Low-Permittivity and Low-Temperature Cofired BaSO4–BaF2 Microwave Dielectric Ceramics for High-Reliability Packaged Electronics

材料科学 陶瓷 热膨胀 电介质 复合材料 烧结 数码产品 温度系数 介电常数 大气温度范围 热导率 温度循环 光电子学 热的 电气工程 物理 气象学 工程类
作者
Wei Wang,Muhammad Shehbaz,Xin Wang,Chao Du,Diming Xu,Zhongqi Shi,Moustafa A. Darwish,Hongsong Qiu,Biaobing Jin,Tao Zhou,Yawei Chen,Qi‐Xin Liang,Meirong Zhang,Di Zhou
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (44): 51453-51461
标识
DOI:10.1021/acsami.3c13668
摘要

In developing low-temperature cofired ceramic (LTCC) technology for high-density packaging or advanced packaged electronics, matching the coefficient of thermal expansion (CTE) among the packaged components is a critical challenge to improve reliability. The CTEs of solders and organic laminates are usually larger than 16.0 ppm of °C1-, while most low-permittivity (εr) dielectric ceramics have CTEs of less than 10.0 ppm °C1-. Therefore, a good CTE match between organic laminates and dielectric ceramics is required for further LTCC applications. In this paper, we propose a high-CTE BaSO4-BaF2 LTCC as a potential solution for high-reliability packaged electronics. The BaSO4-BaF2 ceramics have the advantages of a wide low-temperature sintering range (650-850 °C), low loss, temperature stability, and Ag compatibility, ensuring excellent performance in LTCC technology. The 95 wt %BaSO4-5 wt %BaF2 ceramic has a εr of 9.1, a Q × f of 40,100 GHz @11.03 GHz (Q = 1/tan δ), a temperature coefficient of the resonant frequency of -11.2 ppm °C1-, a CTE of +21.8 ppm °C1-, and a thermal conductivity of 1.3 W mK-1 when sintered at 750 °C. Furthermore, a dielectric resonant antenna using BaSO4-BaF2 ceramics, a typically packaged component of LTCC and laminate, was designed and used to verify the excellent performance by a gain of 6.0 dBi at a central frequency of 8.97 GHz and a high radiation efficiency of 90% over a bandwidth of 760 MHz. Good match and low thermal stress were found in the packaged components of BaSO4-BaF2 ceramics, organic laminates, and Sn-based solders by finite element analysis, proving the potential of this LTCC for high-reliability packaged electronics.
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