LTCC應(yīng)用于大功率射頻電路的可能性研究

摘要：通過介紹低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)工藝及其優(yōu)勢(shì)，研究其在微電子工業(yè)特別是大功率RF電路中應(yīng)用的可行性。

1引言

世界電子產(chǎn)品已進(jìn)入一個(gè)速度更快、密度更高、體積更薄、成本更低且要求更有效散熱的封裝時(shí)代。隨著無線電通信領(lǐng)域（如手機(jī)）的迅速商業(yè)化，對(duì)降低成本，提高性能有很大的壓力。LTCC（低溫共燒陶瓷）技術(shù)是一種低成本封裝的解決方法，具有研制周期短的特點(diǎn)。本文評(píng)述了利用LTCC技術(shù)在滿足微電子工業(yè)發(fā)展，特別是大功率RF電路要求上應(yīng)用的可行性。

2LTCC技術(shù)概覽

LTCC是一種將未燒結(jié)的流延陶瓷材料疊層在一起而制成的多層電路，內(nèi)有印制互連導(dǎo)體、元件和電路，并將該結(jié)構(gòu)燒成一個(gè)集成式陶瓷多層材料。LTCC利用常規(guī)的厚膜介質(zhì)材料流延，而不是絲網(wǎng)印制介質(zhì)漿料。生瓷帶切成大小合適的尺寸，打出對(duì)準(zhǔn)孔和內(nèi)腔，互連通孔采用激光打孔或機(jī)械鉆孔形成。將導(dǎo)體連同所需要的電阻器、電容器和電感器網(wǎng)印或光刻到各層陶瓷片上。然后各層瓷片對(duì)準(zhǔn)、疊層并在850℃下共燒。利用現(xiàn)有的厚膜電路生產(chǎn)技術(shù)裝配基板和進(jìn)行表面安裝。

3LTCC工藝概覽

LTCC原材料由有機(jī)和無機(jī)成分混合物組成。有機(jī)成分是聚合物粘接劑和溶解于溶液的增塑劑組成。諸如聚乙烯醇縮丁醛、聚塑醛丙酮和低級(jí)的烷（烴）基丙烯酸鹽共聚合物。丙烯酸酯還在使用，是因?yàn)樗鼈兡鼙磺鍧嵉卦诳諝庵信拍z（或在溫度300℃～400℃之間，惰性氣氛下）。要求粘接劑Tg低，分子強(qiáng)度高，排膠特性好。粘接劑通常為5％wt（粘接劑的百分比越高，燒成后的收縮率越高）。

無機(jī)部分由陶瓷和玻璃組成，通常是按1：3配比。陶瓷的選擇取決于所需要的特性，如熱膨脹系數(shù)（CTE）和熱導(dǎo)率。優(yōu)選的低CTE陶瓷有石英玻璃、莫來石、堇青石和氧化鋯。為了實(shí)現(xiàn)更高的CTE，優(yōu)選的陶瓷是Al2O3、石英、鎂橄欖石和鋯酸鈣。

玻璃的選擇依賴所需要的特性，如介電常數(shù)、附著力、CTE和損耗角正切值。玻璃軟化點(diǎn)必須高到在開始致密化之前完成排膠，低至能保證高密度燒結(jié)。常用的增塑劑和溶劑有二甲酸、丙酮、二甲苯、甲醇和乙醇。然后把各組分在油漆狀的懸浮液（稱作釉漿）中進(jìn)行碾磨和均勻化，澆注在一個(gè)移動(dòng)的載帶上（通常為聚酯膜），通過一個(gè)干燥區(qū)，去除所有的溶劑，通過控制刮刀間隙，流延成所需要的厚度，粘度和載帶收縮率。此工藝的一般厚度容差是±6％。其他流延技術(shù)可用于實(shí)現(xiàn)更小的容差。

圖1LTCC典型的燒成曲線

然后把生（未燒結(jié)）瓷帶在不銹鋼桌上展開，切成片狀（略大于沖片尺寸）。在120℃下加熱約30分鐘預(yù)處理陶瓷片（或在N2干燥箱中存放24小時(shí)）。采用沖床將預(yù)處理的生瓷片沖成最后工作尺寸。定位圖形也在此過程中產(chǎn)生。

下一步是形成通孔，利用機(jī)械沖壓、鉆孔或激光打孔技術(shù)形成通孔。通孔是在生瓷片上打出的小孔（通常直徑為5密爾～8密爾），用在不同層上以互連電路。在此階段還要沖制模具孔，幫助疊片時(shí)的對(duì)準(zhǔn)；對(duì)準(zhǔn)孔用于印刷導(dǎo)體和介質(zhì)時(shí)自動(dòng)視頻對(duì)準(zhǔn)。

接著是通孔填充，利用傳統(tǒng)的厚膜絲網(wǎng)印刷或擠壓把特殊配方的高固體顆粒含量的導(dǎo)體漿料填充到通孔?？删幊逃?jì)算機(jī)數(shù)控沖床可用于獲得不銹鋼或黃銅模版。通孔填充漿料的收縮率要與生瓷帶收縮率匹配。

下一步是利用標(biāo)準(zhǔn)的厚膜印刷技術(shù)對(duì)導(dǎo)體漿料進(jìn)行印刷和烘干。通孔填充和導(dǎo)體圖形在120℃箱式爐中烘干約5分鐘。根據(jù)需要，所有電阻器、電容器和電感器在此階段印刷和烘干。

接著是檢查、整理和對(duì)準(zhǔn)。檢查、整理和對(duì)準(zhǔn)不同層，使每層中的對(duì)準(zhǔn)孔同心并準(zhǔn)備疊層。疊層期間（無論是單軸還是等靜壓），整理和對(duì)準(zhǔn)的基板層被熱壓在一起（通常為70℃，3000psi下10分鐘）。然后一步共燒疊層。200℃～500℃之間的區(qū)域被稱為有機(jī)排膠區(qū)（建議在此區(qū)域疊層保溫最少60分鐘）。然后在5分鐘～15分鐘將疊層共燒至峰值溫度（通常為850℃）。氣氛燒成金屬化的典型排膠和燒成曲線會(huì)用上2小時(shí)～10小時(shí),如圖1所示。

燒成的部件準(zhǔn)備好后燒工藝，如在頂面上印刷導(dǎo)體和精密電阻器，然后在空氣中燒成。如果Cu用于金屬化，燒結(jié)必須在N2鏈?zhǔn)綘t中進(jìn)行。然后對(duì)電路進(jìn)行激光調(diào)阻（如果需要）、測(cè)試、切片和檢驗(yàn)。LTCC封裝中可用硬釬焊引線或散熱片(如果需要)。在此階段，封裝準(zhǔn)備好后續(xù)的工藝，如下所示。

流延→卷帶→切片→預(yù)處理→沖片→第1層→沖孔→通孔填充→印刷導(dǎo)體→檢驗(yàn)/核對(duì)/對(duì)位→疊層→燒成/共燒→后燒工藝→電測(cè)試→切片→

多層工藝時(shí)，要重復(fù)第6步到第10步。

4LTCC材料的特性

4．1生瓷帶材料

生瓷帶是LTCC系統(tǒng)確定關(guān)鍵性能的主要成分，包括介電常數(shù)、損耗因子、絕緣電阻、擊穿電壓、抗彎強(qiáng)度、CTE和熱導(dǎo)率。

4．2導(dǎo)體

導(dǎo)體漿料絲網(wǎng)印刷形成電路的導(dǎo)體部分。顆粒尺寸、顆粒組織和尺寸分布在決定燒成導(dǎo)體的最終電性能和物理性能上起著重要作用。選擇合適的金屬化取決于各種因素的組合，如電阻率、可焊性、引線鍵合力、與系統(tǒng)中其他元件的兼容性、用途（通孔填充、焊接、接地層）、電子遷移、衰減、RF性能、熱導(dǎo)率、載流能力、附著力、流變學(xué)、抗腐蝕性、外觀和成本。表1列舉出LTCC技術(shù)采用的各種金屬化材料。

值得一提的是光刻蝕導(dǎo)體的獲得，因?yàn)樗茉贚TCC基板上產(chǎn)生很細(xì)的線條和間隔（<50μm）。

表1LTCC采用的導(dǎo)體材料

厚膜電阻漿料用于制造無源電阻器元件。電阻漿料和導(dǎo)體漿料一樣，由玻璃料、導(dǎo)電粉和有機(jī)載體混合物組成。通過變化玻璃和導(dǎo)電粉的配比實(shí)現(xiàn)不同的電阻率（玻璃含量越高，電阻率越高）。大多數(shù)氣氛燒成的電阻器是在導(dǎo)電相材料上制成，如釕酸鹽、釕酸鉍和釕酸鉛。選擇合適的電阻材料取決于諸如方阻、功耗、頻率響應(yīng)、電阻溫度系數(shù)、短期過載和高電壓等的需求。LTCC應(yīng)用的電阻材料有表面安裝型和內(nèi)埋型兩種。表面安裝型電阻器，其阻值從 5Ω/□～2MΩ/□，調(diào)阻后的容差可以小到±1％。內(nèi)埋電阻器的阻值范圍從10Ω/□～100kΩ/□。由于內(nèi)埋不能在燒成之前調(diào)阻，容差一般是± 25％。

圖2螺旋電感器

4．4電容器介質(zhì)

電容器材料有載帶型和漿料型。LTCC系統(tǒng)的電容介電常數(shù)從3.9～200。高K材料的研制是替代X7R，Z5U和NPO型電容器的關(guān)鍵。X7R電容器容量范圍為10pF～3000pF，而NPO型則不到0.3％,如表2所示。

表2LTCC系統(tǒng)應(yīng)用的電容器

電感器也能集成到LTCC系統(tǒng)中，但該技術(shù)尚未成熟。各種應(yīng)用如圓螺旋、方螺旋、蛇形和單環(huán)形電感器已用于RF領(lǐng)域。寄生和互連到電極/板會(huì)影響最終電感值和電路Q。直線式電感器的一般方程如下：

L(Ind.)=5.08×10－3×L×[Ln(L/(w＋t)＋1.19＋

0.022×L/(w＋t)×nH/mil

其中，L(Ind.)=電感（nH）

L=導(dǎo)體長度（密爾）

t=導(dǎo)體厚度（密爾）

w=導(dǎo)體寬度（密爾）

螺旋式電感器一般關(guān)系由下列方程式支配：

L(Ind.)=0.03125×N2×do×nH/mil

do=5×di=2.5n(w＋s)

其中,L(Ind.)=電感(nH)

do=螺旋外徑

di=螺旋內(nèi)徑

N=匝數(shù)

s=導(dǎo)體間隔

w=導(dǎo)體寬度

對(duì)于螺旋電感器,建議線要盡可能寬,同時(shí)保持整個(gè)電感體直徑盡可能小(見圖2)。為提高每單位長度的能量存儲(chǔ)，螺旋中心應(yīng)有足夠量的空間，由于表面電阻是隨著頻率平方根的函數(shù)直接變化。實(shí)驗(yàn)表明，Q增加到一定頻率，然后迅速回落。另外，實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于同一內(nèi)尺寸，圓形螺旋比方形螺旋的Q值高 10％，雖然電感量約低于20％。

5應(yīng)用LTCC的優(yōu)勢(shì)

LTCC的研制周期短，啟動(dòng)成本低，是一種低成本封裝方法。它利用光成像材料，以相對(duì)低的成本通過薄膜技術(shù)形成細(xì)線和間隔。LTCC具有堅(jiān)固的、致密又可靠的封裝，能夠做成多層結(jié)構(gòu)，通過集成無源元件如電阻器、電容器和電感器實(shí)現(xiàn)微型化。這些無源元件印刷在表面層時(shí)，也能激光調(diào)阻到很小的容差。另外，LTCC的介電常數(shù)低（低至3.9）、介質(zhì)損耗低和衰減低。制成的封裝具有不同的CTE和熱導(dǎo)率要求。LTCC焊接引線和散熱片材料，具有3D 設(shè)計(jì)的高密度互連，內(nèi)埋無源和3D元件。平行加工允許檢驗(yàn)個(gè)別層和同時(shí)共燒所有層的優(yōu)勢(shì)，形成最終的高產(chǎn)量和低成本。在經(jīng)受不同溫度和濕度條件下時(shí)，與其他RF基板材料比較，影響RF性能的材料特性，如介電常數(shù)、介電損耗和衰減仍舊相對(duì)穩(wěn)定。LTCC具有空腔的能力，可將芯片直接粘貼到散熱片，然后利用絲焊將引出端鍵合到不同層。

6結(jié)束語

LTCC為大功率RF應(yīng)用提供了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，足以彌補(bǔ)其缺陷。隨著新材料的不斷研究和改善，不久的將來，為大功率RF應(yīng)用選擇基板和封裝技術(shù)的時(shí)候，LTCC會(huì)成為最佳的選擇之一。