毫米波LTCC基板組裝技術(shù)研究

金珂

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川成都 610036

毫米波LTCC基板組裝技術(shù)研究

金珂

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川成都 610036

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本文從分析了毫米波LTCC基板焊接過(guò)程中，由于熱膨脹系數(shù)失配引起的熱應(yīng)力情況以及可能產(chǎn)生的失效類型，并提出了毫米波LTCC基板焊接技術(shù)工藝設(shè)計(jì)的改進(jìn)方法，實(shí)現(xiàn)了LTCC基板與腔體的可靠焊接。

LTCC；過(guò)渡層；熱膨脹系數(shù)；剪切應(yīng)力

LTCC；transition layer；CTE；thermal stress

引言

毫米波電路主要使用聚合物介質(zhì)微帶電路基板、陶瓷薄膜電路基板和LTCC基板作為電路板基材料。聚合物介質(zhì)微帶電路基板具有易于加工、成型，裝配難度較低的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是基板面積較大，難以加工多層電路板。隨著現(xiàn)代軍事電子裝備對(duì)小型化的要求日益增強(qiáng)，越來(lái)越多的毫米波電路組件開(kāi)始采用薄膜陶瓷、LTCC基板等新型電路基板，其中LTCC

基板由于其優(yōu)異的高頻性能和多層基板的特性被廣泛應(yīng)用于各類毫米波組件中，以達(dá)到提高電路精度、減小組件體積等目標(biāo)。同時(shí)，為滿足模塊輕質(zhì)化需求，鋁合金等輕質(zhì)金屬也越來(lái)越多的被應(yīng)用于毫米波電路組件。

新材料電路基板的裝配給毫米波電路的微組裝帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。毫米波電路要求接地良好，通常使用軟釬焊的方式進(jìn)行基板組裝。與聚合物介質(zhì)微帶電路基板不同的是，陶瓷基板缺乏柔韌性，同時(shí)其強(qiáng)度也不及普通的印制電路板。LTCC材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）通

常為7ppm左右，與金屬鋁等材料相差很大。在組裝過(guò)程中基板與腔體間CTE的失配會(huì)引起層間剪切應(yīng)力造成LTCC基板變形或碎裂。因此，在LTCC基板組裝過(guò)程中必須對(duì)CTE失配

可能引起的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行評(píng)估，并采取相應(yīng)的工藝措施以確保微組裝的順利進(jìn)行和產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性。

1 LTCC基板組裝工藝特點(diǎn)

毫米波組件微組裝的方式主要有焊接和導(dǎo)電膠膠接兩種方式。環(huán)氧導(dǎo)電膠缺乏延展性并具有低溫脆性，并不適合作為硬質(zhì)基板和金屬腔體的粘接材料。因此LTCC基板組裝通常采用焊接的方式。

對(duì)于散熱要求低的模塊，可使用可伐合金作為腔體材料，以避免由于基板、腔體之間熱膨脹系數(shù)失配帶來(lái)的組裝難度提高和產(chǎn)品可靠性降低，并用63Sn37Pb焊料將LTCC基板直接焊接到可伐腔體。對(duì)散熱要求高的毫米波模塊，通常采用銅、鋁等作為腔體材料。隨著新材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，新型低熱膨脹系數(shù)、高導(dǎo)熱性能、輕質(zhì)材料如AlSiC、石墨鋁、硅鋁合金等材料也被應(yīng)用于毫米波組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，但由于加工性和防護(hù)性等問(wèn)題，新型材料作為腔體的應(yīng)用目前仍不成熟。軍用電子產(chǎn)品需要經(jīng)受嚴(yán)酷的環(huán)境適應(yīng)性考驗(yàn)。環(huán)境適應(yīng)性要求根據(jù)產(chǎn)品的使用環(huán)境不同而不同，通常需要經(jīng)過(guò)溫度循環(huán)、溫度沖擊和振動(dòng)等環(huán)節(jié)的篩選試驗(yàn)。其中，溫度循環(huán)和沖擊帶來(lái)的溫度交替變化會(huì)加劇CTE失配引起的剪切應(yīng)力，反復(fù)拉扯基板，造成疲勞開(kāi)裂，引起組件失效。因此，LTCC基板組裝工藝必須控制由CTE失配引起的剪切應(yīng)力在可承受的范圍之內(nèi)，避免疲勞引起的失效。

2 LTCC基板組裝工藝設(shè)計(jì)

銅（CTE為16ppm）、鋁（CTE為23ppm）和LTCC基板的熱膨脹系數(shù)差異較大。為防止陶瓷基板發(fā)生碎裂，可在陶瓷基板和腔體金屬之間加入一層過(guò)渡層，LTCC基板毫米波組件的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。對(duì)過(guò)渡層材料的要求是其熱膨脹系數(shù)必須介于陶瓷基板和腔體金屬材料之間，并與陶瓷基板材料接近，同時(shí)過(guò)渡層應(yīng)具有較高的熱導(dǎo)率和較高的強(qiáng)度。在傳統(tǒng)的解決方案中通常采用鎢銅、鉬銅合金或Cu/Mo/Cu夾層等材料作為過(guò)渡層，也可采用AlSiC、石墨鋁、硅鋁合金等新型輕質(zhì)合金作為過(guò)渡層材料。

圖1 LTCC基板毫米波組件的基本結(jié)構(gòu)

兩種不同熱膨脹系數(shù)的材料焊接時(shí)，在高溫t1下結(jié)合到一起。回到常溫t0狀態(tài)下后，產(chǎn)生的溫差為Δt=t1-t0。由于兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同，收縮率也不同，從而在兩種材料之間產(chǎn)生剪切應(yīng)力。由于LTCC基板和過(guò)渡層的熱膨脹系數(shù)接近，因此可簡(jiǎn)化模型，認(rèn)為L(zhǎng)TCC基板和過(guò)渡層之間無(wú)剪切應(yīng)力。同時(shí)大多數(shù)合金焊料的熱膨脹系數(shù)與金屬鋁接近，可簡(jiǎn)單認(rèn)為剪切應(yīng)力只發(fā)生在過(guò)渡層和腔體之間。圖2給出了過(guò)渡層與腔體之間的受力關(guān)系。

圖2 過(guò)渡層與腔體之間的受力關(guān)系

在溫度變化過(guò)程中過(guò)渡層和腔體的中心（圖2虛線處）無(wú)位移產(chǎn)生，其余位置距離中心線越遠(yuǎn)則收縮率差異越大。收縮之差在過(guò)渡層和腔體產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，而內(nèi)應(yīng)力轉(zhuǎn)化成加在兩種不同材料界面之間的剪切應(yīng)力f，f=f’。如式（1）所示，在距離過(guò)渡層和腔體中心線距離為d的A點(diǎn)處，剪切應(yīng)力與距離d、焊接溫差和熱膨脹系數(shù)差成正比。

f∝dΔtΔσ………… (1)

式（1）中，d為A點(diǎn)到中心線的距離，Δσ為過(guò)渡板、腔體金屬熱膨脹系數(shù)之差。

在過(guò)渡層和腔體邊緣，由于受到剪切應(yīng)力而發(fā)生應(yīng)變（圖3）。根據(jù)剪切模量公式 G＝ f/θ，可得出

θ1、θ2分別為過(guò)渡板和腔體邊緣的剪切應(yīng)變弧度，x1、x2分別為過(guò)渡板和腔體在x方向上的應(yīng)變量，h1、h2分別為過(guò)渡板和腔體的厚度。

圖3 過(guò)渡層和腔體邊緣的應(yīng)變示意圖

式（3）中，L為過(guò)渡板的長(zhǎng)度。通過(guò)式（2）和式（3）可以計(jì)算出腔體和過(guò)渡板邊緣所受剪切應(yīng)力，邊緣的剪切應(yīng)力為最大剪切應(yīng)力。

剪切應(yīng)力首先表現(xiàn)出的是對(duì)焊料層的剪切力。如果剪切應(yīng)力超過(guò)焊料所能承受的剪切應(yīng)力，或者焊料與過(guò)渡層或腔體結(jié)合不夠緊密，過(guò)渡層和腔體就會(huì)分離。

如果焊料承受住了剪切應(yīng)力，剪切應(yīng)力就會(huì)表現(xiàn)為對(duì)腔體和過(guò)渡板的彎折力。通過(guò)式（4）可以計(jì)算出彎折力。

式（4）中，W為過(guò)渡板寬度。

可以利用彎曲剛度公式K=E1來(lái)計(jì)算腔體和過(guò)渡板的彎曲剛度，其中E為材料的彈性模量，I為慣性矩。如果過(guò)渡層和腔體的強(qiáng)度同時(shí)無(wú)法承受剪切力，焊接體就會(huì)發(fā)生翹曲（圖4）。由于慣性矩和結(jié)構(gòu)的形狀、厚度、截面積有關(guān)，因此改變腔體的結(jié)構(gòu)形式和增加腔體厚度、寬度，都可以增加腔體的剛度。

圖4 焊接體發(fā)生翹曲

3 LTCC基板組裝實(shí)現(xiàn)

3.1 材料選擇

從以上分析可以得出，在進(jìn)行產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮以下幾點(diǎn)因素：

1）過(guò)渡層材料

熱膨脹系數(shù)

過(guò)渡層的熱膨脹系數(shù)必須與被焊接基板相同或接近。

力學(xué)性能

同時(shí)過(guò)渡層應(yīng)有一定的強(qiáng)度避免應(yīng)力造成的彎曲，盡量選擇剪切模量大的材料。材料本身剪切模量較小的情況下可加大厚度以增加剛度。

鍍層要求

過(guò)渡層的鍍涂必須與選擇的焊料相匹配。通常鍍層和含有同種元素的焊料能較好的焊接，如銀鍍層可與Ag/In合金焊料匹配。也可以在過(guò)渡層上直接鍍焊料，從而保證焊料的平整和浸潤(rùn)。

2）焊料選擇

焊料溫度

用于大面積異CTE材料焊接的焊料應(yīng)盡量選擇低溫焊料。由于低溫焊料結(jié)晶溫度低，從焊接到冷卻的溫度差異較小，可以減小過(guò)渡層和腔體的收縮，從而減小應(yīng)力。

力學(xué)性能

焊料應(yīng)具有一定的抗蠕變和抗疲勞的性能，以抵抗收縮過(guò)程中的剪切應(yīng)力和溫度循環(huán)下的反復(fù)拉伸和收縮。焊料的剪切強(qiáng)度、延展率是關(guān)注的主要參數(shù)，應(yīng)選擇剪切強(qiáng)度大和延展率高的焊料，避免選擇有脆性的焊料。選擇時(shí)主要根據(jù)環(huán)境適應(yīng)性要求確定。

對(duì)特定金屬鍍層的浸潤(rùn)能力

焊接失效并不都是焊料本身的強(qiáng)度問(wèn)題，由于一些其他的外部因素，如焊接的空洞率、界面浸潤(rùn)性、冶金反應(yīng)、界面效應(yīng)和組件中包含的其他材料的特性造成的焊接強(qiáng)度降低，通常是焊接無(wú)法達(dá)到焊料本身的強(qiáng)度。低溫焊料的浸潤(rùn)性通常較差，選擇時(shí)需要注意其對(duì)特定金屬鍍層的浸潤(rùn)能力。

冶金相容性

要考慮浸出現(xiàn)象和有可能形成的金屬間化合物。

3）腔體材料

腔體材料在鍍層和強(qiáng)度方面的要求與過(guò)渡層相同。同時(shí)，可以改變腔體的外形以提高腔體的剛度。

3.2 組裝夾具設(shè)計(jì)

對(duì)面積或體積較大的待焊接件，受熱不均勻可能造成內(nèi)部膨脹不均勻，在冷卻過(guò)程中產(chǎn)生額外的不均勻的內(nèi)應(yīng)力，需要使用夾具固定待焊接件以抵抗形變。夾具設(shè)計(jì)形式與加熱方式有關(guān)，如果用傳導(dǎo)加熱的方式焊接，夾具應(yīng)保證待焊接件受熱面積較大且受熱均勻。同時(shí)，為避免腔體、過(guò)渡板發(fā)生應(yīng)變，可使用彈性?shī)A具對(duì)腔體、過(guò)渡板施加持續(xù)的壓力。

3.3 組裝工藝過(guò)程

焊接過(guò)程中，要保證焊料與過(guò)渡層、腔體的焊接面充分浸潤(rùn)。過(guò)渡層、腔體表面必須是清潔的且未被氧化，焊接前的清洗是必要的過(guò)程，在焊接過(guò)程中可使用助焊劑去除表面氧化層。必要時(shí)，可使用搪錫的方式將焊料均勻涂抹到焊接面。實(shí)驗(yàn)表明，使用搪錫的方式可使焊透率達(dá)到95%以上。焊接面之間的摩擦是另一個(gè)提高焊透率的方法，摩擦的過(guò)程可以有效去除氧化物和降低焊接空洞率。較厚的焊料層的厚度有助于利用焊料本身的延展性緩沖過(guò)渡層與腔體之間的剪切應(yīng)力。

焊接溫度曲線設(shè)置要求緩慢升溫和降溫，使待焊接件均勻受熱和冷卻，同時(shí)在焊接和冷卻的全過(guò)程中，應(yīng)使用工裝保證焊接件不發(fā)生形變。

4 結(jié)語(yǔ)

LTCC等新型基板是毫米波技術(shù)的發(fā)展方向，也是毫米波電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化和三維立體組裝的技術(shù)保障。為了實(shí)現(xiàn)大面積CTE失配材料的高質(zhì)量、高可靠性焊接，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，必須選擇合適的過(guò)渡層、腔體和焊料材料，利用材料的特性參數(shù)分析、評(píng)估剪切應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品的影響；并采取有效的工藝措施，減小焊接過(guò)程中的剪切應(yīng)力，提高毫米波組件的可靠性。

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echnology Research of LTCC Substrate Assembly for Millimetre Wave Circuits

Jin Ke
Southwest Institute of Electronic Technology，Sichuan 610036，China

In this paper, we analyzetd he emergenocfe thermasl tress due to the mismatchoinf g coefficienot f thermael xpansion and the invalidatiomn ode duringt he solderinpg roce ss of LTCC substrate of millimetwer ave moduleA. new technologwy as set up to improvte he weldinsgt rength, and realizedt he reliablyl ink of LTCC substrate with the aluminium alloy.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.12.121