大学毕业论文-—基于ltcc技术滤波器的优化设计.doc

摘 要毕业论文基于LTCC技术滤波器的优化设计摘 要随着无线通信的迅速发展，无线产品特别是射频、微波领域越来越需要高性能、高可靠性、低成本及良好的温度特性，小、轻、薄已经成为电子产品的发展趋势。这势必对IC集成及高密度封装技术提出更高的要求，传统的电路印刷(PCB)技术由于自身的特点大大限制了贴片分离元器件的小型化，LTCC技术作为一门新兴技术很好的解决了这个问题,另外鉴于滤波器在无线通信特别是在无线通信设备的射频前端占有重要的地位，本文就围绕着基于LTCC技术滤波器的优化设计展开，对LTCC技术相关内容加以分析和讨论。本文第一部分首先就LTCC技术相对于传统的集成封装技术的优点、LTCC材料及基于LTCC技术产品的国内外发展现状及动态的介绍，以便于把握LTCC技术的发展动态；给出了LTCC技术工艺流程，并对每一工艺流程中的关键问题加以介绍；并对LTCC技术部分设计原则及应用软件加以介绍，以便为后面的三维电路建模提供了设计依据和设计手段。本文第二部分首先通过对基于LTCC技术内埋置电感、电容三维建模及电磁场仿真得到几种常见电感、电容三维结构模型比较结果，从中得到：helical、VIC分别为LTCC内埋置电感、电容最佳模型选择；列举出影响内埋置电感、电容性能的各种因素，并给出结论分析及理论解释；得出修正T模型应用频宽远远大于传统的PI模型。第二部分的另外一个主要内容是LTCC滤波器优化设计，针对同一滤波器技术指标给出了两种结构：单零点和双零点。后者是在前者的基础上改进的。两种结构均可以满足给定的技术指标要求，后者在高频带外抑制要优于前者。关键词：LTCC技术，阶跃阻抗谐振器，helical，滤波器87ABSTRACTAbstractWith the development of wireless communication, the latest wireless products demand ever-greater functionality, higher performance, and lower cost in smaller and lighter formats. That has been satisfied to date by major advances in integrated circuit (IC) and high-density packaging technologies, even though the RF sections have continued to demand high-performance and miniaturized passive components such as matching and filtering circuitry. Continuing reductions in size of discrete surface mounted components are having diminishing returns because of the incompatibility of the printed circuit board (PCB) technology, as well as the high cost of assembly of those tiny discrete components. And low temperature coffered ceramics (LTCC) can meet the demand very well. As we all know that the filter is very importance in the RF front-end of wireless communication. Then we study the filter basing on LTCC, and introduce the correlation of LTCC. The part one introduces the development actuality, trends and the technology of the low temperature cofired ceramics (LTCC) respectively, and introduces the techniques, the key issues and the design principle of LTCC circuits. and the design tools, such as Agilent ADS, Ansoft HFSS. The part two, at first give the three dimensional building model for Buried inductor and capacitance in LTCC and the design of LTCC filter respectively. find that the helical, VIC is the better model separately. And get the equivalent circuits of the inductor and capacitance in LTCC, and that the modified T is better than tradition PI model. there are two ways to arrive the goal, such as the single zeros and two zeros model. The second model is better than the first one in the high bandstop of the filter.Keywords: the technology of low temperature cofired ceramics, stepped impedance resonator, helical, filter.目 录目 录第一章 绪 论11.1 研究背景11.2 LTCC技术研究现状及动态21.2.1 LTCC材料的现状及动态21.2.2 LTCC技术应用的现状及动态31.3 LTCC技术面临问题及未来展望51.3.1 LTCC技术面临问题51.3.2 LTCC技术未来展望61.4 课题来源及研究意义71.5 本论文的主要内容7第二章 LTCC技术82.1 引言82.2 LTCC技术工艺流程15102.2.1 LTCC生瓷带制备102.2.2 生瓷带打孔前处理工艺122.2.3 打孔132.2.4 填孔132.2.5 导体层印刷142.2.6 叠片142.2.7 烘巴及等静压142.2.8 切割152.2.9 排胶152.2.10 烧结162.2.11 测试162.3 LTCC技术部分设计原则探讨162.3.1 LTCC中导体设计172.3.2 通孔192.3.3 射频通孔212.3.4 电源及接地212.3.5 空腔222.4 LTCC技术仿真及设计软件介绍232.5 本章小结26第三章 基于LTCC技术内埋电感电容的设计与分析273.1 简介273.2 LTCC内埋置电感设计与分析283.2.1 目前LTCC内埋置电感基本类型283.2.3 LTCC埋置电感设计流程323.2.4 三种LTCC电感建模及分析比较333.2.5 LTCC helical三维电感影响因素分析363.2.6 电感等效电路模型理论473.3 电容设计与分析513.3.1 LTCC内埋置电容性能指标及其计算523.4 本章结论56第四章 基于LTCC技术的无源滤波器设计574.1 引言574.2 滤波器设计基础574.2.1 滤波器技术指标584.2.2 滤波器分类594.2.3 频率变换624.3 阶跃阻抗谐振器(SIR)644.3.1 SIR的基本结构644.3.2 SIR谐振条件和谐振器的电学长度654.4 LTCC滤波器设计实例684.4.1 实例设计目标指标684.4.2 LTCC滤波器设计流程684.4.3 实例设计方案及实施694.5 本章结论80第五章 结 论82致 谢83参考文献84个人简历87第一章 绪论第一章 绪 论1.1 研究背景近年来随着军用电子整机、通讯类电子产品及消费类电子产品迅速向短、小、轻、薄方向发展，手机、PDA、MP3、笔记本电脑等终端系统的功能愈来愈多，体积愈来愈小，电路组装密度愈来愈高。若能将部分无源元件集成到基板中，则不仅有利于系统的小型化，提高电路的组装密度，还有利于提高系统的可靠性。目前的封装集成技术主要有薄膜技术、硅片半导体技术、多层电路板技术1-3以及低温共烧陶瓷(LTCC)技术4。其中低温共烧陶瓷(LTCC)技术是一门新兴的集成封装技术，所谓LTCC技术，就是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，并将多个无源元件埋入其中，然后叠压在一起，在900下烧结，制成三维电路网络的无源集成组件，也可制成内置无源元件的三维电路基板5-6，在其表面可以贴装IC和有源器件，制成无源/有源集成的功能模块7-8。总之，利用这种技术可以成功地制造出各种高技术LTCC产品。以多层LTCC开发的产品将具有系统面积最小化，高系统整合度，系统功能最佳化，较短的上市时间及低成本等特性，从而具有相当的竞争力。相对于以前的封装集成技术LTCC技术具有如下优点： 陶瓷材料具有优良的高频高Q特性，使用频率可高达几十GHz； 使用电导率高的金属材料作为导体材料，有利于提高电路系统的品质因子； 可以制作线宽小于50m的细线结构电路； 可适应大电流及耐高温特性要求，并具备比普通PCB电路基板更优良的热传导性； 具有较好的温度特性，如较小的热膨胀系数、较小的介电常数温度系数； 可以制作层数很高的电路基板，并可将多个无源元件埋入其中，有利于提高电路的组装密度； 能集成的元件种类多、参量范围大，除L、R、C外，还可以将敏感元件、EMI抑制元件、电路保护元件等集成在一起； 可以在层数很高的三维电路基板上，用多种方式键连IC和各种有源器件，实现无源/有源集成； 可靠性高，耐高温、高湿、冲振，可应用于恶劣环境； 非连续式的生产工艺，允许对生坯基板进行检查，从而提高成品率，降低生产成本。 与薄膜多层布线技术具有良好的兼容性，二者结合可实现更高组装密度和更好性能的混合多层基板和混合型多芯片组件（MCM-C/D）。LTCC技术以其优异的电学、机械、热学及工艺特性，将成为未来电子器件集成化、模块化的首选方式，从技术成熟程度、产业化程度以及应用广泛程度等角度来评价，目前，LTCC技术是无源集成的主流技术。1.2 LTCC技术研究现状及动态1.2.1 LTCC材料的现状及动态LTCC器件对材料性能的要求包括电性能、热机械性能和工艺性能三方面，介电常数是LTCC材料最关健的性能。由于射频器件的基本单元谐振器的长度与材料的介电常数的平方根成反比，当器件的工作频率较低时(如数百兆赫兹)，如果用介电常数低的材料，器件尺寸将大得无法使用。因此，最好能使介电常数系列化以适用于不同的工作频率。介电损耗也是射频器件设计时一个重要考虑参数，它直接与器件的损耗相关。理论上希望越小越好。介电常数的温度系数，这是决定射频器件电性能的温度稳定性的重要参数。为了保证LTCC器件的可靠性，在材料选择时还必须考虑到许多热机械性能。其中最关健的是热膨胀系数，应尽可能与其要焊接的电路板相匹配。此外，考虑到加工及以后的应用，LTCC材料还应满足许多机械性能的要求，如弯曲强度、硬度Hv、表面平整度、弹性模量E及断裂韧性KIC等等。工艺性能大体可包括如下方面：第一，能在900以下的温度下烧结成致密、无气孔的显微结构。第二，致密化温度不能太低，以免阻止银浆料和生带中有机物的排出。第三，加入适当有机材料后可流延成均匀、光滑、有一定强度的生带。目前世界上提供LTCC材料的生产厂家有DuPont，Ferro，Heraeus，Northrop，Electro-science Laboratories，Swedish Ceramic Institute，Kyocera，Sarnoff，National semiconductor，NIKKO，Nippon Electric Glass，Samsung等。其中有duPont、Ferro和Heraeus三家提供数种介电常数小于10的生带，国内开发LTCC器件的研究所也都在采用这些生带。这些生带存在两个问题：首先，介电常数未系列化，不利于设计不同工作频率的器件。第二，这些生带开发商并无实际使用生带进行设计和生产的经验，比较注重生带与银浆料的匹配性和工艺性能，对于设计对生带的要求的掌握并不详尽。Heraeus目前似乎更着重于银浆和介电粉料的开发，似有退出生带生产之势，不知是否代表一种趋势。国内目前LTCC材料基本有两个来源，一是购买国外生带，二是器件生产厂从原料开发起。这些都不利于快速、低成本的开发出LTCC器件。因为，第一种方式会增加生产成本，第二种方式会延缓器件的开发时间。目前清华大学材料系、上海硅酸盐研究所等单位正在实验室开发LTCC用陶瓷粉料，尚未到批量生产的程度。国内现在亟须开发出系列化的、最好有自主知识产权的LTCC用陶瓷粉料，专业化的生产系列化LTCC用陶瓷生带，为LTCC器件的开发奠定基础。南玻电子公司正在用进口粉料，开发出介电常数为9.1、18.0和37.4的三种生带，厚度从10m到100m，生带厚度系列化，介电常数半系列化，为不同设计、不同工作频率的器件开发奠定了基础。另外我国台湾憬德电子工业股份有限公司也提供LTCC材料。1.2.2 LTCC技术应用的现状及动态LTCC技术，受到全球产业的曙目，已广泛应用于宇航工业、军事、无线通信、全球定位系统、无线局域网、汽车等产业9-10。美国、日本等著名的DuPont、CTS、NS、Murata、Soshin、TDK等大公司力推LTCC技术的应用。利用LTCC技术，既可制造单一功能元件(如电阻、电感、天线、双工器、滤波器等)，还可以整合前端元件，如天线、开关、滤波器、双工器、LNA、功率放大器等制成RF前端模块，可有效地降低产品重量及体积，达到产品轻、薄、短、小、低功耗的要求。LTCC产品按技术层次划分，可粗略地分为以下四类: 高精度片式元件：如高精度片式电感器、电阻器、片式微波电容器等，以及这些元件的阵列11。 无源集成功能器件：如片式射频无源集成组件，包括LC滤波器及其阵列、定向耦合器、功分器、功率合成器、Balun、天线、延迟线、衰减器，共模扼流圈及其阵列，EMI抑制器等12。 无源集成基板/封装：如蓝牙模块基板、手机前端模块基板、集中参数环行器基板等。 功能模块：如蓝牙模块、手机前端模块、天线开关模块、功放模块等13-14。我们将对这些LTCC产品的发展状况加以介绍：u 高精度片式元件片式元件的尺寸已由1206和0805为主，发展为0603和0402，并进而向0201和01005发展；介质单层厚度由原来的10微米以上减小到5微米、3微米，甚至到1微米；介质层数也由几十层发展到几百层。同样，其他功能陶瓷元器件也正向着片式化和微型化方向发展，如多层压电陶瓷变压器、片式电感类器件、片式压敏电阻、片式多层热敏电阻等。u 无源集成功能模块近年来，以LTCC技术为基础的多层片式介质天线取得了长足的进步。Tentzeris等。研究了基于LTCC技术的小型叠层平面天线，采用r=5.6，Q=1000的介质材料，通过改变叠层层数来优化带宽特性，在同样的结构参数条件下，叠层天线的带宽是单一平面天线的2倍，可满足蓝牙、WLAN等各种无线通信设备的要求。Sim等采用三维电磁场仿真设计软件(简称HFSS)，利用LTCC技术，设计出用于移动电话的微型宽带片式多层天线，天线尺寸6.7 mm5.0 mm1.8 mm，驻波比小于2，相对带宽达到33%，天线增益为1.2dBi，其带宽特性优于内呈平面倒F天线及介质谐振天线。Kim和Choi分别采用r =23，Qf=15000GHz及r=9.8材料设计成7.5 mm4.5 mm0.8 mm，11.5 mm4.0 mm1.0mm的片式多层天线。Murata，Allgon，Toko and Rangestar等著名公司已经开发出各种结构类型的用于移动通信设备的片式多层天线，并已面市，如Murata最近推出了专门用于蓝牙高频模块的LDAGZ型叠层天线，工作频带0.82.4GHz，尺寸为9.5mm2.0mm2.0mm，在水平360方位内天线增益-3dBi，在垂直平面为-320dBi，可用于CDMA、PDC、蓝牙技术等电子产品中。在片式多层天线发展的同时，片式多层双工器、滤波器、平衡-不平衡转换器也相继研究开发，Shizaki等最初采用高介电常数材料，由平面谐振层和藕合电容层设计成叠层带通滤波器，这种叠层滤波器被认为是梳状滤波器的演变，尺寸约/4(以中心频率2.45GHz计算，尺寸在10cm左右)，尺寸过大，难以集成在低介电常数多层陶瓷RF电路模块中。Sheen等利用DuPont低介常数材料设计，较好解决了高介电常数难以集成问题，把两个叠层滤波器(带通和带阻滤波器)集成在RF电路中，组合成双工器，适用于DCS。随后，松村定幸等发明了一种具有叠层结构的双工器，包括并联LC谐振器的第1个三级带通滤波器和具有并联LC谐振器的第2个三级带通滤波器。Murata最近推出一种超小型0603片式叠层双工器，其尺寸仅为1.6mm0.8mm0.6mm。研制生产用于移动通信的片式叠层LC滤波器品种较多，如中心频率为 0.91.0GHz，外形尺寸3.2mm2.5mm1.65mm的高通滤波器；中心频率覆盖1.9GHz5.8GHz，外形尺寸4.5mm3.2mm1.6mm、3.2mm2.5mm1.8mm、2.5mm2.0mm1.0mm的带通滤波器；Tang和sheen，采用阶梯阻抗模式，利用多层结构、曲折线和多节藕合线设计了片式多层平衡-不平衡转换器，多节藕合线具有不同的队杭比，缩小了/4藕合传输线，易于与各种平衡输出阻杭匹配，平衡-不平衡输出阻杭为50，在工作频率范围内，插入损耗小于1.02dB，回波损耗小于14.5dB，振幅平衡度小于0.43dB，相平衡度小于1.23度，可应用于WLAN、Bluetooth等通信设备.u 功能模块美国的半导体公司已开发多种LTCC功能模块，其用于无线通信的频率合成模块，有14层陶瓷层，内置谐振电容、反馈电容、级间藕合电容、输出电容、谐振电感及输出匹配电感等无源电子元件，然后在表面上安装IC、压控振荡器、变容二极管，形成一个表面贴装型微波功能模块，体积大大减小。Motorola制作的移动通信接收模块，包括收发开关、四个滤波器、低躁声放大器，阻抗匹配电路、偏置尺寸仅为12.5mm12.5mm2.2mm，元件组装密度达到34个/cm2。另外，对于短距离无线通讯用的蓝牙组件，也可使用LTCC多芯片组件，由于采用内埋式无源元件及倒装焊芯片，从而使整个组件达到了小型化。日本松下公司制作的超小型蓝牙模块，在该模块LTCC基板内置有电容器、滤波器、阻抗变压器及天线，在LTCC基板表面安装有蓝牙射频、基频、快速存储器、晶体振荡器及开关二极管等。1.3 LTCC技术面临问题及未来展望1.3.1 LTCC技术面临问题虽然与其他封装技术相比LTCC技术有不可取代的优越性，但LTCC技术本身仍然存在收缩率控制和基板散热等问题。1、收缩率的问题LTCC存在许多涉及可靠性的难点，基板与布线共烧时的收缩率及热膨胀系数匹配问题即是其中的一个重要挑战，它关系到多层金属化布线的质量。LTCC共烧时，基板与浆料的烧结特性不匹配主要体现在三个方面：a.烧结致密化完成温度不一致；b.基板与浆料的烧结收缩率不一致；c.烧结致密化速度不匹配。这些不匹配容易导致烧成后基板表面不平整、翘曲、分层。不匹配的另一个后果是金属布线的附着力下降。2、散热的问题虽然LTCC基板比传统的PCB板在散热方面已经有了很大的改进，但由于集成度高、层数多、器件工作功率密度高，LTCC基板的散热仍是一个关键问题，成为影响系统工作稳定性的决定因素之一。随着微电子技术的进步，器件工作能量密度越来越高，如何把热量及时有效地散发出去，保障器件的稳定工作，是封装所面临的艰巨挑战。采用高导热率的材料及新型的封装涉及是提高封装部件散热效率的常用方法。但对LTCC来说，其明显的不足之处就是基片的导热率低(26W/mK)，远低于AIN基片的导热率(100w/mK)，比A12O3基片的导热率(1525W/mK)也低了不少。这限制了LTCC在大型、高性能计算系统中的应用。1.3.2 LTCC技术未来展望目前，尽管LTCC技术为多层线路设计带来了巨大的灵活性，但有些相关技术尚未成熟或待开发，也缺乏使用LTCC设计线路的技术标准。以下从几个方面概述了业己成熟或即将发展的有关LTCC关键技术。 高电导率介质浆料：用以实现高容量。如Cu布线技术一直是发达国家重点研究项目之一，现在一般采用的是Ag进行金属化。 内埋无源元件：目前，电阻和电容己经能够内埋于LTCC基板中，但是对于电感的内埋仍有一些问题。 内埋有源元件：借助该技术可集成那些无需共烧在LTCC基板的有源元件或芯片，加工出一种带有空腔的LTCC载体或基板，装入芯片，加盖并焊接后封闭箱体。 顶底球形阵列：将同种电路依次安装于各自的顶部，组成高性能器件，并带有许多有源器件。 光学元件：可使生产带有光学接口的LTCC基板或箱体成为可能。液体或气体接口或导体：将实现在LTCC基板中集成传感器或输送(冷却)液体或气体的管路。 零收缩率：由于在烧结过程中LTCC生瓷带的不均匀收缩，限制了导体印刷的线宽和线间距。零收缩率生瓷带将带来性能更卓著的多层线路结构。 高热传导率：随着多层芯片线路集成度的提高，LTCC的2.02.5w/m热传导率已经不能满足数瓦级大功率散热的多芯片模块设计的要求，开发基于LTCC大功率散热材料及技术势在必行。 砖箱系统：它由LTCC材质的部件(载体或盖子)组成。这些部件可通过焊接联在一起，组成一个完整的箱体，各部件上都带有(电气、光学、液体)孔连接结构和接口，用以连接被安装的芯片。 1.4课题来源及研究意义由于信息时代的到来，移动通信、卫星通信、相控阵雷达以及星载电子等方面的迅猛发展，对微波集成电路提出了更高的要求。设备的高可靠性、微型化、低价格及良好的温度特性，要求微波集成电路在满足电气性能指标的同时，应尽可能减小电路占用面积。而且超大规模单片集成电路己经达到其集成或微型化的极限，要进一步提高其组装密度和扩展功能，唯一的途径只能是扩展电路的空间自由度和拓扑结构，发展三维集成技术。特别是基于LTCC的三维微波集成电路的研制成功，在很大程度上降低了三维微波集成电路的造价，给三维微波集成电路开拓了更广阔的市场前景。电子科技大学受国家项目支持于2004年引进了一条完整的LTCC生产线，并拟生产出自己的产品，如电感，电容，滤波器，天线及LTCC模块等。本课题主要围绕此生产线展开进行，对LTCC技术工艺、设计加以研究。1.5本论文的主要内容本论文共分为五章，第一章为绪论，简要概括了LTCC技术的发展背景、现状、动态及面临的问题；第二章主要介绍LTCC工艺、LTCC技术的部分设计原则及LTCC设计的仿真、设计软件；第三章介绍了基于LTCC技术的电感、电容元件三维建模及仿真优化设计，并对其影响因素作了分析；第四章介绍基于LTCC技术滤波器设计实例，主要包括滤波器设计基础、阶跃阻抗谐振器、滤波器设计实例。第五章则为本论文的总结部分。结 论第二章 LTCC技术2.1引言 最近几年以来，随着电子系统的广泛使用，微波装置尤其是无线电通讯设备的应用有了迅猛的增长。高密度、良好温度特性及小尺寸的新型电子系统已日益成为电子系统发展的必然趋势。这些应用都需要高性能的包装材料(特别是对于微波损耗来说)，高容量，低成本的生产能力。过去这些装置常采用有机聚合物材料作为包装材料，因为这些材料能满足生产和成本要求。但这些材料性能和耐用性有限，尤其是在目前技术所需的更高的频率范围内使用时，更是如此。正是由于这个原因，制造商一直致力于寻求新型材料，以提高无线通讯设备的性能。LTCC非常适用于这些应用。这种材料具有高可靠性，并带来了设计上的灵活性，从而真正实现三维结构(采用聚合物和传统陶瓷材料无法获得这种结构)，并将电容性和电阻性元件和这种气密结构相结合。且LTCC基板的集成密度高、RF性能好、数字响应快，成本低、生产周期快、批量大、产品生命周期短、生产灵活、自动化程度高。正因为LTCC技术具有如此众多的优点，所以它正逐渐取代传统的印刷电路板(PCB)板。因为应用LTCC集成技术的电路就是将芯片和其余无源器件集成在一个模块上，因此也被称为无源集成电路或改良专用集成电路。目前世界上提供LTCC材料的生产厂家有DuPont，Ferro，Heraeus，Northrop，Electro-science Laboratories，Swedish Ceramic Institute，Kyocera，Sarnoff，National semiconductor，NIKKO，Nippon Electric Glass，Samsung，台湾憬德电子工业股份有限公司，国内有深圳南玻集团、电子工业部43研究所等。表2-1,2-2分别给出了几种常见LTCC生瓷带介质材料及与之相对应的部分导体材料。本章主要内容：首先介绍了LTCC工艺流程，并给出其中的关键问题。其次对基于LTCC技术部分设计原则加以简单的介绍，该设计原则在LTCC技术设计中占有非常重要的地位。最后对LTCC技术电路仿真软件Ansoft HFSS及Agilent ADS加以介绍，通过这些软件的使用，可以大大的缩短我们研发设计及生产周期，有效的降低了研发及生产的成本。第二章 LTCC技术表2-1 几种常用LTCC生瓷带介质材料特性性 质DP951DP943Ferro-A6SHeraeusCT2000厚 度951 C2 50um 951PT 14um 951P2 65um 951PX 254um 943C2 50um 943P5 127um 943PX 254um 0.094mm0.187mm1.77mil3.45mil烧结收缩率（X,Y）12.70.3%9.50.3%15.50.3%11.50.3%烧结收缩率（Z）150.5%10.30.5%250.3%140.5%介电常数7.8 (10MHz)7.4 (15GHz)5.9(10MHz)9.1(10MHz)介质损耗0.002(10MHz)0.0009(10MHz)0.0015(10MHz)0.002(10MHz)绝缘电阻1012(100V DC)1012(100V DC)1014(100V DC)1013(100V DC)击穿电压1000 V/25um1000V/25um1000V/25um1000V/25um热导率3 W/mk4.4 W/mk3 W/mk4.3 W/mk热膨胀系数5.8 ppm/k4.5 ppm/k9 ppm/k8.5ppm/k烧结密度3.1 g/cm23.2 g/cm23.1g/cm22.5g/cm2抗折强度320 MPa230 Mpa130 MPa130MPa表2-2与LTCC生瓷带相对应的部分导体材料导体特性陶瓷材料系统DuPont 951陶瓷材料系统Ferro A6S导体类型内层 Ag，Au外层Ag，Au，PdAg内层 Ag，Au外层Ag，Au，PdAg顶层导体膜厚(um)103103内层导体膜厚(um)7 to 1527 to 152电阻m/顶层(10 um)Au4Ag3AgPd30Au4Ag3AgPd30电阻m/内层Au4Ag3Au4Ag3顶层导体粗糙度(Rq um RMS)(后烧)Au: 0.8Ag: 0.92.2 LTCC技术工艺流程图2-1给出了LTCC技术工艺流程主要包括生瓷带的制备、打孔前处理、打孔、填空、导体层印刷、叠层、烘巴、等静压、切割、排胶、烧结、封端、检测等过程，本论文主要是参考香港是佳时微电子有限公司提供的工艺要求，对上面提到的工艺加以详细地介绍15。玻璃陶瓷粉料有机载体混合搅拌流 延烘 干第1层生瓷带打孔印刷导体浆料通孔填充第2层生瓷带岑打孔。第n层生瓷带打孔叠层，对齐和热压切 片排胶烧结焊 接检 验印刷导体浆料印刷导体浆料通孔填充通孔填充图2-1 LTCC技术工艺流程图2.2.1 LTCC生瓷带制备LTCC生瓷带是LTCC技术的关键，其性能的好坏直接影响到LTCC技术后面工艺及基于LTCC技术的元件、组件的性能。表征生瓷带性能的参数主要包括介电常数、损耗因子、绝缘电阻、击穿电压、抗弯强度、CTE和热导率。LTCC生瓷带的制备主要包括原材料的制备、浆化、消泡、流延等工艺流程。原材料的制备属于基础研究，是一个需要投入大量的人力、物力，长周期的研究工作。每一种材料都有具体的材料配方、掺杂及工艺。LTCC材料的选择依赖所需要的特性，如介电常数、附着力、热膨胀系数损耗角正切值，其软化点必须高到在开始致密化之前完成排胶，低至能保高密度烧结。浆化就是将原材料、磨介、溶剂（甲苯、无水乙醇）、增塑剂、黏合剂等按照一定的比例、工艺要求，把原材料制成流延用浆料的过程，浆化的好坏直接影响到流延膜片的性能。流延前要先将浆料进行消泡，以便消除流延片中出现气泡。流延的目的是把陶瓷粉料转变为易于加工的生瓷带，对生瓷带的要求是：致密、厚度均匀和具有一定的机械强度。流延工艺包括配料、真空除气和流延等三道工序。在陶瓷粉料中加入适当的粘合剂，经过球磨混料后形成高粘度浆料。流延技术要求陶瓷粉料的粒度小和形状好（一般为球形），流延浆料的流动性好，溶剂挥发速度适当。粘合剂是流延工艺中的关键材料，在流延工艺中起着十分重要的作用。粘合剂通常包括树脂、增塑剂、分散剂、溶剂等成分。树脂是瓷粉的载体，瓷粉颗粒均匀地分散和镶嵌在树脂中，形成既具有一定强度和塑性，又便于打孔和印刷金属导体图形的生瓷带。增塑剂控制生瓷带的韧性；分散剂可以打开瓷粉的团粒，使瓷粉的每一颗粒包裹一层树脂薄膜；溶剂用来溶解树脂，并可控制流延浆料的粘度。粘合剂在基板成形后要全部排除。因此，粘合剂中各成分的排除温度要有一个合理的梯度。流延后，浆料中一部分溶剂在100左右挥发出去，继续加热时生瓷带中含有的各种溶剂不断挥发，加热到300时可以排除干净。温度不到600时树脂在空气中就可氧化分解完毕，而在氢气中完全分解的温度则是1100。流延浆料中的树脂必须具有良好的热塑性，即温度升高时生瓷带变软的特性，以便叠层热压时各层之间能形成很好的结合，而且这种变软的温度最好在50100之间。目前，国际上常用的粘合剂为聚乙烯醇缩丁醛（PVB）系统，属溶剂型粘合剂系统，其主要优点是工艺成熟和性能稳定，其最大缺点是有毒，要求采取必要的环保和防护措施。流延工艺就是将浆料浇铸在移动的载带上，通过一个干燥区去除大部分溶剂后，将所得生瓷带卷在轴上备用。技术的关键是对生瓷带的致密性、厚度的均匀性和强度的控制。流延法是电子材料工业中一种普遍使用的成型方法，微电子封装基板生坯片大多采用此发制造。通过控制流延机的流延刀片与PET磨带的间距，可以得到不同厚度的流延片。本校LTCC生产线使用流延机可得到几个微米的流延片，另外流延片所能达到的最小厚度还与材料本身的性能有关。表2-3给出了流延薄膜容易出现的问题。表2-3流延薄膜缺陷与解决缺陷成因改善建议针孔/汽泡1. 浆料浓度不够 2. 浆料内有气体存在1. 减少溶剂 2. 增加脱泡时间表面条纹1. 灰尘2. 流延刀口不平整3. 球磨不良 1. 保持流延机内部及环境清洁2. 采用平整流延刀3. 充分将材料球磨一边厚一边薄1. 刀口间距设定两边不平行 2. PET膜带安装不良，流延机未有将之拉紧1. 因应测量的结果调整刀口间距2. 重新检查PET膜带安装并修正透光不均匀浆料流量不稳定检查气压及流量控制状态皱纹1 干燥风量太大2 干燥空气太热1 减低热风流量2减低空气温度两边翘起1 缺乏增塑剂2 干燥空气太热1 添加增塑剂 2 降低干燥温度中央开裂1 存在汽泡2 缺乏增塑剂3 缺乏黏合剂 1 同针孔/汽泡2 添加增塑剂3 添加黏合剂断裂1. 缺乏增塑剂2. 缺乏黏合剂1. 添加增塑剂2. 添加黏合剂2.2.2 生瓷带打孔前处理工艺生瓷带打孔前的处理工艺主要包括裁切、预处理、冲片等过程，裁切就是将卷带生瓷带按照一定的尺寸进行裁切，裁切的尺寸要比所需要的尺寸略大，以便满足后面的加工。预处理有两种方法：一种是将生瓷带在120下烘干2030分钟；另一种是将生瓷带在氮气干燥箱内放置24小时。可用任一方法完成。预处理时间的长短因生瓷带材质的不同而有差异。冲片采用冲片模具，从而形成有效尺寸的生瓷片及定位标记。2.2.3 打孔生瓷片上打孔是共烧陶瓷多层基板制造中极为关键的工艺技术。孔径大小、位置精度均将直接影响布线密度与基板质量。在生瓷片上打孔就是要求在生瓷片上形成（0.10.5）mm直径的通孔。打孔过程中要求对孔周围的影响要小。生瓷片上打孔的方法主要有三种：数控钻床钻孔、数控冲床冲孔、激光打孔。利用计算机控制钻床对生瓷片打孔的优点是打孔位置正确与精度较高（可达50m）。孔的大小取