LTCC曲面基板制造技术*

卢会湘，严英占，唐小平，明雪飞

（1.河北远东通信系统工程有限公司，石家庄050081；2.中国电子科技集团公司第54研究所，石家庄050081；3.中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214035）

LTCC曲面基板制造技术*

卢会湘1，严英占2，唐小平1，明雪飞3

（1.河北远东通信系统工程有限公司，石家庄050081；2.中国电子科技集团公司第54研究所，石家庄050081；3.中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214035）

电子电路曲面结构对于实现结构功能一体化有重要应用意义。针对LTCC多层电路基板，提出了一种曲面结构基板的加工制造方法。介绍其制造中曲面结构导体制作、曲面结构成形、曲面结构烧结等环节的关键制造工艺。通过X光和剖切方式对所制造的曲面基板进行测试分析，结果证实曲面基板中的多层布线均连通，且层间对位精度优于15 μm。提出的曲面LTCC基板制造技术能够满足后续产品的研制加工要求，对于曲面电子技术和LTCC技术的发展都具有借鉴意义。

低温共烧陶瓷；曲面基板；制造

1　引言

LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic）技术是上世纪八十年代发展起来的电路和无源元件集成技术。多层LTCC基板技术能将部分无源元件集成到基板中，使其具有高速、高频、高密度、高可靠性等优势，有利于系统的小型化，提高了电路的组装密度，且有利于提高系统的可靠性，被公认为微波一体化封装的良好解决方案。因此被广泛应用于微波通信、航空航天和军事电子等领域［1，2］。

复杂曲面电子技术作为一种新型技术，主要是采用新材料、新工艺制作出复杂曲面结构的电子产品，实现与武器装备表面的共形贴合，广泛应用于各类飞行器共形天线阵、智能蒙皮等领域。例如在现代各种飞行器上安装有多种天线，如导航天线、各种通信天线和雷达天线等。这些天线对飞行器的飞行造成不可忽视的阻力并增加油耗，另外还会对飞行器的隐身性能产生影响。因此，出于节省空间、实现气动和隐身一体化设计等因素的考虑，安装在飞行器上的天线需要实现与飞行器的共形，即需要采用共形天线的形式［3］。另一方面，柱面阵列、环形阵列相比于平面阵列其方向图都具有360°覆盖范围的潜力，同时口径增大，可实现窄波束，并提高天线的增益［4］。

LTCC曲面基板可以将多层高密度布线、高频特性、高可靠优势与设备轻量化、小型化、多功能、共形贴合的要求结合起来，发挥两者的优势，进一步实现武器装备的结构功能一体化水平和性能。本文介绍了LTCC曲面基板的制造方法，对于实现二维曲面集成具有借鉴意义。

2　LTCC曲面基板制造

2.1LTCC基板制作工艺流程

常规LTCC基板的工艺流程如图1所示。首先，对所需要的LTCC生料带进行切割下料并采用机械冲制或者激光加工的方法在每层瓷片上加工对位孔和层间互连通孔，然后通过填孔和丝印制作层间互联金属柱和每一层的导体图形，通过叠片、层压工艺将多层LTCC生料带制作成一个整体的生坯；最后经过低温烧结处理使其成瓷，如果产品还需要制作电阻或者焊接围框，则需要进行后印后烧过程。

图1　常规LTCC基板工艺流程图

2.2LTCC曲面基板制造关键环节

曲面LTCC的加工流程参考常规加工制作流程，但是由于外形结构的特殊性，在印刷、层压和烧结工艺都需要采取特殊措施，所以如何在曲面结构的基板上印刷图形，如何实现曲面结构的成形和高精度对位以及如何进行烧结成为该工艺的关键技术，它们的好坏直接决定了复杂曲面基板的电路特性以及后续装配使用过程中的共形贴合效果，因此将该部分内容作为关键技术进行重点研究。

2.2.1曲面结构中的印刷工艺

2.4.1 体位要求 术后植皮区的位置固定十分重要防止受压，故给予持续俯卧位，为防止压疮发生，采取双侧髋部垫海绵垫，躯干两侧轮流10°轻翻身，每2～3小时1次，避免大幅度活动。

在复杂曲面LTCC基板制造中，曲面结构体中导体线条的印刷工艺是首先需要研究的内容，也是实现复杂曲面LTCC基板功能化的关键。在这部分内容里，需要考虑曲率结构下LTCC基板中导体线条的制作方式以及工艺路线。为保证不同层间图形连接的可靠性，需要建立相关曲率结构条件下不同层之间图形的修正补偿模型，确定合适的补偿因子。

实现曲率条件导体图形的印刷有两种工艺方法：

（1）方法1：先曲化后印刷。

先将曲面载体上的金属导体图案转换成平面图形，并制作出相应的印刷网版，在曲面印刷机上安装网版，同时将样品固定在圆形滚筒夹具上，印刷时样品进行轴向转动的同时沿水平方向进行移动，网版正面的刮板在水平方向随着样品同时移动，保持刮板和样品的相对位置不变。

图2　曲面印刷机工作示意图

（2）方法2：先印刷后曲化。

同普通平面印刷品制作方式类似，首先对印刷图案进行适当的修正补偿，将设计图形转换为平面图形，然后按照常规方式印刷（打印）出相应图案，最后进行弯曲成形或将图案直接贴合到曲面载体表面。

表1　两种曲面图形制作方法的对比

本试验选用方法2，先在平面单层生瓷片上进行金属图形的印刷制作，利用生瓷片柔软、可变形的特点，在叠片过程中进行曲化成形。该方法可以采用常规LTCC设备，便于操作，更重要的是可以在内部实现多层图案的堆叠，同时对于封闭圆环结构的LTCC基板可以实现环内-环外图形的有效连接，真正发挥LTCC多层布线的优势。

2.2.2曲面结构中的成形工艺

复杂曲面结构的成形主要是指曲面LTCC基板的温水等静压预成形过程。

常规LTCC温水等静压预成形工艺方式是将叠片后的多层LTCC生瓷片平放在光滑平整的金属层压板上，然后用硅胶片进行包裹，用铝箔袋进行抽真空密封，最后放入温水等静压机进行层压成形。

曲面LTCC基板层压成形时首先要设计制作特定形状的叠片模板，同时还要考虑层压时的密封方式，尤其是对于封闭圆环结构的LTCC基板，模具类型不同则密封方式不同，否则，温水等静压后会出现变形现象。

此部分的重点是根据二维弧面和封闭圆环两种曲面结构，确定合适的层压板类型和包封方式。

表2　不同类型LTCC基板的层压试验结果

通过上述数据可以看出，二维弧面属于开放式结构，层压成形时根据温水等静压的工作原理，可以选择硬质塑料或金属作为成形模具，只需采用外包裹方式即可获得比较理想的效果。对于封闭圆环结构，由于是封闭式结构，通过对受力模型的分析和脱膜效果的比较，选择空心金属环作为模具，采用内-外包裹的方式可以获得比较好的效果，图3是本试验中制作的二维弧面样品和封闭圆环样品。

2.2.3曲面结构中的烧结工艺

烧结是复杂曲面LTCC基板加工制造的最关键一步，需要保证烧结后的曲率形状满足设计要求。

为了保证烧结过程中结构不变形，针对不同放置方式烧结过程的受力模型进行分析，如图4（a）所示。对于二维弧面结构，如果水平放置时，由于是曲面形状，两侧呈翘曲悬空状态，烧结过程中在重力作用影响下样品曲率会逐步变化，甚至成平面化，试验中弧面基板烧结后开口变大，如图4（b）所示；若选择竖直放置可起到一定的改善效果，如图4（c）所示。

图3　不同曲面结构的LTCC生瓷样品

图4　弧面水平放置烧结过程受力分析及试验结果

对于圆环基板竖直放置时，由于基板与承烧板之间存在摩擦力，烧结时圆环基板由于要收缩，存在向内部缩小的趋势，基板与承烧板之间就会有位移，产生阻碍圆环基板收缩的摩擦力，如图5（a）所示，在采用常规承烧板时由于圆环四周受到的摩擦力大小不一致，烧结后的样品形状变得不规则，如图5（b）所示；试验过程中通过选用表面平整度高、摩擦力小的承烧板，可以明显改善烧结质量，如图5（c）所示是选用特殊承烧板烧结出来的圆形基板。

图5　圆环结构样品烧结受力分析及试验结果

3　制造精度检测

本试验以二维弧面LTCC基板结构为目标，设计了7层结构的连通对位测试版图，四周设计了直径为0.20 mm的独立直通孔，正面焊盘（L1）通过内部折线（L3/5）与背面焊盘（L7B）连通。按照相关工艺要求加工制造出样品，经过测试所有连通点全部符合要求，为了进一步观察对位效果，对样品进行了X光扫描，如图6所示。由于是在垂直上方拍摄的X光图片，所以样品中心区域连通孔只显示一个圆点，沿着曲率向两侧移动，多层堆叠孔逐步呈现成一条金属柱，通过该图可以看出曲面结构条件下不同层金属图形的修正补偿模型正确。最后对两侧区域通孔分别沿X、Y方向进行剖切处理，并在200倍下观察其剖面，如图7所示，从图中可以看出该工艺方案制造的曲面基板对位精度优于15μm，能够满足后续产品的研制加工要求。

图6　测试结构实物X光扫描图片

图7　通孔（两侧区域）剖面图

4　结束语

本文结合曲面电子技术和LTCC基板的优势，提出复杂曲面LTCC基板的制造思路，确定了工艺路线，指出了关键工艺技术难点。

针对复杂曲面结构中的导体制作、层压成形和烧结难题，逐一进行深入分析，提出了有效的解决方案，并加工制作了一系列曲面结构的LTCC样件，最后通过结构测试，表明按照相关工艺要求制作的曲面样品电路连通性满足要求，不同层金属图形的修正补偿模型正确，层间对位精度较高。

本文提出的复杂曲面LTCC基板制造技术能够满足后续产品的研制加工要求，对于曲面电子技术和LTCC技术的发展都具有重要意义。

［1］何健锋.LTCC基板制造及控制技术［J］.电子工艺技术，2005，26（2）:75-81.

［2］董兆文，李建辉，沐方清.LTCC微波一体化封装［J］.电子与封装，2010，10（5）:1-6.

［3］朱松.共形天线的发展及其电子战应用［J］.中国电子科学研究院学报，2007，2（6）:562-567.

［4］马留涛.锥体与柱体载体平台共形天线阵列设计［D］.西安：西安电子科技大学硕士论文，2013.

卢会湘（1982—），河北邢台人，硕士，毕业于天津大学，工程师，主要从事LTCC工艺技术研究工作。

Fabrication Technology for LTCC Curved Substrate

LU Huixiang1，YAN Yingzhan2，TANG Xiaoping1，MING Xuefei3
（1.Hebei Far-East Communication System Engineering Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050081，China；2.China Electronics Technology Group Corporation No.54 Research Institute，Shijiazhuang 050081，China；3.China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute，Wuxi 214035，China）

The curved substrate of electric circuit is meaning for structure-function integration application.In the paper，the fabrication technology for LTCC curved substrate is proposed，including the wiring in the multilayer LTCC curved substrate，the molding and the co-firing of the curved structure.By using the X-Ray，the section of the LTCC curved substrate is tested，confirming that，the routing of the multilayer in LTCC keeps connected while the registration precision exceeds 15 μm.The fabrication technology proposed in this paper can satisfy the requirements，which can be used for reference to curved electronic applications.

low-temperature co-fired ceramic（LTCC）；curved substrate；fabrication

TN305.94

A

1681-1070（2016）05-0039-04

2016-2-29

国家自然科学基金（61404119）