用于微波器件的印刷LTCC基板的制备与表征

抽象的

本文研究了一种基于3D印刷的新型LTCC衬底制造工艺。使用自发型双喷嘴混合动力印刷系统成功制造了具有受控尺寸和厚度的硼硅酸盐玻璃 - 氧化铝基材。仔细分析了打印参数。检查印刷基板的机械和电介质特性。结果表明，印刷基材获得光滑的表面（ra.= 0.92μ.m)，组织致密(相对密度93.7%)，抗弯强度适中(156 mPa)，介电常数和损耗低(ɛ_R.= 6.2， = 0.0055，在3 GHz）。所有这些都有资格在微波应用中使用印刷的玻璃陶瓷基板作为电位LTCC基板。该方法可以简化传统的LTCC技术。

1.介绍

高频无线通信的迅速发展，对微型化、高集成化、多功能微波陶瓷器件的需求日益增加。提出了电子封装技术的要求。低温共烧陶瓷(LTCC)技术为高频应用中电子元件和模块的小型化和轻量化提供了良好的解决方案。LTCC衬底材料作为LTCC器件的功能部件之一，在过去的几十年里得到了广泛的研究[1-6.[根据具体应用的需要，许多材料以玻璃陶瓷或玻璃/陶瓷的形式开发。LTCC衬底制造中最重要的过程之一是胶带铸造，包括浆料制备，混合，脱气，铸造，干燥，冲压等的程序。尽管可以获得高质量的陶瓷基板，但传统的磁带铸造工艺是如此复杂和低精度，不仅影响微波器件的性能，而且难以适应速率的趋势，在设备生产中快速，集成，小批次。磁带铸造过程带来了很多环境污染。为解决这些问题，许多学者对材料和技术进行了新的研究[7.那8.]。

近年来，随着数十年的技术终于接近直接生产最终用设备所需的性能，近年来，近年来，近年来，近年来，近年来，三维印刷（3DP）已成为媒体和公众关注的重点。9.]。J.J.Adams等人。[10.[报告了一种新的3DP技术，它能够直接将天线直接集成到小型无线传感器节点的包装上，该节点可确保小天线的接近最佳带宽性能。孔等人。[11.报道了一种五层完全3d打印的基于量子点的发光二极管(QD-LEDs)，显示了快速打印带有嵌入式电路的电子设备的能力，这将使无数的应用成为可能。12.]。因此，3DP技术的兴趣兴趣导致对多层LTCC设备的设计和制造的传统方法进行重新思考。

在本文中，我们报告了基于3D打印的新型LTCC衬底制造过程。使用双喷嘴混合印刷系统印刷玻璃陶瓷基板。仔细讨论了打印参数。研究了印刷基板的密度，微观结构，机械强度和介电性质。

2.实验

2.1。材料

在这项工作中使用了一种典型的玻璃陶瓷系统，硼硅酸盐玻璃 - 氧化铝。市售的硼硅酸盐玻璃和高纯度Al₂O._3.粉末均为从中国药膏化学试剂有限公司购买所得玻璃的主要成分为16.5wt％cao，14.5wt％₂O._3.B .不填₂O._3.54wt％siO₂， 4.4wt % MgO。用氧化铝球在乙醇中研磨24 h后，两种粉末的平均直径(D_50.）所得粉末为1.56μ.m for glass和0.98μ.m for al.₂O._3.采用激光颗粒分析仪(济南瑞斯2028)测量。

2.2。浆料准备

在球磨机中制备玻璃陶瓷浆料（40wt％）4小时，以确保使用去离子水作为溶剂的良好分散和稠度。玻璃和陶瓷粉末的质量比为60:40（玻璃：Al₂O._3.）。Darvan C（R.T.Vanderbilt Co.，Norwalk，CT），30wt％的聚丙烯酸铵溶液，用作分散剂和羟乙基纤维素（Aladdin Industry Co.，Shandhai，China）作为粘性剂。作为保湿剂，加入聚乙二醇（中国药膏化学试剂，上海，中国）。还添加了消泡剂（Aladdin Industrial Co.，Shanghai，中国），以防止发泡，并使用氨水来调节pH值。

2.3。LTCC基板的制造

为了实现功能器件的集成制造，我们设计并安装了双喷嘴混合打印系统，如图所示1。印刷系统的喷嘴I采用直接写入方法，使用空气压力辅助注射器，用于高粘度材料印刷。喷嘴II采用压电喷射系统，用于高粘度官能材料的高精度印刷。通过喷嘴I印刷玻璃陶瓷LTCC基板。平台和喷嘴的合成运动是驱动控制系统。将预制的玻璃陶瓷浆料从喷嘴挤出一定压力并沉积在平台上并形成所需的层形状。当然，多层器件可以通过重复用喷嘴高度层构造层。基板形状由喷嘴移动的路径控制，这可以通过用G代码进行编程来实现。在印刷实验期间，所用喷嘴的内径为0.16mm，X-Y方向的移动速度为300mm / s，气压为150kPa。管状试样也由内径为3mm，外径为7mm，电介质性能测试的高度为10mm。将样品在450℃下越位，然后在空气中在800-900℃下烧结2小时，然后在炉中冷却。

2.4。表征

通过Archimedes方法测量烧结底物的相对密度。使用三点弯曲试验方法，通过通用试验机（WDW2000，Haerbin Kexin Ins。，中国）来研究玻璃陶瓷的机械强度。通过探头仪器（JB-4C，中国光学仪器有限公司）测量印刷基材上表面的粗糙度。通过扫描电子显微镜（Phenom Pro，Phenom，Netherlands）观察到微观结构。通过矢量网络分析仪（CETC第41研究所）测量介电性质。

3。结果与讨论

数字2显示印刷LTCC基板，管状试样及其表面粗糙度。LTCC基板具有10×10mm，5×5mm和10×5mm的尺寸（图2（a）），具有光滑和平坦的表面。用于介电测试的印刷管状试样如图所示2 (b)。基板的厚度为105±5μ.m.上表面平均粗糙度为0.92μ.m如图所示2 (c)。数字3.显示烧结衬底的上部和横截面的SEM图像。可以看出，烧结玻璃 - 陶瓷基材达到孔隙的紧凑结构，因为玻璃在高温烧结下熔化并封装陶瓷相。

很明显，承印物印刷是一个浆料沉积和熔化的过程。印刷质量取决于浆料的性能、模型的设计和印刷参数的匹配。浆料的粘度是影响承印物印刷的一个重要因素。如果粘度过高，挤压的棒状材料可能不能融合在一起，形成波动面。如果温度过低，浆液就不能打印并保持所需的形状。同时，浆料粘度较低也会减慢干燥过程，导致印刷承印物的尺寸偏差和厚度不均。实验结果表明，当浆料粘度在2000 ~ 5000 mPa·s左右时，可以连续、均匀地挤出浆料。

打印参数包括喷嘴直径（D._N)、压力(P.），平台移动速度（V._P.），喷嘴和平台之间的间隙（H）等，其大大影响玻璃陶瓷基板的可控印刷。表面粗糙度（ra.)与基板厚度主要有关D._N和H。喷嘴直径越小D._N使用，更容易获得光滑且薄的基板。的价值H应根据仔细考虑D._N和浆料的性质。如果H浓度过高，沉积的浆料就会不准确。如果过低，由于喷嘴的搅动，表面会出现许多痕迹。连续稳定的印刷过程也要求匹配V._P.和空气压力P.,因为P.确定浆料的出口速度（V._S.）。一般来说，我们需要确保V._P.等于V._S.为使印刷稳定，其速度不宜太快。假设浆体在喷嘴内的流动为层流，且浆体是物理参数恒定的不可压缩均匀流体。通过对浆料在挤出过程中的运动分析，推导出浆料与挤出过程之间的关系V._P.和P.如下： 在哪里ΔP.=P.-P.₂那P.是施加在泥浆上的压力，P.₂是大气压力，ρ是注射器中的液体密度填充，L.是注射器中液体填充的高度μ.是浆料的粘度，R.是注射器的半径，和D._N为喷嘴直径。

结果，获得了具有受控尺寸和光滑表面的硼硅酸盐玻璃 - 氧化铝LTCC基板。它与商业基板相当，例如Dupont 951 [3.]。

理想的LTCC衬底材料应具有以下几个特性，如低介电常数(低于10)和低介电损耗、高导热性、抗环境应力的坚固性和低成本[5.]。桌子1显示本研究中印刷的硼硅酸盐玻璃 - 氧化铝基材的物理和介电性能，与杜邦951的比较[3.]。在875℃下烧结2小时后，LTCC基板的相对密度达到93.7％，平均弯曲强度为156MPa。介电常数ɛR.在3 GHz是6.2和损失 是0.0055。的价值ɛR.小于由Penn等推导的公式计算的。[6.]。减少ɛR.可以归因于陶瓷玻璃复合材料的相对密度。从数字中可以看出3 (b)，存在一些微孔仍然存在于基板中，可以有效地降低材料的介电常数。基板中的孔也导致介电损耗和较低的弯曲强度。因此，观察到的性质表明印刷的玻璃陶瓷基板可以是LTCC衬底应用的可能候选者。

4。结论

提出了一种基于3D打印制备LTCC基板的新方法，并初步研究。为此目的开发了一种双喷嘴混合动力打印系统。在这项工作中成功地制造了具有受控尺寸和厚度的硼硅酸盐玻璃 - 氧化铝LTCC基板。为实现高质量的印花，浆料的粘度经过仔细定制到2000-5000MPa·s;还应相应地优化印刷参数。印刷的基板的特征在于光滑的表面（ra.= 0.92μ.m），低介电常数和损耗（ɛR.= 6.2， = 0.0055，3 GHz），以及适当的机械强度（156MPa），表示微波应用的巨大潜力。总而言之，该方法可以简化传统的LTCC技术，进一步的设备上进一步的设备实验正在进行中。

数据可用性

本研究期间生成或分析的数据包括在本研究中，但在当前研究中分析的程序不会被公开可用，因为它们是在使用中的模拟程序的一部分。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

该研究得到了中国国家自然科学基金的支持（Grant No.61561009），贵州教育部的创新集团项目（授予No.031），贵州科技基金会（授予No.LKS基金资助:国家自然科学基金资助项目(no. 25);7036）。作者欣赏贵州航天测量和机械和介电试验研究所的帮助。

参考

1. Q.-l.张，H.杨和H.-P。Sun，“一种新的微波陶瓷，具有LTCC应用的低介电常数”，“欧洲陶瓷学会，卷。28，不。3，pp。605-609,2008。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
2. M. Sobocinski，M.Teirikangas，J.Peräntie等，“通过与聚（甲基丙烯酸甲酯）微球的孔化来降低LTCC的相对介电常数”陶瓷国际，第41卷，第10871-10877页，2015。查看在：谷歌学术搜索
3. 杜邦，“杜邦绿色胶带951低温陶瓷系统”技术数据表, 2011年。查看在：谷歌学术搜索
4. N. Mori，Y.Sugimoto，J. Harada和Y.Higuchi，LTCC的新玻璃陶瓷的介电性能施加到微波或毫米波频率，“欧洲陶瓷学会，卷。26，不。10-11，PP。1925-1928,2006。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
5. C.-c.清，S.-f.王，y.-r.王和w.-c。J.Wei，“CaO-B2O3-SiO2系统玻璃陶瓷的致密化和微波介电性能”陶瓷国际，卷。34，不。3，pp。599-604，2008。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
6. “多孔性和晶粒尺寸对烧结氧化铝微波介电性能的影响”，北京大学学报(自然科学版)，美国陶瓷学会学报，第80卷，第2期。7，第1885-1888页，1997。查看在：谷歌学术搜索
7. H.Amorín，I. Santacruz，J.Holc等，“乙醇浆料的”乙醇浆料“，用于加工纳米晶体粉末的纹理PMN-PT陶瓷，”美国陶瓷学会学报，卷。92，没有。5，pp。996-1001,2009。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
8. “陶瓷绿带的热分析与微观结构表征”，《中国机械工程》，热分析与量热计杂志，第94卷，第94期3，第663-667页，2008。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
9. E. MacDonald和R. Wicker，“增加组件功能的多过程3D打印”，科学，卷。353，没有。6307，物品ID AAF2093,2016。查看在：谷歌学术搜索
10. J. J. Adams，S. C. Slimmer，J.A. Lewis和J.T.Bernhard，“集成在小RF节点上的3D印刷球形偶极天线”，“IEEE电子字母，卷。51，没有。9，pp。661-662，2015。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
11. Y. L. Kong，I. A. Tamargo，H.Kim等，“3D印刷量子点发光二极管”，纳米快报，卷。14，不。12，PP。7017-7023,2014。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索
12. J. A. Lewis和B. Y. Ahn，“设备制造:三维印刷电子”，自然，卷。518，没有。7537，第42-43,2015。查看在：出版商网站|谷歌学术搜索

版权

版权所有©2019 Yanfeng Shi等。这是分布下的开放式访问文章创意公共归因许可证如果正确引用了原始工作，则允许在任何媒体中的不受限制使用，分发和再现。