鈣硼硅系LTCC生瓷帶在收/發(fā)組件中的應(yīng)用

謝廉忠，嚴(yán) 偉，房迅雷

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

鈣硼硅系LTCC生瓷帶在收/發(fā)組件中的應(yīng)用

謝廉忠，嚴(yán) 偉，房迅雷

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)機(jī)載、星載、艦載相控陣?yán)走_(dá)收/發(fā)組件小型化、輕量化、高性能、高可靠的有效手段。由于技術(shù)落后，國內(nèi)缺少商品化的微波LTCC材料，嚴(yán)重制約了LTCC技術(shù)的發(fā)展。文中對國產(chǎn)鈣硼硅系LTCC生瓷帶在X波段收/發(fā)組件中的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，分析了鈣硼硅系LTCC生瓷帶的工藝性能、漿料匹配性能以及微波性能，并采用國產(chǎn)鈣硼硅系LTCC生瓷帶研制了X波段收/發(fā)組件，性能指標(biāo)滿足相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)要求，為微波LTCC材料的國產(chǎn)化進(jìn)行了有益的探索。

鈣硼硅系；LTCC；收/發(fā)組件；相控陣?yán)走_(dá)

引 言

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，電子整機(jī)朝著短、小、輕、薄和高速、高頻、高性能、高可靠方向不斷發(fā)展。尤其是機(jī)載、星載和艦載相控陣?yán)走_(dá)等電子產(chǎn)品，由于其特定的使用環(huán)境以及較高的工作頻率，對體積、重量和性能提出了更加苛刻的要求。一部相控陣?yán)走_(dá)由成千上萬個(gè)收/發(fā)組件組成，如何研制出體積小、重量輕、可靠性高、幅相一致性好的高密度收/發(fā)組件，就成了研制機(jī)載、星載和艦載相控陣?yán)走_(dá)的關(guān)鍵。

20世紀(jì)80年代初，美國休斯公司基于最新開發(fā)的低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)，采用低損耗介質(zhì)材料、低電阻率導(dǎo)體以及多層布線方法，研制出了真正意義上的三維微波互連基板，并首次實(shí)現(xiàn)了在機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)收/發(fā)組件中的應(yīng)用[1]。

30多年來，歐美、日本等國在LTCC領(lǐng)域投入了大量的人力和物力，不斷完善和開發(fā)新的LTCC材料和工藝，LTCC材料已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化和系列化階段，在產(chǎn)品質(zhì)量和專利技術(shù)等方面均占有領(lǐng)先優(yōu)勢。國內(nèi)LTCC材料方面的研究明顯落后于國外，僅疊層片式電感器和電容器生瓷帶占有一定的市場份額，應(yīng)用于高頻組件的生瓷帶目前處于基礎(chǔ)研究階段，尚未形成產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模生產(chǎn)，缺少系列化、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的高頻LTCC材料[2]。

本文基于相控陣?yán)走_(dá)收/發(fā)組件研制要求，全面研究了鈣硼硅系LTCC生瓷帶的工藝性能、漿料匹配性能及微波性能，并研究了其在相控陣?yán)走_(dá)收/發(fā)組件中的應(yīng)用，推動(dòng)LTCC材料的國產(chǎn)化進(jìn)程[3]。

1 工程應(yīng)用要求

1.1 生瓷帶工藝性能要求

LTCC微波多層互連基板制造工藝流程如圖1所示，其工藝特點(diǎn)是不同層并行進(jìn)行下料、打孔、填孔、絲印，一次疊壓，一次燒結(jié)。它對生瓷帶在整個(gè)工藝過程中的尺寸穩(wěn)定性提出了很高的要求，否則很難保證層與層之間的精確定位。另外在工藝過程中還涉及到下料、打孔、填孔、絲印、層壓、燒結(jié)等，每一個(gè)工藝過程都會(huì)影響到微波多層互連基板的質(zhì)量，所以都必須滿足工程應(yīng)用要求。

圖1 LTCC微波多層互連基板制造工藝流程

1.2 生瓷帶漿料匹配性能要求

在LTCC微波多層互連基板中除了用到生瓷帶以外，還要用到通孔柱漿料、導(dǎo)體漿料、電阻漿料等。生瓷帶必須與這些漿料匹配，否則會(huì)造成通孔柱鼓凸、開裂，基板分層、翹曲，膜層結(jié)合不好等現(xiàn)象，影響微波多層互連基板的質(zhì)量。

1.3 基板性能要求

微波多層互連基板不但是微波元器件的載體，而且是實(shí)現(xiàn)微波組件內(nèi)部互連和一些無源功能的電氣互連基板，是微波組件的核心組成部分?；宓臋C(jī)械性能和電性能必須滿足工程應(yīng)用要求，以滿足收/發(fā)組件體積小、重量輕、多功能、高可靠的要求。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用鈣硼硅系LTCC生瓷帶以及進(jìn)口LTCC漿料，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)測試方法的具體要求制作測試樣件。層壓工藝參數(shù)為3 000 psi、70 ℃、15 min；排膠、燒結(jié)工藝參數(shù)為1℃/min到450℃、保溫180min、6 ℃/min到850 ℃、保溫15 min后冷卻；后燒工藝參數(shù)為峰值溫度850 ℃、燒結(jié)周期45 min。

實(shí)驗(yàn)共分為3個(gè)部分：

1)對生瓷帶工藝性能進(jìn)行測試，包括厚度均勻性、尺寸穩(wěn)定性、最小可加工孔徑、印刷性能、層壓性能、排膠燒結(jié)性能等，滿足LTCC工藝要求；

2)對生瓷帶漿料匹配性能進(jìn)行測試，包括漿料腐蝕、漿料分層、漿料擴(kuò)散、膜層附著力、收縮變形等，避免材料間相互影響；

3)對LTCC基板性能進(jìn)行測試，包括基板外形尺寸精度、通孔柱鼓凸、基板平整度、抗彎強(qiáng)度、介電常數(shù)、損耗角正切值、微波傳輸線插入損耗等，滿足X波段收/發(fā)組件技術(shù)要求。

3 結(jié)果與討論

3.1 厚度均勻性

生瓷帶厚度測試結(jié)果如表1所示，生瓷帶平均厚度為126 μm，厚度均勻性為±4 μm，能夠保證收/發(fā)組件微波性能的一致性。

表1 生瓷帶厚度 μm

樣品號X上X下Y左Y右11301251271282128125126128312412612712741221271261275126125127127

3.2 尺寸穩(wěn)定性

生瓷帶經(jīng)70 ℃、30 min烘烤后尺寸變化如表2所示，小于0.02%，能夠滿足生瓷帶工藝穩(wěn)定性要求，保證LTCC微波多層互連基板的層間定位精度，保證微波性能的一致性。

表2 生瓷帶尺寸變化 mm

樣品號X方向烘烤前烘烤后Y方向烘烤前烘烤后199．99599．994100．00099．9982100．011100．003100．014100．009399．98399．976100．00299．9964100．00299．988100．00199．990599．99799．996100．012100．000

3.3 最小可加工孔徑

在生瓷帶上用Φ0.1的沖模沖制通孔，在200倍顯微鏡下進(jìn)行孔徑測量并觀察孔形質(zhì)量，孔徑精確，孔形規(guī)則，孔內(nèi)無殘留，如圖2所示，能夠滿足高密度、小孔徑通孔制作要求。

圖2 生瓷帶上通孔形貌

3.4 印刷性能

在生瓷帶上印刷線寬/線間距都為100 μm的導(dǎo)體圖形，如圖3所示，其線寬/線間距測試結(jié)果如表3所示，精度優(yōu)于±10 μm，滿足精細(xì)線條制作工藝要求。

圖3 精細(xì)線條印刷圖形

表3 線寬/線間距測試結(jié)果 μm

樣品號線寬線間距1102．0598．032103．2996．863103．2998．324103．2996．345104．2899．29

3.5 層壓性能

生瓷帶經(jīng)3 000 psi、70 ℃、15 min層壓后，層間結(jié)合良好，如圖4所示，能夠滿足層壓工藝要求。

圖4 生瓷帶層間結(jié)合情況

3.6 排膠、燒結(jié)性能

生瓷帶經(jīng)1 ℃/min到450 ℃、保溫180 min排膠及6 ℃/min到850 ℃、保溫15 min燒結(jié)后，基板平整，生瓷帶排膠、燒結(jié)性能良好。

3.7 漿料腐蝕

在生瓷帶上印刷了通孔柱漿料、導(dǎo)體漿料、電阻漿料及錫焊漿料，沒有出現(xiàn)漿料腐蝕等不良現(xiàn)象，可以保證各種圖形的制作。

3.8 漿料分層

LTCC基板排膠、燒結(jié)后，瓷體與通孔柱、導(dǎo)體、電阻間結(jié)合良好，如圖5所示，沒有出現(xiàn)分層、裂紋等不良現(xiàn)象。

圖5 瓷體與金屬漿料結(jié)合情況

3.9 漿料擴(kuò)散

LTCC基板排膠、燒結(jié)后，瓷體與通孔柱、導(dǎo)體、電阻間沒有出現(xiàn)相互擴(kuò)散等不良現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 瓷體與電阻漿料擴(kuò)散情況

3.10 膜層附著力

按照“GB/T 17473.4—2008厚膜微電子技術(shù)用貴金屬漿料測試方法-附著力測定”方法測試錫焊漿料膜層附著力，如表4所示，平均值20.8 N，附著力大于20 N/2.54 × 2.54 mm2，滿足組裝工藝要求。

表4 膜層附著力測試結(jié)果 N

在尺寸為0.5 mm × 0.5 mm、間隔為1.5 mm的膜層上鍵合直徑25.4 μm金絲，按照“GJB 548B方法2011.1”進(jìn)行了破壞性拉力測試，如表5所示，鍵合力大于7 g，滿足組裝工藝要求。

表5 膜層鍵合力測試結(jié)果 g

3.11 收縮變形

在生瓷帶上印刷大面積金屬層，如圖7所示，測量漿料干燥前后的尺寸變化，由金屬漿料引起的尺寸變化如表6所示，小于0.04 mm，滿足工程應(yīng)用要求。

圖7 大面積金屬層圖形

表6 大面積金屬漿料引起的尺寸變化 mm

測試點(diǎn)設(shè)計(jì)尺寸圖形尺寸X179．96879．933Y179．98579．950X279．96879．930Y279．98579．968

3.12 收縮率不均勻系數(shù)KA

生瓷帶燒結(jié)后，基板X、Y兩個(gè)方向上收縮率不均勻系數(shù)KA小于3%，滿足基板外形尺寸要求。

3.13 通孔柱鼓凸

基板燒結(jié)后通孔柱平整，滿足各種芯片的貼裝工藝要求。

3.14 基板平整度

測量了基板翹曲度指標(biāo)，優(yōu)于1 μm /mm，滿足組裝工藝要求。

3.15 抗彎強(qiáng)度

按照“GB/T 4741—1999陶瓷材料抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)方法”測量了基板抗彎強(qiáng)度，抗彎強(qiáng)度大于170 MPa，達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的要求。

3.16 介電常數(shù)

按照“GB/T 12636—1990微波介質(zhì)基片復(fù)介電常數(shù)帶狀線測試方法”測量了生瓷帶介電常數(shù)，介電常數(shù)為6.0，滿足收/發(fā)組件低介電常數(shù)要求。

3.17 損耗角正切值

按照“GB/T 12636—1990微波介質(zhì)基片復(fù)介電常數(shù)帶狀線測試方法”測量了生瓷帶損耗角正切值，損耗角正切值為1.8 × 10-3，滿足收/發(fā)組件低損耗角正切值要求。

3.18 微波傳輸線插入損耗

采用Agilent矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和Anritsu 3680K通用微帶測試夾具組成的測試系統(tǒng)，如圖8所示，對微波傳輸線插入損耗進(jìn)行測試，10GHz下插入損耗小于0.15 dB/cm，滿足收/發(fā)組件低插入損耗要求。

圖8 微波傳輸線插入損耗測試系統(tǒng)

4 結(jié)束語

鈣硼硅系LTCC生瓷帶與LTCC漿料性能匹配，能夠滿足LTCC多層互連基板制作工藝要求，微波性能滿足X波段收/發(fā)組件技術(shù)要求。

采用鈣硼硅系LTCC生瓷帶研制的微波多層互連基板、X波段收/發(fā)組件各項(xiàng)性能指標(biāo)與基于國外同類型LTCC材料的微波多層互連基板、X波段收/發(fā)組件性能指標(biāo)相當(dāng)，可以滿足相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)要求[4]。

[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, 1994, 3: 1727-1730.

[2] 鐘慧, 張懷武. 低溫共燒結(jié)陶瓷(LTCC)：特點(diǎn)、應(yīng)用及問題[J]. 磁性材料及器件, 2003, 34(4): 33-35, 42.

[3] 龍承毅, 張樹人, 周曉華, 等. CaO-B2O3-SiO2系LTCC基板材料的制備及燒結(jié)[J]. 電子元件與材料, 2011, 30(7): 29-31.

[4] 姜偉卓, 嚴(yán)偉, 謝廉忠. LTCC多層微波互連基板布局布線設(shè)計(jì)及制造技術(shù)[J]. 電子工藝技術(shù), 2000, 21(2): 81-83, 90.

謝廉忠(1965-)，男，研究員級高級工程師，主要從事厚膜和LTCC工藝工作。

Application of CaO-B2O3-SiO2System LTCC Green Tape in T/R Module

XIE Lian-zhong，YAN Wei，F(xiàn)ANG Xun-lei

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

LTCC is an effective method for realizing small size, lightweight, high performance and high reliability T/R module of air-borne, satellite-borne and ship-borne phased array radars. However, LTCC research has been severely restricted by the shortage of commercialized microwave LTCC materials in our nation which is attributed to the disadvantage of technology. In this paper, the application of domestically produced CaO-B2O3-SiO2system LTCC green tape in X-band T/R module is intensively studied. The technological property, matching property with paste and microwave property of this LTCC green tape are described. Furthermore, X-band T/R modules based on this LTCC green tape are fabricated, and satisfy the technique standard of phased array radar. This study provides useful results for the localization of LTCC materials.

CaO-B2O3-SiO2system; LTCC; T/R module; phased array radar

2014-07-05

TN605

A

1008-5300(2015)02-0041-04