国产LTCC微波多层基板中的电阻埋置技术*

谢廉忠，游 韬，王 锋

（南京电子技术研究所，江苏 南京 210039）

引 言

机载、舰载、星载等有源相控阵雷达要求天线阵面轻且薄，收/发（Transmit/Receive, T/R）组件的体积和重量受到限制，T/R组件需要高度集成化才能满足孔径适装的要求。随着集成电路和微型化片式器件的发展和应用，T/R组件高度集成化的主要制约因素已不再是元器件本身，而是其组装和封装方式。为了适应这一发展趋势，20世纪90年代以来，基于微波多层基板的多芯片组件技术得到发展，实现了T/R组件的小型化和轻量化[1]。

低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic, LTCC）技术的主要优点是生瓷带能够在850°C的空气环境中烧成，可以使用金、银等具有高电导率的导体浆料，还可以集成电阻器、电感器等无源元件，是研制微波多层基板的理想技术，是实现T/R组件扁平化和轻量化的有效手段[2]。

LTCC技术最早由美国开始发展，材料配方也一直掌握在DuPont、Ferro等少数几家美国公司手中。为了打破LTCC技术壁垒，推动LTCC技术发展，近年来国内厂商开始关注LTCC材料的开发，涌现出了不同品种的LTCC生瓷带和浆料[3-10]。由于采用了具有自主知识产权的材料配方和制备工艺，国产LTCC材料的性能与进口LTCC材料相比存在差异。

本文介绍了一款国产埋置电阻浆料，其性能与同类型进口浆料相比存在一些差异。例如，浆料粘度约为82 Pa·s，大于进口浆料粘度（约70 Pa·s），浆料触变性不同于进口浆料，阻值后烧结变化≤±10%，小于进口浆料±30%的阻值后烧结变化。本文针对电阻埋置工艺进行了相关研究，包括印刷、层压、烧结等，并通过50 Ω负载电阻、π型衰减器和LTCC微波多层基板验证了埋置电阻的性能，为国产LTCC材料的推广应用提供了参考。

1 埋置电阻浆料

国产LTCC微波多层基板LTCC材料种类及用途详见表1。

表1 LTCC材料种类及用途

埋置电阻浆料必须与生瓷带以及其他浆料匹配，其可加工性能必须满足LTCC工艺要求，具体性能要求见表2。

表2 埋置电阻浆料性能要求

2 埋置电阻工艺

采用国产LTCC材料制作埋置电阻试验样件，电阻浆料的方阻为100 Ω/□，埋置电阻有效长度为1 mm，宽度为1 mm，方数为1 □。埋置电阻集成在基板内部，无法进行阻值调整，因此加强工艺过程控制成了埋置电阻制作的关键，决定了埋置电阻的阻值精度。本文主要从印刷、层压和烧结3个方面进行研究。

2.1 印刷工艺对电阻阻值的影响

影响电阻阻值的因素有印刷网版参数和印刷工艺参数。印刷网版参数包括丝网种类、丝网目数、编织方式、乳胶厚度等，印刷工艺参数包括印刷角度、刮板硬度、脱网距离、印刷压力、印刷速度等。为了使印刷工艺过程稳定、电阻膜层厚度可控，一般将丝网种类、编织方式、印刷角度、刮板硬度、脱网距离等参数固定，主要调整丝网目数、乳胶厚度、印刷压力、印刷速度等操作性强、效果明显的参数。表3列出了印刷网版参数对电阻阻值的影响，表4列出了印刷工艺参数对电阻阻值的影响。

表3 印刷网版参数对电阻阻值的影响Ω

表4 印刷工艺参数对电阻阻值的影响Ω

2.2 层压工艺对电阻阻值的影响

层压工艺参数包括层压温度、层压时间、层压压力等。研究表明，层压压力和层压温度对电阻阻值影响较小，层压时间对电阻阻值影响较为明显。表5列出了层压时间对电阻阻值的影响。

表5 层压时间对电阻阻值的影响

2.3 烧结工艺对电阻阻值的影响

影响电阻阻值的因素有烧结工艺参数和后烧结工艺。烧结工艺参数包括升温速率、峰值温度、保温时间、压缩空气流量等。研究表明，升温速率、压缩空气流量对电阻阻值影响较小，保温时间对电阻阻值影响较为明显，峰值温度对电阻阻值影响最大。表6列出了保温时间对电阻阻值的影响，表7列出了峰值温度对电阻阻值的影响。

表6 保温时间对电阻阻值的影响

表7 峰值温度对电阻阻值的影响

LTCC微波多层基板有时需要后烧结工艺处理，后烧结工艺参数为峰值温度850°C、保温时间10 min、烧结周期60 min。表8列出了后烧结次数对电阻阻值的影响，电阻原始阻值为91.4 Ω。

表8 后烧结次数对电阻阻值的影响

综上所述，不同工艺参数对电阻阻值有不同的影响，只要掌握这些工艺参数与电阻阻值之间的关系并加以严格控制，在LTCC微波多层基板设计时进行阻值优化，是能够得到均匀一致的电阻阻值的。埋置电阻实物样件如图1所示。

图1 埋置电阻实物样件

3 埋置电阻性能验证

3.1 50 Ω负载电阻性能

采用埋置电阻浆料在LTCC基板上制作50 Ω负载电阻，如图2所示。基于国产浆料和进口浆料分别制作两组50 Ω负载电阻进行微波性能测试和对比，1、2号为国产浆料样品，3、4号为进口浆料样品。50 Ω负载电阻反射系数测试结果见表9，国产浆料与进口浆料性能相当，满足X波段T/R组件技术要求。

图2 50 Ω负载电阻示意图

表9 50 Ω负载电阻反射系数测试结果dB

3.2 π型衰减器性能

采用埋置电阻浆料在LTCC基板上制作π型衰减器，如图3所示。基于国产浆料和进口浆料分别制作两组π型衰减器进行微波性能测试和对比，1、2号为国产浆料样品，3、4号为进口浆料样品。π型衰减器衰减量测试结果见表10，国产浆料与进口浆料性能相当，满足X波段T/R组件技术要求。

图3 π型衰减器示意图

表10 π型衰减器衰减量测试结果dB

3.3 LTCC微波多层基板性能

采用国产LTCC生瓷带和浆料制作微波多层基板，如图4所示。对基板主要性能指标进行测试，结果见表11，埋置电阻阻值精度优于±30%，满足X波段T/R组件技术要求。

图4 LTCC微波多层基板示意图

表11 LTCC微波多层基板测试结果

4 结束语

国产埋置电阻浆料采用了具有自主知识产权的材料配方和制备工艺，其浆料粘度、触变性等与进口浆料相比存在差异，影响埋置电阻的阻值精度和微波性能。

本文研究了印刷工艺、层压工艺、烧结工艺对埋置电阻阻值的影响，通过设计优化和关键工艺参数（丝网目数、乳胶厚度、印刷压力、印刷速度、层压时间、保温时间、峰值温度、后烧结次数）控制，埋置电阻的阻值精度和微波性能能够满足X波段T/R组件技术要求，可以实现国产埋置电阻浆料的工程应用。