【正文】 ........... 82 致 謝 ........................................................ 83 參考文獻(xiàn) ..................................................... 84 個(gè)人簡(jiǎn)歷 ..................................................... 87 第一章 緒論 1 第一章 緒 論 研究背景 近年來隨著軍用電子整機(jī)、通訊類電子產(chǎn)品及消費(fèi)類電子產(chǎn)品迅速向短、小、輕、薄方向發(fā)展，手機(jī)、 PDA、 MP筆記本電腦等終端系統(tǒng)的功能愈來愈多，體積愈來愈小， 電路組裝密度愈來愈高?？傊?，利用這種技術(shù)可以成功地制造出各種高技術(shù) LTCC 產(chǎn)品。 LTCC 技術(shù) 以其優(yōu)異的電學(xué)、機(jī)械、熱學(xué)及工藝特性，將成為未來電子器件集成化、模塊化的首選方式 ， 從技術(shù)成熟程度、產(chǎn)業(yè)化程度以及應(yīng)用廣泛程度等角度來評(píng)價(jià)，目前， LTCC 技術(shù)是無源集成的主流技術(shù)。介電損耗也是射頻器件設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)重要考慮參數(shù)，它直接與器件的損耗相關(guān)。其中最關(guān)健的 是熱膨脹系數(shù)，應(yīng)盡可能與其要焊接的電路板相匹配。第三，加入適當(dāng)有機(jī)材料后可流延成均勻、光滑、有一定強(qiáng)度的生帶。第二，這些生帶開發(fā)商并無實(shí)際使用生帶進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn) ，比較注重生帶與銀漿料的匹配性和工藝性能，對(duì)于設(shè)計(jì)對(duì)生帶的要求的掌握并不詳盡。因?yàn)?，第一種方式會(huì)增加生產(chǎn)成本，第二種方式會(huì)延緩器件的開發(fā)時(shí)間。 另外我國(guó) 臺(tái)灣憬德電子工業(yè)股份有限公司也提供LTCC 材料。 LTCC 產(chǎn)品按技術(shù)層次劃分，可粗略地分為以下四類 : ? 高精度片式元件：如高精度片式電感器、電阻器、片式微波電容器等，以及這些元件的陣列 [11]。 我們將對(duì)這些 LTCC 產(chǎn)品的發(fā)展?fàn)顩r加以介紹： ? 高精度片式元件 片式元件的尺寸已由 1206 和 0805 為主，發(fā)展為 0603 和 0402，并進(jìn)而向 0201和 01005 發(fā)展；介質(zhì)單層厚度由原來的 10 微米以上減小到 5 微米 、 3 微米，甚至到 1 微米；介質(zhì)層數(shù)也由幾十層發(fā)展到幾百層。研究了基于 LTCC 技術(shù)的小型疊層平面天線，采用ε r=， Q=1000的介質(zhì)材料，通過改變疊層層數(shù)來優(yōu)化帶寬特性，在同樣的結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下，疊層天線的帶寬是單一平面天線的 2 倍，可滿足藍(lán)牙 、 WLAN 等各種無線通信設(shè)備的要求。 Kim 和 Choi分別采用 ε r =23， Q178。 mm179。 ，在水平 360 方位內(nèi)天線增益 3dBi，在垂直平面為 3～20dBi，可用于 CDMA、 PDC、藍(lán)牙技術(shù)等電子產(chǎn)品中。 Murata 最近推出一種超小型 0603 片式疊層雙工器，其尺寸僅為 179。 179。 179。 Motorola 制作的移動(dòng)通信接收模塊，包括收發(fā)開關(guān)、四個(gè)濾波器、低躁聲放大器，阻 抗 匹配電路、偏置 尺寸僅為 179。 日本松下公司制作的超小型藍(lán)牙模塊，在該模塊 LTCC 基板內(nèi)置有電容器、濾波器、阻抗變壓器及天線，在 LTCC 基板表面安裝有藍(lán)牙射頻、基頻、快速存儲(chǔ)器、晶體振蕩器及開關(guān)二極管等。這些不匹配容易導(dǎo)致燒成后基板表面不平整、翹曲、分層。采用高導(dǎo)熱率的材料及新型的封裝涉及是提高封裝部件散熱效率的常用方法。K)也低 了不少。 ? 高電導(dǎo)率介質(zhì)漿料 ： 用以實(shí)現(xiàn)高容量。 ? 頂?shù)浊蛐侮嚵?： 將同種電路依次安裝于各自的頂部，組成高性能器件，并帶有許多有源器件。零收縮率生瓷帶將帶來性能更卓著的多層線路結(jié)構(gòu)。 課題來源及研究意義 由于信息時(shí)代的到來，移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、相控陣?yán)走_(dá)以及星載電子等方面的迅猛發(fā)展，對(duì)微波集成電路提出了更高的要求。 電子科技大學(xué)受國(guó)家項(xiàng)目支持于 20xx 年引進(jìn)了一條完整的 LTCC 生產(chǎn)線，并擬生產(chǎn)出自己的產(chǎn)品，如電感，電容，濾波器 ，天線 及 LTCC 模塊等。 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 第二章 LTCC 技術(shù) 引言 最近幾年以來，隨著電子系統(tǒng)的廣泛使用，微波裝置尤其是無線電通訊設(shè)備的應(yīng)用有了迅猛的增長(zhǎng)。但這些材料性能和耐用性有限，尤其是在目前技術(shù)所需的更高的頻率范圍內(nèi)使用時(shí)，更是如此。且 LTCC 基板的集成密度高、 RF 性能好、數(shù)字響應(yīng)快，成本低、生產(chǎn)周期快、批量大、產(chǎn)品生命周期短、生產(chǎn)靈活、自動(dòng)化程度高。表21,22 分 別給出了幾種常見 LTCC 生瓷帶介質(zhì)材料及與之相對(duì)應(yīng)的部分導(dǎo)體材料。 第二章 LTCC 技術(shù) 9 表 21 幾種常用 LTCC 生瓷帶介質(zhì)材料特性 性 質(zhì) DP951 DP943 FerroA6S HeraeusCT20xx 厚 度 951 C2 50um 951PT 14um 951P2 65um 951PX 254um 943C2 50um 943P5 127um 943PX 254um 燒結(jié)收縮率 （ X,Y） 177。 % 燒結(jié)收縮率 （ Z） 15177。 % 介電常數(shù) (10MHz) (15GHz) (10MHz) (10MHz) 介質(zhì)損耗 (10MHz) (10MHz) (10MHz) (10MHz) 絕緣電阻 1012Ω (100V DC) 1012Ω (100V DC) 1014Ω (100V DC) 1013Ω (100V DC) 擊穿電壓 1000 V/25um 1000 V/25um 1000 V/25um 1000 V/25um 熱導(dǎo)率 3 W/mk W/mk 3 W/mk W/mk 熱膨脹系數(shù) ppm/k ppm/k 9 ppm/k 燒結(jié)密度 g/cm2 g/cm2 抗折強(qiáng)度 320 MPa 230 Mpa 130 MPa 130MPa 表 22 與 LTCC 生瓷帶相對(duì)應(yīng)的部分導(dǎo)體材料 導(dǎo)體特性 陶瓷材料系統(tǒng) DuPont 951 陶瓷材料系統(tǒng) Ferro A6S 導(dǎo)體類型 內(nèi)層 Ag， Au 外層 Ag， Au， PdAg 內(nèi)層 Ag， Au 外層 Ag， Au， PdAg 頂層導(dǎo)體膜厚 (um) 10177。 2 電阻 mΩ /頂層 (10 um) Au4 Ag3 AgPd30 Au4 Ag3 AgPd30 電阻 mΩ /內(nèi)層 Au4 Ag3 Au4 Ag3 頂層導(dǎo)體粗糙度 (Rq um RMS)(后燒 ) Au: Ag: 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 10 LTCC 技術(shù)工藝流程 圖 21給出了 LTCC 技術(shù)工藝流程主要包括生瓷帶的制備、打孔前處理、打孔、填空、導(dǎo)體層印刷、疊層、 烘巴、等靜壓、切割、排膠、燒結(jié)、封端、檢測(cè)等過程，本論文主要是參考香港是佳時(shí)微電子有限公司提供的工藝要求，對(duì)上面提到的工藝加以詳細(xì)地介紹 [15]。 LTCC生瓷帶的制備主要包括 原材料的制備、漿化、消泡、流延等工藝流程。 漿化就是將原材料、磨介、溶劑（甲苯、無水乙醇）、增塑劑、黏合劑 等 按照一定的比例、工藝要求，把原材料制成流延 用 漿料的過程，漿化的好壞直接影響到流延 膜片的性能 。在陶瓷粉料中加入適當(dāng)?shù)恼澈蟿?，?jīng)過球磨混料后形成高粘度漿料。樹脂是瓷粉的載體，瓷粉顆粒均勻地分散和鑲嵌在樹脂中，形成既具有一定強(qiáng)度和塑性，又便于打孔和印刷金屬導(dǎo)體圖形 的生瓷帶。流延后，漿料中一部分溶劑在 100℃ 左右揮發(fā)出去，繼續(xù)加熱時(shí)生瓷帶中含有的各種溶劑不斷揮發(fā)，加熱到 300℃ 時(shí)可以排除干凈。 流延工藝就是將漿料澆鑄在移動(dòng)的載帶上，通過一個(gè)干燥區(qū)去 除 大部分 溶劑后，將所得生瓷帶卷在軸上備用。本校 LTCC 生產(chǎn)線使用流延機(jī)可得到幾個(gè)微米電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 12 的流延片，另外流延片所能達(dá)到的最小厚度還與材料本身的性能有關(guān)。可用任一方法完成 ?？讖酱笮?、位置精度均將直接影響布線密度與基板質(zhì)量。 利用計(jì)算機(jī)控制鉆床對(duì)生瓷片打孔的優(yōu)點(diǎn)是打孔位置正確與精度較高（可達(dá) 177。 由于數(shù)控鉆床鉆孔是按照預(yù)先設(shè)計(jì)的程序依次進(jìn)行的，所以打孔效率不高，打孔速度為每秒（ 3～ 5）孔。打孔效率高，打孔速度為每秒（ 8～ 10）個(gè)孔，精度為 177。 激光打孔是生瓷片的理想打孔方法。25μm。絲網(wǎng)印刷時(shí)采 用負(fù)壓抽吸的方法，可使孔的周圍均勻印有導(dǎo)體漿料。填充通孔的導(dǎo)體漿料與形成導(dǎo)電帶的導(dǎo)體漿料的組分不同，其粘度應(yīng)加以控制，充分使其凝膠化，使通孔填充飽滿。直接描繪法應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制對(duì)位、布線，用導(dǎo)體漿料直接描繪出導(dǎo)電帶圖形。s1 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。另外借助于一個(gè)照明工作臺(tái)和變焦顯微鏡進(jìn)行檢查，也可以自動(dòng)檢測(cè)。各層依次放置在定位柱上直至裝好各層生瓷片， 在一定的溫度和壓力下，使它們緊密粘接，形成一個(gè)完整的多層 基板坯體。單軸向熱壓是將疊放的生瓷帶放于熱壓爐內(nèi)，在一定的溫度和壓力下進(jìn)行熱壓。均勻熱壓是將疊放的生瓷帶真空密封在鋁箔中，放于熱水中加壓，生瓷胚體 的受力是各向相等的?；鍩Y(jié)收縮率還與熱熱壓壓力有密切的關(guān)系，熱壓壓力應(yīng)適當(dāng)。 切割 按照一定的尺寸要求將已等靜壓處理的坯體分割成許多特定的小塊，以滿足設(shè)計(jì)的要求。但該工藝成本昂貴且效率低。但在以后的燒成過程中，外邊緣公差會(huì)有一些 損失。 排膠 排膠就是要把原材料漿化過程中所添加的有機(jī)材料去除，以便獲得更好的致密性及良好的電氣性能。對(duì)于鉬、銅 、鎳等賤金屬材料，需要在氮、氫等氣氛中進(jìn)行排膠；如果導(dǎo)體為金、銀、鈀銀等貴金屬材料，只需在空氣中進(jìn)行排膠。然后自然冷卻。排膠工藝對(duì)共燒多層陶瓷基板的質(zhì)量有著嚴(yán)重影響。爐膛溫度不均勻，基板燒結(jié)收縮率的一致性就差。 另外， 使用金或鈀銀導(dǎo)體的低溫共燒陶瓷多層基板可在空氣中進(jìn)行燒結(jié) 。 LTCC 技術(shù) 部分設(shè)計(jì)原則探討 LTCC 技術(shù) 設(shè)計(jì)原則在整個(gè) LTCC 技術(shù)中占有重要的地位， LTCC 技術(shù) 設(shè)計(jì)原則的是否合理將影響到整個(gè) LTCC 組件、元器件性能。 靠近邊界技術(shù) (CTTE, close to the edge technology) 某些情況下，表面導(dǎo)體的放置與正常標(biāo)準(zhǔn)需更接近基板邊界，設(shè)計(jì)者可以按照 CTTE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使得表面導(dǎo)體到基板邊界的尺寸小到 4mil。 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 18 圖 23 幾種典型得到體現(xiàn)拐角 導(dǎo)體線的連結(jié) 在 LTCC 元件設(shè)計(jì)中，導(dǎo)體線之間連結(jié)的好壞直接影響到所設(shè)計(jì)元件的 性能 。 表 24 給出了與圖 223 相對(duì)應(yīng)的尺寸 描述對(duì)象 標(biāo)準(zhǔn) (mil) 高密度 (mil) A 導(dǎo)體線寬 (MIN) 6 4 B 線間距 (MIN) 6 4 C 線到基板邊界距離 8 6 D 線線中心距離 (MIN) 12 6 第二章 LTCC 技術(shù) 19 圖 24 導(dǎo)體線寬、線間距示意圖 通孔 標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體設(shè)計(jì) 原則 與通孔覆蓋盤相關(guān)聯(lián)，考慮到通孔的縱橫比，通孔的尺寸受限于生瓷帶的厚度，設(shè)計(jì)通孔時(shí)需要注意： 1) 保持通孔直徑在整個(gè)設(shè)計(jì)中的唯一性。信號(hào)通孔 是 經(jīng)由連結(jié)中間層和底層的堆積孔，它的通孔覆蓋盤遵從標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體設(shè)計(jì) 原則 。通孔直徑，兩層間交錯(cuò)通孔錯(cuò)位為 2179。射頻通 孔間距可以小到50μ m(在不同層上平行放置 )。網(wǎng)格平面中的線軸應(yīng)平行于基板邊界或與基板邊界成 45℃的角度?？梢岳每涨宦裰糜性丛蜔o源元件，從而實(shí)現(xiàn)高密度封裝。目前市面上的電磁場(chǎng)仿真軟件有： Ansoft HFSS、Ensemble、 Son 及 IE3D 等，這些軟件可以使得設(shè)計(jì)者在不需要實(shí)際試驗(yàn)量測(cè)前，便可以預(yù)知所設(shè)計(jì)元件的一些性能，如散射參數(shù)及低頻段電感、電容值等，這樣便可以減少元件的設(shè)計(jì)及制作周期。后者例如 Ensemble、 Son、 IE3D等，具有運(yùn)算時(shí)間快的優(yōu)點(diǎn)，但其需要設(shè)定無窮大的介質(zhì)。 ANSOFT HFSS是業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)仿真軟件包，它必將為射頻、無線通信、封裝及光電子產(chǎn)品新功能的開發(fā)提供嶄新高效的研究手段。初始網(wǎng)格（將幾何子分為四面體單元）的產(chǎn)生是以幾何結(jié)構(gòu)形狀為基礎(chǔ)的，利用初始網(wǎng)格可以快速解算并提供場(chǎng)解信息，以區(qū)分出高場(chǎng)強(qiáng)或大梯度的場(chǎng)分布區(qū)域。 第二章 LTCC 技術(shù) 25 Ansoft有 自己的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：由 Ansoft Designer和 Ansoft HFSS構(gòu)成的 Ansoft高頻解決方案，是目前唯一以物理原型為基礎(chǔ)的高頻設(shè)計(jì)解決方案，它以 Ansoft公司居于領(lǐng)先地位的電磁場(chǎng)仿真工具為基礎(chǔ)，提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級(jí)的快速而精確的設(shè)計(jì)手段，覆蓋了高頻設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)。 ADS 軟件范圍涵蓋了小至元器件 ,大到系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)和分析 ，主要包括 RFIC 設(shè)計(jì)軟件、 RF 電路板設(shè)計(jì)軟件、 DSP 專業(yè)設(shè)計(jì)軟件、通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件以及微波電路設(shè)計(jì)軟件。 ADS 軟件可應(yīng)用于整個(gè)現(xiàn)代通信系統(tǒng)及其子系統(tǒng)，能對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行快速、便捷、有效的設(shè)計(jì)和仿真。 本章小結(jié) 通過本章我們可以掌握： ? LTCC 技術(shù) 基本工藝 流程及每一流程中 的 關(guān)鍵 問題； ? 對(duì) LTCC 技術(shù)電路設(shè)計(jì)部分原則有 一 系統(tǒng)地了解； ? 了解 LTCC 技術(shù)應(yīng)用軟件： Anso