帶通濾波器LTCC工藝優(yōu)化研究

張 偉，秦 超，賈少雄

（中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，太原 030024）

帶通濾波器LTCC工藝優(yōu)化研究

張 偉，秦 超，賈少雄

（中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，太原 030024）

針對LTCC（低溫共燒陶瓷技術(shù)） 帶通濾波器結(jié)構(gòu)以及制作工藝特點(diǎn)，對LTCC帶通濾波器制作的過程工序進(jìn)行試驗(yàn)及分析，確定了制作偏差超過設(shè)計容差的過程工序。以濾波器設(shè)計容差為參考依據(jù)分別對相關(guān)工序以及偏差量進(jìn)行了詳細(xì)分析，提出了針對性工藝優(yōu)化措施，有效解決了濾波器中心頻率偏移的問題。采用優(yōu)化后工藝所制作的濾波器中心頻率偏差由±30MHz提高到±5MHz，滿足使用要求。

LTCC；過程工序；工藝優(yōu)化

1 引言

LTCC是一項(xiàng)滿足小型化、高可靠性、高密度的新集成技術(shù)。LTCC帶通濾波器便是基于LTCC技術(shù)而開發(fā)的LC疊層式濾波器[1]，如圖1 所示，設(shè)計濾波器中心頻率140MHz±5MHz，帶寬為 60MHz，采用疊層式結(jié)構(gòu)可以將電路布局由平面轉(zhuǎn)為三維立體，把電容、電感無源元件集成到LTCC多層電路基板中，易于批量生產(chǎn)。按照LTCC基板的工藝制作此類濾波器，對制造后的帶通濾波器檢測發(fā)現(xiàn)超過濾波器中心頻率容差±5MHz，帶通濾波器中心頻率由140MHz偏移到170MHz，如圖2、圖3所示。

圖1 LTCC帶通濾波器設(shè)計結(jié)構(gòu)

本文主要對LTCC生產(chǎn)過程進(jìn)行工序能力分析，確定制作過程中存在偏差的主要工序，對這些工序提出相應(yīng)的工藝優(yōu)化措施，使其能夠滿足設(shè)計容差要求，為最終產(chǎn)品性能指標(biāo)達(dá)標(biāo)提供可靠保障。

圖2 設(shè)計仿真結(jié)果

圖3 優(yōu)化前測量結(jié)果

2 帶通濾波器LTCC工藝流程介紹

目前，制作濾波器的LTCC主要工藝流程如圖4所示。

圖4 LTCC制作濾波器流程

此款濾波器所選介質(zhì)材料為Ferro公司的A6M生瓷，在1～100GHz 頻率下，介電常數(shù)為5.9，正切角損耗為0.002，電容、電感印刷電路采用Ferro公司的FX30-025金漿，其與介質(zhì)材料共燒，匹配性比較好。端電極印刷采用Ferro公司的3309銀漿，后燒完成后進(jìn)行錫鉛焊接，以滿足組裝需求。

3 生產(chǎn)工藝過程能力分析及工藝優(yōu)化

從工藝流程中，根據(jù)因果分析樹圖法，如圖5所示，提出可能超容差的工序，確定這些工序中的偏差值，如圖5所示。

依次對各個過程工序進(jìn)行試驗(yàn)分析，按照以往LTCC基板工藝流程參數(shù)試制一版此款濾波器，來檢測偏差超過設(shè)計容差的主要待優(yōu)化過程工序[2]。

圖5 因果分析樹圖

3.1 沖孔

所選沖孔設(shè)備為機(jī)械沖孔，在檢孔機(jī)下抽檢其中一張生瓷的透孔率為100%，孔內(nèi)壁無毛刺。

在3D測量儀下測量16層定位孔和具有電學(xué)性能孔的間距，與設(shè)計相應(yīng)兩孔間距的偏差測量結(jié)果見表1。

表1 沖孔偏差測量結(jié)果

由測量結(jié)果可知，沖孔偏差均小于 10μm，而沖孔工藝容差±15μm，滿足此款濾波器設(shè)計對沖孔工藝的要求，因此確定此過程工藝無需優(yōu)化。

3.2 填充

在電子顯微鏡下檢測填充后過孔的飽滿度，如圖6所示，過孔填充漿料無凹坑，無漏孔，填充飽滿且無突起，滿足填充工藝要求，所以此過程工藝無需優(yōu)化。

3.3 印刷

3.3.1 印刷線條偏差

印刷線條偏差是指印刷線條寬度以及線條完整性與設(shè)計圖形線條寬度的差值，第11層設(shè)計線寬與測量線寬如圖7所示。

圖6 填充漿料

圖7 設(shè)計線寬與測量線寬

經(jīng)過3D測量儀測量產(chǎn)品中每層同一位置的線條寬度，并將線條寬度值與設(shè)計相應(yīng)線條寬度值進(jìn)行對

表2 印刷線條寬度測量對比

表3 不同網(wǎng)版目數(shù)的線條偏差測量結(jié)果

由測量結(jié)果對比可知，400 目網(wǎng)版對印刷質(zhì)量的提高有明顯效果，但并沒能使印刷線條偏差達(dá)到設(shè)計容差。

（2）減小印刷的離網(wǎng)間距

由以往3mm印刷離網(wǎng)間距減小到2mm，采用400目網(wǎng)版對應(yīng)的印刷精度偏差如表4所示。優(yōu)化中發(fā)現(xiàn)，如果繼續(xù)減小離網(wǎng)間距，生瓷難以脫網(wǎng)。

表4 不同離網(wǎng)間距的線條偏差測量結(jié)果

由測量結(jié)果對比可知，2mm 離網(wǎng)間距對印刷精度有一定的提高。整體優(yōu)化后，400 目、2mm 離網(wǎng)間距的印刷效果滿足了印刷容差，此工序優(yōu)化有效。

3.3.2 印刷對位偏差

印刷對位偏差是指印刷機(jī)攝像頭捕捉到φ1.0mm定位孔位置與實(shí)際φ1.0mm定位孔位置的偏差。在印刷過程中記錄設(shè)備偏差量見表5。

表5 印刷對位偏差測量結(jié)果

由測量結(jié)果可以看出，8 層中有 7 層超差，固需要對其印刷對位精度進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化分析及措施如下：

對選取的定位孔進(jìn)行優(yōu)化，由以往的攝像頭捕捉φ1.0mm定位孔換成疊片所用的φ3.0mm定位孔，如比，見表2。

由測量結(jié)果可知，實(shí)際印刷寬度均大于設(shè)計寬度，并且其中有6層超過印刷設(shè)計容差，因此需對印刷線條精度進(jìn)行工藝優(yōu)化。優(yōu)化分析及措施如下：

（1）提高網(wǎng)版目數(shù)

以往制作LTCC基板所用的網(wǎng)版目數(shù)為 325目，可以滿足容差要求，但是濾波器印刷容差較小，達(dá)不到印刷精度要求，提高網(wǎng)版目數(shù)到400目。對應(yīng)偏差見表3。圖8所示，這樣不僅可以增加攝像頭捕捉的像素數(shù)量，提高設(shè)備標(biāo)定精度，而且與疊片共用同一定位孔，進(jìn)一步消除了印刷與疊片之間的偏差，如果定位孔過大，會超出攝像頭捕捉范圍，所以選φ3.0mm較適合。

圖8 對位孔示意圖

印刷對位偏差優(yōu)化后，對其優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行測量，如表6所示。

表6 印刷對位偏差優(yōu)化后測量結(jié)果

由測量結(jié)果可知，印刷對位精度均為超過容差，過程工藝優(yōu)化有效。

3.4 疊片

由于層間線條太薄，X射線無法看清層間線條對位，所以通過疊片后在X射線下檢測其成品過孔整體對位精度，來間接判斷其疊片精度，如圖9所示。隨機(jī)抽檢10個產(chǎn)品測量，其結(jié)果見表7。

圖9 4號成品層間過孔對位偏差

表7 層間對位偏差測量結(jié)果

由測量結(jié)果可知，疊片對位偏差均超過疊片容差40μm，故需對疊片過程工藝進(jìn)行優(yōu)化。

優(yōu)化分析及措施：

通過對以往疊片偏差大的樣品進(jìn)行剖切觀察發(fā)現(xiàn)，引起疊片對位偏差主要體現(xiàn)在層間粘合不完全，存在氣泡導(dǎo)致脫膜時生瓷發(fā)生形變。

針對疊片層間粘合這個問題[3]，對疊壓中的3個參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)，確定壓強(qiáng)、疊壓時間以及上下壓板溫度的合理選擇及三者的最優(yōu)組合，達(dá)到層間壓合后氣泡數(shù)少于4（肉眼可見）且生瓷無壓裂現(xiàn)象的目標(biāo)。

3.4.1 挑因數(shù)，選位級

（1）因數(shù) A：壓強(qiáng)(MPa)。

第一位級 A1=7，第二位級 A2=9。

（2）因數(shù) B：時間（s）。

第一位級 B1=10，第二位級 B2=20。

（3）因數(shù) C：溫度（℃）。

第一位級 C1=40，第二位級 C2=60。

制定因數(shù)位級表如表8所示。

表8 因數(shù)位級表

3.4.2 設(shè)計試驗(yàn)組合方案及結(jié)果

本次試驗(yàn)存在2位級3因數(shù)，需要進(jìn)行8次試驗(yàn)，8次試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 試驗(yàn)組合方案及試驗(yàn)結(jié)果

3.4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從表9的級差中可以看出，影響層間粘合的主要原因是疊壓壓強(qiáng)以及溫度，對于層間粘合影響最小的因數(shù)是疊壓時間。

從表9中各組合方案中層壓后的氣泡數(shù)來看，各因數(shù)的最佳組合是A2-B2-C2，即8號試驗(yàn)的因數(shù)組合最優(yōu)。

經(jīng)過三因數(shù)最佳組合后，進(jìn)行疊壓后氣泡消失，說明層間完全粘合，如圖10所示，達(dá)到了疊壓優(yōu)化效果。

圖10 壓實(shí)后效果

整個疊片工藝優(yōu)化后，對疊片結(jié)果進(jìn)行X射線檢測，由于層間線條太薄，X射線下成品圖像較模糊，故通過成品局部過孔來間接判斷層間對位，如圖1 1所示，疊片后層間對位良好，達(dá)到工藝設(shè)計要求。

3.5 層壓

圖11 成品過孔對位

經(jīng)過以往層壓工藝（溫度 70℃，等靜壓壓強(qiáng) 21MPa）層壓后[4]，對10個產(chǎn)品進(jìn)行剖切，用3D測量儀進(jìn)行層間介質(zhì)厚度測量，如圖12 所示，103μm厚的A6M生瓷層壓后的測量值（計算測量平均值）見表10。

圖12 剖切后介質(zhì)厚度

經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)，層壓后介質(zhì)厚度比設(shè)計介質(zhì)層厚度均小，故需對其進(jìn)行工藝優(yōu)化。優(yōu)化分析及措施如下：

層壓溫度 70℃下，我們對層壓工藝進(jìn)行16MPa、17MPa、18MPa、19MPa、20MPa和21MPa不同壓強(qiáng)的試驗(yàn)，將對應(yīng)不同壓強(qiáng)的產(chǎn)品進(jìn)行剖切，用3D測量儀對其層間介質(zhì)層厚度進(jìn)行測量，采用 10 點(diǎn)測量求平均值法，得到的測量結(jié)果如圖1 3 所示，按照層壓壓強(qiáng)與層間介質(zhì)厚度對應(yīng)關(guān)系選擇出可以滿足設(shè)計要求的壓強(qiáng)值，制作此款濾波器所選等靜壓的壓力參數(shù)為 18MPa。

表10 層間厚度平均值測量結(jié)果

圖13 介質(zhì)厚度與層壓壓力關(guān)系

3.6 燒結(jié)

經(jīng)過對燒結(jié)后的產(chǎn)品進(jìn)行尺寸測量，如圖14所示，基本滿足設(shè)計要求(20.0±0.5)mm×(16.0±0.5)mm，所以無需對其進(jìn)行優(yōu)化。

圖14 成品尺寸

3.7 切割

產(chǎn)品按照工藝要求切割后，尺寸以及端面能夠達(dá)到端電極印刷的要求，無需進(jìn)行優(yōu)化。

3.8 端印

用沾銀機(jī)統(tǒng)一進(jìn)行端電極印刷，抽檢端印，印刷線條尺寸一致性良好，無需優(yōu)化。

4 試驗(yàn)結(jié)果

對工藝優(yōu)化后所投入的一版產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)際測量，測量結(jié)果如圖15所示，中心頻率滿足設(shè)計容差±5MHz，達(dá)到設(shè)計的整體指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

本文分析了基于LTCC技術(shù)制作帶通濾波器的工藝[5]，通過工序檢測結(jié)果與設(shè)計容差進(jìn)行對比，確定了其中3個過程工序存在一定偏差：印刷、疊片以及層壓。對這3個過程工序分別進(jìn)行工藝優(yōu)化，并檢測各自的優(yōu)化結(jié)果，均達(dá)到了工藝設(shè)計的要求。對工藝優(yōu)化后制作的產(chǎn)品進(jìn)行測量，結(jié)果與仿真指標(biāo)吻合較好，說明此次工藝優(yōu)化有效，可以為此款濾波器接下來的批量生產(chǎn)提供可靠的工藝指導(dǎo)，同時為LTCC基板微波性能的提升做參考。

圖15 優(yōu)化后測量結(jié)果

[1]蘇宏，楊邦朝，杜曉松，等.疊層式LTCC低通濾波器的設(shè)計[J].電子元件與材料，2006（7）:72-74.

[2]趙飛，黨元蘭.LTCC電路加工中的關(guān)鍵技術(shù)分析[J].電子工藝技術(shù)，2013，34(1):7-39.

[3]唐小平，嚴(yán)英占，張晨曦.提高LTCC疊片精度的工藝研究[J].電子工藝技術(shù)，2013，34（4）：220-222.

[4]Tang C W.Harmonic-suppressionLTCCfilter w ith the step-impedance quarter-wavelength open stub [J].IEEE TransMicrowave Theory Tech，2001，52（2）：617-624.

[5] 何健鋒.LTCC基板制作及控制技術(shù)[J].2005,26(2):75-81.

Study onLTCCProcess Optim ization of Band-pass Filter

ZHANGWei,QIN Chao,JIA Shaoxiong
（China Electronics Technology Group Corporation No.2 Research Institute,Taiyuan 030024,China）

LTCC(Low Temperature Co-fire Ceramic)band-pass filter structure and process characteristics, togetherw ith testing and analysis during the process helps locate the process causing the deviation over the design tolerance.Based on the design tolerance,the relative process and the deviation are analyzed in detail, and the pertinent process optim ization is proposed,which effectively solves the problem of the center frequency offset of the filter.The implementation of the optimized process increases the center frequency deviation from ±30MHz to ±5MHz.

LTCC;process technology;processoptimization

TN305.94

A

1681-1070 （2017） 03-0005-05

張 偉（1986—），男，山西忻州人，工學(xué)碩士，現(xiàn)從事LTCC工藝及微波元器件研發(fā)工作。

2016-11-28