國產(chǎn)LTCC微波多層基板中的電阻埋置技術(shù)*

謝廉忠，游 韜，王 鋒

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039）

引 言

機(jī)載、艦載、星載等有源相控陣?yán)走_(dá)要求天線陣面輕且薄，收/發(fā)（Transmit/Receive, T/R）組件的體積和重量受到限制，T/R組件需要高度集成化才能滿足孔徑適裝的要求。隨著集成電路和微型化片式器件的發(fā)展和應(yīng)用，T/R組件高度集成化的主要制約因素已不再是元器件本身，而是其組裝和封裝方式。為了適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)，20世紀(jì)90年代以來，基于微波多層基板的多芯片組件技術(shù)得到發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了T/R組件的小型化和輕量化[1]。

低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic, LTCC）技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是生瓷帶能夠在850°C的空氣環(huán)境中燒成，可以使用金、銀等具有高電導(dǎo)率的導(dǎo)體漿料，還可以集成電阻器、電感器等無源元件，是研制微波多層基板的理想技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)T/R組件扁平化和輕量化的有效手段[2]。

LTCC技術(shù)最早由美國開始發(fā)展，材料配方也一直掌握在DuPont、Ferro等少數(shù)幾家美國公司手中。為了打破LTCC技術(shù)壁壘，推動(dòng)LTCC技術(shù)發(fā)展，近年來國內(nèi)廠商開始關(guān)注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]。由于采用了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的材料配方和制備工藝，國產(chǎn)LTCC材料的性能與進(jìn)口LTCC材料相比存在差異。

本文介紹了一款國產(chǎn)埋置電阻漿料，其性能與同類型進(jìn)口漿料相比存在一些差異。例如，漿料粘度約為82 Pa·s，大于進(jìn)口漿料粘度（約70 Pa·s），漿料觸變性不同于進(jìn)口漿料，阻值后燒結(jié)變化≤±10%，小于進(jìn)口漿料±30%的阻值后燒結(jié)變化。本文針對(duì)電阻埋置工藝進(jìn)行了相關(guān)研究，包括印刷、層壓、燒結(jié)等，并通過50 Ω負(fù)載電阻、π型衰減器和LTCC微波多層基板驗(yàn)證了埋置電阻的性能，為國產(chǎn)LTCC材料的推廣應(yīng)用提供了參考。

1 埋置電阻漿料

國產(chǎn)LTCC微波多層基板LTCC材料種類及用途詳見表1。

表1 LTCC材料種類及用途

埋置電阻漿料必須與生瓷帶以及其他漿料匹配，其可加工性能必須滿足LTCC工藝要求，具體性能要求見表2。

表2 埋置電阻漿料性能要求

2 埋置電阻工藝

采用國產(chǎn)LTCC材料制作埋置電阻試驗(yàn)樣件，電阻漿料的方阻為100 Ω/□，埋置電阻有效長度為1 mm，寬度為1 mm，方數(shù)為1 □。埋置電阻集成在基板內(nèi)部，無法進(jìn)行阻值調(diào)整，因此加強(qiáng)工藝過程控制成了埋置電阻制作的關(guān)鍵，決定了埋置電阻的阻值精度。本文主要從印刷、層壓和燒結(jié)3個(gè)方面進(jìn)行研究。

2.1 印刷工藝對(duì)電阻阻值的影響

影響電阻阻值的因素有印刷網(wǎng)版參數(shù)和印刷工藝參數(shù)。印刷網(wǎng)版參數(shù)包括絲網(wǎng)種類、絲網(wǎng)目數(shù)、編織方式、乳膠厚度等，印刷工藝參數(shù)包括印刷角度、刮板硬度、脫網(wǎng)距離、印刷壓力、印刷速度等。為了使印刷工藝過程穩(wěn)定、電阻膜層厚度可控，一般將絲網(wǎng)種類、編織方式、印刷角度、刮板硬度、脫網(wǎng)距離等參數(shù)固定，主要調(diào)整絲網(wǎng)目數(shù)、乳膠厚度、印刷壓力、印刷速度等操作性強(qiáng)、效果明顯的參數(shù)。表3列出了印刷網(wǎng)版參數(shù)對(duì)電阻阻值的影響，表4列出了印刷工藝參數(shù)對(duì)電阻阻值的影響。

表3 印刷網(wǎng)版參數(shù)對(duì)電阻阻值的影響Ω

表4 印刷工藝參數(shù)對(duì)電阻阻值的影響Ω

2.2 層壓工藝對(duì)電阻阻值的影響

層壓工藝參數(shù)包括層壓溫度、層壓時(shí)間、層壓壓力等。研究表明，層壓壓力和層壓溫度對(duì)電阻阻值影響較小，層壓時(shí)間對(duì)電阻阻值影響較為明顯。表5列出了層壓時(shí)間對(duì)電阻阻值的影響。

表5 層壓時(shí)間對(duì)電阻阻值的影響

2.3 燒結(jié)工藝對(duì)電阻阻值的影響

影響電阻阻值的因素有燒結(jié)工藝參數(shù)和后燒結(jié)工藝。燒結(jié)工藝參數(shù)包括升溫速率、峰值溫度、保溫時(shí)間、壓縮空氣流量等。研究表明，升溫速率、壓縮空氣流量對(duì)電阻阻值影響較小，保溫時(shí)間對(duì)電阻阻值影響較為明顯，峰值溫度對(duì)電阻阻值影響最大。表6列出了保溫時(shí)間對(duì)電阻阻值的影響，表7列出了峰值溫度對(duì)電阻阻值的影響。

表6 保溫時(shí)間對(duì)電阻阻值的影響

表7 峰值溫度對(duì)電阻阻值的影響

LTCC微波多層基板有時(shí)需要后燒結(jié)工藝處理，后燒結(jié)工藝參數(shù)為峰值溫度850°C、保溫時(shí)間10 min、燒結(jié)周期60 min。表8列出了后燒結(jié)次數(shù)對(duì)電阻阻值的影響，電阻原始阻值為91.4 Ω。

表8 后燒結(jié)次數(shù)對(duì)電阻阻值的影響

綜上所述，不同工藝參數(shù)對(duì)電阻阻值有不同的影響，只要掌握這些工藝參數(shù)與電阻阻值之間的關(guān)系并加以嚴(yán)格控制，在LTCC微波多層基板設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行阻值優(yōu)化，是能夠得到均勻一致的電阻阻值的。埋置電阻實(shí)物樣件如圖1所示。

圖1 埋置電阻實(shí)物樣件

3 埋置電阻性能驗(yàn)證

3.1 50 Ω負(fù)載電阻性能

采用埋置電阻漿料在LTCC基板上制作50 Ω負(fù)載電阻，如圖2所示?；趪a(chǎn)漿料和進(jìn)口漿料分別制作兩組50 Ω負(fù)載電阻進(jìn)行微波性能測(cè)試和對(duì)比，1、2號(hào)為國產(chǎn)漿料樣品，3、4號(hào)為進(jìn)口漿料樣品。50 Ω負(fù)載電阻反射系數(shù)測(cè)試結(jié)果見表9，國產(chǎn)漿料與進(jìn)口漿料性能相當(dāng)，滿足X波段T/R組件技術(shù)要求。

圖2 50 Ω負(fù)載電阻示意圖

表9 50 Ω負(fù)載電阻反射系數(shù)測(cè)試結(jié)果dB

3.2 π型衰減器性能

采用埋置電阻漿料在LTCC基板上制作π型衰減器，如圖3所示。基于國產(chǎn)漿料和進(jìn)口漿料分別制作兩組π型衰減器進(jìn)行微波性能測(cè)試和對(duì)比，1、2號(hào)為國產(chǎn)漿料樣品，3、4號(hào)為進(jìn)口漿料樣品。π型衰減器衰減量測(cè)試結(jié)果見表10，國產(chǎn)漿料與進(jìn)口漿料性能相當(dāng)，滿足X波段T/R組件技術(shù)要求。

圖3 π型衰減器示意圖

表10 π型衰減器衰減量測(cè)試結(jié)果dB

3.3 LTCC微波多層基板性能

采用國產(chǎn)LTCC生瓷帶和漿料制作微波多層基板，如圖4所示。對(duì)基板主要性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表11，埋置電阻阻值精度優(yōu)于±30%，滿足X波段T/R組件技術(shù)要求。

圖4 LTCC微波多層基板示意圖

表11 LTCC微波多層基板測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語

國產(chǎn)埋置電阻漿料采用了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的材料配方和制備工藝，其漿料粘度、觸變性等與進(jìn)口漿料相比存在差異，影響埋置電阻的阻值精度和微波性能。

本文研究了印刷工藝、層壓工藝、燒結(jié)工藝對(duì)埋置電阻阻值的影響，通過設(shè)計(jì)優(yōu)化和關(guān)鍵工藝參數(shù)（絲網(wǎng)目數(shù)、乳膠厚度、印刷壓力、印刷速度、層壓時(shí)間、保溫時(shí)間、峰值溫度、后燒結(jié)次數(shù)）控制，埋置電阻的阻值精度和微波性能能夠滿足X波段T/R組件技術(shù)要求，可以實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)埋置電阻漿料的工程應(yīng)用。