基于LTCC工藝對濾波器性能的研究

黃明富，王霞輝，黃昆，賴桂堅

（1.廣東風(fēng)華高新科技股份有限公司，廣東肇慶，526020；2.新型電子元器件關(guān)鍵材料與工藝國家重點實驗室，廣東肇慶，526020；3.肇慶學(xué)院，廣東肇慶，526020；4.云浮技師學(xué)院，廣東云浮，527300）

0 引言

目前，低溫共燒陶瓷技術(shù)高度集成各種元器件逐步趨于小型化，目前工控類和移動消費類終端電子元件要求其具備小型化、高可靠性、高精度特點。印刷電路趨向密集化的電極布線，導(dǎo)體趨膚效應(yīng)和高頻傳輸信號會出現(xiàn)能量衰減現(xiàn)象。金屬導(dǎo)體精細化布線內(nèi)埋電路的基礎(chǔ)，也是信號傳輸減少損耗的關(guān)鍵，導(dǎo)體材料、工藝、陶瓷燒結(jié)后應(yīng)力處理等有密切關(guān)系。

目前LTCC產(chǎn)品內(nèi)部集成布線密度高，布線后電極電路出現(xiàn)不平整、電極局部擴散等隱患，本研究設(shè)計的實現(xiàn)依賴于先進的LTCC技術(shù)，LTCC技術(shù)的具體實現(xiàn)過程如下：將低溫?zé)Y(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打孔、微孔注漿、精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形，然后疊壓在一起，最后在900℃下燒結(jié)成型。整個制作過程可以看作將復(fù)雜的三維立體式電路進行布線集成（如低容值電容、電阻、天線等）埋入多層陶瓷基板中，制成三維空間互不干擾的高密度電路，也可制成內(nèi)置無源元件的三維電路基板，而且表面可以貼裝芯片和有源器件，制成無源/有源集成的功能模塊，可進一步將電路小型化與高密度化，此種技術(shù)尤其適用于制備高頻射頻終端組件[3-6]。

本文對LTCC濾波器產(chǎn)品導(dǎo)體印刷精密布線控制，基于溫水等靜壓的應(yīng)力處理工藝進行了研究。

1 LTCC工藝原理和工藝實現(xiàn)

1.1 LTCC工藝原理

低溫共燒陶瓷技術(shù)(Low-temperature co-fired ceramic;LTCC)是以陶瓷粉末作為電路基板的技術(shù)，導(dǎo)體布線印刷原理基于水平面上絲網(wǎng)印刷導(dǎo)體漿料，將產(chǎn)品不同層導(dǎo)體線路埋入多層陶瓷基板中，并通過通孔實現(xiàn)不同線路層的上下導(dǎo)通，形成高密度、高精密三維電路結(jié)構(gòu)，在800-950攝氏度的燒結(jié)爐中實現(xiàn)導(dǎo)體漿料和陶瓷材料共同燒結(jié)，一次性形成獨石式陶瓷元件，LTCC技術(shù)減少了分立式布線的昂貴、重復(fù)燒結(jié)過程，提升了效率，降低了成本，同時實現(xiàn)了電路型化和高密度化。LTCC工藝流程如圖1所示。

圖1 LTCC工藝流程圖

在小型化濾波器加工制備過程中，布線及通孔過于密集化不但增加了制備工序難度，而且導(dǎo)體布線通斷不良會導(dǎo)致大量通斷的隱患，密集型導(dǎo)體布線通過高目數(shù)印刷和匹配設(shè)備的工藝參數(shù)，同時通過表面應(yīng)力釋放改變布線表面平面度，從而實現(xiàn)了精密導(dǎo)體的布線精度要求，降低了電路通斷的風(fēng)險，同時也具備小型化濾波器元器件高頻領(lǐng)域特性和高穩(wěn)定性。

1.2 精密化布線工藝設(shè)計及實現(xiàn)

LTCC印刷工藝過程中，將LTCC生瓷片放置于印刷機平臺上，印刷機平臺通過真空吸附功能將生瓷片固定；同時通過印刷機固定印刷網(wǎng)版，將銀漿導(dǎo)入印刷絲網(wǎng)中，印刷機刮刀刮動印刷絲網(wǎng)，刮刀對網(wǎng)版具有一定的壓力，使金屬漿料經(jīng)過印刷絲網(wǎng)滲透到生瓷片上，完成對導(dǎo)體漿料在生瓷片上的印刷過程。本次布線印刷的生瓷片采用進口FERRO公司材料，其介電常數(shù)18.3±5%，介電損耗＜0.002，基于該陶瓷材料的生瓷片采用聚酯復(fù)合網(wǎng)版印刷銀漿，采用高目數(shù)500絲網(wǎng)，印刷線條線徑≤60um，線間距≤60um；根據(jù)生瓷片在X、Y方向的收縮率和產(chǎn)品電路布線特點，研究了幾組印刷工藝參數(shù)方案，如表1所示。

表1 不同組合精密印刷工藝

印刷生瓷片上布線精度比較重要考量就是重復(fù)印刷性，重復(fù)精度能力是指對菲林圖案不同批次的再現(xiàn)能力，包括印刷的精度、清晰度和分辨力重復(fù)性，其包括兩個方面，一是單個線條或點的線徑或直徑，二是各線條圖案在整張絲網(wǎng)上的位置，即絲網(wǎng)與菲林的一致性，它會影響到多套絲網(wǎng)的配合。印刷布線精度的另一個評估方式是圖案的肩銳性，其是視網(wǎng)膜肩部的方正程度，當(dāng)為90度方肩時，印刷的線條邊緣清晰，當(dāng)肩銳性不夠，出現(xiàn)塌肩時，印刷的線條就會出現(xiàn)厚度不勻，印跡擴大的現(xiàn)象。肩銳性與感光乳劑本身、上膜質(zhì)量、曬版機平行度、曝光量及沖洗條件都有關(guān)系。經(jīng)過高目數(shù)精細化工藝方案優(yōu)化，印刷線條線徑60um，線間距60um，印刷環(huán)境：23℃，RH%40-50。對比不同印刷布線質(zhì)量，可滿足此濾波器布線要求。如表2所示。

表2 不同組合精密印刷工藝

1.3 電極表面應(yīng)力工藝設(shè)計及實現(xiàn)

產(chǎn)品在燒結(jié)前需要LTCC生瓷片致密化處理，通常致密化為層壓壓力工藝處理，使疊片坯體密度升高，同時內(nèi)部電極固化不發(fā)生移動，各層電極和生瓷片形成一體，整個過程致密度在層壓過程中可以得到明顯提升。按照疊片層壓的時序，層壓可以分為一次性層壓和累積法層壓。一次性層壓是在疊層過程中不加壓力，疊片完成后一次加壓壓實各疊層膜片。而累積法則是在生瓷逐層疊放的過程中施加壓力，疊片和層壓同時完成。兩種方法最底層的生瓷累積受壓多次，疊層的厚度方向結(jié)構(gòu)變得不均勻。

本文研究的為一次性層壓方法，通過熱水等靜壓操作，可以彌合烘干后坯片的缺陷，保證切割前坯片的完整性。因為以熱水作為介質(zhì)進行的等靜壓操作，陶瓷燒結(jié)前需進行精密化處理，LTCC層壓實現(xiàn)了致密化過程，溫水等靜壓利用帕斯卡原理，將水或油加熱需要的溫度保持恒定溫度，然后將產(chǎn)品放入液體中，使其各方面受到等值壓力處理，經(jīng)過處理后產(chǎn)品致密性和強度明顯提升。內(nèi)部電極布線和導(dǎo)通通孔結(jié)合密度會隨著致密程度變化，應(yīng)力處理是電極聯(lián)通性能關(guān)鍵因素，同時通孔柱和表面PAD的疊層精度關(guān)系到濾波器損耗性能；層壓影響基板生胚時的密度，影響整體基板燒結(jié)收縮，從而影響電極平面度，通過不同組合溫水等靜壓工藝應(yīng)力處理方案，如下表3所示：

表3 溫水等靜壓參數(shù)表

采用的等靜壓工藝具體過程是將生胚體真空封袋裝入密閉的塑封袋，放入一定水容量的高壓腔體內(nèi)。當(dāng)設(shè)備等靜壓機施加壓力時，壓力就會通過水作為媒介，以相等的壓力壓強向各個方向傳遞，從而使密封袋內(nèi)坯片的各方面都受到相等的壓力。與此同時，高壓腔內(nèi)的水被加熱到較高溫度以保證坯片里面的黏合劑軟化。軟化的坯片通過高溫高壓狀態(tài)壓實。粉體和粘合劑向空隙方向流動并相互黏結(jié)形成整體，從而使坯片內(nèi)的裂紋、氣泡等缺陷被彌合。通過不同溫度和壓力組合對濾波器產(chǎn)品布線進行應(yīng)力優(yōu)化處理，其表面電極平面度呈現(xiàn)不同狀態(tài)[5-10]，如下表4。

表4 溫水等靜壓參數(shù)表

2 LTCC工藝設(shè)計及實現(xiàn)帶通濾波器測試結(jié)果

對比不同組合的LTCC工藝條件，其制備完成的電路集成電路呈現(xiàn)不同特性，前者容易出現(xiàn)趨膚效應(yīng)，即當(dāng)導(dǎo)體中有交流電或者交變電磁場時，導(dǎo)體內(nèi)部的電流分布不均勻，電流集中在導(dǎo)體的“皮膚”部分，也就是說電流集中在導(dǎo)體外表的薄層，越靠近導(dǎo)體表面，電流密度越大，導(dǎo)線內(nèi)部實際上電流較小。結(jié)果使導(dǎo)體的電阻增加，使它的損耗功率也增加。這一現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)(skin effect)。趨膚效應(yīng)使導(dǎo)體的有效電阻增加。頻率（f）越高，趨膚效應(yīng)越顯著。當(dāng)頻率很高的電流通過導(dǎo)線時，可以認(rèn)為電流只在導(dǎo)線表面上很薄的一層中流過，這等效于導(dǎo)線的截面減小，電阻增大。測試兩個過程燒結(jié)后銀導(dǎo)體電阻率，印刷導(dǎo)體圖案相同，測試導(dǎo)體電阻率，按照GB/T 1747.33-2008,微電子技術(shù)用貴金屬漿料測試方法，使用ADEX電阻測試儀銀導(dǎo)體電阻率2.1mΩ·cm，其阻值降低12%～15%，經(jīng)測試翹曲程度對趨膚效應(yīng)對信號傳輸?shù)挠绊懀褂冒步輦惥W(wǎng)絡(luò)分析儀在50歐姆阻抗線測試通帶內(nèi)（8000～9000MHz）損耗，在信號傳輸線的翹曲度＜15um時，其損耗最小。如圖2所示。

圖2 LTCC電極翹曲度對損耗影響

阻值的變化從而影響內(nèi)部電路信號傳輸效果，經(jīng)過精細化和表面工藝設(shè)計優(yōu)化后，通帶內(nèi)（3550～3950MHz）濾波器損耗小于1.5dB， 帶通濾波器損耗可滿足移動通信模組要求，下圖為優(yōu)化后測試曲線。如圖3所示。

圖3 LTCC制備工藝設(shè)計帶通濾波器的測試結(jié)果

3 結(jié)論

燒陶本文通過印刷和溫水等靜壓工藝方案的對比分析，基于印刷工藝和溫水等靜壓應(yīng)力處理工藝的研究，其導(dǎo)體輪廓性和平面度更加有利于LTCC電路集成密集化高要求，并實現(xiàn)濾波器使用過程較小傳輸路徑和低損耗優(yōu)點。對LTCC濾波器高度集成化、小型化有積極作用。