/7/31,11,LTCC技术有待完善的问题,收缩率控制问题基板散热问题基板材料的研究 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,2023/7/31,12,LTCC材料工艺机理及相关理论,低温烧结理论,铁氧

5、体的固相反应和烧结,ZnOFe2O3 高温 ZnFe2O4NiOFe2O3 高温 NiFe2O4,烧结的传质机理,粘滞流动,塑性流动,表面扩散,体 扩 散,2023/7/31,13,LTCC材料工艺机理及相关理论,晶粒边界在烧结中的作用,烧结中原子与空隙流,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,引入某些异价离子或配合适当气氛,使用超细颗粒法,低温烧结理论,2023/7/31,14,LTCC材料工艺机理及相关理论,晶化动力学理论,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,2023/7/31,15,LTCC材料工艺机理及

6、相关理论,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 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,2023/7/31,16,LTCC材料工艺机理及相关理论,技术公式,初始磁导率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）,2023/7/31,17,LTCC材料工艺机理及相关理论,磁滞

7、现象分析模型Preisach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,2023/7/31,18,LTCC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Preisach理论,2023/7/31,19,LTCC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Preisach理论,2023/7/31,20,复合材料工艺,复合机理,Zn2+,Mn2+,Fe3+,Cu1+,Fe2+,Mg2+,Li1+,Cu2+,

8、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,2023/7/31,21,复合材料工艺,研究方案及工艺路线,2023/7/31,22,实验数据及讨论,部分工艺条件对NiZn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。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。,2023/7/31,23,部分工艺条件对NiZn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

9、：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,2023/7/31,24,部分工艺条件对NiZn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

10、论,2023/7/31,25,部分工艺条件对NiZn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,实验数据及讨论,2023/7/31,26,部分工艺条件对NiZn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,2023/7/31,27,CuO掺杂对NiZn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

11、，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）,CuO对起始磁导率i的影响,实验数据及讨论,2023/7/31,28,CuO掺杂对NiZn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,2023/7/31,29,CuO掺杂对NiZn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

12、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,2023/7/31,30,MnCO3掺杂对NiCuZn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,2023/7/31,31,MnCO3掺杂对NiCuZn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,2023/7/31,32,MnCO3掺杂对NiCuZn铁氧体磁性能影响,MnCO3含量对

13、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,2023/7/31,33,MnCO3掺杂对NiCuZn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

14、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,2023/7/31,34,陶瓷复合对NiCuZn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：,实验数据及讨论,2023/7/31,35,陶瓷复合对NiCuZn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,

15、2023/7/31,36,陶瓷复合对NiCuZn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母体的影响,实验数据及讨论,2023/7/31,37,陶瓷复合对NiCuZn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,2023/7/31,38,陶瓷复合对NiCuZn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Ti

16、4+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,2023/7/31,39,陶瓷复合对NiCuZn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-

17、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,2023/7/31,40,陶瓷复合对NiCuZn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

18、不完全相同。,实验数据及讨论,2023/7/31,41,陶瓷复合对NiCuZn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,2023/7/31,42,陶瓷复合对NiCuZn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：

19、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,2023/7/31,43,陶瓷复合对NiCuZn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,2023/7/31,44,陶瓷复合对NiCuZn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

20、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。,实验数据及讨论,2023/7/31,45,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,2023/7/31,46,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,2023/7/31,47,陶瓷复合对Ni

21、CuZn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图,A3 SEM图,实验数据及讨论,2023/7/31,48,陶瓷复合对NiCuZn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,2023/7/31,49,Bi3+对复合材料磁性能影响,Bi2O3

22、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,2023/7/31,50,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

23、讨论,Bi3+对复合材料磁性能影响,2023/7/31,51,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,Bi3+对复合材料磁性能影响,实验数据及讨论,2023/7/31,52,Bi2O3对品质因数的影响现象：掺杂后的复合材料品质因数增大，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,Bi3+对复合材料磁性能影响,2023/7/31,53

24、,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。,Bi3+对复合材料磁性能影响,实验数据及讨论,2023/7/31,54,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,2023/7/31,55,结论,NiZn铁氧

25、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。,2023/7/31,56,BaTiO3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,