低溫共燒陶瓷(LTCC)用電極銀漿研究進展

高于珺,馮靜靜劉 峰張發強馬名生劉志甫

(1.中國科學院上海硅酸鹽研究所 信息功能陶瓷材料與器件研究中心,上海 201899;2.中國科學院大學材料科學與光電工程中心,北京 100049)

低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics,LTCC)技術是集3D 高密度互聯、無源元件和IC 封裝于一體的多層陶瓷制造技術,能夠實現電子元器件的集成化、微型化和多功能化,廣泛應用于無線通信、航空航天、軍用電子等領域[1-2]。由于國產LTCC 材料國產化推進緩慢,我國所使用的LTCC 材料(特別是高端材料) 還主要依賴進口,相應的電極漿料也主要來自于外國供應商,關鍵核心技術受制于人[3-5]。近年來,我國對電子元器件領域的國產化要求越來越迫切,部分國內科研機構和企業已經在自主LTCC 材料開發方面取得了進展[6-8],配套電極漿料的研發已是當務之急。

銀電極因具有導電性好、導熱性優異、加工性(空氣中燒結)優良、成本低且可以低溫燒結等優點而廣泛應用于LTCC 技術中[9]。LTCC 導電銀漿的研究重點在于其印刷特性、共燒匹配性和電性能等。導電銀漿和LTCC 生瓷帶在燒結時有著各自的收縮率和燒結動力學特性,當銀漿和生瓷帶的燒結特性不匹配時,燒結樣品會產生翹曲、裂紋、分層等現象,降低元器件的電性能和使用壽命等,因此調整銀漿和生瓷帶的共燒特性尤為重要[10-12]。此外,燒結后的銀電極應致密,分辨率良好,與介質材料界面結合力強,不出現分層、開裂等現象[13]。為了自主開發與LTCC 生瓷帶相匹配的高質量導電銀漿料,亟需掌握LTCC 用電極銀漿的組成與組分設計原則,以及LTCC 技術對電極銀漿的性能需求。

本文從分析漿料的基本性能指標及各組分的作用出發,總結漿料的組分設計原則,系統歸納高頻應用對內、外、填孔銀漿的性能需求,梳理影響LTCC 電極銀漿主要性能的因素,并進一步討論LTCC 用電極銀漿的發展方向。

1 LTCC 用銀漿及其組成

根據銀漿在LTCC 基板或電子元器件中的使用位置,通常可以分為內電極漿料、外電極漿料和通孔填充漿料。銀內層導體的收縮率和燒結動力學要與LTCC 基板相匹配;表面導體要求具有良好的導電性、可焊性和耐焊料浸出性,以及優異的初始附著力和老化附著力;通孔填充導體要與基板兼容性好,具有較高的電導率和熱導率等[14-16]。表1 總結了三種銀漿的主要性能特點。可以看出各電極漿料均需具有優異的導電性和共燒匹配性;不同漿料對粘度等流變學行為要求不同[17-19];此外,外電極漿料對可焊性、耐焊料浸出性和附著力的要求較高,是研究的重點[20-22]。

表1 LTCC 電極銀漿的性能特點Tab.1 Performance characteristics of LTCC electrode silver paste

不管是內漿、外漿,還是填孔漿,一般均由功能相銀粉、有機載體和無機粘結相三部分組成[23-25]。無機粘結相通常包括玻璃粉與金屬氧化物等,用于調控銀粉的燒結以及銀電極與LTCC 基板的附著力;有機載體作為導電相銀粉與無機粘結相的載體,可分散無機粉末以提供所需的流變性能[26],通常包含有機粘結劑、溶劑、增塑劑和分散劑等。

1.1 功能相銀粉及其主要影響

功能相銀粉的形貌、粒徑及分布、結晶性、振實密度、表面特性等影響著導電漿料的流變性及燒結形貌,決定了銀漿電性能的優劣等。銀粉的形狀可以為球狀、片狀、棒狀、帶狀或樹枝狀中的一種或多種[13]。片狀銀粉通常由于接觸面積大,其銀電極的連通性和導電性更高[27]。而球狀或類球狀銀粉具有優異的流動性,更易于生成致密的厚膜,從而更多地應用于LTCC 導電漿料中[28-29]。

粒徑范圍合適的銀粉可以提高燒結后銀電極與基板間的匹配性及附著強度[15]。銀粉粒度過大會使絲網印刷的網孔堵塞,印刷后銀線的連續性降低;銀粉粒度過小會使銀粉間產生團聚現象,降低了與有機載體間的潤濕程度,影響漿料的均勻性。使用平均二次粒徑較大的銀粉可以抑制銀的過度燒結,且防止在導體表面上析出大量玻璃成分,銀粉、玻璃粉和鉑族金屬添加劑的協同燒結,調控了銀漿的收縮率,形成了致密的燒結體[30]。

結晶性好、振實密度大的銀粉制備的電極漿料導電性更好。將粒徑為4 μm 和0.4 μm 的球形銀粉進行混合,實現了超過7 g/cm3的最大振實密度,具有高的燒結密度,利于高電流負載下LTCC 的金屬化[31]。此外,銀粉的振實密度和總收縮率間存在良好的相關性。

表面包覆特殊金屬元素氧化物或過氧化物的銀顆粒具有較高的燒結起始溫度和較低的燒結收縮率[32]。如圖1 所示,利用金屬螯合劑包覆的銀粉更加均一、穩定,相對于傳統包覆的銀粉其燒結收縮曲線更接近于瓷體,更適于LTCC 銀漿的應用[20]。Hsiang 等[21]研究發現二氧化硅納米粒子沉積在銀粉表面能夠抑制銀浸出,防止高溫焊接過程中焊點的失效。

圖1 SEM 圖。(a) 未包覆的銀粉;(b) 傳統包覆的銀粉;(c) 金屬螯合劑包覆的銀粉[20]Fig.1 SEM images.(a) Uncoated silver powder;(b) Traditional coated silver powder;(c)Metal chelate coated silver powder[20]

1.2 有機載體及其組分設計原則

為了適應器件的小型化、印刷線路的精細化及快速低成本印刷,開發具有高分辨率的導體以及在高速印刷下長時間具有均勻、可靠印刷特性的材料是有機載體研究的重點。根據漿料的儲存穩定性和印刷適用性,載體中的溶劑應在環境溫度下緩慢蒸發,較高溫度下容易干燥。常溫常壓下,沸點為200～300 ℃的醇、酯類是有機載體的常用溶劑。在商用LTCC 銀漿中加入不同含量的稀釋劑可以改善漿料的粘度和觸變性等,提升其印刷性能[17]。

有機載體中粘結劑用于促進漿料凝膠結構的形成,防止無機顆粒沉降,并賦予漿料適宜的粘彈性和觸變性,使其順利地通過絲網轉移到基材上而不發生流淌[18,33]。粘結劑的聚合物鏈上應具有極性基團(如纖維素樹脂、丙烯酸樹脂、甲基丙烯酸樹脂、環氧樹脂等)以獲得金屬與無機粘結相的充分分散。樹脂應在低濃度下具有較高的粘度來賦予干膜足夠的“生坯強度”,并在燒結早期燃燒干凈[22]。

纖維素醚(如乙基纖維素)一直被商用厚膜漿料所用[34]。某些粘結劑(如圖2)的特殊基團會影響漿料與基板間的附著力,如丙烯酸聚合物中均含有—OH,能夠改善漿料與基板間的附著力;共聚物中甲基丙烯酸正丁酯(n-BMA)的玻璃化轉變溫度(約20 ℃)遠低于MMA(105 ℃)或MAA(185 ℃),具有軟化干漿料層的效果,從而提高了線條分辨率,印刷精度達到20 μm[35]。

圖2 三類丙烯酸粘結劑的結構[35]Fig.2 Structure of acrylate adhesive[35]

粘結劑的種類與含量也十分重要,如將乙基纖維素和丙烯酸樹脂按一定比例混合后,可以優化分子量和高分子鏈的空間網狀結構,將銀粉包裹分散得更加均勻。隨著粘結劑含量的增加,銀漿的粘度增大,且銀漿的電阻率及燒結后銀電極的致密度均呈先增大后減小的趨勢[36]。此外,有機載體對印刷互連用銀厚膜的翹曲、微觀結構、附著力和電學性能也有一定的影響[37]。

1.3 無機粘結相及其組分設計原則

在實際燒結過程中,生瓷片收縮的起始溫度遠遠滯后于銀粉,加入合適的無機粘結相可以延緩銀粉的過早收縮[38-39]。玻璃粉通常為無機粘結相的主要成分,由于潤濕現象,在燒結過程中具有良好流變性的熔融態玻璃可以流動進入銀粉構成的導電網絡細小孔隙中,燒結完成后粘附在基板上,形成機械結合。然而燒結溫度過高時,玻璃可能“漂浮” 到導體表面,導致可焊性和粘附力變差[22,40]。氧化物也是無機粘結相的成分之一,主要通過形成化學鍵提升厚膜-基板間的結合力[20,22]。

電極漿料中加入的玻璃粉不能出現明顯的析晶現象,玻璃粉軟化后處于黏滯流動狀態,通過自身的塑性變形來消除因導電漿料與生瓷片的線膨脹系數不同而產生的熱應力,具有良好的潤濕作用[41]。合適的玻璃粉熔融后從通孔漿料中向生瓷帶孔壁滲透,可以與生瓷帶中的熔融物一起形成一層熔點較低的玻璃相,從而降低填充漿料與生瓷帶間的擴散[42]。

圖3 無機粘結相在燒結過程中的理想狀態[38]Fig.3 Ideal state of inorganic binder phase in sintering process[38]

具有適當軟化點的玻璃粉可以防止其上浮在銀電極表面,在提高共燒匹配性的同時保證電性能[43]。調節無機粘結相的含量能夠獲得優異的附著力和導電性[44-45]。當玻璃粉含量為質量分數10%時,銀電極的致密度較好,孔隙率僅為1.9%[46]。Seo 等[47]發現玻璃粉有助于銀顆粒的快速重排和互連,增大銀顆粒間的接觸面積,降低電阻率;提升燒結溫度可以使玻璃粉的熔化更充分,電阻率降低。

由于PbO 能降低玻璃粉的軟化溫度,使玻璃相在燒結時具有優異的流動性[48],所以早期使用的無機粘結相大多含PbO。為了達到無鉛化的目的,目前常用的氧化物粘結劑主要有氧化銅、氧化鉍等。引入各種氧化物添加劑(TiO2、Sb2O3、Co3O4等),LTCC 用導電漿料在等溫和溫度循環條件下提高了厚膜焊點的附著力和熱穩定性[49]。

2 LTCC 用銀漿的主要性能及相關研究進展

在LTCC 銀漿使用過程中,印刷特性、共燒匹配性、電阻率、微波電性能、抗遷移性、可焊性、耐焊料浸出性、附著力以及與其他厚膜(含表面和埋置)的可焊性和相容性等對所研制的無源元器件、集成模塊、封裝基板等產品有重要影響,也是漿料研制過程中關注的重點。表2 總結了LTCC 內、外、填孔電極銀漿的主要性能及其影響因素。

表2 LTCC 電極銀漿性能的影響因素Tab.2 Factors influencing the performance of LTCC electrode silver paste

2.1 印刷特性及其主要影響因素

LTCC 技術的關鍵是厚膜技術的絲網印刷工藝,除了受到絲網印刷速度、刮刀的角度和幾何形狀、刮板和絲網等工藝參數的影響外,很大程度上取決于導體漿料的質量,尤其是流變學行為的影響[17,50]。漿料的流變特性反映了顆粒間力的作用及絮凝結構,高質量的漿料應具有合適的剪切變稀假塑性行為,便于在絲網中流動;同時,具有適當的觸變性,便于漿料結構的恢復,并且在印刷后不會出現坍落[18,50-51]。漿料還應具有合適的粘度,若粘度太低會使印刷后的銀線鋪展,線寬增大;漿料粘度過高時,印刷后銀膜上易出現網痕或針孔。各流變參數的影響非常復雜,絲網印刷的本質是銀漿內部網絡結構的破壞與重建,可用3ITT 測試進行模擬表征(如圖4 所示)。初始階段(t0～t1),對漿料施加小的應力/應變模擬漿料印刷前的初始狀態,即低剪切下漿料具有較高的粘度而不會滴落流淌;結構破壞階段(t1～t2),對漿料施加大的應力/應變模擬漿料印刷中內部網絡結構破壞的狀態,即漿料在高剪切下粘度降低利于漿料向印刷基板轉移;結構恢復階段(t2～t3),同樣對漿料施加小的應力/應變模擬漿料印刷后內部網絡結構逐漸恢復的狀態,即漿料轉移至基板后,漿料逐漸恢復了內部結構和粘度,用于保持印刷圖案的形貌。

圖4 3ITT 表征絲網印刷不同階段時漿料的粘度Fig.4 3ITT characterizes the viscosity of paste at different stages of screen printing

銀厚膜漿料的流變性能受銀粉的粒徑、形貌和填料性質的影響,反過來流變性也影響著多層厚膜的工藝參數和性能[52]。以聚乙烯醇為分散劑合成的銀粉(Ag/PVA)分散性好、球形、流動性好,粒徑分布窄;Ag/PVA 基厚膜漿料具有假塑性行為,引入填料對其流變特性影響顯著;Ag/PVA 顆粒與填料的均勻混合以及相應厚膜漿料的可再現流變特性,使其具有良好的邊緣清晰度和可重復性。Alias 等[17]研究發現印刷圖案的厚度隨稀釋劑含量的增加而降低,印刷分辨率與銀粉含量以及漿料的過網性能有關。當銀粉含量較低時,漿料的粘度也較低,印刷分辨率較低;若漿料不能過網或者網孔不干凈,也會使印刷線條不連續,分辨率降低。盡管銀漿中有機組分的含量較低,但作為粉末顆粒的橋梁,粘結劑主要控制了銀漿的粘彈性,影響漿料的印刷性能[36]。丙烯酸樹脂的結構恢復率較高,當HCO/PW 的質量比為1 ∶1 時,漿料表現出良好的觸變性,能夠印刷出高寬比(達0.314,即13.8 μm/44 μm)的銀細線[53]。

2.2 共燒匹配性及其主要影響因素

導電銀漿和生瓷帶在共燒過程中具有不同的燒結收縮率和燒結動力學特性,易導致試樣燒結后產生翹曲和分層等現象,影響元器件的導電性和穩定性。影響共燒匹配性的因素有很多,如生瓷帶的燒結特性、銀漿配方、燒結工藝等[54-57]。一般情況下,電極漿料的收縮率大于生瓷片的收縮率,且先于生瓷片收縮。因此,要調控銀粉、玻璃粉的粒徑及分布與含量等,并采用合理的燒結溫度和時間,來確保燒結匹配性和產品可靠性。

OKada 等[15]通過化學還原和噴霧熱解法制備了不同粒徑的銀粉,并研究了導電銀漿的燒結收縮行為。化學還原法制得的粉體收縮率和致密化速率要高于噴霧熱解法;噴霧熱解得到的銀漿收縮曲線與基板的收縮曲線吻合度較好,致密化行為基本一致。通過篩選銀粉粒徑分布D50(圖5(a))和銀粉級配(圖5(b))調節共燒收縮率,確定了共燒收縮率差距較小且電阻率低的較優條件為: 銀粉粒徑分布D50=3.9 μm;級配mSIL31∶mSIL32=1 ∶1[56]。此外,銀粉含量也是影響共燒匹配程度的重要因素之一[35],銀粉含量為質量分數70%時,試樣的收縮匹配性比含量為75%和80%時的更好。研究金屬有機前驅體對銀漿燒結致密化的影響,發現金屬有機前驅體,特別是鋯基有機前驅體,在銀漿中更有利于抑制銀顆粒的燒結,并有效降低銀漿和陶瓷的燒結失配[58]。Eberstein 等[31]研究發現振實密度高的銀粉,其收縮率較低,致密化程度較高;隨著無機粘結相含量的增加,致密化程度提高,收縮率和表面電阻降低。

圖5 銀粉(a)粒徑分布與(b)級配對共燒收縮率和電性能的影響[56]Fig.5 Effect of (a) particle size distribution and (b) grade ratio of silver powder on co-firing shrinkage and electrical properties[56]

導電銀漿中加入的無機粘結相組分應與介質材料的相近,以減少燒結擴散行為,調節電極燒結收縮率。無機粘結相的加入量越多,電極與基體的燒結收縮率越匹配,但加入量過大會使電極的電阻率增大[13]。如圖6 所示,當銀漿中LTCC 玻璃粉含量由體積分數15%增至30%時,銀漿的致密化機理從固態擴散變為粘性流動控制,致密化速率降低,致密化行為更接近于LTCC 基板[16]。對銀漿約束燒結行為的研究發現,與自由燒結相比,銀膜在約束燒結過程中表現出更低的致密化和更慢的致密化動力學[59]。劉歡等[41]研究表明,隨著Li2O 含量的增加,SiO2-Al2O3-B2O3-CaO-Li2O 系玻璃粉配制導電銀漿的線膨脹系數逐漸降低,當Li2O 含量降至質量分數2%時,燒結后銀電極與LTCC 基板的共燒匹配性良好,電阻率最低,具有優異的導電性。

圖6 無約束LTCC 生瓷帶與不同銀厚膜的致密化曲線[16]Fig.6 Densification strain-temperature curves for an unconstrained LTCC tape and different silver thick films[16]

2.3 電性能及其主要影響因素

LTCC 配套銀電極漿料用于各層和有源/無源組件之間的電氣連接,對元器件的最終性能和使用壽命都有重要影響。電性能作為關鍵指標之一,與導電漿料中銀粉的形貌與粒徑、印刷圖案的分辨率、無機粉體的種類與含量、燒結制度等有關。

當銀粉為片狀時,具有較高的表面接觸,易于形成連續致密的銀網,且充分接觸能降低歐姆接觸電阻,利于提升電極導電性。Faddoul 等[60]以球形和片狀銀顆粒為導電相,研究發現由于銀顆粒之間的相互接觸,印刷銀電極在燒結前就可以導電;燒結后的導電性非常優異,厚度為6.6 μm 的銀電極方阻僅。利用柔性印刷技術制備LTCC 多層導電銀線,線寬為190 μm 的銀線電阻率接近塊體[27]。銀線的導電性隨著燒結后線分辨率的增加而增加,隨著銀線間隙的增大而增大,隨著銀線印刷層數的增加而降低[61]。玻璃粘結相可以改善電極的燒滲工藝,提高銀電極的致密性,優化電性能[42,62]。漿料中應加入適量的玻璃相,否則由于自身的絕緣性會使銀電極的導電性降低,導致LTCC 厚膜電阻隨著玻璃相含量的增加而增加[63]。

Ferro 公司利用微帶技術或構建環形諧振器對LTCC 體系的微波性能進行了表征[14,64]。如圖7 所示,低損耗LTCC 銀導體體系在微波頻率下提供了卓越的電氣性能,并且金屬損耗對微波頻率中的材料總損耗有很大貢獻[65]。當金屬用作微波傳輸介質時,厚膜金屬漿料的組份(如玻璃粉)會影響厚膜導體的表面粗糙度,產生微波插入損耗[66-68]。Lin 等[69]利用低溫固化MOD 漿料和高溫銀漿絲網印刷在拋光和非拋光Al2O3基板上,于微波頻率(4 GHz)下測試了樣品的電性能。由于未拋光Al2O3基板表面粗糙度較高,表面能較低,改善了漿料在基板上的流平性,使得未拋光Al2O3基板上的銀電極膜層表面粗糙度較低,Q值較低,ΔQ值較高。以高溫銀漿為原料制備的膜層Q值較高,具有較高的有效電導率,其范圍為4.08×107～4.13×107S/m。因為高溫燒結使銀顆粒間的連通性更好,銀層具有更致密的微觀結構,導致較高的電導率和較低的導體損耗。但以高溫銀漿為原料制備的膜層ΔQ值也較高,由于在高溫燒成過程中,銀層中所含的玻璃與基板間的界面反應導致銀膜與基板間的界面不規則,從而增加了介電損耗。

圖7 銀導體的微波損耗[65]Fig.7 Microwave loss of silver conductor[65]

2.4 抗遷移性及其主要影響因素

在導電銀漿與基板共燒過程中,若基板與銀粉間的浸潤親和力大于銀粉與銀粉間的親和力,則銀粉會向基板內部過度擴散,造成基板的絕緣電阻下降,可能產生電路擊穿,同時也會使銀電極在燒結后出現較多的孔洞。但若基板與銀粉間的親和力過低,又會降低燒結后銀電極與陶瓷基板間的結合力,使器件內部產生開裂分層的現象[13]。CaO-MgO-SiO2玻璃陶瓷與Ag 電極共燒的研究表明[70],Ag 離子可以在750～820℃的吸熱放熱過程中擴散到基體中,并駐留在透輝石相晶界周圍,而其他金屬元素(Zn、Mg、Al)擴散到Ag 層中,金屬元素的相互擴散可以降低GHz 頻率范圍內的Ag 電極電導率。Ma 等[71]研究了硼硅酸鹽玻璃和氧化鋁組成的低溫共燒陶瓷中銀的擴散行為,發現相比于未加氧化銅的LTCC1(圖8(a)),添加氧化銅的LTCC2(圖8(b))在燒結過程中銀擴散得以明顯抑制。這是因為硼硅酸鹽玻璃的結晶增強,導致玻璃粘度快速增加,阻礙了銀的擴散。銀離子在基板中的擴散機理為: 高溫下銀與玻璃相中的氧原子反應,Ag—O 鍵的形成會使銀離子與氧化物基板間的親和力更高,銀離子在微晶玻璃中遷移同時伴隨著元素的擴散和結晶[72]。Chou 等[73]通過在透輝石微晶玻璃中加入納米SiO2或者ZMS 結晶相抑制了銀離子從銀電極向透輝石微晶玻璃的擴散,提高了微波介質材料的性能。此外,在未燒銀基導體中引入金屬硼化物或金屬硅化物,可以防止導體漿料中銀的氧化,有效抑制了銀擴散遷移至陶瓷層[74]。

圖8 銀從電極層到(a)LTCC1 和(b)LTCC2 濃度分布[71]Fig.8 The concentration profiles of silver from conductor layer to (a)LTCC1 and (b)LTCC2[71]

3.5 可焊性、耐焊料浸出性及附著力

為了提高含銀導體的適用性,特別是在電信等高可靠性應用中,DuPont 公司在1970 年初重點研究了提高含銀導體的耐焊料浸出性和抗銀遷移性[22]。如圖9 所示,鈀在導體表面形成了阻擋層,阻止了銀枝晶的形成,高鈀含量提升了含銀導體的抗銀遷移性;而鉑在鉛/錫焊料中的溶解度較低,高鉑含量往往會提升銀層的耐焊料浸出性。在導電漿料中添加來自長石家族的晶體材料能夠提高厚膜導體的可焊性和對基板的附著力[75]。Nakayama 等[20]向導電銀漿中加入金屬氧化物,提高了漿料的粘結性,并有助于減少銀離子向焊料的遷移,提高了燒結后銀電極的導電性和附著力。改進后的銀漿具有優異的耐焊料浸出性,其性能可與Ag/Pt 或Ag/Pd 導體相媲美,同時可以避免使用玻璃粉和鉛。

圖9 合金成分、耐焊料浸出性和抗銀遷移性的關系圖[22]Fig.9 Relationship of metallurgy,solder leach resistance and silver migration resistance[22]

3 發展趨勢

LTCC 用電極銀漿是電子信息產業的基礎材料之一,廣泛應用于航空航天、無線通信、軍事電子等領域。隨著應用終端向“輕、薄、短、小” 方向的不斷發展,LTCC 技術對電極銀漿的要求也越來越高,電子漿料產業面臨著巨大的機遇與挑戰。電子漿料的性能在很大程度上取決于功能相銀粉,但同時也受到無機粘結相、有機載體的共同作用。目前漿料的功能相正逐漸從貴金屬向賤金屬轉變,從單一成分向復合成分轉變,從微米級向納米級轉變;無機粘結相和有機載體在優化漿料流變特性、力學性能的同時也正向高導電性、超細線、超低溫燒結、高性能低成本、綠色環保等方面發展。

3.1 高質量高精度布線用電子漿料

高質量高精度印刷是制備小尺寸金屬化電子元器件的關鍵。合理設計漿料組成,優化有機載體一直是科研人員研究的焦點。若進一步提高絲網印刷的印刷精度,可考慮厚膜光刻技術,發展光刻型電極銀漿,如金屬-有機物漿料等。利用厚膜技術結合光刻工藝,可以制備更加精細的印刷圖案,并且邊緣光滑,有望達到高成本薄膜工藝的水平,更適于微波和射頻電路的應用[76-78]。此外,功能相銀粉的納米化也是研究高質量高精度印刷的重點方向之一[77-78]。

3.2 電子陶瓷超低溫燒結趨勢下的匹配共燒

開展超低溫燒結材料與器件是LTCC 領域的重要發展方向之一。目前,已經有超低溫燒結材料陸續研制成功[79-80],為進一步利用新原理、新技術、新工藝或新材料研制具有新功能、新用途、新結構的新型超低溫燒結器件,配套電子漿料的研發已經刻不容緩。使用納米銀粉替代現在工業上使用的超細銀粉(微米級),研發的電子漿料細度更低,表面活化能更高,燒結驅動力更大,有利于降低電子漿料的燒結溫度,實現超低溫下的匹配共燒[81]。另外,利用低熔點的功能相鋁粉等也有望實現超低溫燒結下的匹配共燒[82]。

3.3 高性能、低成本是電子漿料發展的必然要求

高性能、低成本的原材料將大大提高我國電子產品的核心競爭力,也是電子漿料自身產業發展的必然條件。銀漿本身有著難以克服的弱點,如: 價格較高、易遷移、合金化等,電子元器件易因銀離子遷移而被破壞失效,電容器焊接時又會因銀易合金化而被錫熔蝕,致使其電極存在潛在缺陷。通過研究復合貴金屬漿料和其他的基體漿料,使之具有優異的性能來保證電子產品的質量,并且降低生產成本,在實際生產中將具有良好的前景。此外,功能相賤金屬化(如Ni、Cu、Ag@ Cu 等) 也是電子漿料發展的必然趨勢之一[83-85]。

3.4 環保漿料是必然趨勢

開發新型環保型電子漿料是當今社會發展的必然要求,其中,低熔點、無鉛化粘結相(如ZnO-B2O3-SiO2、P2O3等)的開發成為了熱點方向,電子漿料的整個工藝、技術、設備、材料都將向環保領域發展。進一步探索性能優異、成本低廉、綠色環保的電子漿料將大大提高我國電子產品的競爭力,對我國自主創新電子漿料產業的形成以及集成電路行業競爭力的提升都將起到巨大作用。

4 結束語

本文總結了LTCC 電極銀漿的組成及其組分設計原則,系統歸納了高頻應用對內、外、填孔銀漿的性能需求,闡明了LTCC 電極銀漿的主要性能及其研究進展。目前,我國在LTCC 用電子漿料的開發應用上尚處于起步階段,要真正滿足電子元器件日趨小型化、高頻化、集成化、可靠化和低成本化的發展趨勢,電子漿料的國產化應用任重而道遠。