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應用於薄型化射頻元件之 高機械強度、低介電損耗低溫共燒陶瓷材料之開發 *鍾玟雅1 向性一2 1國立成功大學 資源工程系 專題研究生 2國立成功大學 資源工程系 教授 摘要 本研究利用兩階段燒結，先在高於玻璃軟化溫度低於結晶起始溫度下持溫藉由黏性流燒結達到緻密化，而後再升溫至結晶溫度持溫，促進結晶作用使殘留玻璃量降低，進而達到降低介電損失並提高機械強度。關鍵詞：兩階段燒結、黏性流、介電性質、機械性質 一、前言 近年來由於智慧型手機越做越薄，為維持產品本身一定的品質，對於品管相對更加嚴苛，其中落摔測試已成為評估智慧型手機品質的重要指標，然而薄型化元件在落摔測試中極易產生內部結構斷裂、銲錫破裂及元件剝落等破壞模式，因此如何提高薄型化元件之機械強度已成為重要之研究課題。 此外智慧型手機不斷往多頻及多模的發展下，意味著單一手機必須支援包括GSM、藍芽、全球互通微波存取系統、 超寬頻、無線區域網路、行動衛星通訊系統與GPS等多種標準，因此要容納更廣的頻率，這種整合使得每支手機中的射頻元件數與天線數均不斷增加，因而帶來體積、功率消耗和電磁干擾及相容方面的問題。因此微波介電材料需具有低的介電損失(高品質因數)，再配合高導電率之銀、銅等金屬作為傳輸線，以降低各頻帶之間訊號互相干擾，進而改善通訊品質 低溫共燒陶瓷(low temperature co-fired ceramic technology, LTCC)因可在低溫與高導電度之內電極(Ag, Cu)共燒，具有較高之Q值，並可多層化，而被廣泛使用於各類無線通訊零組件中。低溫共燒陶瓷技術已廣泛應用於製作低通濾波器、帶通濾波器、平衡-非平衡轉換器、雙工器等獨立元件，及整合功率放大器、濾波器和開關等元件之射頻前端模組。 由於LTCC元件使用銀當內電極，而銀的熔點約為961 ℃，因此需要一種可以在900 ℃以下燒結之高品質係數介電材料。目前廣泛使用之LTCC材料為玻璃+陶瓷(ceramic filled glass)系統，是在低熔點的玻璃相中加入陶瓷填充料，填充材料主要為A12O3，燒結時玻璃軟化，黏度下降，利用黏性流(viscous flow)燒結來降低燒結溫度。而為了降低燒結溫度至900 ℃以下，常需添加3040 vol%之玻璃，而玻璃之介電損失遠大於結晶性陶瓷，因此殘留之大量玻璃會惡化LTCC材料在高頻範圍之介電損失。此外與結晶性玻璃材料相比, 玻璃+陶瓷之LTCC系統其機械強度較低，易造成元件之抗彎曲強度下降，且元件因受到端電極收縮所產生之應力影響，而在端面附近產生裂痕。因此如何降低LTCC材料燒結後之殘留玻璃相，對其降低介電損失、增強其機械性質均有正面之助益。 玻璃在加熱的過程中會依序經過玻璃轉換溫度(glass transition temperature, Tg)、軟化溫度、玻璃結晶溫度(crystallization temperature, Tc)。玻璃之燒結是藉由升溫超過軟化溫度時，玻璃軟化，黏度下降，利用黏性流燒結來達到緻密化。而玻璃之結晶行為會影響其緻密化。當玻璃最終燒結緻密之溫度低於開始結晶之溫度時，燒結行為不會受到結晶作用之影響，玻璃陶瓷可達到緻密化，孔隙率極低，而具有較佳之機械性質。反之若玻璃最終燒結緻密之溫度高於開始結晶之溫度時，緻密化會受到結晶作用之影響，而使坯體孔隙率增高，機械強度降低。因此文獻中常定義玻璃熱穩定因子(glass thermal stability)△T= Tc-Tg，當玻璃熱穩定因子越大表示玻璃穩定性越高，越不易結晶，而有利於燒結緻密化。 本研究將運用兩階段燒結方式進行實驗，第一階段燒結過程中，溫度將介於玻璃軟化點以及玻璃結晶溫度之間，利用黏性流燒結幫助緻密化，提高材料於燒結過程中之緻密度，進而提升機械強度，並透過第二階段的燒結，在溫度高於玻璃結晶溫度時持溫，增加玻璃結晶量，進而降低介電損失，提高品質因子，同時對增加機械強度亦有幫助。 二、實驗方法 2.1實驗材料 本實驗將使用商業用低溫共燒陶瓷材料 (TCP-L7SH, TEMEN TECH)，以下簡稱為K7。實驗中將粉末進行XRF分析，可得知其主要成份omposition of K7. 2.2實驗材料分析 2.2.1 DTA分析: 使用熱差熱重分析儀(DTA/TG , NETZSCH-409PC, Germany) 量測K7之結晶放熱峰及熱重損失，其量測條件為在空氣下以5 ℃/min之升溫速率加熱至850 ℃量測吸放熱變化。 2.2.2 DIL分析: 使用熱膨脹儀(DIL, NETZSCH-402PC, Germany)對樣品進行玻璃軟化溫度、熱膨脹係數及燒結收縮測試。量測條件為於空氣氣氛中，以5 ℃/min的升溫速率升至1000 ℃並依據最後所得之收縮曲線