Новый класс технической керамики - LTCC и особенности его получения

Статья посвящена проблеме получения нового эффективного материала (LTCC) для нужд радиоэлектронной промышленности, который обеспечит дальнейшее совершенствование радиоэлектронной аппаратуры в части микроминиатюризации, увеличения функциональной плотности, расширенного использования встраиваемых компонентов, увеличения частотного диапазона. Изложены преимущества LTCC-керамики перед традиционными диэлектриками: температура спекания не более 950 °С, диапазон рабочих частот до 10 ГГц, температурный коэффициент линейного расширения 3...7-10^-6 °С^-1, теплопроводность 3...5 Вт/(мК), диэлектрическая проницаемость 6.9, тангенс угла диэлектрических потерь в СВЧ-диапазоне 0,001.0,006. С учетом требований, предъявляемых к новому материалу, определены основные способы получения стеклокерамики и исходные компоненты (оксиды) для разработки низкотемпературного состава стекла. Традиционно LTCC-керамика представляет собой стеклокомпозит, состоящий из керамического материала (кристаллическая фаза) и легкоплавкого стекла, который определяет комплекс свойств готового материала. В качестве керамического наполнителя используются AI2O3, ВаТЮз, CeO2, MgAhO4, ZnTiO3, Ca[(Mgi/3Ta2/3)i-xTi_x]O3-5, CaMgSi2O6, MgTiO3-CaTiO3, 0,83ZnAh04-0,17Ti02, Mg2SiO4, что позволяет получать стеклокерамику с пониженной температурой спекания и малыми диэлектрическими потерями. Для приготовления легкоплавких стекол с низким значением тангенса угла диэлектрических потерь используются стекла различных систем: BaO-B2O3-SiO2, ZnO-B2O3-SiO2, PbO-B2O3-SiO2, MgO-B2O3-SiO2, Li2O-B2O3-SiO2 и Li2O-MgO-ZnO-B2O3-SiO2. Таким образом, при создании технологии LTCC необходимо решение ряда сложных технологических задач, таких как разработка состава низкотемпературного стекла с заданным комплексом свойств, разработка технологии варки стекла, выбор метода подготовки исходных компонентов шихты, создание связующей композиции, установление режимов литья и обжига и др.

LTCC, низкотемпературная обжигаемая керамика, стеклокомпозиция, легкоплавкие стекла, СВЧ-устройства

1. Стратегия инновационного развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 года. URL: http://www.rzd.ru/dbmm/download (дата обращения: 15.07.2015 г.).

2. Lin Y.S, Liu C.C., Li K.M., Chen C.H. Design of an LTCC Tri-Band Transceiver Module for GPRS Mobile Applications// IEEE Trans. Microwave Theory Technology. 2004. № 52. Р. 2718-2724.

3. Baker A. Integration Concepts for the Fabrication of LTCC Structures // Int. J. Appl. Ceram. Technology. 2005. № 26. С. 514-520.

4. Лебедев И.В. Электронные устройства СВЧ: В 2 кн. Кн. 1. М.: Радиотехника, 2008. 439 с.

5. Егоров Г. Многослойные керамические микросхемы. Низкотемпературная совместно обжигаемая керамика // Электроника: НТБ. 2006. № 3. С. 60-65.

6. Joseph T., Sebastian M. T. Effect of Glass Addition on the Microwave Dielectric Properties of CaMgSi2O6 Ceramics // Int. J. Appl. Ceram. Technology. 2010. № 7. Р. 98-106.

7. Абрамова Е., Пахомов Н., Перцель Я. Исследование технологии изготовления многослойных печатных плат СВЧ с применением жидкокристаллических полимеров // Современная электроника. 2014. № 5. С. 16-18.

8. Sebastian M.T. Dielectric Materials for Wireless Communication. Oxford, U.K.: Elsevier Science Publishers, 2008. 688 р.

9. StiegelschmittA., Roosen A., Ziegler C., Martius S., SchmidtL.P. Dielectric Data of Ceramic Substrates at High Frequencies // Journal of Europe Ceramic Society. 2004. № 24 (6). Р. 1463-1466.

10. Kono M., Takagi H., Tatekawa T., Tamura H. High Q Dielectric Resonator Material with Low Dielectric Constant for Millimeter-Wave Applications // Journal of Europe Ceramic Society. 2006. № 26 (10-11). Р. 1909-1912.

11. Sebastian M. T., Jantunen H. Low Loss Dielectric Materials for LTCC Applications: A Review // International Materials Reviews. 2008. № 34. Р. 57-90.

12. Плетнев П.М., Кумачева С.А., Непочатов Ю.К. Структурно-фазовые и технологические свойства низкотемпературной керамики // Строительные материалы 4С: состав, структура, состояние, свойства / Под ред. А.П. Пичугина. Новосибирск, 2015. С. 31-35.

13. Gektin V., Bar-Cohen А., Witzman S. Coffin-Manson Based Fatigue Analysis of Underfilled DCAs // IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies. 1998. № 21 (4). Р. 577-584.

14. Функциональная керамика / В.И. Верещагин, П.М. Плетнев, А.П. Суржиков, В.Е. Федоров. Новосибирск: Наука, 2004. 348 с.

15. Higuchi Y., Sugimoto Y., Harada J., TamuraH. LTCC System with New High-g and High-Q Material Co-Fired with Conventional Low g Base Material for Wireless Communications // Journal of Europe Ceramic Society. 2007. № 27 (8-9). Р. 2785-2788.

16. Hsiang H.-I., Hsi C.-S., Huang C.-C., Fu S.-L. Sintering Behavior and Dielectric Properties of BaTiO3 Ceramics with Glass Addition for Internal Capacitor of LTCC // Journal of Alloys and Compounds. 2008. № 459 (1-2). Р. 307-310.

17. Anjana P.S., Sebastian M.T. Microwave Dielectric Properties and Low-Temperature Sintering of CeO2 for LTCC Applications // Journal of the American Ceramic Society. 2009. № 92 (2). Р. 96-104.

18. Chaouchi A., d’Astorg S., Marinel S., Aliouat M. ZnTiO3 Ceramic Sintered at Low Temperature with Glass Phase Addition for LTCC Applications // Materials Chemistry and Physics. 2007. № 103 (1). Р. 106-111.

19. Thomas S., Sebastian M.T. Effect of B2O3-Bi2O3-SiO2-ZnO Glass on the Sintering and Microwave Dielectric Properties of 0,83ZnAb04-0,17Ti02 // Materials Research Bulletin. 2008. № 43 (4). Р. 843-851.

20. Kingery W.D. Densification During Sintering in the Presence of a Liquid Phase. I. Theory // Journal of Applied Physics. 1959. № 30. Р. 301-306.

21. Mori N., Sugimoto Y., Harada J., Higuchi Y. Dielectric Properties of New Glass-Ceramics for LTCC Applied to Microwave or Millimeter-Wave Frequencies // Journal of Europe Ceramic Society. 2006. № 26 (11). Р. 1925-1928.

22. Wu J. -M., Huang H. -L. Microwave Properties of Zinc, Barium and Lead Borosilicate Glasses // Journal of NonCrystalline Solids. 1999. № 260 (1-2). Р. 116-124.

23. Chen. S., Chou C.C., Shih W.J., Liu K.S., Chen C.S., Lin I.N. Microwave Dielectric Properties of Glass-Ceramic Composites for Low Temperature Co-Firable Ceramics // Materials Chemistry and Physics. 2003. № 79 (2-3). Р. 129-134.

24. Choi Y.J., Park J.H., Park J.H., Park J.G. Middle-Permittivity LTCC Dielectric Compositions with Adjustable Temperature Coefficient // Materials Letters. 2004. № 58 (25). Р. 3102-3106.