CN1317213C - 一种微波功能模块用低介低损耗介质材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微波功能模块用低介低损耗介质材料及制备方法，首先将原料MgO、Al2O3、SiO2、ZnO和B2O3混合，熔制玻璃，将玻璃淬冷后得到透明、无析晶的玻璃体，湿法球磨后，再加入TiO2作为温度系数调节剂，混合、球磨、干燥，压成小圆片，烧成即得到本发明的材料。本发明的优点是：采用了MgO-Al2O3-SiO2-ZnO-B2O3***及TiO2温度系数调节剂，以及微晶玻璃工艺制造高频多芯片组件微波功能模块用介质材料，尤其是该材料能在低于900℃温度下与Ag电极共烧并烧结成瓷，具有较低的介电常数(ε＜5.5)、低损耗(tanσ＜6×10-4)、频率温度系数小(τf＝-10～10ppm/℃)、低热膨胀系数等特点，可用于制备多芯片组件微波功能模块、低通滤波器、多层天线等高频微波器件及模块。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波功能模块用低介低损耗介质材料及制备方法，属于材料科学技术领域。
背景技术
微组装技术是九十年代以来在半导体集成电路技术、混合集成电路技术和表面组装技术(SMT)基础上发展起来的新一代电子组装技术。微组装技术是在高密度多层互连基板上，采用微焊接和封装工艺组装各种微型化片式元器件和半导体集成电路芯片，形成高密度、高速度、高可靠的三维立体结构的高级微电子组件的技术。多芯片组件(MCM)就是目前微组装技术的代表产品。
多芯片组件是一种可以满足军用、移动通信、宇航电子装备、GPS全球卫星定位***和超级巨型计算机在微小型化、高可靠性、高性能等方面迫切需求的先进的微电子组件。它是将多个集成芯片和其它片式元器件组装在一块高密度多层互连基板上，然后封装在外壳内。多芯片组件根据多层互连基板的结构和工艺技术的不同分类，基本类型有MCM-L(叠层型多芯片组件)、MCM-C(陶瓷厚膜型多芯片组件)、MCM-D(沉积薄膜型多芯片组件)等。MCM-C是在高密度厚膜多层布线或共烧陶瓷多层互连基板上组装多个元器件和芯片构成的，其优点是布线层数多，布线密度、封装效率和性能均较高，主要工作于工作频率(30-50)MHz的高可靠产品。MCM-C采用的共烧陶瓷多层基板分为高温共烧陶瓷(HTCC)多层基板和低温共烧陶瓷(LTCC)多层基板两种。MCM-C的发展极为迅速，其发展重点是低温共烧陶瓷型，应用领域除移动通信、医疗电子设备外，还扩展到汽车电子***、个人计算机和消费类产品。低温共烧多层陶瓷基板的共烧温度一般在800-950℃之间，由于烧结温度低，可用电阻率高的金属作为多层布线的导体材料，大大提高了信号的传输速度和布线密度，克服了HTCC不能使用高电阻率(Au、Ag、Cu)、工艺复杂等缺点，基本满足了VLSI封装要求。
LTCC(低温共烧陶瓷)方法是将低介电常数、低损耗、低烧结温度的陶瓷粉料用流延工艺制成约为0.2mm的生膜片；将生膜片切成所需的尺寸，在设定的位置打通孔，在通孔内注入导电浆料；在生膜片上印筛电路图形，再将这些生膜片叠压在一起，通过通孔使层间导通，并将这些无源电子元件(R/L/PCTR/NTCR/压敏电阻等)埋置其中，然后烧结成一个整体结构。再采用各种微组装方法将IC、半导体器件、晶体器件等安装其表面，从而构成一个无源/有源电子元器件集成的多芯片组件(MCM)功能模块。国外一些著名公司都推出了多种LTCC功能模块，如美国的半导体公司开发了多种LTCC功能模块，其用于无线通信的频率合成模块，有十四层陶瓷层，内置谐振电容、反馈电容、级间耦合电容、输出电容、谐振电感及输出匹配电感等无源电子元件，然后在表面上IC、VCO变容二极管，形成一个表面贴装型微波功能模块，体积大大减小。Motorola制作的移动通信接收模块，包括收发开关、四个滤波器、低躁声放大器，阻抗匹配电路、偏置尺寸仅为12.5mm×12.5mm×2.2mm。元件组装密度达到34个/cm2。日本的公路电子收费***，作用距离为50m，传输频率为5.8GHz。在此***中使用的薄膜集成模块内包含有滤波器、功率放大器、混频器和双工器。微波功能模块的发展趋势是小型化、高频化(5.8GHz～40GHz)、多功能化。
在LTCC多芯片组件微波功能模块中，LTCC材料性能是决定微波功能模块性能的关键。Al2O3+玻璃介质陶瓷已广泛地应用于微电子领域作为基板和封装材料，但在高频范围内其介电常数大(ε＝9)，介电损耗也大，给集成电路的高密度封装、小型化、信号传输快速化带来困难。虽然有些有机聚合物(ε＝2.5～3.5)能满足设计要求，但由于导热系数偏高，无法承受高温，与金属导线结合不良等因素，使用受到极大限制。石英玻璃或水晶的介电容易碎裂，加工困难，难正确选择应用。目前，国外一些著名公司采用微晶玻璃作为介质基板材料。现在如已商用化的LTCC材料有duPont951[ε＝7.8、tanσ＝1.5×10-2(1KHz)]，Ferro A6[ε＝5.9、tanσ＝2×10-2(10KHz)]，HeraeusCT700[ε＝7.0、tanσ＝2×10-3(1KHz)]，MotorolaT2000[ε＝9.1、tanσ＝1×10-3(2GHz)]，但这些材料的的介电常数偏高，高频下材料介电损耗大，已逐渐难以满足微波功能模块高频(5.8GHz以上)使用的特殊要求。
发明内容
本发明的目的，是从微波功能模块制备工艺特点着手，提出一种微波功能模块用低介低损耗介质材料及制备方法，选择具有良好介电性能和机械性能的MgO-Al2O3-SiO2***，并采用微晶玻璃工艺达到低温烧结的目的以便在低于900℃以下与R/L/C/PTCR/NTCR等共烧，采用此材料集成微波功能模块，可在高频下(8GHz以上)使用。
本发明提出一种微波功能模块用低介低损耗介质材料及制备方法，包括以下内容：
一种微波功能模块用低介低损耗介质材料，其原料的重量百分比组成为：
MgO Al2O3 SiO2 ZnO B2O3 TiO2
12～15％ 25％～33％ 48％～53％ 0～5％ 0～5％ 2～10wt％
一种微波功能模块用低介低损耗介质材料的制备方法，包括以下步骤：
①将原料按下列重量百分比配料：
MgO Al2O3 SiO2 ZnO B2O3 TiO2
12～15％ 25％～33％ 48％～53％ 0～5％ 0～5％ 2～10wt％
②在上述MgO、Al2O3、SiO2、ZnO和B2O3混合料加入乙醇，湿法混合2～3h，在70～80℃烘干，装入高铝坩锅内，熔制玻璃，熔制温度1400～1600℃，保温1～3h。；
③将玻璃淬冷后得到透明的玻璃体，湿法球磨至玻璃粒径1～2μm，加入2～10wt％TiO2，球磨混合18～24h，在4～10MPa的压力下压制成小圆片，在850℃～950℃预烧，保温1～6h，得到本发明材料。
采用上述配方及工艺组成的本发明，介电性能与国外同类LTCC材料的水平相当，部分指标优于国外同类产品，可替代进口材料，为国家节省大量外汇，可促进我国微波功能模块的开发进程。本发明具有以下特点：
①可在较低温度下(900℃)烧成，可以与Ag电极共烧。
②材料具有较低的介电常数(ε＜5.5)、低损耗(tanσ＜6×10-4)、低热膨胀系数、频率温度系数小(τf，＝-10～10ppm/℃)等特点，提高了交叉布线密度，减小了线间干扰。
③引入TiO2来调整温度系数，不仅使材料的频率温度系数接近于零，而且作为晶核剂，促进了材料析晶。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述。
表1是本发明的四个比例配方(重量百分比wt％)
| MgO | Al2O3 | SiO2 | ZnO | B2O3 | TiO2 | |
| 1 | 13.93 | 30.64 | 52.84 | 1.69 | 0.94 | 0 |
| 2 | 13.66 | 30.00 | 51.80 | 1.66 | 0.92 | 1.96 |
| 3 | 13.27 | 29.18 | 50.32 | 1.61 | 0.90 | 4.76 |
| 4 | 12.90 | 28.37 | 48.93 | 1.56 | 0.87 | 7.40 |
如表1所示配方中，要求使用高纯度原材料。
其中：
1、称量MgO(13.93wt％)、Al2O3(30.64wt％)、SiO2(52.84wt％)、ZnO(1.69wt％)、B2O3(0.94wt％)混合(其中B2O3以H2BO3形式引入)，过筛，混合，装入高铝坩锅内，熔制玻璃(1450℃保温1h)，将玻璃淬冷后得到透明的玻璃体，湿法球磨至平均粒径1～2μm，在4MPa的压力下成型成小圆片，按制定的烧成温度(最高烧成温度900℃；保温2h)，即得到本发明材料。
2、称量MgO(13.66wt％)、Al2O3(30.00wt％)、SiO2(51.80wt％)、ZnO(1.66wt％)、B2O3(0.92wt％)混合(其中B2O3以H2BO3形式引入)，过筛，混合，装入高铝坩锅内，熔制玻璃(1400℃保温1h)，将玻璃淬冷后得到透明的玻璃体，湿法球磨至平均粒径1～2μm，加入1.96wt％TiO2，球磨18h，在4MPa的压力下成型成小圆片，按制定的烧成温度(最高烧成温度900℃；保温时间4h)，即得到本发明材料。
3、称量MgO(13.27wt％)、Al2O3(29.18wt％)、SiO2(50.32wt％)、ZnO(1.61wt％)、B2O3(0.90wt％)混合(其中B2O3以H2BO3形式引入)，过筛，混合，装入高铝坩锅内，熔制玻璃(1500℃保温1h)，将玻璃淬冷后得到透明的玻璃体，湿法球磨至平均粒径1～2μm，加入4.76wt％TiO2，球磨24h，在4MPa的压力下成型成小圆片，按制定的烧成温度(最高烧成温度900℃；保温2h)，即得到本发明材料。
4、称量MgO(12.90wt％)、Al2O3(28.37wt％)、SiO2(48.93wt％)、ZnO(1.56wt％)、B2O3(0.87wt％)混合(其中B2O3以H2BO3形式引入)，过筛，混合，装入高铝坩锅内，熔制玻璃(1450℃保温，2h)，将玻璃淬冷后得到透明的玻璃体，湿法球磨至平均粒径1～2μm，加入7.40wt％TiO2，球磨20h，在4MPa的压力下成型成小圆片，按制定的烧成温度(最高烧成温度920℃；保温2h)，即得到本发明材料。
用本发明四个配方压成的圆片，其电性能如下表所示。
| 序号 | f(GHz) | ε | Q×f(GHz) | Tf(ppm/℃)(25℃～85℃) |
| 1 | 8.6358 | 4.94 | 14560 | -27 |
| 2 | 8.3731 | 5.13 | 15306 | -20 |
| 3 | 8.0721 | 5.43 | 14110 | -6 |
| 4 | 8.6010 | 5.58 | 12042 | +2 |
Claims (3)
1、一种微波功能模块用低介低损耗微晶玻璃材料，其特征在于：其原料的重量百分比组成为：
MgO Al2O3 SiO2 ZnO B2O3 TiO2
12～15％ 25％～33％ 48％～53％ 0～5％ 0～5％ 2～10wt％。
2、一种微波功能模块用低介低损耗微晶玻璃材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
①将原料按下列重量百分比配料：
MgO Al2O3 SiO2 ZnO B2O3 TiO2
12～15％ 25％～33％ 48％～53％ 0～5％ 0～5％ 2～10wt％
②在上述MgO、A12O3、SiO2、ZnO和B2O3混合料加入乙醇，在行星磨湿法混合2～3h，在70～80℃烘干，装入高铝坩锅，熔制玻璃，熔制温度1400～1600℃，保温1～3h；
③将玻璃淬冷后得到透明、无析晶的玻璃体，湿法球磨至玻璃粒径1～2μm，加入2～10wt％TiO2，球磨混合18～24h，在4～10MPa的压力下压制成小圆片，在850℃～950℃烧结，保温1～6h，得到本发明材料。
3、根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
①将原料按下列重量百分比配料：
MgO Al2O3 SiO2 ZnO B2O3 TiO2
13.27wt％ 29.18wt％ 50.32wt％ 1.61wt％ 0.90wt％ 4.76wt％
②在上述MgO、Al2O3、SiO2、ZnO和B2O3混合料加入乙醇，在行星磨湿法混合2h，在80℃烘干，装入高铝坩锅，熔制玻璃，熔制温度1500℃，保温1h；
③将玻璃淬冷后得到透明、无析晶的玻璃体，湿法球磨至玻璃粒径1～2μm，加入4.76wt％TiO2，球磨混合，在4～10MPa的压力下压制成小圆片，在850℃～950℃烧结，保温1～4h，得到本发明材料。
Priority Applications (1)
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