LTCC多層基板腔體工藝研究

李姍澤，劉紅雨，杜　彬，馮曉曦，馬其琪

（中國電子科技集團公司第二研究所，太原030024）

LTCC多層基板腔體工藝研究

李姍澤，劉紅雨，杜彬，馮曉曦，馬其琪

（中國電子科技集團公司第二研究所，太原030024）

機載、星載、艦載相控陣雷達由于其特定的使用環(huán)境，需要體積小、重量輕、高性能、高可靠、低成本的微波組件。帶腔體LTCC基板具有高密度布線、電阻、電容、電感的內(nèi)埋以及芯片的埋置等特性，是制作機載、星載、艦載相控陣雷達微波組件理想的高密度基板。針對帶腔體LTCC集成基板的制造技術(shù)，簡單介紹其工藝流程，并對腔體成型這項關(guān)鍵工藝進行了分析，提出了相應(yīng)的解決方法。

微波組件；腔體；LTCC集成基板

1　引言

將多個不同類型、不同性能的無源元件集成在一個封裝內(nèi)有多種方法，主要有低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)、薄膜技術(shù)、硅片半導(dǎo)體技術(shù)、多層電路板技術(shù)等。從技術(shù)成熟程度、產(chǎn)業(yè)化程度以及應(yīng)用廣泛程度等角度來評價，目前，LTCC技術(shù)是無源集成的主流技術(shù)。

所謂LTCC技術(shù)，就是將低溫燒結(jié)陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生瓷帶，在生瓷帶上利用激光/機械打孔、微孔注漿、精密導(dǎo)體漿料印刷、腔體成型等工藝制出所需要的電路圖形，并將多個無源元件埋入其中，然后疊壓在一起，在850℃下燒結(jié)，制成三維電路網(wǎng)絡(luò)的無源集成組件，也可制成內(nèi)置無源元件的三維電路基板，在其表面可以貼裝IC和有源器件，制成無源/有源集成的功能模塊。利用腔體實現(xiàn)芯片的埋置，可以減少鍵合線產(chǎn)生的寄生參量、容易布置去耦電容、實現(xiàn)各個芯片單元間的相互屏蔽，實現(xiàn)互連基板和封裝外殼的一體化，在提高封裝密度、減小體積、減輕重量的同時，改善微波特性、提高可靠性?？傊?，利用這種技術(shù)可以成功地制造出各種LTCC產(chǎn)品，如圖1和圖2所示。

圖1　微波組件示意圖

圖2　多層LTCC集成基板示意圖

2　腔體的成型

腔體的制作在相控陣雷達微波組件的帶腔體多層LTCC集成基板的制造技術(shù)中是非常關(guān)鍵的。它們的性能好壞決定了LTCC集成基板后期芯片的可裝配性。腔體分為兩種，一種是通腔，另一種是盲腔。

2.1LTCC基板制造中通腔的形成

LTCC基板制造中通腔有兩種成型工藝，一種為疊層前生瓷切割，一種為共燒后熟瓷激光線性切割。由于生瓷切割完后，在疊壓和共燒過程中容易發(fā)生腔體塌陷和翹曲等問題，所以一般采用熟瓷激光切割。該類激光切割機屬于XY軸運動方式的二氧化碳激光切割機，可以對常見非金屬材料的任意形狀進行切割，如陶瓷、導(dǎo)電膜、亞克力板、紙張等。由激光器輸出受控的激光束，該激光束通過聚焦透鏡組聚焦在加工物體的表面上，形成細微、高能量密度的光斑。每一個高能量的激光脈沖瞬間能把物體表面濺射出一個極微細小的孔。在控制系統(tǒng)控制下，由運動系統(tǒng)帶動激光切割頭與被切割材料按預(yù)先繪好的圖形進行相對運動，這樣就會把物體切割成想要的形狀。

2.2LTCC基板制造中盲腔的形成

LTCC基板制造中盲腔適用于疊層前切割，通常腔底到基板底部需大于0.5 mm，一般通過下面兩種方式形成。

2.2.1機械加工

LTCC生瓷帶通常采用機械沖孔機形成互連通孔，沖孔設(shè)備在計算機控制下驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)如氣動沖孔組件或電動沖孔組件，在LTCC基板上用方形沖頭包絡(luò)沖制出互連通孔或散熱功能孔等來擬合出所需要的腔體。見圖3所示，沖孔單元由沖針及下凹模組成，常用的沖針有圓形和方形兩種。圓形沖針直徑常用的從Φ0.1 mm～Φ4 mm，方形沖針從0.5 mm×0.5 mm～3.5 mm×3.5 mm。圓形沖針用于打腔體倒角或曲線的擬合等。方形沖針用于打方孔，如制作LTCC空腔、簡單的直線型微流道等。機械沖孔的特點在于切口干凈，但受沖孔單元模具的限制，難以擬合異形腔，且擬合出腔體后易在生瓷片上遺留生瓷殘屑，成腔效率較低。

圖3　機械沖孔單元

2.2.2激光加工

激光切割的特點是不受機械打孔的沖孔單元模具的限制，可切割出任意形狀的腔體，如圓形、方形、矩形以及異型腔，切出腔體后形成的生瓷殘屑顆粒較大，容易發(fā)現(xiàn)并清理，但切口邊緣會出現(xiàn)粉塵。圖4為紫外激光加工腔體。運用紫外激光的獨特點進行切割，能夠獲得比普通長波長切割機更加高的精確程度與切割功效。運用能量較高的激光源與精確程度較高的控制激光光束能夠非常有效地提升處理速度與處理精確程度。

圖4　紫外激光加工腔體

3　腔體填充件的制作

在LTCC基板設(shè)計時，腔體結(jié)構(gòu)通常都是開放的。所以在層壓后，腔體填充材料易于取出，對于填充材料考慮的重點是保證層壓時腔體邊緣及腔底不產(chǎn)生變形。腔體在層壓過程中由于受到外力的作用，會產(chǎn)生變形，輕微的造成腔體邊緣變成圓形，嚴重的還會造成腔體的阻塞以及腔體底部的抬高，如圖5和圖6所示。為了避免腔體變形，必須在腔體中放入填充物，再在基板上覆蓋一層與基板腔體一致的鋼片來保護腔體邊緣（如圖9所示），然后進行層壓。初期我們使用鋼塊來進行填充，由于外協(xié)加工導(dǎo)致的加工成本高、加工時間周期不穩(wěn)定、某些異形腔體和階梯腔加工難度大等一系列問題，且層壓后取出時容易弄壞基板，如圖7所示，所以決定使用比較柔軟且容易制作的填充物。對于貫通型腔體，處理起來相對容易，填充物可以采用與基板相同的生瓷料，通過紫外激光機切割出與需要填充的腔體尺寸相同的生瓷片，然后按照腔體厚度按層放入腔體內(nèi)填充，再與整個生瓷基板一起進行疊壓，完成后小心取出。而對于臺階型的腔體，采用硬質(zhì)材料填充物無法實現(xiàn)層壓過程中與生料帶尺寸變化的匹配，可能造成腔體邊緣變形以及腔體邊緣分層，必須選取易于取出且具有一定強度同時有彈性的材料來制作填充物，這類柔性嵌件可操作性高，適用于各類異形腔，且層壓后容易取出。腔體的質(zhì)量取決于填充物的質(zhì)量，而填充物的質(zhì)量又取決于填充物模具的質(zhì)量，因此填充物模具以及填充物的制作尤為關(guān)鍵。

圖5　腔體邊緣變形和壓裂

圖6　腔底抬高

3.1填充物模具的制作

為了制作出與腔體尺寸匹配的填充物，我們采用與基板相同的生料帶來制作模具，模具的尺寸與腔體尺寸相同，層數(shù)也一樣。填充物模具經(jīng)過層壓后邊緣產(chǎn)生變形，變形的大小取決于層壓溫度、壓力和時間，在常溫70℃、12 MPa壓力下可以使模具變形最小。

圖7　鋼塊填充

3.2填充物的制作

填充物高度過高或過低都會使腔體產(chǎn)生變形，而且高度差越大，變形越嚴重；當填充物高度與腔體高度一致時，腔體邊緣基本無變形，如圖8和圖9所示（腔體層壓前后對比照片）。我們采用高度合適的填充物，得到了良好的腔體，腔體邊緣無變形，燒結(jié)后在顯微鏡下觀察腔體邊緣沒有發(fā)現(xiàn)分層現(xiàn)象，如圖10所示（腔體邊緣顯微鏡近照）。

圖8　腔體填充前

圖9　腔體填充后

圖10　腔體邊緣圖

4　結(jié)論

針對LTCC基板腔體的制造，要特別注意層壓階段對腔體進行的保護，以免層壓中的高壓造成腔體和基板變形。目前，較為常用的腔體保護技術(shù)為嵌件技術(shù)，通過添加嵌件將帶腔基板改善為平面結(jié)構(gòu)。填入物質(zhì)在層壓中對腔體實施保護，避免了腔體形變。然而填入嵌件的方法在整個制造中也有一些缺點。首先，制作尺寸匹配的嵌件耗時且費力（特別是在腔體尺寸小、種類多且數(shù)量多的情況下），添加和取出的過程也容易破壞腔體邊緣，而且應(yīng)用該方法也增加了基板制造的成本，需要對該工藝不斷進行更細致的研究與改進。近年來為了適應(yīng)微波多芯片組件的發(fā)展需要，在LTCC基板上普遍采用了腔體結(jié)構(gòu)，它可以將芯片埋置，提高組裝密度。同時，其可縮短層間互連線，降低微波不連續(xù)性影響，大大提高組件可靠性。

［1］謝廉忠.微波組件用帶腔體LTCC基板制造技術(shù)［J］.現(xiàn)代雷達，2006，28（06）:66-72.

［2］嚴英占，唐小平，盧會湘.LTCC多層基板雙面腔體制造技術(shù)［J］.電子工藝技術(shù)，2014，32（3）：151-153.

［3］王浩勤，曾志毅，尉旭波，徐自強.LTCC多層互連基板工藝及優(yōu)化［J］.電子科技大學學報，2008.

［4］郎鵬.微組裝中的LTCC基板制造技術(shù)［J］.電子工藝技術(shù)，2008，29（1）：16-39.

Research on Process of Cavity in LTCC Substrate

LI Shanze，LIU Hongyu，DU Bin，F(xiàn)ENG Xiaoxi，MA Qiqi
（China Electronics Technology Group Corporation No.2 Research Institute，Taiyuan 030024，China）

For air-borne，satellite-borne and ship-borne phased array radars，the microwave modules with small size，lightweight，high performance and high reliability are needed because of their special environment.LTCC substrate with the proper-ties of high density，embedded R/L/C and chips has become an ideal high density substrate formicrowave modules.For the manufacturing technology of LTCC substrate with cavity，after introducing the fabrication procedure，the key manufacturing processes of cavity are analyzed，and the relevant solutions are suggested.

microwave modules；cavity；LTCC substrate

TN305.94

A

1681-1070（2016）05-0010-04

2016-2-4

李姍澤（1988—），女，山西呂梁人，碩士，現(xiàn)從事于LTCC基板工藝研究。