低溫共燒陶瓷（low temperature co-fired ceramic，LTCC）微波多層電路基板具有工作頻率高、集成密度高、耐高溫高濕、可集成無源元件和有利于實現(xiàn)微波信號耦合或隔離等獨特的技術優(yōu)勢，廣泛應用于通信、航空航天、軍事、汽車電子、醫(yī)療等領域^[1,2,3]。LTCC基板是在不同層生瓷帶上并行開展打孔、填孔、印刷等工藝，然后將不同層生瓷帶一起疊壓，最后一起燒結形成的立體互聯(lián)電路基板。

燒結是LTCC工藝中最為關鍵的工序之一，它直接影響陶瓷的顯微結構，進而影響陶瓷各項性能指標。燒結過程存在復雜的物理變化和化學變化，升溫速率、峰值溫度和保溫時間是燒結工藝中三個重要的參數(shù)，尤其是升溫速率選擇不當，容易造成基板翹曲甚至開裂等問題^[4,5]。

LTCC材料從組成和結構劃分可分為三類，第一類是玻璃陶瓷體系，第二類是傳統(tǒng)意義上的玻璃-陶瓷復合體系，第三類是玻璃鍵合陶瓷體系^[6]。目前應用較為廣泛的是第一類陶瓷，以美國FERRO公司開發(fā)的A6-M為代表，其材料組分是鈣硅石（CaO·SiO₂）添加B₂O₃組成，即Ca-B-Si-O體系。

WANG S F等^[7,8]研究了 CaO-B₂O₃-SiO₂系 LTCC陶瓷材料配方和制備工藝，發(fā)現(xiàn)玻璃添加劑可以改變陶瓷的燒結溫度，調(diào)節(jié)基板的收縮率。當CaO-B₂O₃-SiO₂的比例不同時，燒結溫度和密度各不相同，并且介電常數(shù)和損耗也不盡相同。增加 B₂O₃的量有助于提高機械強度，但是會惡化介電性能。

龍承毅等^[9]研究了 CaO-B₂O₃-SiO₂系 LTCC 基板材料的制備及燒結工藝，結果表明：在一定的溫度范圍內(nèi)，隨著燒結溫度的升高，基板的收縮率和密度不斷變大，介電常數(shù)則先變小再增大，而抗折強度先增大后減??；當保溫時間延長時，抗折強度不斷地減小。目前研究以組分和燒成溫度研究較多^[10,11]，而系統(tǒng)研究升溫速率對LTCC基板各項性能指標影響卻鮮有報道。

本文針對Ca-B-Si-O體系國產(chǎn)MG60生瓷帶，采用LTCC工藝制作陶瓷基板，通過一系列不同的燒結升溫速率試驗，研究升溫速率對LTCC基板介電性能、翹曲度、附著力、抗折強度等關鍵性能指標的影響，分析國產(chǎn)LTCC材料燒結升溫速率的影響機制，為LTCC工藝設計提供借鑒與參考。

試驗采用上海晶材新材料科技有限公司的生瓷帶（MG60），生瓷帶單層厚度117 μm（燒結后為96 μm左右）?？拐蹚姸葴y試樣品層數(shù)為30層，尺寸40 mm×4 mm（燒結后），介電性能、翹曲度、附著力測試樣品層數(shù)為10層，尺寸為50 mm×50 mm（燒結后）。

驗證翹曲度，表層印刷銀電子漿料MP6012，銀電子漿料面積40 mm×40 mm（燒結后）；驗證附著力，表層印刷可焊接電子漿料MP6051，金屬膜層面積2 mm×2 mm（燒結后）。

• 采用日本 JEOL公司JSM 5600 LV掃描電子顯微鏡觀察不同溫度下的基板微觀結構；

• 參照“GB/T 5594.4-2015電子元器件結構陶瓷材料性能測試方法”中介質(zhì)損耗角正切值的測試方法，采用Agilent E8363A PNA分離式介質(zhì)諧振腔測試介電常數(shù)和損耗；

• 翹曲度采用得力公司DL9502塞尺放在平整的玻璃平板上測量；

• 參照“GB/T 17473.4-2008 厚膜微電子技術用貴金屬漿料測試方法-附著力測定”，用英國DAGE公司4000系列推拉力測試儀測試附著力；

• 參照GB/T 6569-2006《精細陶瓷彎曲強度試驗方法》中三點彎曲強度測試的方法，采用深圳三思縱橫公司UTM6203電子萬能試驗機測試抗折強度。測試環(huán)境為溫度（23±2）℃，濕度40%~60%。

  
  

圖1為不同升溫速率燒結的陶瓷基板的介電常數(shù)(10GHz)及介電損耗(10GHz)。在升溫速率為4℃/min時，介電常數(shù)為5.787，介電損耗為0.818×10^-3。升溫速率為8 ℃/min時，介電常數(shù)為5.788，介電損耗為0.821×10^-3。4 ℃/min、8 ℃/min升溫速率燒結的陶瓷介電常數(shù)、介電損耗較接近。

隨著升溫速率的增加，當升溫速率為12 ℃/min時，介電常數(shù)降至5.667，介電損耗升至1.204×10^-3。隨著升溫速率進一步升至16 ℃/min，介電常數(shù)進一步降低為5.636，介電損耗升至1.423×10^-3。

圖1 不同升溫速率下燒結陶瓷的介電常數(shù)(10GHz)及介電損耗(10GHz) 

圖2 不同升溫速率下燒結陶瓷斷面SEM照片

介電常數(shù)和介電損耗隨升溫速率的變化規(guī)律與陶瓷的微觀結構變化有關。圖2為不同升溫速率燒結陶瓷斷面，從圖2可知，升溫速率由4 ℃/min增加至16℃/min陶瓷內(nèi)部致密性逐漸變差，氣孔率逐漸增加。在升溫速率為4 ℃/min、8 ℃/min時，燒結的樣品較致密。在升溫速率為12 ℃/min時，內(nèi)部出現(xiàn)明顯氣孔。升溫速率為16 ℃/min時，樣品斷面氣孔進一步增加。

這是因為在排膠完成后，由于升溫速率較慢，玻璃陶瓷材料隨著溫度的升高，晶粒可有序地生長，隨著晶相的增加和晶粒的長大，內(nèi)部的氣孔可慢慢地排出，實現(xiàn)玻璃陶瓷材料的致密化。當升溫速率過快時，內(nèi)部的晶相未能充分地析晶、長大，內(nèi)部的氣孔不能及時排出，導致內(nèi)部氣孔增多。

根據(jù)復合材料介電常數(shù)混合定律，低介電常數(shù)物質(zhì)的引入會降低復合材料的介電常數(shù)。由于空氣的介電常數(shù)為1，低于CaSiO3、CaB2O4等晶相的介電常數(shù)，因此隨著升溫速率增加，介電常數(shù)變小，介電損耗變大。

圖3為不同升溫速率燒結基板的翹曲度和基板實物圖。

圖3 不同升溫速率下燒結基板的翹曲度及樣品翹曲照片

由圖3可以看出，當升溫速率為4 ℃/min、8 ℃/min時，基板翹曲度為0.2%左右，隨著升溫速率升溫至12 ℃/min、16 ℃/min，基板翹曲度也在逐漸增加，在16 ℃/min時，翹曲度為0.83%。從基板翹曲度實物圖可以看出，升溫速率8 ℃/min時平整性較好，16 ℃/min時中間凸起明顯。

這主要是因為玻璃陶瓷材料與銀電子漿料共同升溫燒結，當升溫速率為4 ℃/min、8 ℃/min時，銀電子漿料的燒結收縮速率與玻璃陶瓷的燒結收縮速率較為接近，但是當升溫速率增加至12 ℃/min、16 ℃/min時，由于銀電子漿料的燒結收縮速率遠大于玻璃陶瓷材料的燒結收縮速率^[12]，因此出現(xiàn)了燒結嚴重不匹配的現(xiàn)象，從而導致了基板拱起的現(xiàn)象。

圖4為不同升溫速率燒結膜層的附著力。由圖4可以看出，隨著升溫速率的增加，焊盤膜層附著力呈降低的趨勢。這是因為升溫速率為4 ℃/min、8 ℃/min時，陶瓷燒結產(chǎn)生的液相較多，可以與金屬膜層形成較好的附著力，同時瓷體較致密，氣孔較少，金屬膜層與陶瓷間的氣孔少，因此結合力較高。

但是當升溫速率增加至12 ℃/min、16 ℃/min時，由于陶瓷燒結產(chǎn)生的液相含量降低，金屬膜層與陶瓷間的氣孔較多，降低了金屬膜層與陶瓷的結合力。由前文可知，隨著升溫速率的增加，金屬漿料與陶瓷的共燒匹配性會變差，這也可能會導致金屬膜層與陶瓷間結合力的降低。

圖4 不同升溫速率下燒結膜層的附著力   

圖5為不同升溫速率燒結的基板抗折強度趨勢圖。升溫速率為4℃/min時，陶瓷的抗折強度為177 MPa；升溫速率為8 ℃/min時，陶瓷的抗折強度為175 MPa；升溫速率為12 ℃/min時，陶瓷的抗折強度為165 MPa；升溫速率為16 ℃/min時，陶瓷的抗折強度降為152 MPa。

由圖5可以看出，在升溫速率較低時，抗折強度變化趨勢不明顯，但是在升溫速率增加至12 ℃/min時，抗折強度出現(xiàn)降低的趨勢，在升溫速率進一步增加至16 ℃/min，抗折強度進一步降低。這主要是因為在升溫速率為4 ℃/min、8 ℃/min時，由于液相產(chǎn)生較多，可以很好地填補陶瓷顆粒之間的縫隙，陶瓷內(nèi)部較致密，陶瓷的抗沖擊能力較強；在升溫速率為12 ℃/min、16 ℃/min時，由于陶瓷內(nèi)部氣孔率的增加，降低了陶瓷的致密度，導致了陶瓷抗沖擊能力的降低，因此抗折強度降低。

圖5 不同升溫速率下燒結基板的抗折強度

LTCC材料一般都是玻璃陶瓷或玻璃復合陶瓷粉的結構[6]，具有較多的玻璃成分，因此LTCC燒結屬液相燒結。當LTCC材料在高溫段（≥500 ℃）時，玻璃相軟化成黏性液體，將陶瓷粉粒拉近、緊貼，并使粉?；罨?，在濃度差和界面張力的推動下，促使基板中氣孔長大和玻璃流動，實現(xiàn)陶瓷體積收縮和基板致密化^[13]。

單層LTCC生瓷帶通過流延成型，而多層生瓷帶通過等靜壓成型形成致密的坯體。LTCC基板經(jīng)過450 ℃的排膠峰值溫度后，坯體經(jīng)排膠發(fā)泡后較為疏松，其顆粒間大部分呈分開狀態(tài)，顆粒間的空隙很多^[14]。隨著燒結溫度的升高和時間的延長，特別是650 ℃后，從圖6的陶瓷粉體的DSC曲線可以看出，陶瓷粉體開始吸熱軟化，其玻璃化溫度為668 ℃，這期間陶瓷顆粒間不斷發(fā)生接觸和重排，大氣孔逐漸消失，物質(zhì)間傳質(zhì)過程逐漸開始進行，顆粒間接觸狀態(tài)由點接觸逐漸擴大為面接觸，固-固接觸面積增加，固-氣表面積相應減少。

圖6 MG60玻璃粉的DSC曲線

隨著溫度不斷升高，傳質(zhì)過程繼續(xù)進行，顆粒界面不斷發(fā)育長大，氣孔相應地縮小和變形，形成封閉的氣孔。根據(jù)Lichteneker混合定則，氣孔的介電常數(shù)為1，兩個不同的相之間的相對介電常數(shù)符合以下公式：

Lnε_m=V₁Lnε₁+V₂Lnε₂———————(1)

ε₁和ε₂分別為對應相的介電常數(shù)，ε_m為兩相混合后的介電常數(shù)。V₁和V₂為對應相的體積分數(shù)?？梢钥闯?，氣孔率顯著降低相對介電常數(shù)。通過降低燒結升溫速率，能延長高溫階段時間，使得顆粒逐漸長大，氣孔有足夠時間遷移到顆粒界面上排出，致密度提高，介電常數(shù)提高，介電損耗降低。

燒結致密化是一個循序漸進的過程，必須在一定的溫度和時間下才能完成。當燒結升溫速率加快時，收縮率曲線就會向高溫方向偏移^[15]，如果升溫速率過快，物質(zhì)間傳質(zhì)來不及完成，氣孔不能及時排出，陶瓷內(nèi)部的晶相不能充分地析晶、長大，從而導致陶瓷內(nèi)部氣孔增多、密度下降，進而造成基板介電常數(shù)、損耗、平整度等性能指標下降。

• 燒結升溫速率顯著影響了LTCC基板的微觀結構。隨著燒結升溫速率的提高，制備的陶瓷基板內(nèi)部氣孔增多，導致基板介電常數(shù)顯著降低，介電損耗增大，膜層附著力和抗沖擊能力變差。當燒結升溫速率在8 ℃/min時，制備的LTCC基板不僅氣孔率低，強度高，而且具有良好的介電性能和熱力學性能。

  
  

• 燒結升溫速率會顯著影響銀電子漿料與玻璃陶瓷燒結收縮的匹配性。當燒結升溫速率從4 ℃/min升高到16 ℃/min時，翹曲度從0.20 %提高到0.83 %，導致陶瓷基板翹曲，銀電子漿料的燒結收縮速率與玻璃陶瓷的燒結收縮速率失配。

  
  

• LTCC陶瓷基板的燒結需要適當?shù)纳郎厮俾?。升溫速率會影響燒結過程的傳質(zhì)、晶相長大，以及氣孔排出和致密化過程，因此會影響力學和電學性能。