基于钙硼硅系LTCC生瓷带微波基板制造技术

谢廉忠，严 伟，房迅雷

(南京电子技术研究所， 南京210039)

0 引言

1982年，美国休斯公司开发了一种全新的低温共烧陶瓷(LTCC)技术，与传统的厚膜和高温共烧陶瓷(HTCC)技术相比，LTCC技术优势明显，具有优良的微波性能，可以实现真正意义上的三维微波互连基板。1988年，休斯公司首次采用LTCC技术实现了全陶瓷、低成本、有源阵列收/发(T/R)组件，并在机载相控阵雷达中获得了应用。LTCC技术成为实现机载、星载、舰载相控阵雷达收/发组件小型化、轻量化、高性能、高可靠和低成本的理想方法之一［1］。

三十多年来，欧美、日本等国不断完善和开发新的LTCC材料和工艺，LTCC材料已进入产业化、系列化和可进行材料设计阶段，在产品质量和专利技术等方面均占有领先优势。国内LTCC材料方面的研究明显落后于国外，仅叠层片式电感器和电容器生瓷带占有一定的市场份额，应用于高频组件的生瓷带目前处于基础研究阶段，形成了少量的基础配方，但尚未产业化和规模化生产，缺少系列化、拥有自主知识产权的高频LTCC 材料［2］。

本文介绍基于国产钙硼硅系LTCC生瓷带的微波基板制造技术，对基板外形尺寸以及腔体翘曲度控制等关键技术进行研究，并采用国产钙硼硅系LTCC生瓷带研制满足机载相控阵雷达技术要求的小型化收/发组件，推动LTCC材料的国产化进程［3］。

1 微波LTCC基板模型

用于相控阵雷达收/发组件的三维微波LTCC基板结构示意图如图1所示。该基板采用了多层微波传输线，由微带线和带状线组成，微带线印刷在基板表面层，带状线印刷在两个地层的中间一层上。中间地层以下层数可根据布线密度要求确定，进行低频控制信号线、直流电源与地线、埋置电阻电极等布线。

图1 微波LTCC基板结构示意图

基板上共布置有四种通孔，分别为:(1)散热孔，用于大功率元器件以及芯片的散热，提高基板的导热率，采用散热孔后可以将基板的导热率提高数十到数百倍;(2)信号孔，用于低频信号间的互连;(3)过渡孔，实现微带线与带状线之间的垂直微波互连;(4)接地孔，实现中间地层与背面地层间的互连，优化微带线与带状线的微波性能。

利用腔体实现芯片的埋置，可以减少键合线产生的寄生参量、容易布置去耦电容、实现各个芯片单元间的相互屏蔽，实现互连基板和封装外壳的一体化，在提高封装密度、减小体积、减轻重量的同时，改善微波特性、提高可靠性［4］。

2 微波LTCC基板工艺流程及关键技术分析

微波LTCC基板的工艺流程，如图2所示。

图2 微波LTCC基板工艺流程图

由于采用了具有自主知识产权的陶瓷粉体、粘结剂等基础材料配方以及制备工艺，国产生瓷带在稳定性和收缩率等方面与进口生瓷带相比存在差异，所以如何控制基板外形尺寸精度以及腔体翘曲度成为了制作微波基板的关键技术，它们的性能好坏决定了微波基板的质量。主要关键技术见下述讨论。

2.1 基板外形尺寸控制技术

微波LTCC基板在烧结过程中存在X、Y、Z方向上的收缩，收缩率差异导致基板扭曲变形，直接影响到T/R组件的微波性能和幅相一致性。造成收缩率差异的因素很多，包括材料、工艺及设计等，下面分别进行研究和分析。

(1)材料与基板收缩率间的关系

国产钙硼硅系LTCC生瓷带在陶瓷粉体及粘结剂材料配方和制备工艺等方面与先进国家相比存在着较大的差距，流延后的生瓷带没有进口生瓷带均匀一致，包括粉体形貌、粒径分布、生瓷带厚度、密度等，造成生瓷带在X、Y两个方向上收缩率不一致，见表1，采用不均匀系数KA来表征生瓷带X、Y方向收缩率差异，其计算公式为

表1 国产生瓷带X、Y方向收缩率测试结果 %

由于导体材料间的性能差异，不同金属浆料基板其烧结后收缩率不同。本文研究了背面印有大面积金浆料、银浆料基板的收缩率，如图3所示。也研究了没有印刷浆料基板的收缩率，三种基板收缩率测试结果如表2所示。

图3 不同金属浆料基板

表2 不同浆料基板烧结收缩率测试结果 %

(2)工艺与基板收缩率间的关系

生瓷带是由均匀分布在有机载体中的陶瓷粉料流延而成。在基板制作过程中，生瓷带中的残余应力以及有机载体的挥发造成生瓷带收缩，导致生瓷带尺寸不稳定，如图4所示，影响基板外形尺寸精度。对生瓷带进行热处理，热处理温度为80℃、时间为30 min，可以有效消除这些影响因素。热处理前的生瓷带尺寸稳定性如表3所示，70℃、30 min后尺寸变化超过0.05%;热处理后的生瓷带尺寸稳定性如表4所示，70℃、30 min后尺寸变化小于0.02%。

图4 生瓷带尺寸变化与时间的关系

表3 热处理前的生瓷带尺寸稳定性测试结果 mm

表4 热处理后的生瓷带尺寸稳定性测试结果 mm

叠层工艺中，相邻层旋转900可以有效解决因生瓷带X、Y方向上收缩率差异引起的基板扭曲变形问题，收缩率不均匀系数KA如表5所示，得到明显改善。

表5 旋转900后收缩率不均匀系数KA测试结果 %

(3)设计与基板收缩率间的关系

研究了基板背面浆料分布不均匀情况下各部位的收缩率，如图5所示，测试结果如表6所示。由于浆料和陶瓷材料间的性能差异，浆料分布不均匀导致基板各部位收缩率不同。所以，在设计微波LTCC多层电路基板时，一定要使电路分布均匀，使基板烧结后外形尺寸均匀一致。

图5 基板上浆料分布不均匀

表6 浆料分布不均匀基板烧结收缩率测试结果 %

2.2 腔体翘曲度控制技术

为了减小T/R组件体积及增加散热功能，很多芯片均采用裸芯片形式组装到微波LTCC基板上，腔体内通孔柱鼓凸及腔体底部翘曲变形是实现腔体内裸芯片组装的两个重要的影响因素。

(1)腔体尺寸对翘曲度的影响

研究了四种不同尺寸腔体的翘曲度，测试结果见表7，腔体尺寸越小，越有利于平整度的提高。

表7 不同尺寸腔体翘曲度测试结果

(2)腔体底部层数对翘曲度的影响

研究了腔体底部层数分别为5层、6层、7层时的翘曲度，测试结果见表8，腔体底部生瓷带层数越多，平整度越好。

表8 不同层数腔体翘曲度测试结果

根据腔体尺寸、层数对翘曲度的影响，同时结合LTCC材料与基板收缩率间的关系，可以通过优化腔体设计改善腔体翘曲度，还可以通过优化LTCC材料组合提高基板平整度，进而改善腔体翘曲度。

(3)填孔工艺对通孔柱鼓凸的影响

一般采用厚膜印刷工艺实现通孔浆料填充，造成腔体内通孔柱鼓凸的主要原因是浆料填入量过多，如图6所示。因此，如何控制浆料填入量是解决腔体内通孔柱鼓凸的一个重要途径。

图6 通孔柱鼓凸实物图

影响浆料填入量的因素很多，浆料粘度、印刷参数、漏印网版厚度以及开孔大小等都会对浆料填入量产生影响，表9列出了一些主要工艺参数对通孔柱鼓凸高度的影响，生瓷带厚度为127 μm，通孔直径为0.3 mm。

从表9可以看出，漏印网版厚度小于40 μm时，通孔柱鼓凸高度在15 μm以下，漏印网版开孔孔径比生瓷带孔径小0.05 mm时，通孔柱鼓凸高度在15 μm以下，能够满足裸芯片组装工艺要求。

表9 主要工艺参数对通孔柱鼓凸高度的影响

3 结束语

国产钙硼硅系LTCC生瓷带采用具有自主知识产权的陶瓷粉体、粘结剂等基础材料以及制备工艺，在稳定性和收缩率等方面与进口生瓷带相比存在差异，影响基板外形尺寸精度以及腔体翘曲度。

经过多次试验，解决了基板外形尺寸以及腔体底部翘曲度控制等关键技术，形成了一整套基于国产钙硼硅系LTCC生瓷带的微波基板制作工艺规程，研制的微波多层电路基板、X波段收发组件各项性能指标与基于国外同类型LTCC材料的微波多层互连基板、X波段收发组件性能指标相当，可以满足相控阵雷达技术要求［5］。

［1］ Brown R L，Polinski P W，Shaikh A S.Manufacturing of microwave modules using low-temperature cofired ceramics［C］//1994 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest.San Diego，California:IEEE Press，1994.

［2］ 钟 慧，张怀武.低温共烧接陶瓷(LTCC):特点、应用及问题［J］. 磁性材料及器件，2003，34(4):33-42.Zhong Hui，Zhang Huaiwu.LTCC technology:characteristics、applications and problems［J］.Journal of Magnetic Matericals and devices，2003，34(4):33-42.

［3］ 龙承毅，张树人，周晓华，等.CaO-B2O3-SiO2系LTCC基板材料的制备及烧结［J］.电子元件与材料，2011，30(7):29-31.Long Chengyi，Zhang Shuren，Zhou Xiaohua，et al.Preparation and sintering of CaO-B2O3-SiO2system for LTCC substrate materials［J］.Electronic Components and Materials，2011，30(7):29-31.

［4］ 罗庆生.用于制作蓝牙模块的LTCC集成基板［C］//“第十四届全国混合集成电路学术会议”论文集.安徽:中国电子学会电子元件分会混合集成电路技术部，2005.Luo Qingsheng.A LTCC integrated substrate using for the fabrication of blue-tooth module［C］//The 14th National Symposium on Hybrid Integrated Circuits.Huangshan:CIE Electronic Components Society，2005.

［5］ 姜伟卓，严 伟，谢廉忠.LTCC多层微波互连基板布局布线设计及制造技术［J］.电子工艺技术，2000，21(2):81-90.Jiang Weizhuo，Yan Wei，Xie Lianzhong.Design and manufacturing technology of LTCC multilayer microwave substrate［J］.Electronic Process Technology，2000，21(2):81-90.