具有高介電常數陶瓷材料芯體的多組件ltcc基材及其開發方法
2023-05-16 10:12:06
專利名稱：具有高介電常數陶瓷材料芯體的多組件ltcc基材及其開發方法
技術領域：
本發明涉及由構型為在層壓物z軸對稱排列的不同介電帶化學材料的前體素坯(未焙燒)層壓物生產平坦無翹曲的低溫共焙燒金屬化陶瓷(LTCC)體、複合物、模塊或組件的方法。而且，這些化學材料中至少一種，但不必限於一種產生在該基材的z軸對稱排列的高k芯體層，周圍是低介電常數材料鞘。
背景技術：
通過將一包含以下物質的某種組合的薄層漿料分散體澆鑄到柔性基材上無機添加劑、玻璃、陶瓷填料、聚合物粘合劑和溶劑，加熱澆鑄層以除去揮發性溶劑，形成素坯帶。然後，將該素坯帶衝切成主片或收集成卷形。素坯帶本身通常用作多層電路的介電材料或絕緣材料。下面完整地描述了所用的帶材料類型及相關導體和電阻類型，以及如何組裝並加工該電路。
互連電路板或組件(package)是由大量電互連和機械互連的極小電路元件實際實現電路或子系統。經常需要將這些不同類型的電子元件以一種排列組合，使它們在單個壓縮組件中物理隔離且互相相鄰地安裝，互相電連通和/或與從該組件延伸的共同連接電連通。
複合電路通常需要電路由幾種水平的導體構成，這些導體被相應的絕緣介電帶層分隔開。導體層通過介電層相互連接，介電層通過導電路徑將導體層分開，稱為通路填充(via fill)。
在下面所有的討論中，應理解使用術語帶層或介電層表示在與陶瓷帶共燒的表面導體和互聯通路填充上鍍敷金屬。類似地，術語層壓物或複合物表示已經壓制在一起形成單個實體的金屬化帶層的集合。
Steinberg在美國專利第4654095號中公開了用陶瓷基素坯帶製造低溫共焙燒陶瓷(LTCC)多層電路。該共焙燒、自由燒結法具有許多優於以前技術的優點。然而，已證實自由燒結LTCC在±0.15和0.30％之間的收縮公差太大而不能促進細距表面固定設備的一般應用。在這個方面，通常應理解製造大於6」×6」的LTCC層壓物不實際，除非可將LTCC的收縮公差大大降低至低於自由燒結的通常水平。可通過應用約束燒結技術實現這種降低。
Mikeska在美國專利5,085,720和5,254,191中公開了約束燒結技術，其中首次引入了剝離帶基燒結或PLAS(無壓輔助燒結(pressure-less assisted sintering)的首字母縮寫)。在PLAS方法中，沒有任何可覺察程度的燒結的剝離帶起到釘住和抑制層壓物發生任何可能的x-、y-收縮的作用。在任何後續電路製造步驟之前去除剝離帶。通過許多合適的步驟如刷光、噴砂或噴珠(bead blasting)之一完成去除。PLAS的主要優點是收縮公差降低到0.04％以下，這使得能夠生產大到10」×10」的基材。必須使能夠製造具有優良位置公差的較大基材的能力與不會殘留在最終產物中的帶材料的購買需要和不可與層壓物共同處理上下底導體的限制之間平衡。這些必需的後續步驟只能在去除剝離帶之後進行，作為後燒方案的一部分。
Fasano等人在美國專利6,139,666中對Mikeska提出的工藝進行了少許修改，將多層陶瓷的邊緣倒角成特定的角度以修正邊緣變形，這種變形是由於焙燒過程中外加剝離帶收縮控制的不完全造成的。
Shepherd在美國專利6,205,032中提出了另一種控制LTCC結構定位(registration)的方法。該方法對經歷不受限制的電路的正常收縮和收縮變化的LTCC電路的芯體部分進行焙燒。製備後續的層以匹配該預燒芯體的形狀，以此來約束層壓在剛性預燒芯體上的素坯層的燒結。將平面收縮控制在0.8-1.2％，但絕不減少到零。結果是，產生的收縮或位置公差高於所需的0.05％。由於這個原因，在定位變得無法接受和組件位置變得不可能之前，該技術僅限於少數幾個附加層。
大量表面安裝被動組件如電容器的存在，是對完成電路的最小可能尺寸的顯著限制。LTCC設計已經產生了一種用於提高每單位面積功能並降低電路尺寸的方案，以使此表面安裝組件再定位於電路內。
一開始，通過將化學材料相同的較薄的LTCC帶層用作疏鬆材料增加電路內電容。與更常用的125或250微米是素坯厚度相比，這些層的素坯(未焙燒)厚度可以是25-50微米。電容的增加與厚度成反比。例如，相同面積的25微米LTCC帶所產生的最大電容比250微米LTCC帶高10倍。雖然顯著，但這種電容的增加並不需要嵌入很多電容器。它可能佔RF電路中全部濾波和調諧應用(即＜100皮法)的10％，但在EMI濾波重要(1-10納法)的汽車引擎操縱杆的情況中幾乎沒有。將其應用於電源的解耦電容(10納法-1微法)。在後一種情況下，所需電容值太高，實際上不能通過用較薄的LTCC層獲得。只有通過用高介電常數LTCC材料(k＞20＜5000)，加上相互連接的平行LTCC層數量的增加，和作為最後選擇的各電容面積的增加，才能獲得上述值。
已知可將不同化學材料的介電層直接摻入LTCC多層陶瓷體中。Vu和Shih在美國專利第5,144,526號中描述了LTCC結構，在此結構中，將高介電常數材料與低介電常數材料以對稱結構交替疊插。
為了防止該複合物的不良翹曲，選擇了上述對稱構型。此要求限制了設計者以最優化方式布置電路的靈活性。在大多數情況下，設計者需要高k層更接近頂部而不是位於中心。
第二種不太明顯但更重要的缺點是從單個高介電常數和低介電常數材料的自由收縮中不能預測該複合物的收縮。而且，該複合物的三維收縮會隨著結構中兩條帶的比例和分布而變化。所產生的x-、y-和z-收縮變化將改變電容值，這種改變不可預測且僅可通過試驗和誤差修復。此外，這種電容器的公差變得非常高(＞30％)，是對總概念的應用的另一限制。
如Wang等申請的美國專利6,776,861所述，可利用不同介電化學材料的組合，不僅可潛在加入較高介電常數層，而且通過採用非常匹配的化學材料獲得最終收縮為零的焙燒結構或焙燒體。換句話說，開發了一種新的和獨特的約束燒結方法。本發明涉及一種焙燒層壓物，它包含用於限定最終陶瓷體整體性質的初級介電帶以及完全內部、非短效、不可去除、非犧牲或非剝離的一層或多層的次級帶或自約束帶。後者的目的是為了約束初級帶的燒結，從而使得在x、y方向的淨收縮為零。然而，約束帶的另一個目的可以是將介電常數較高的材料引入該結構中，美國專利6,776,861證明了其真實性。本方法被稱為自約束法，用其首字母縮寫SCPLAS來表示。該方法獲得的收縮公差與Mikeska等所述的剝離帶基約束燒結方法獲得的收縮公差非常近似。自約束位於結構中的關鍵位置且共焙燒後仍然為結構的一部分。
在上述美國專利申請10/850,878的延伸中，Wang等描述了採用三種LTCC帶化學材料獲得高k帶層非對稱分布的自約束焙燒結構。
一個層壓物中不同介電化學材料的成功組合需要匹配該材料的化學和機械性能。不良副反應和/或形成未預見的中間相可影響電學性能，並可通過在焙燒結構中引入殘餘應力引起影響主空間改變包括嚴重翹曲。通常，初級或整體帶具有固定的化學材料，不可能通過修飾它來改善二者的的相容性。所有上述因素大大限制了可用材料的範圍。進而降低了材料設計者可用的自由度。換句話說，開發高k芯體材料可能受限，因為使其與初級或整體帶相容的需要設置了化學限制。
發明概述本發明涉及生產共焙燒、金屬化的高介電常數陶瓷芯體的方法，該方法包括形成包含至少一層芯帶的前體素坯層壓物，其中所述芯帶的介電常數至少為20；和焙燒所述前體素坯層壓物。
本發明的另一實施方式涉及生產低溫共焙燒陶瓷結構的方法，該方法包括提供包含至少一層芯帶的前體素坯層壓物(precursor green laminate)，其中所述芯帶的介電常數至少為20；在第一次焙燒中焙燒所述前體素坯層壓物，形成高介電常數陶瓷芯體；提供一層或多層金屬化的低介電常數初級帶；將一層或多層所述金屬化的低介電常數初級帶層壓到所述芯體上；和在第二次焙燒中焙燒所述芯體和初級帶層。
附圖簡要說明
圖1表示中心是高介電常數材料，周圍是包含自約束和初級帶的組合的低介電常數材料對稱外鞘的普通電路截面圖。圖1也簡單地表示了多層電容器的構型。所示結構z軸對稱，但可有少許不對稱，即假定所有帶層的厚度相同，在高介電常數芯體以上或以下的整體帶的總厚度的差異可以是帶層厚度的兩倍。
圖2表明不使用自約束帶並在兩個焙燒步驟中進行的方法改變。首先加工高介電常數材料的中心。第一次焙燒後，將金屬化初級帶附加層施加到焙燒芯體的頂部和底部，然後焙燒整體。
圖3表示圖2所示的方法的改變。其中層壓高介電常數帶中心芯體，一層金屬化初級帶層壓到其頂部和底部上，然後焙燒。然後，施加附加初級帶層，然後再次焙燒完整結構。
圖4代表圖1的方法改變。就像圖2和3中的方法一樣，這是兩次焙燒步驟方法，但與它們不同的是，本方法採用自約束帶。在第一步中，製備並焙燒含有高介電常數芯體且在其頂部和底部有一層自約束帶的層壓物。然後通過在頂部和底部施加附加金屬化初級帶，再焙燒，完成該電路。
發明詳述本發明將開發高介電常數帶的知識和約束燒結的知識結合，以生產收縮可預測的大面積無曲面、共焙燒的LTCC結構，並提供了足以提供電容網絡所需的濾波、解耦和電荷儲存功能的高電容值的電容器。
在圖1所示的本發明優選實施方式中，用本發明所討論的所有三種帶類型，即高介電常數帶(100)、初級帶(102)和自約束帶(103)建立了帶層壓物。首先，如電容器陣列設計所示，用所需數量的單個電容器(101)各自金屬化所需數量的高介電常數帶層(100)。通過用電極金屬化各層，然後每隔一層用通路(via)使電極互相連接，從高介電常數帶建立各單個電容器。產生了非常相似於簡單多層電容器的兩交替疊插的電極圖案。調整電極的表面積和互連層的數量，為各組件提供所需的電容值。第二，製備至少兩層自約束帶，一層施加到電容器帶結構的頂部一層施加到底部。最後，製備所需層數的初級帶(102)，以完成電路的外部部分。以所需順序施加所有帶層，然後將其層壓並在850℃中焙燒。一旦焙燒的電路(104)與有源和無源電子元件組裝在一起，金屬化和初級或低介電常數帶層所提供的互相連接將促進其所有模擬和數字功能。
將一系列單個高介電常數帶(100)片層在80℃的烤爐中調適30分鐘，然後衝切(切成一定大小)，使各片層的四個角各自具有定位孔(衝孔)。片層厚度可以低達0.001英寸和厚達0.015英寸。優選的厚度是0.002-0.004英寸。所有衝切的片層尺寸相同；然而，根據電路設計、製造方法和各電路的總成本，所選擇的標稱片層尺寸應小至3英寸×3英寸，或大至12英寸×12英寸。然後用高速衝孔儀在各片層上衝所需數量的通路孔。通路孔的數量取決於片層的起始尺寸，但可在1-70000的範圍中變化，一般在100-20000的範圍中變化。
然後通過預製圖案的絲網或模版橡皮輥印刷，使圖案上的孔對準片層上的通路孔，從而用厚膜通路漿料填滿各片層上的通路孔。填滿通路的漿料由金屬、金屬氧化物和玻璃料粉末懸浮於有機介質溶劑系統中製成，以使該材料可印刷。然後將片層放置在烤爐中或在履帶式乾燥器上，使通路孔中的漿料在120℃-150℃乾燥20-30分鐘。溫度和時間由乾燥裝置的效率確定。本文所用術語「厚膜漿料」、「厚膜導體漿料」或「厚膜導體通路漿料」指在有機介質中細分的固體分散體，它們具有漿料一致性並具有適合用於絲網印刷和噴塗、浸塗或滾塗的流變能力。用於這種漿料的有機介質一般由溶解於溶劑中的液體粘合劑聚合物和各種流變劑構成，在焙燒過程中所有這些物質都被熱解。這種漿料可以是電阻性或電導性的，在一些情況下，其本身甚至可能是介電質。這種組合物可以含有或不含無機粘合劑，這取決於在焙燒期間功能性固體是否被燒結。用於厚膜漿料的常規有機介質也適用於約束層。在Usala的美國專利號4,536,535中可找到對合適的有機介質材料的更詳細論述。
然後，通過與通路填充漿料所用類型相同的橡皮輥印刷方法，將在這種情況下是對電容器電極施以圖案和限定的頂部厚膜導體漿料施加於各片層。頂部導體漿料金屬化的配方與通路填充漿料的配方稍有不同，但含有金屬粉末和有機介質溶劑系統，也是為了使其可列印。可加入其它組分以使導體具有特殊功能；然而，通常添加劑的數量和類型應最小。這是因為電容器終端必須儘可能惰性，以避免任何助熔反應和高介電常數帶的有效介電常數的降低。再將金屬化的片層置於烤爐或其它加熱裝置中，以乾燥頂部金屬化鍍膜。
在一些少見的情況下，也可採用背部導體漿料金屬方法，這與頂部導體漿料金屬化的處理方式相同。
在類似於上述的情況下，製備所需數量的自約束(103)和初級(102)帶層。自約束帶的厚度可在0.001-0.005″之間變化，但優選範圍是0.002-0.004″；初級帶的厚度可在0.001-0.020″之間變化，但優選範圍是0.002-0.010″。每片層通路數量與前面引用的數量類似。通路充填和頂部金屬化方法與上述方法相同。
一旦完成了所有單個帶處理步驟，排列這些層，然後在60-80℃，2000-5000psi下層壓。將封閉的單軸或均衡壓模用於層壓，以保證層之間的精確對齊。用高溫切割機修整該層壓物，然後在850℃焙燒，直到完成燒結，產生完全燒結的結構(104)。焙燒任選項包括具有程序加熱循環的履帶式爐和箱式爐。調整焙燒過程的循環時間，以獲得芯體的優化性能，在履帶爐中這可能短至2-6小時，在箱式爐可能長達12-36小時。
上面是製造電路的基本方法。它是約束的燒結方案，因為層壓物中自約束帶的存在將層壓物的x-和y-的絕對收縮控制在0.3％以下，並將該收縮的再現性控制在0.04％以下。然而，該結果難以實現，在不對這三條帶進行化學和機械良好匹配的情況下，也不能獲得平坦、無翹曲、機械強度高的基材。
如果該方法中沒有包括自約束帶(103)，那麼僅高介電常數帶和初級帶的共焙燒給出的結果比圖1所示的方法較不可預測。例如，僅可通過試驗和誤差得到複合物的最終收縮，且電路總空間公差比通過基本方法獲得的要差。在沒有自約束帶的存在下共焙燒使得x-、y-收縮在4-8％範圍，這取決於構型。將構型定義為高介電常數帶層與初級帶層的總比率。這使電路的設計和製造更加複雜，因此成本更高。在這種情況下，優選如圖2所述的兩步方法。首先處理高介電常數芯體(105)。它的收縮比較可預測，而且一旦焙燒，它的機械強度和剛性足以用作基材。而且，它的空間結構在後續的焙燒步驟中不會改變。然後製備初級帶(103)層，並將其按順序層壓到芯體材料上。在最終層壓物的焙燒期間，之前焙燒的芯體約束了初級帶的收縮。這比共焙燒情況產生更高公差的電路。
對圖1和2中所述的兩種方法可進行其它改變。圖3和4中顯示了兩個例子，其中評價了依次焙燒和共焙燒帶的一些稍有不同的組合。與基於圖1和2的優選方法相比，這兩種方法都有效，但也有缺點。
用於初級帶的優選玻璃包含以下氧化物組分，以重量％表示，其組成範圍是52-54的SiO2、12.5-14.5的Al2O3、8-9的B2O3、16-18的CaO、0.5-5的MgO、1.7-2.5的Na2O、0.2-0.3的Li2O、0-4的SrO、1-2的K2O。以重量％表示，玻璃的更優選組成為53.50的SiO2、13.00的Al2O3、8.50的B2O3、17.0的CaO、1.00的MgO、2.25的Na2O、0.25的Li2O、3.00的SrO、1.50的K2O。在初級帶中，玻璃料的D50(粒度中位數)優選但不限於以下範圍0.1-5.0微米，更優選為0.3-3.0微米。
優選自約束帶中的玻璃組成包含以下氧化物組分，以重量％表示，其組成範圍是6-13的B2O3、20-22的BaO、0.5-1.5的Li2O、3.5-4.5的P2O5、25-33的TiO2、1-6.5的Cs2O、29-32的Nd2O3。以重量％表示，玻璃的更優選組成為11.84的B2O3、21.12的BaO、1.31的Li2O、4.14的P2O5、25.44的TiO2、6.16的Cs2O、29.99的Nd2O3。另一優選玻璃包含以下氧化物組分，以重量％表示，其組成範圍是12-14的SiO2、3-6的ZrO2、20-27的B2O3、12-15的BaO、33-36的MgO、1-3的Li2O、3-8的P2O5、0-2的Cs2O。以重量％表示，玻璃的優選組成為13.77的SiO2、4.70的ZrO2、26.10的B2O3、14.05的BaO、35.09的MgO、1.95的Li2O、4.34的P2O5。在自約束帶中，玻璃料的D50(粒度中位數)優選但不限於以下範圍0.1-5.0微米，更優選為0.3-3.0微米。
表1中列出了可用於初級帶或自約束帶的玻璃的具體例子。
通過常規玻璃製造技術生產本文所述的玻璃。以500-1000克的量來製備該玻璃。一般來說，首先對成分稱重，然後以所需比例混合，在底部裝載爐中加熱，在鉑合金坩堝中形成熔融物。如本領域所知，進行加熱達到峰值溫度(1450-1600℃)，維持一段時間使熔融物完全液化且均一。然後通過反向旋轉不鏽鋼輥對玻璃熔融物淬火，形成10-20密耳厚的玻璃板。然後，研磨產生的玻璃板，形成50體積％為1-5微米之間的粉末。然後將玻璃粉末與填料和有機介質配製在一起，形成澆鑄帶，如實施例部分詳述。表1所示的玻璃組成代表了各種玻璃化學材料(大量成玻璃材料至少量成玻璃材料)。成玻璃材料氧化物一般是高化學配位數的小離子，如SiO2、B2O3和P2O5。表中表示的其餘氧化物被認為是玻璃修飾物和中間物。
表1(重量％)
可將陶瓷填料如Al2O3、ZrO2、TiO2、BaTiO3或其混合物加入可澆鑄組合物中，用來形成帶，帶的固體含量為0-50重量％。根據填料類型，預計焙燒後會形成不同結晶相。填料可控制介電常數和頻率損失。例如，BaTiO3的加入可顯著提高介電常數。
Al2O3是優選的陶瓷填料，因為它與玻璃反應形成含Al的結晶相。Al2O3在提供高機械強度和對有害化學反應的惰性方面非常有效。陶瓷填料的另一功能是在焙燒期間對整個系統的流變控制。陶瓷顆粒通過起到物理屏障的作用而限制玻璃流動。它們也可抑制玻璃的燒結，由此更有利於燒盡有機物。可用其它填料、α-石英、CaZrO3、莫來石、堇青石、鎂橄欖石、鋯石、氧化鋯、BaTiO3、CaTiO3、MgTiO3、SiO2、無定形矽石或其混合物修飾帶性能和特徵。優選的是，填料具有至少雙峰粒度分布，其中較大粒度填料的D50在1.5-2微米範圍內，較小粒度填料的D50在0.3-0.8微米範圍內。
在自約束帶和初級帶組合物的配製中，相對於陶瓷材料量的玻璃量很重要。據認為，填料的範圍宜在20-40重量％，因為可以獲得足夠的緻密度。如果填料濃度超過50重量％，焙燒結構緻密不足且有太多孔。在所需的玻璃/填料比範圍內，顯然在焙燒期間，液態玻璃相將浸透填料材料。
為了使組合物焙燒後的緻密度更高，重要的是使無機固體的粒度小。具體地說，基本上所有顆粒不應超過15微米，優選不超過10微米。談到這些最大粒度限制，優選的是，包括玻璃和陶瓷填料在內的顆粒的至少50％應大於1微米並小於6微米。
高介電常數芯帶的介電常數至少為20。在一個實施方式中，介電常數的範圍是20-5000。提供了含有一層或多層高介電常數帶的前體素坯層壓物，以在焙燒後形成高介電常數陶瓷芯體。一般來說，前體層壓物含有1-10層芯帶。在一個實施方式中，該前體層壓物含有2-10層芯帶。
優選芯帶中的陶瓷無機材料和玻璃材料含有選自以下物質成分，以重量百分數表示30-80％的鎢酸鈮酸鉛鐵固體溶液混合物，20-70％的鈦酸鋇、氧化鉛和熔融矽石的煅燒混合物，30-50％的鈦酸鋇，和/或50-80％的鈦酸鋇、氧化鉛和熔融矽石的煅燒混合物，以及3-20％的鍺酸鉛玻璃。
下面提供了可用於高介電常數芯帶的一些組合物的具體例子。
介電常數k為2000的帶包含40％的鈮酸鉛鐵和鎢酸鉛鐵的固體溶液，40％的BaTiO3、PbO和熔融SiO2的煅燒混合物，以及20％的有機介質(見下)。
介電常數k為500的帶包含66％的BaTiO3，4％的含有78.5％Pb3O4和21.5％GeO2的鍺酸鉛玻璃，以及30％的有機介質(見下)。
k為60的帶包含70％的BaTiO3、Pb3O4和BaO的煅燒混合物，10％的含有78.5％Pb3O4和21.5％GeO2的鍺酸鉛玻璃，以及20％的有機介質(見下)。
在芯帶中，成分的D50(D50指粒度中位數，使樣品中一半由較大顆粒組成，另一半由較小顆粒組成)優選但不限於以下範圍0.01-5.0微米，更優選0.04-3.0微米。
其中分散有玻璃和陶瓷無機固體的有機介質包含溶解在揮發性有機溶劑中的聚合粘合劑，也任選地包含其它溶解物質，如增塑劑、分離劑、分散劑、脫模劑、消泡劑、穩定劑和溼潤劑。
為獲得更好的粘合效率，以總組成計，優選對包括玻璃和陶瓷填料的90重量％固體施用至少5重量％的聚合粘合劑。然而，更優選採用不超過30重量％的聚合粘合劑和其它低揮發性修飾物如增塑劑，以及最少70％的無機固體。在這些限制中，需要用最少可能量的粘合劑和其它低揮發性有機修飾物，以降低必須通過熱解去除的有機物的量，並使在焙燒中可促進全緻密化的顆粒填充更好。
過去，將各種聚合材料用作用於素坯帶的粘合劑，如聚(乙烯丁醛)，聚(乙酸乙酯)，聚(乙烯醇)，纖維素聚合物如甲基纖維素、乙基纖維素、羥乙基纖維素、甲基羥乙基纖維素，無規聚丙烯，聚乙稀，矽聚合物如聚(甲基矽氧烷)、聚(甲基苯基矽氧烷)，聚苯乙烯，丁二烯/苯乙烯共聚物，聚苯乙烯，聚(乙烯吡咯烷酮)，聚醯胺，高分子聚醚，環氧乙烷和環氧丙烷的共聚物，聚丙烯醯胺，以及各種丙烯酸聚合物如聚丙烯酸鈉、聚(丙烯酸低級烷酯)、聚(甲基丙烯酸低級烷酯)及丙烯酸低級烷酯和甲基丙烯酸低級烷酯的各種共聚物和多聚物。以前，將甲基丙烯酸乙酯和丙烯酸甲酯的共聚物以及丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸的三元共聚物用作用於粉漿澆鑄材料的粘合劑。
1985年8月20日公開的Usala的美國專利號4,536,535揭示了一種有機粘合劑，它是0-100重量％甲基丙烯酸C1-8烷酯、100-0重量％丙烯酸C1-8烷酯和0-5重量％胺的烯鍵式不飽和羧酸的相容性共聚物的混合物。因為上述聚合物可以最小量用於最大量的介電固體，所以優選它們來產生本發明的介電組合物。因此，將上述Usala申請的公開納入本文作為參考。
相對於粘合劑聚合物，聚合粘合劑也常常含有小量增塑劑用於降低粘合劑聚合物的玻璃化轉變溫度(Tg)。當然，對增塑劑的選擇主要取決於需要被修飾的聚合物。在各種粘合劑系統中使用的增塑劑是鄰苯二甲酸二乙酯、鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二辛酯、鄰苯二甲酸丁基苄基酯、磷酸烷酯、聚烷撐二醇、甘油、聚(環氧乙烯)、羥乙基化的烷基酚、二硫代磷酸二烷酯和聚(異丙烯)。其中，鄰苯二甲酸丁基苄基酯最常用於乙烯酸聚合物系統，因為可以較小的濃度有效地使用。
選擇澆鑄溶液的溶劑組分，以使聚合物完全溶解並使其揮發性足夠高以在大氣壓條件下施以較低水平加熱即能讓溶劑從分散體中揮發。此外，溶劑必須在大大低於有機介質中含有的任何其它添加劑的沸點或分解溫度下沸騰。因此，最常用大氣沸點低於150℃的溶劑。這種溶劑包括丙酮、二甲苯、甲醇、乙醇、異丙醇、甲基乙基酮、乙酸乙酯、1，1，1-三氯乙烷、四氯乙烷、乙酸戊酯、2，2，4-三乙基戊二醇-1，3-單異丁酸酯、甲苯、二氯甲烷和碳氟化合物。上述單個溶劑可不完全溶解粘合劑聚合物。然而，當與其它溶劑混合時，它們的表現令人滿意。這是本領域技術人員熟知的。尤其優選的溶劑是乙酸乙酯，因為這樣就避免採用對環境有害的氯碳化合物。
除溶劑和聚合物之外，也使用增塑劑防止帶破裂並提供更廣泛的塗層(as-coated)帶處理能力，如衝切、印刷和層壓。優選的增塑劑是Rohm and Haas Co.生產的BENZOFLEX400，它是聚丙二醇二安息香酸酯。
應用本發明的低溫共焙燒陶瓷結構可用於形成功能電路。在一個實施方式中，本發明電路包含內電容器或嵌入的電容器，其提供的電容值為10皮法-100納法。
可將使用本發明內容製成的電路施用於所有陶瓷封裝領域。例如，它們可用於但不限於汽車應用，如引擎和傳輸控制器和防鎖死剎車系統，包括它們操作所必需的傳感器，以及高頻應用，如人造衛星無線電通訊裝置和雷達。雖然後者在汽車領域有良好應用，但也可將它們應用於無線電和軍事部件。
通常，應用的頻率越高，所需的芯體介電常數越低然而，如果將模擬、數字和RF功能整合到一個電路中，該芯體也可非常需要高介電常數組件。
實施例1用常規帶加工技術製備一種帶層壓物，它含有十四層金屬化帶層，它們按從上到下的順序排列為三層初級帶層、一層自約束帶層、六層高介電常數(k＝2000)帶層、一層自約束帶層和三層初級帶層；然後以三個半小時的循環在850℃中共焙燒。焙燒後，在x-和y-方向上的層壓物收縮為0.2％，在z-方向上為38.9％。將電極設計為0.25英寸×0.25英寸的正方形，在1MHz下測定的各電容器的平均電容為50納法，方差為±5％。
實施例2用常規帶加工技術製備一種帶層壓物，它含有六層高介電常數帶(k＝2000)的金屬化層；然後以三個半小時的循環在850℃中焙燒。焙燒後，在x-和y-方向上的層壓物收縮為9.3％，在z-方向上為14.6％。然後用低層壓壓力和溫度將三層金屬化初級帶連續層壓到焙燒過的高介電常數芯體的兩面上。然後將其整體置於850℃焙燒。在第二次850℃焙燒期間，該結構的x-和y-長度不再減小，因為焙燒過的芯體約束了初級帶的收縮。
焙燒後，將電極設計為0.25英寸×0.25英寸的正方形，以在用於製造絲網印刷圖案的圖片中補償大約18％的總面積減少。在1MHz下測定的各電容器的平均電容為36納法，方差為±5％。
實施例3用常規帶加工技術製備一種帶層壓物，它含有十二層金屬化帶層，它們按從上到下的順序排列為三層初級帶層、一層自約束帶層、四層高介電常數(k＝500)帶層、一層自約束帶層和三層初級帶層；然後以三個半小時的循環在850℃中共焙燒。焙燒後，在x-和y-方向上的層壓物收縮為0.3％，在z-方向上為38.2％。將電極設計為0.25英寸×0.25英寸的正方形，在1MHz下測定的各電容器的平均電容為8納法，方差為±5％。
實施例4用常規帶加工技術製備一種帶層壓物，它含有兩層高介電常數帶(k＝500)的金屬化層；然後以三個半小時的循環在850℃中焙燒。焙燒後，在x-和y-方向上的層壓物收縮為10.4％，在z-方向上為13.2％。然後用低層壓壓力和溫度將三層金屬化初級帶連續層壓到焙燒過的高介電常數芯體的兩面上。然後將其整體置於850℃焙燒。在第二次850℃焙燒期間，該結構的x-和y-長度不再減小，因為焙燒過的芯體約束了初級帶的收縮。
焙燒後，將電極設計為0.25英寸×0.25英寸的正方形，以在用於製造絲網印刷圖案的圖片中補償大約18％的總面積減少。在1MHz下測定的各電容器的平均電容為2.5納法，方差為±5％。
權利要求
1.一種生產共焙燒、金屬化的高介電常數陶瓷芯體的方法，所述方法包括提供包含至少一層芯帶的前體素坯層壓物，其中所述芯帶的介電常數至少為20；以及焙燒所述前體素坯層壓物。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述前體素坯層壓物包含2-10層芯帶。
3.一種生產低溫共焙燒陶瓷結構的方法，所述方法包括提供包含至少一層芯帶的前體素坯層壓物，其中所述芯帶的介電常數至少為20；在第一次焙燒中焙燒所述前體素坯層壓物以形成高介電常數陶瓷芯體；提供一層或多層金屬化的低介電常數初級帶；將一層或多層所述金屬化的低介電常數初級帶層壓到所述芯體上；和在第二次焙燒中焙燒所述芯體和初級帶層。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述結構包含2-10層所述芯帶。
5.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述結構包含內電容器或嵌入的電容器，其提供10皮法至100納法的電容值。
6.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，在所述第二次焙燒期間，所述結構在x-方向和y-方向上不收縮。
7.如權利要求3所述的方法，還包括提供一層或多層自約束帶，將所述自約束帶層與所述素坯層壓物共焙燒，並將其包含在所述芯體中；在所述第一次焙燒期間，所述芯體在x方向和y方向上不收縮。
8.如權利要求3所述的方法，還包括提供剝離帶層，其中，將所述剝離帶層施用於所述素坯層壓物的頂部和底部並與所述素坯層壓物共焙燒，以使在所述第一次焙燒期間，所述芯體在x方向和y方向上不收縮。
9.如權利要求1或3所述的方法，其特徵在於，以重量百分數表示，所述高介電常數芯體包含選自30-80％鎢酸鈮酸鉛鐵固體溶液混合物，20-70％鈦酸鋇、氧化鉛和熔凝矽石的煅燒混合物，30-50％鈦酸鋇，30-50％鈦酸鋇的煅燒混合物，30-50％鈦酸鋇和鈦酸鋇的煅燒混合物，50-80％氧化鉛和熔凝矽石，3-20％鍺酸鉛玻璃的材料。
10.如權利要求1或3所述的方法，其特徵在於，以重量百分數表示，所述高介電常數芯帶包含40％鈮酸鉛鐵和鎢酸鉛鐵的固體溶液，40％BaTiO3、PbO和熔凝SiO2的煅燒混合物，20％有機介質。
11.如權利要求1或3所述的方法，其特徵在於，以重量百分數表示，所述高介電常數芯帶包含66％BaTiO3、4％鍺酸鉛玻璃和30％有機介質，其中所述鍺酸鉛玻璃含有78.5重量％Pb3O4和21.5重量％GeO2。
12.如權利要求1或3所述的方法，其特徵在於，以重量百分數表示，所述高介電常數芯帶包含70％BaTiO3、Pb3O4和BaO的煅燒混合物，10％鍺酸鉛玻璃和20％有機介質。
13.一種由權利要求3所述的方法形成的低溫共焙燒陶瓷結構。
14.一種包含權利要求13所述低溫共焙燒陶瓷結構的功能電路。
全文摘要
本發明涉及生產共焙燒、金屬化的高介電常數陶瓷芯體的方法，該方法包括提供包含至少一層芯帶的前體素坯層壓物，其中所述芯帶的介電常數至少為20；和焙燒所述前體素坯層壓物。方法還涉及生產低溫共焙燒陶瓷結構的方法，該方法包括提供包含至少一層芯帶的前體素坯層壓物，其中所述芯帶的介電常數至少為20；在第一次焙燒中焙燒所述前體素坯層壓物，形成高介電常數陶瓷芯體；提供一層或多層金屬化的低介電常數初級帶；將一層或多層所述金屬化的低介電常數初級帶層壓到所述芯體上；和在第二次焙燒中焙燒所述芯體和初級帶層。
文檔編號H01B3/12GK1812691SQ200610004648
公開日2006年8月2日 申請日期2006年1月26日 優先權日2005年1月26日
發明者C·R·尼茲, K·M·奈爾, M·F·麥庫姆斯 申請人:E.I.內穆爾杜邦公司