LTCC集成电阻的精细控制

2015-10-29贾少雄黄旭兰

电子与封装 2015年12期

关键词：阻值浆料印刷

贾少雄，李　俊，黄旭兰，杨　伟，王　亮

（中国电子科技集团公司第二研究所，太原 030024）

微电子制造与可靠性

LTCC集成电阻的精细控制

贾少雄，李俊，黄旭兰，杨伟，王亮

（中国电子科技集团公司第二研究所，太原 030024）

低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fire Ceramic——LTCC）技术，具有可集成无源电阻的独特优势。LTCC基板集成电阻主要有两种方式，表层电阻和内埋电阻。主要讨论了LTCC基板内埋电阻的制备工艺。针对不同的电阻材料，设计了不同工艺。最终为不同电阻的制备提出了一种优化的工艺，使得LTCC内埋电阻的精度控制范围可达到±17%。

LTCC；内埋电阻；印刷工艺；精度

通常来说，LTCC内埋电阻精度为±30%。本文通过调整印刷工艺及改进电阻工艺设计，以期有效提高内埋电阻的精度。

1　引言

当代信息技术的发展要求整机系统小型化。这种趋势酝酿出了微电子工艺在过去几十年中的飞速发展。迄今为止，半导体有源器件的集成度已接近硅工艺极限，这使得研究人员渐渐将目光转向了无源元件的集成。LTCC（Low Temperature Co-fire Ceramic）技术正是目前广泛采用的、满足无源元件集成的理想技术［1，2，3］，该技术通过集成电阻、电感和电容等无源元件，实现微波组件轻量化、小型化以及高可靠性。

目前LTCC基板集成电阻的主要方式为表层电阻和内埋电阻。表层电阻和内埋电阻都是通过丝网印

2　实验设计

本文研究的介质材料体系为Ferro A6M ，电阻体系为Ferro FX87系列电阻体系。图1为电阻外形示意图，图中中间为电阻，两边为端电极，W为电阻宽度，L为电阻长度。本文主要设计了一系列不同长度（L）和宽度（W）的电阻，电阻长宽比（L/W）变化范围为0.5～4。

本文选用Ferro A6M的10层介质材料，电阻埋置于第4层介质，电阻两端有端电极，第一层（即样品表面）同样位置处也有端电极，第1层到第3层通过0.2 mm直径的电路通孔将第1层的端电极和内埋电阻两端的端电极互连，结构如图2所示。

本文通过调整印刷网版的乳胶厚度和印刷工艺方式共设计了8种印刷工艺，分别编号为1#～8#。

图1　内埋电阻示意图

图2　内埋电阻结构图

3　实验结果及讨论

根据厚膜理论，电阻值由式（1）所得：

其中，R为电阻值，Rs为方阻值，L为电阻长度，W为电阻宽度。

再根据电阻公式，

其中，ρ为材料电阻率，d为印刷电阻的膜厚。由公式（1）和公式（2）相比可得：

对于相同材料而言，可以认为其电阻率ρ为固定的，所以，由公式（3）可知，印刷电阻材料的方阻值与印刷得到的电阻膜厚成反比。

实验中，膜厚测量采用Cyber Voltage激光测厚仪测量印刷干燥后的电阻膜厚d。对于不同的印刷工艺，其印刷干燥后电阻浆料的膜厚不同，具体对应数值如表1所示。

表1　不同印刷工艺下的电阻膜厚

实验中，电阻测量采用ATG A5 Neo飞针测试仪进行测量。图3为不同方阻的材料在不同印刷工艺下的归一化方阻值（实测方阻值与理论方阻值的比值）。从图3可得，不同方阻材料的归一化方阻随印刷工艺的变化具有一致性，其基本可分为三大区域：第一区域为归一化方阻最高的两点，即印刷工艺为1#和3#的两种工艺得到的归一化方阻最高；第二区域为归一化方阻最低的三点，即印刷工艺为2#、5#、8#三种工艺得到的归一化方阻最小；第三区域为中间区域，即印刷工艺为4#、6#、7#三种工艺。这是因为由公式（3）可知，相同材料的方阻主要与电阻的膜厚成反比。再由表1可得，1#和3#印刷工艺得到的电阻膜厚最小，为28～29 μm；2#、5#、8#三种工艺得到的印刷膜厚最大，为39～42 μm；4#、6#、7#三种工艺得到的印刷膜厚居于中间，为33～35 μm。

图3　不同材料的归一化方阻随印刷工艺的变化

同时，从图3还可得出，在相同印刷工艺作用下，不同材料的归一化方阻差别较大。可以看出，对于10 Ω和10 kΩ的材料，在1#印刷工艺作用下，归一化方阻已经超过1，分别达到了1.05和1.20；对于100 Ω和1 kΩ的材料，在1#印刷工艺作用下，归一化方阻均在1以下，分别达到0.93和0.60。因此，需要对不同材料分别进行印刷工艺和电阻的设计，才可达到电阻阻值的精细控制，接下来针对不同的材料分别进行研究。

3.1 方阻为10 kΩ的电阻材料

图4　不同印刷工艺下方阻为10 kΩ的方阻误差随电阻长宽比的变化

由前面的讨论可知，不同的印刷工艺会引起较大的电阻变化。因此在相同印刷工艺作用下，设计了不同的电阻尺寸，观察其方阻的变化。图4为在不同印刷工艺作用下，方阻为10 kΩ的方阻误差随电阻外形尺寸的变化。通过统计计算所得，不同印刷工艺作用下10 kΩ电阻材料以3倍标准差计算所得的方阻容差及平均方阻值，如表2所示。结合图4和表2可以看出，对于10 kΩ的电阻浆料，不同长宽比的电阻设计，方阻的容差为11%～22%，不同印刷工艺下平均方阻值为5.88 kΩ～11.99 kΩ。

因此，这里针对方阻为10 kΩ的电阻浆料，采用4#印刷工艺，即图4“*”号所标示的最优方案，可得平均方阻为10.03 kΩ，以3倍标准差计得的方阻误差为±11%。

表2　不同印刷工艺下10 kΩ方阻的误差及平均方阻值

3.2方阻为1 kΩ的电阻材料

图5　不同印刷工艺下方阻为1 kΩ的方阻误差随电阻长宽比的变化

表3　不同工艺下1 kΩ的方阻误差及平均方阻值

同样，结合图5和表3可得，对于1 kΩ的电阻浆料，在不同长宽比的电阻设计下，经过不同的印刷工艺，以3倍标准差计得的方阻误差为±4%～±20%，不同印刷工艺下平均方阻为0.29 kΩ～0.60 kΩ。

因此，这里针对方阻为1 kΩ的电阻浆料，采用编号为1的印刷工艺，可得平均方阻为0.6 kΩ，误差为± 17%。实际使用过程中，若采用1#印刷工艺，需要在电阻设计时将其长宽比设计为1.67；若采用2～8号印刷工艺，电阻膜厚会比较厚，而且电阻长宽比需要调整的比例较大。所以这里仍然推荐采用1#印刷工艺，将电阻长宽比设计为原来的1.67倍，可得其方阻值为1 kΩ，误差为±17%。

3.3方阻为100 Ω的电阻材料

图6　不同印刷工艺下方阻为100 Ω的方阻误差随电阻长宽比的变化

表4　不同工艺作用下100 Ω电阻的误差变化范围及平均方阻值

结合图6和表4，可得到，对于方阻为100 Ω的电阻浆料，采用1#印刷工艺，可得平均方阻为93.20 Ω，容差范围为±11%。实际使用过程中，若采用理论的长宽比设计方式，在1#印刷工艺作用下，所得方阻范围为88.20～98.20 Ω。在精度要求比较高的情况下，电阻设计时可将其长宽比设计为理论比例的1.07倍，这样可得其平均方阻为100 Ω，误差为±11%。

3.4方阻为10 Ω的电阻材料

图7　不同印刷工艺下方阻为10 Ω的方阻误差随电阻长宽比的变化

表5　不同工艺作用下10 Ω电阻的误差变化范围及平均方阻值

结合图7和表5，可知，对于方阻为10 Ω的电阻浆料，采用编号为1的印刷工艺，可得平均方阻为10.54，容差范围为±7%。实际使用过程中，若采用理论的长宽比设计方式，在1#印刷工艺作用下，所得方阻范围为10.14～10.94 Ω。在精度要求比较高的情况下，电阻设计时可将其长宽比设计为理论值的0.949倍，这样可得其平均方阻为10 Ω，误差为±7%。

3.5电阻随温度的变化

在确定了不同方阻的制备工艺之后，进一步研究了按照此工艺进行制备的电阻随温度的变化。图8和图9分别显示了不同方阻的电阻随温度的变化关系和不同方阻的温度系数。

表6显示了不同方阻的平均温度系数及变化范围。结合图8、图9和表6可知：10 Ω方阻呈现正的温度系数，并且温度系数较大，平均为868×10-6/℃，并且变化范围较大，为0～1648×10-6/℃；其他方阻基本都呈现出负温度系数。可见LTCC电阻影响因素比较复杂，需要我们长期的探索。

图8　不同方阻的归一化电阻随温度变化

图9　不同方阻的温度系数

表6　不同方阻的温度系数平均值及变化范围

4　结论

本文针对Ferro A6M介质材料体系及其FX87系列内埋电阻体系的电阻精度与印刷工艺及制备过程中的电阻长宽比设计进行了研究。通过调整电阻制备过程中丝网的乳胶厚度、印刷工艺以及电阻的长宽比设计，可以显著提高不同内埋电阻材料的控制精度，其中10 kΩ精度为±11%，1 kΩ精度为±17%，100 Ω精度为±11%，10 Ω精度为±7%。同时我们也得到内埋电阻的温度特性，其中10 Ω的电阻呈现出正的温度特性，且温度稳定性不佳。

［1］边国辉，方一波，吴小帅. 用于制造微波多芯片组件的LTCC技术［J］. 半导体技术，2008，33（5）：378-380.

［2］谢廉忠，周勤. LTCC埋置电阻器制造工艺研究［J］. 混合微电子技术，2003，14（3）：83-86.

［3］ Andrzej Dziedzic， Leszek J Golonka， Andrzej Kolek， et al. DC and AC electrical properties and long-term stability of LTCC resistors［C］. 24th International Spring Seminar on Electronics echnology， 2001.137-141.

［4］王啸，马涛，李峰. LTCC基板上电阻的设计与制造［J］.电子元件与材料，2006，25（8）： 64-67.

［5］ Markku Lahti ， Antti Vimpari， Kari Kautio. Printable resistors in LTCC systems［J］. Journal of the European Ceramic Society. 2007， 27 ： 2953-2956.

The Tight Control of Tolerance of LTCC Resistor

JIA Shaoxiong， LI Jun， HUANG Xulan， YANG Wei， WANG Liang
（China Electronics Technology Group Corporation No.2 Research Institute， Taiyuan 030024，China）

Low Temperature Co-fire Ceramic （LTCC） technology offers a unique advantage in passive components. The integral resistors in LTCC include surface resistors and embedded resistors. In this study the processing of embedded resistors in LTCC substrates have been discussed. The experimental work has been made with different types of resistor material. By optimizing the processing， the embedded resistance tolerances smaller than ±17% were achieved.

LTCC； embedded resistors； the print processing； resistance tolerances刷工艺将不同的电阻浆料印刷于LTCC生瓷表面，然后通过叠层共烧的方式制成电阻。表层电阻的优点是可以通过激光调阻的工艺来精细调整电阻精度；内埋电阻的优点是可以减少顶层的印刷面积，进一步提高LTCC基板集成度。然而，内埋电阻极难实现激光调阻，电阻精度不易控制［4，5］。