LTCC曲面基板制造技術(shù)*

盧會湘，嚴(yán)英占，唐小平，明雪飛

（1.河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，石家莊050081；2.中國電子科技集團(tuán)公司第54研究所，石家莊050081；3.中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無錫214035）

LTCC曲面基板制造技術(shù)*

盧會湘1，嚴(yán)英占2，唐小平1，明雪飛3

（1.河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，石家莊050081；2.中國電子科技集團(tuán)公司第54研究所，石家莊050081；3.中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無錫214035）

電子電路曲面結(jié)構(gòu)對于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化有重要應(yīng)用意義。針對LTCC多層電路基板，提出了一種曲面結(jié)構(gòu)基板的加工制造方法。介紹其制造中曲面結(jié)構(gòu)導(dǎo)體制作、曲面結(jié)構(gòu)成形、曲面結(jié)構(gòu)燒結(jié)等環(huán)節(jié)的關(guān)鍵制造工藝。通過X光和剖切方式對所制造的曲面基板進(jìn)行測試分析，結(jié)果證實(shí)曲面基板中的多層布線均連通，且層間對位精度優(yōu)于15 μm。提出的曲面LTCC基板制造技術(shù)能夠滿足后續(xù)產(chǎn)品的研制加工要求，對于曲面電子技術(shù)和LTCC技術(shù)的發(fā)展都具有借鑒意義。

低溫共燒陶瓷；曲面基板；制造

1　引言

LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic）技術(shù)是上世紀(jì)八十年代發(fā)展起來的電路和無源元件集成技術(shù)。多層LTCC基板技術(shù)能將部分無源元件集成到基板中，使其具有高速、高頻、高密度、高可靠性等優(yōu)勢，有利于系統(tǒng)的小型化，提高了電路的組裝密度，且有利于提高系統(tǒng)的可靠性，被公認(rèn)為微波一體化封裝的良好解決方案。因此被廣泛應(yīng)用于微波通信、航空航天和軍事電子等領(lǐng)域［1，2］。

復(fù)雜曲面電子技術(shù)作為一種新型技術(shù)，主要是采用新材料、新工藝制作出復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的電子產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)與武器裝備表面的共形貼合，廣泛應(yīng)用于各類飛行器共形天線陣、智能蒙皮等領(lǐng)域。例如在現(xiàn)代各種飛行器上安裝有多種天線，如導(dǎo)航天線、各種通信天線和雷達(dá)天線等。這些天線對飛行器的飛行造成不可忽視的阻力并增加油耗，另外還會對飛行器的隱身性能產(chǎn)生影響。因此，出于節(jié)省空間、實(shí)現(xiàn)氣動和隱身一體化設(shè)計(jì)等因素的考慮，安裝在飛行器上的天線需要實(shí)現(xiàn)與飛行器的共形，即需要采用共形天線的形式［3］。另一方面，柱面陣列、環(huán)形陣列相比于平面陣列其方向圖都具有360°覆蓋范圍的潛力，同時口徑增大，可實(shí)現(xiàn)窄波束，并提高天線的增益［4］。

LTCC曲面基板可以將多層高密度布線、高頻特性、高可靠優(yōu)勢與設(shè)備輕量化、小型化、多功能、共形貼合的要求結(jié)合起來，發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)武器裝備的結(jié)構(gòu)功能一體化水平和性能。本文介紹了LTCC曲面基板的制造方法，對于實(shí)現(xiàn)二維曲面集成具有借鑒意義。

2　LTCC曲面基板制造

2.1LTCC基板制作工藝流程

常規(guī)LTCC基板的工藝流程如圖1所示。首先，對所需要的LTCC生料帶進(jìn)行切割下料并采用機(jī)械沖制或者激光加工的方法在每層瓷片上加工對位孔和層間互連通孔，然后通過填孔和絲印制作層間互聯(lián)金屬柱和每一層的導(dǎo)體圖形，通過疊片、層壓工藝將多層LTCC生料帶制作成一個整體的生坯；最后經(jīng)過低溫?zé)Y(jié)處理使其成瓷，如果產(chǎn)品還需要制作電阻或者焊接圍框，則需要進(jìn)行后印后燒過程。

圖1　常規(guī)LTCC基板工藝流程圖

2.2LTCC曲面基板制造關(guān)鍵環(huán)節(jié)

曲面LTCC的加工流程參考常規(guī)加工制作流程，但是由于外形結(jié)構(gòu)的特殊性，在印刷、層壓和燒結(jié)工藝都需要采取特殊措施，所以如何在曲面結(jié)構(gòu)的基板上印刷圖形，如何實(shí)現(xiàn)曲面結(jié)構(gòu)的成形和高精度對位以及如何進(jìn)行燒結(jié)成為該工藝的關(guān)鍵技術(shù)，它們的好壞直接決定了復(fù)雜曲面基板的電路特性以及后續(xù)裝配使用過程中的共形貼合效果，因此將該部分內(nèi)容作為關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研究。

2.2.1曲面結(jié)構(gòu)中的印刷工藝

2.4.1 體位要求 術(shù)后植皮區(qū)的位置固定十分重要防止受壓，故給予持續(xù)俯臥位，為防止壓瘡發(fā)生，采取雙側(cè)髖部墊海綿墊，軀干兩側(cè)輪流10°輕翻身，每2～3小時1次，避免大幅度活動。

在復(fù)雜曲面LTCC基板制造中，曲面結(jié)構(gòu)體中導(dǎo)體線條的印刷工藝是首先需要研究的內(nèi)容，也是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面LTCC基板功能化的關(guān)鍵。在這部分內(nèi)容里，需要考慮曲率結(jié)構(gòu)下LTCC基板中導(dǎo)體線條的制作方式以及工藝路線。為保證不同層間圖形連接的可靠性，需要建立相關(guān)曲率結(jié)構(gòu)條件下不同層之間圖形的修正補(bǔ)償模型，確定合適的補(bǔ)償因子。

實(shí)現(xiàn)曲率條件導(dǎo)體圖形的印刷有兩種工藝方法：

（1）方法1：先曲化后印刷。

先將曲面載體上的金屬導(dǎo)體圖案轉(zhuǎn)換成平面圖形，并制作出相應(yīng)的印刷網(wǎng)版，在曲面印刷機(jī)上安裝網(wǎng)版，同時將樣品固定在圓形滾筒夾具上，印刷時樣品進(jìn)行軸向轉(zhuǎn)動的同時沿水平方向進(jìn)行移動，網(wǎng)版正面的刮板在水平方向隨著樣品同時移動，保持刮板和樣品的相對位置不變。

圖2　曲面印刷機(jī)工作示意圖

（2）方法2：先印刷后曲化。

同普通平面印刷品制作方式類似，首先對印刷圖案進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚a(bǔ)償，將設(shè)計(jì)圖形轉(zhuǎn)換為平面圖形，然后按照常規(guī)方式印刷（打?。┏鱿鄳?yīng)圖案，最后進(jìn)行彎曲成形或?qū)D案直接貼合到曲面載體表面。

表1　兩種曲面圖形制作方法的對比

本試驗(yàn)選用方法2，先在平面單層生瓷片上進(jìn)行金屬圖形的印刷制作，利用生瓷片柔軟、可變形的特點(diǎn)，在疊片過程中進(jìn)行曲化成形。該方法可以采用常規(guī)LTCC設(shè)備，便于操作，更重要的是可以在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)多層圖案的堆疊，同時對于封閉圓環(huán)結(jié)構(gòu)的LTCC基板可以實(shí)現(xiàn)環(huán)內(nèi)-環(huán)外圖形的有效連接，真正發(fā)揮LTCC多層布線的優(yōu)勢。

2.2.2曲面結(jié)構(gòu)中的成形工藝

復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的成形主要是指曲面LTCC基板的溫水等靜壓預(yù)成形過程。

常規(guī)LTCC溫水等靜壓預(yù)成形工藝方式是將疊片后的多層LTCC生瓷片平放在光滑平整的金屬層壓板上，然后用硅膠片進(jìn)行包裹，用鋁箔袋進(jìn)行抽真空密封，最后放入溫水等靜壓機(jī)進(jìn)行層壓成形。

曲面LTCC基板層壓成形時首先要設(shè)計(jì)制作特定形狀的疊片模板，同時還要考慮層壓時的密封方式，尤其是對于封閉圓環(huán)結(jié)構(gòu)的LTCC基板，模具類型不同則密封方式不同，否則，溫水等靜壓后會出現(xiàn)變形現(xiàn)象。

此部分的重點(diǎn)是根據(jù)二維弧面和封閉圓環(huán)兩種曲面結(jié)構(gòu)，確定合適的層壓板類型和包封方式。

表2　不同類型LTCC基板的層壓試驗(yàn)結(jié)果

通過上述數(shù)據(jù)可以看出，二維弧面屬于開放式結(jié)構(gòu)，層壓成形時根據(jù)溫水等靜壓的工作原理，可以選擇硬質(zhì)塑料或金屬作為成形模具，只需采用外包裹方式即可獲得比較理想的效果。對于封閉圓環(huán)結(jié)構(gòu)，由于是封閉式結(jié)構(gòu)，通過對受力模型的分析和脫膜效果的比較，選擇空心金屬環(huán)作為模具，采用內(nèi)-外包裹的方式可以獲得比較好的效果，圖3是本試驗(yàn)中制作的二維弧面樣品和封閉圓環(huán)樣品。

2.2.3曲面結(jié)構(gòu)中的燒結(jié)工藝

燒結(jié)是復(fù)雜曲面LTCC基板加工制造的最關(guān)鍵一步，需要保證燒結(jié)后的曲率形狀滿足設(shè)計(jì)要求。

為了保證燒結(jié)過程中結(jié)構(gòu)不變形，針對不同放置方式燒結(jié)過程的受力模型進(jìn)行分析，如圖4（a）所示。對于二維弧面結(jié)構(gòu)，如果水平放置時，由于是曲面形狀，兩側(cè)呈翹曲懸空狀態(tài)，燒結(jié)過程中在重力作用影響下樣品曲率會逐步變化，甚至成平面化，試驗(yàn)中弧面基板燒結(jié)后開口變大，如圖4（b）所示；若選擇豎直放置可起到一定的改善效果，如圖4（c）所示。

圖3　不同曲面結(jié)構(gòu)的LTCC生瓷樣品

圖4　弧面水平放置燒結(jié)過程受力分析及試驗(yàn)結(jié)果

對于圓環(huán)基板豎直放置時，由于基板與承燒板之間存在摩擦力，燒結(jié)時圓環(huán)基板由于要收縮，存在向內(nèi)部縮小的趨勢，基板與承燒板之間就會有位移，產(chǎn)生阻礙圓環(huán)基板收縮的摩擦力，如圖5（a）所示，在采用常規(guī)承燒板時由于圓環(huán)四周受到的摩擦力大小不一致，燒結(jié)后的樣品形狀變得不規(guī)則，如圖5（b）所示；試驗(yàn)過程中通過選用表面平整度高、摩擦力小的承燒板，可以明顯改善燒結(jié)質(zhì)量，如圖5（c）所示是選用特殊承燒板燒結(jié)出來的圓形基板。

圖5　圓環(huán)結(jié)構(gòu)樣品燒結(jié)受力分析及試驗(yàn)結(jié)果

3　制造精度檢測

本試驗(yàn)以二維弧面LTCC基板結(jié)構(gòu)為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了7層結(jié)構(gòu)的連通對位測試版圖，四周設(shè)計(jì)了直徑為0.20 mm的獨(dú)立直通孔，正面焊盤（L1）通過內(nèi)部折線（L3/5）與背面焊盤（L7B）連通。按照相關(guān)工藝要求加工制造出樣品，經(jīng)過測試所有連通點(diǎn)全部符合要求，為了進(jìn)一步觀察對位效果，對樣品進(jìn)行了X光掃描，如圖6所示。由于是在垂直上方拍攝的X光圖片，所以樣品中心區(qū)域連通孔只顯示一個圓點(diǎn)，沿著曲率向兩側(cè)移動，多層堆疊孔逐步呈現(xiàn)成一條金屬柱，通過該圖可以看出曲面結(jié)構(gòu)條件下不同層金屬圖形的修正補(bǔ)償模型正確。最后對兩側(cè)區(qū)域通孔分別沿X、Y方向進(jìn)行剖切處理，并在200倍下觀察其剖面，如圖7所示，從圖中可以看出該工藝方案制造的曲面基板對位精度優(yōu)于15μm，能夠滿足后續(xù)產(chǎn)品的研制加工要求。

圖6　測試結(jié)構(gòu)實(shí)物X光掃描圖片

圖7　通孔（兩側(cè)區(qū)域）剖面圖

4　結(jié)束語

本文結(jié)合曲面電子技術(shù)和LTCC基板的優(yōu)勢，提出復(fù)雜曲面LTCC基板的制造思路，確定了工藝路線，指出了關(guān)鍵工藝技術(shù)難點(diǎn)。

針對復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)體制作、層壓成形和燒結(jié)難題，逐一進(jìn)行深入分析，提出了有效的解決方案，并加工制作了一系列曲面結(jié)構(gòu)的LTCC樣件，最后通過結(jié)構(gòu)測試，表明按照相關(guān)工藝要求制作的曲面樣品電路連通性滿足要求，不同層金屬圖形的修正補(bǔ)償模型正確，層間對位精度較高。

本文提出的復(fù)雜曲面LTCC基板制造技術(shù)能夠滿足后續(xù)產(chǎn)品的研制加工要求，對于曲面電子技術(shù)和LTCC技術(shù)的發(fā)展都具有重要意義。

［1］何健鋒.LTCC基板制造及控制技術(shù)［J］.電子工藝技術(shù)，2005，26（2）:75-81.

［2］董兆文，李建輝，沐方清.LTCC微波一體化封裝［J］.電子與封裝，2010，10（5）:1-6.

［3］朱松.共形天線的發(fā)展及其電子戰(zhàn)應(yīng)用［J］.中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2007，2（6）:562-567.

［4］馬留濤.錐體與柱體載體平臺共形天線陣列設(shè)計(jì)［D］.西安：西安電子科技大學(xué)碩士論文，2013.

盧會湘（1982—），河北邢臺人，碩士，畢業(yè)于天津大學(xué)，工程師，主要從事LTCC工藝技術(shù)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

國家自然科學(xué)基金（61404119）