低溫共燒陶瓷

低溫共燒陶瓷(low-temperature co-fired ceramic， LTCC)，是將陶 瓷與金屬導電層在低溫共燒。由於低溫燒結(800~950℃)的要求，使 其具有許多好處：傳統的電阻及導體材料可被使用於低溫燒成多晶片 模組中，導線、電阻及電容等被動元件可埋入多層陶瓷基板中或直接 燒製在基板表面，以增加線路與元件密度及節省空間供主動元件使 用，以達到縮小基板尺寸的目的。

近年來，低溫共燒陶瓷基板在VLSI(Very Large Scale Integrated circuits)封裝之應用已有一定程度的發展。對 VLSI 封裝的多層陶瓷基 板而言，高的傳輸速度、高線路密度和高頻脈衝為基本要求。為了達 成高線路密度要求，使用 Au 或 Ag-Pd 導體材料於低溫燒成積層玻 璃陶瓷基板。而對於高傳輸速度的要求，則必須要具有低介電常數的 材料，因為高介電常數所造成的電容效應會影響信號的延遲時間 (delay time)。低溫共燒陶瓷基板之優點有(1)以厚膜帶積層製造，易於 多層化，(2)配線集中於內層回路，實裝面積較小，(3)可在通孔上行 成零件墊片，(4)可以形成 0.1mm 與小口徑通孔，(5)散熱性高，(6) 熱膨脹係數與Si 接近，可搭載 Flip Chip。

目前低溫共燒陶瓷基板材料，主要的系統可分為三大類[16]：

(1) 玻璃+陶瓷：由陶瓷與玻璃混合而成，例如 Al2O3 與 PbO-B2O3-SiO2

玻璃混合材料製成之多層基板，可以使用 Ag-Pd 做導體而於 900℃燒結完成。

(2) 結晶化玻璃：如 2MgO 2Al‧ 2O3‧5SiO2 系或 LiO2‧2Al2O3‧5SiO2

系均為結晶化玻璃系，亦即玻璃陶瓷，以此材料製成多層基板可 在850 ~1050℃ ℃燒結且可使用Ag-Pd 導體。

(3) 陶瓷系：例如由 BaSn（BO3）2 單相陶瓷製成之多層陶瓷基板，

可以在900 ~1000℃ ℃燒結，採用 Ag-Pd 或 Ag-Pt 做為導體材料。

低溫共燒陶瓷所製成之基板介電常數約為 3~7 之間，其熱膨脹 係數約為 2~7in/in℃。玻璃+陶瓷為玻璃與結晶性陶瓷粉末的混和，

玻璃為低軟化點的硼矽酸玻璃，其軟化點的溫度約為450~550℃，結 晶性陶瓷粉末以氧化鋁及菫青石較常被採用。玻璃陶瓷以具結晶性的 玻璃為原料，經由成型後，將胚體經特殊熱處理，經成核及晶粒成長 反應而形成結晶性的陶瓷基板。

本研究選擇第一種系統，玻璃+陶瓷，而在選擇玻璃時，首先考 量玻璃本身的微波特性，因為玻璃的介電常數 εr及品質因子 Q 均低

失，亦是在選擇玻璃材料時的之重要依據。玻璃的介電損失機制可分 為以下四種[17]：(1)由電子跳躍傳導(electron hopping)引起之傳導損 失(conduction loss)；(2)因鹼金族離子(Na⁺)在玻璃網狀結構中移動所 造成之移動損失(migration loss)；(3)氧化物玻璃(SiO2及B2O3)因為化 學鍵在電場作用下發生偏移所造成之形變損失(deformation loss)；(4) 玻璃中的離子因熱振動(thermal vibration) 吸收微波能量所引起之振 動損失(vibration loss)。

在室溫(300K)及微波頻率範圍(>1GHz)時，介電損失主要來自於 變形損失及振動損失，其中又以振動損失影響最大。由文獻得知 [18-19]：在所有玻璃系統中，二氧化矽玻璃通常具有較低的介電損 失，其中熔融石英在 1×10²~2.5×10¹⁰ Hz 頻率範圍，其 tanδ 均小於 0.001。然而二氧化矽玻璃卻因其熔點過高，並不適用於助熔劑，因 此可利用添加修飾劑(modifier)Na⁺、Pb²⁺及 Zn²⁺ 打斷 SiO2鍵結以降 低熔點，卻也因為修飾劑的影響使得介電損失增高[20]。

在本研究中選用兩種玻璃系統 B2O3-SiO2 系及 ZnO-B2O3-SiO2

系，探討玻璃含ZnO 與否，對整個 LTCC 材料之微波性質之影響。

2.4 薄帶成型(Tape Casting)技術

薄帶製程是一種利用積層技術可將陶瓷元件微小化的製程，而製 作出的元件稱為MLCC（Multi-layer Ceramic Component），製作流程 如圖2-9 所示。先將陶瓷粉末、有機添加物和溶劑以球磨（Ball Milling）

的方式均勻混和，製成黏度適當的漿料（Slurry），再利用刮刀機（Tape Caster）刮成適當厚度的薄帶（Tape），經乾燥、網印電極（Electrode ScreenPrinting）、熱壓、尺寸裁切、煆燒（Calcination）燒結（Sintering）， 最後成為所需的元件，良好的薄帶必須有下面的性質：

1. 表面平整，厚度均勻，沒有明顯的缺陷，如氣孔。

2. 有適當的強度與柔軟性。

3. 乾燥後，薄帶不會發生龜裂。

4. 燒結後，需尺寸收縮一致，且平整、無翹曲。

影響薄帶品質的因素可分為：漿料的配方、球磨控制與刮刀製程 變因的控制，於下節作簡單介紹。

2.4.1 漿料配置

薄帶成型製程中，為了使粉體能均勻分散且不影響燒結緻密性，

漿料配置須注意以下事項：(1) 有機添加劑之比例需儘可能降低，(2) 溶劑的添加量不僅要低且能維持漿料的均勻性，(3) 添加少量的分散 劑即可獲得穩定分散的粉體，(4) 調整塑化劑及黏結劑的比例使得生 胚具有良好的加工性。為了符合上述之需求，漿料的組成比例依需要 而調整。將各個組成之特性列述如下[21~24]：

(1)陶瓷粉體：生胚薄帶之表面平滑均勻性會隨粉體顆粒、晶粒大小

及組成不同而有所變化。陶瓷粉體粒徑太大時，將降低粉體的燒結 性，但粒徑太小時，將因為粉體總表面積的增多，使得有機添加劑的 含量也增加，如此一來將造成生胚及燒結基板密度降低，因此粉體必 須研磨至適當的粒徑。

(2)溶劑：溶劑在漿料中主要是當做黏結劑、分散劑、可塑劑的溶媒，

並使漿料各成分均勻分散於其中，其選用應以能完全溶解黏結劑、分 散劑、可塑劑的產品為主。溶劑種類可分：水性及油性溶劑。水性溶 劑系統揮發較慢，且水含氫鍵易造成漿料凝固或呈現較高黏度。油性 溶劑較為工業界採用，但其高揮發性會造成生胚成型時形成氣泡或孔 洞產生缺陷，故油性溶劑製程中，通常選用兩種以上溶劑共沸組成，

(3)分散劑：當分散劑吸附在陶瓷粉體表面後，將產生排斥作用使得

陶瓷體分散。其中由於分散劑的不同(inorganic 及 organic dispersant)，

排斥作用可分為：粉體周圍的電雙層(electrical double layer)所產生的 靜電排斥力( electrostatic repulsion) 及長鏈高分子分散劑所產生的空 間排斥力(steric repulsion)，如圖 2-10 所示，一般在水性系統中粉體之 分散是利用電雙層之靜電排斥效應，而油性系統則是空間排斥力。

(4)黏結劑：添加黏結劑主要是產生適當的漿料黏度，並且利用分子

鏈之間的連結，造成陶瓷粉體緊密結合，使得生薄帶具有具有適當的 強度而不至於斷裂，常用的有Cellulous ethers 、 PVA (水系) 、 PVB (油系)，PVB 系有酸之官能基，經氫鍵作用能強力吸附粉體表面，故 目前此種黏結劑是最常被採用的。

(5)塑化劑：具低分子量的塑化劑，可降低黏結劑的 Tg 點，並且調整

漿料的黏度，另外塑化劑能阻隔黏結劑分子鏈之間的連結，使得生胚 薄帶的塑性提高，待同時也會降低薄帶的強度，選用的考慮因素為(1) 完全溶於溶劑中；(2)不會與黏結劑分離，具此功能而常用的可塑劑 有PEG、BBP、DOP、DBP 等。

綜合以上所述，把漿料之各個組成之功能整理至表2-2。

2.4.2 球磨

球磨的目的是在研磨陶瓷粉體及混合作用，以達到所需的粒徑大 小，一般有效球磨製程採用兩階段研磨來進行：第一階段為粉體+溶 劑+分散劑，藉著分散劑之分散力與磨球研磨打散粉體；而第二階段 再加入黏結劑及塑化劑等，達到粉體均勻混合[25]。

2.4.3 刮刀成型

刮刀塗佈機基本機構如圖 2-11 所示，將漿料置於單片運動的二 平行或反方向轉動的滾筒間，使漿料與承載膜的剪切力達到平衡，而 在承載膜上覆蓋均勻的塗膜。