國產(chǎn)LTCC材料微波基板特性分析*

謝廉忠，游 韜，王 鋒

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京 210039）

引 言

為了減少收/發(fā)（Transmit/Receive, T/R）組件到有源相控陣雷達天線陣元的傳輸損耗，T/R組件要與陣元直接連接。載體為飛機、衛(wèi)星、艦艇等的有源相控陣雷達天線還有天線陣面輕、薄的要求。這些要求都限制了T/R組件的體積和重量，需要T/R組件通過高度集成化技術(shù)達到孔徑適裝的要求。為了適應這一發(fā)展趨勢，必須基于微波單片集成電路（Monolithic Microwave Integrated Circuit, MMIC）和微波多層電路基板實現(xiàn)T/R組件小型化和輕量化[1]。

低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic, LTCC）技術(shù)是美國休斯公司于20世紀80年代開發(fā)的新型材料技術(shù)，陶瓷材料的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗小，金屬材料的電導率高，可以實現(xiàn)真正意義上的微波多層電路基板，是實現(xiàn)T/R組件小型化和輕量化的理想方法之一[2]。

由于LTCC技術(shù)涉及學科門類多，技術(shù)難度大，材料配方一直掌握在Dupont、Ferro等少數(shù)幾家美國公司手中。近年來，隨著國內(nèi)材料技術(shù)的不斷進步，越來越多的廠商參與了LTCC材料的開發(fā)，涌現(xiàn)出了不同品種的LTCC生瓷帶和漿料[3-10]，這對打破LTCC材料壟斷、推動LTCC技術(shù)發(fā)展起到了很好的作用。但是面臨的問題也不少，不少廠商缺乏同時開展生瓷帶和漿料研究的能力，即使有也缺乏工程化應用驗證平臺，嚴重制約了LTCC材料的工程化應用。

本文主要從工程應用的角度出發(fā)，對基于國產(chǎn)LTCC材料的微波多層電路基板的性能及可靠性進行了測試和分析，為國產(chǎn)LTCC材料的推廣應用提供了參考。

1 微波基板性能及工程應用要求

1.1 微波基板材料匹配性能要求

LTCC微波多層電路基板由生瓷帶和各種漿料組成，需要對生瓷帶、漿料的匹配性能進行研究，否則會造成基板分層、通孔柱開裂、線條斷路等問題，影響LTCC微波多層電路基板的質(zhì)量。

1.2 微波基板組裝工藝性能要求

首先在LTCC微波多層電路基板上采用焊接、膠接、金絲/金帶鍵合等微組裝工藝組裝電阻、電容、MMIC、環(huán)形器等器件，然后采用復合封裝材料實現(xiàn)氣密封裝，完成T/R組件的生產(chǎn)。LTCC微波多層電路基板的外形尺寸、翹曲度、鍵合力、附著力、可焊性、耐焊性等性能指標必須滿足組裝工藝要求。

1.3 微波基板微波性能要求

LTCC微波多層電路基板內(nèi)部集成了功分器、耦合器、衰減器、負載電阻等無源器件，基板微波性能需要滿足T/R組件技術(shù)要求。

1.4 微波基板可靠性能要求

LTCC微波多層電路基板在經(jīng)過穩(wěn)定性烘焙、溫度循環(huán)、機械沖擊、掃頻振動等試驗后無裂紋，通斷合格。

2 實驗

實驗采用國產(chǎn)LTCC材料制作微波多層電路基板，其LTCC生瓷帶和漿料信息詳見表1。

表1 LTCC材料種類及用途

實驗共分為4個部分：

1）制作測試基板，對生瓷帶、漿料的匹配性能進行測試，要求生瓷帶與漿料之間、漿料與漿料之間相互匹配，無分層、開裂、斷路等問題；

2）制作LTCC微波多層電路基板以及工藝陪片，對基板的外形尺寸和翹曲度以及漿料鍵合力、附著力、可焊性、耐焊性等性能指標進行測試，測試結(jié)果滿足組裝工藝要求；

3）制作X波段T/R組件，對組件微波性能進行測試，要求LTCC微波多層電路基板的微波性能滿足T/R組件技術(shù)要求；

4）對LTCC微波多層電路基板進行穩(wěn)定性烘焙、溫度循環(huán)、機械沖擊、掃頻振動等試驗，要求基板無裂紋，通斷合格。

3 結(jié)果與討論

3.1 微波基板材料匹配性能

3.1.1 生瓷帶與漿料之間匹配性能

瓷體與金通孔柱、銀通孔柱（圖1）、金銀過渡通孔柱（圖2）之間結(jié)合良好，沒有出現(xiàn)孔洞、開裂等不良現(xiàn)象。瓷體與內(nèi)部金導體、內(nèi)部銀導體（圖1）之間結(jié)合良好，沒有出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

圖1 瓷體、金/銀通孔柱、導體間結(jié)合情況

圖2 瓷體、金銀過渡通孔柱、導體間結(jié)合情況

瓷體與埋置電阻間結(jié)合良好，如圖3所示，沒有出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

圖3 埋置電阻、瓷體、電極間結(jié)合情況

3.1.2 漿料之間匹配性能

內(nèi)部金導體與金通孔柱（圖1）、金銀過渡通孔柱（圖2）之間結(jié)合良好，沒有出現(xiàn)斷路現(xiàn)象。

內(nèi)部銀導體與銀通孔柱（圖1）、金銀過渡通孔柱（圖2）之間結(jié)合良好，沒有出現(xiàn)斷路現(xiàn)象。

可焊接金鉑鈀導體與金通孔柱（圖1）之間結(jié)合良好，沒有出現(xiàn)斷路現(xiàn)象。

表面可鍵合金導體與金通孔柱之間結(jié)合良好，如圖4所示，沒有出現(xiàn)斷路現(xiàn)象。

圖4 表面可鍵合金導體與金通孔柱間結(jié)合情況

金通孔柱、金銀過渡通孔柱、銀通孔柱之間結(jié)合良好，如圖5所示，沒有出現(xiàn)孔洞、開裂等不良現(xiàn)象。

圖5 通孔柱間結(jié)合情況

埋置電阻與電極間結(jié)合良好，如圖3所示，沒有出現(xiàn)分層、裂紋等不良現(xiàn)象。

3.2 微波基板組裝工藝性能

3.2.1 外形尺寸

外形尺寸測試結(jié)果見表2，L,W分別為基板的長度和寬度，每片基板的長度和寬度各有2個測試值（L1,L2和W1,W2）。

表2 基板外形尺寸測試結(jié)果 mm

由式（1）計算得到基板收縮率公差＜±0.3%，滿足工程應用要求。

式中：TL和TW分別為基板長度和基板寬度的公差；53.5 mm和29.7 mm分別為基板長度和基板寬度的目標值。

推廣液體肥還能夠帶動很多技術(shù)的應用，同時也能帶動很多農(nóng)資產(chǎn)品的應用。通過施液體肥可以和很多產(chǎn)品進行配套使用，如可與液體土壤改良劑、液體微生物肥一同配套使用，國外很多有機肥做成液體，通過灌溉設備施入土壤，非常方便。液體肥是未來中國的主流肥料，液體肥會迎來很好的一個發(fā)展空間，有廣闊的應用市場。

3.2.2 翹曲度

翹曲度測試結(jié)果見表3，滿足工程應用要求。

表3 基板翹曲度測試結(jié)果 μm/mm

3.2.3 鍵合力

鍵合力（25 μm金絲）測試結(jié)果見表4，失效模式為金絲脫落，滿足工程應用要求。

表4 表面可鍵合金導體鍵合力測試結(jié)果 N

3.2.4 附著力

附著力（2.16 mm×2.16 mm、剝離）測試結(jié)果見表5，滿足工程應用要求。

表5 可焊接金鉑鈀導體附著力測試結(jié)果 kg

按照GB/T 17473.7—2008測試可焊性和耐焊性，焊料為63Sn37Pb?？珊感詼y試：焊料溫度為(230±5)°C，浸入時間為(5±1)s，導電膜接受焊料的面積不小于圖形面積的9/10，則可焊性合格；耐焊性測試：焊料溫度為(230±5)°C，浸入時間為(420±1)s，導電膜接受焊料的面積不小于圖形面積的9/10，則耐焊性合格。測試結(jié)果見表6，均滿足工程應用要求。

表6 可焊接金鉑鈀導體可焊性耐焊性測試結(jié)果

3.3 微波基板微波性能

采用微組裝工藝完成T/R組件裝配，并對T/R組件主要性能指標進行測試，測試結(jié)果見表7，基板微波性能滿足T/R組件技術(shù)要求。

表7 T/R組件主要性能指標測試結(jié)果

3.4 微波基板可靠性

3.4.1 穩(wěn)定性烘焙LTCC微波多層電路基板經(jīng)150°C、24 h穩(wěn)定性烘焙后沒有開裂，通斷測試合格。

3.4.2 溫度循環(huán)

LTCC微波多層電路基板經(jīng)-55°C→+125°C→-55°C共300次的溫度循環(huán)后沒有開裂，通斷測試合格。

3.4.3 機械沖擊

LTCC微波多層電路基板按GJB 548B進行機械沖擊（條件B）后沒有開裂，通斷測試合格。

3.4.4 掃頻振動

LTCC微波多層電路基板按GJB 548B進行掃頻振動（條件A）后沒有開裂，通斷測試合格。

4 結(jié)束語

雖然LTCC材料尤其是高頻LTCC材料的開發(fā)難度很大，但是經(jīng)過努力，國內(nèi)生瓷帶和漿料的研究均取得了較大成效。國產(chǎn)LTCC材料間有較好的匹配性能，基于國產(chǎn)LTCC材料的微波多層電路基板能夠滿足組裝工藝要求，基板微波性能滿足X波段T/R組件技術(shù)要求，基板可靠性滿足工程應用要求，可以實現(xiàn)國產(chǎn)LTCC材料的工程化應用。