【正文】 清華大學(xué)材料系、上海硅酸鹽研究所等單位正在實驗室開發(fā)LTCC用陶瓷粉料，尚未到批量生產(chǎn)的程度。南玻電子公司正在用進口粉料，、厚度從10μm到100μm，生帶厚度系列化，介電常數(shù)半系列化，為不同設(shè)計、不同工作頻率的器件開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。 LTCC技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀及動態(tài)LTCC技術(shù)，受到全球產(chǎn)業(yè)的曙目，已廣泛應(yīng)用于宇航工業(yè)、軍事、無線通信、全球定位系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)、汽車等產(chǎn)業(yè)[910]。利用LTCC技術(shù)，既可制造單一功能元件(如電阻、電感、天線、雙工器、濾波器等)，還可以整合前端元件，如天線、開關(guān)、濾波器、雙工器、LNA、功率放大器等制成RF前端模塊，可有效地降低產(chǎn)品重量及體積，達到產(chǎn)品輕、薄、短、小、低功耗的要求。 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]。 無源集成功能器件：如片式射頻無源集成組件，包括LC濾波器及其陣列、定向耦合器、功分器、功率合成器、Balun、天線、延遲線、衰減器，共模扼流圈及其陣列，EMI抑制器等[12]。 無源集成基板/封裝：如藍牙模塊基板、手機前端模塊基板、集中參數(shù)環(huán)行器基板等。 功能模塊：如藍牙模塊、手機前端模塊、天線開關(guān)模塊、功放模塊等[1314]。同樣，其他功能陶瓷元器件也正向著片式化和微型化方向發(fā)展，如多層壓電陶瓷變壓器、片式電感類器件、片式壓敏電阻、片式多層熱敏電阻等。Tentzeris等。Sim等采用三維電磁場仿真設(shè)計軟件(簡稱HFSS)，利用LTCC技術(shù)，設(shè)計出用于移動電話的微型寬帶片式多層天線， mm mm mm，駐波比小于2，相對帶寬達到33%，其帶寬特性優(yōu)于內(nèi)呈平面倒F天線及介質(zhì)諧振天線。f=15000GHz及εr= mm mm mm， mm mm。在片式多層天線發(fā)展的同時，片式多層雙工器、濾波器、平衡不平衡轉(zhuǎn)換器也相繼研究開發(fā)，Shizaki等最初采用高介電常數(shù)材料，由平面諧振層和藕合電容層設(shè)計成疊層帶通濾波器，這種疊層濾波器被認(rèn)為是梳狀濾波器的演變，尺寸約λ/4(，尺寸在10cm左右)，尺寸過大，難以集成在低介電常數(shù)多層陶瓷RF電路模塊中。隨后，松村定幸等發(fā)明了一種具有疊層結(jié)構(gòu)的雙工器，包括并聯(lián)LC諧振器的第1個三級帶通濾波器和具有并聯(lián)LC諧振器的第2個三級帶通濾波器。研制生產(chǎn)用于移動通信的片式疊層LC濾波器品種較多，如中心頻率為 ～，；～，；Tang和sheen，采用階梯阻抗模式，利用多層結(jié)構(gòu)、曲折線和多節(jié)藕合線設(shè)計了片式多層平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，多節(jié)藕合線具有不同的隊杭比，縮小了λ/4藕合傳輸線，易于與各種平衡輸出阻杭匹配，平衡不平衡輸出阻杭為50Ω，在工作頻率范圍內(nèi)，可應(yīng)用于WLAN、Bluetooth等通信設(shè)備.u 功能模塊美國的半導(dǎo)體公司已開發(fā)多種LTCC功能模塊，其用于無線通信的頻率合成模塊，有14層陶瓷層，內(nèi)置諧振電容、反饋電容、級間藕合電容、輸出電容、諧振電感及輸出匹配電感等無源電子元件，然后在表面上安裝IC、壓控振蕩器、變?nèi)荻O管，形成一個表面貼裝型微波功能模塊，體積大大減小。另外，對于短距離無線通訊用的藍牙組件，也可使用LTCC多芯片組件，由于采用內(nèi)埋式無源元件及倒裝焊芯片，從而使整個組件達到了小型化。 LTCC技術(shù)面臨問題及未來展望 LTCC技術(shù)面臨問題雖然與其他封裝技術(shù)相比LTCC技術(shù)有不可取代的優(yōu)越性，但LTCC技術(shù)本身仍然存在收縮率控制和基板散熱等問題。LTCC共燒時，基板與漿料的燒結(jié)特性不匹配主要體現(xiàn)在三個方面：；；。不匹配的另一個后果是金屬布線的附著力下降。隨著微電子技術(shù)的進步，器件工作能量密度越來越高，如何把熱量及時有效地散發(fā)出去，保障器件的穩(wěn)定工作，是封裝所面臨的艱巨挑戰(zhàn)。但對LTCC來說，其明顯的不足之處就是基片的導(dǎo)熱率低(2～6W/mK)，比A12O3基片的導(dǎo)熱率(15～25W/m這限制了LTCC在大型、高性能計算系統(tǒng)中的應(yīng)用。以下從幾個方面概述了業(yè)己成熟或即將發(fā)展的有關(guān)LTCC關(guān)鍵技術(shù)。 高電導(dǎo)率介質(zhì)漿料：用以實現(xiàn)高容量。216。216。216。216。液體或氣體接口或?qū)w：將實現(xiàn)在LTCC基板中集成傳感器或輸送(冷卻)液體或氣體的管路。 零收縮率：由于在燒結(jié)過程中LTCC生瓷帶的不均勻收縮，限制了導(dǎo)體印刷的線寬和線間距。216。216。這些部件可通過焊接聯(lián)在一起，組成一個完整的箱體，各部件上都帶有(電氣、光學(xué)、液體)孔連接結(jié)構(gòu)和接口，用以連接被安裝的芯片。設(shè)備的高可靠性、微型化、低價格及良好的溫度特性，要求微波集成電路在滿足電氣性能指標(biāo)的同時，應(yīng)盡可能減小電路占用面積。特別是基于LTCC的三維微波集成電路的研制成功，在很大程度上降低了三維微波集成電路的造價，給三維微波集成電路開拓了更廣闊的市場前景。本課題主要圍繞此生產(chǎn)線展開進行，對LTCC技術(shù)工藝、設(shè)計加以研究。第五章則為本論文的總結(jié)部分。高密度、良好溫度特性及小尺寸的新型電子系統(tǒng)已日益成為電子系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。過去這些裝置常采用有機聚合物材料作為包裝材料，因為這些材料能滿足生產(chǎn)和成本要求。正是由于這個原因，制造商一直致力于尋求新型材料，以提高無線通訊設(shè)備的性能。這種材料具有高可靠性，并帶來了設(shè)計上的靈活性，從而真正實現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)(采用聚合物和傳統(tǒng)陶瓷材料無法獲得這種結(jié)構(gòu))，并將電容性和電阻性元件和這種氣密結(jié)構(gòu)相結(jié)合。正因為LTCC技術(shù)具有如此眾多的優(yōu)點，所以它正逐漸取代傳統(tǒng)的印刷電路板(PCB)板。目前世界上提供LTCC材料的生產(chǎn)廠家有DuPont，F(xiàn)erro，Heraeus，Northrop，Electroscience Laboratories，Swedish Ceramic Institute，Kyocera，Sarnoff，National semiconductor，NIKKO，Nippon Electric Glass，Samsung，臺灣憬德電子工業(yè)股份有限公司，國內(nèi)有深圳南玻集團、電子工業(yè)部43研究所等。本章主要內(nèi)容：首先介紹了LTCC工藝流程，并給出其中的關(guān)鍵問題。最后對LTCC技術(shù)電路仿真軟件Ansoft HFSS及Agilent ADS加以介紹，通過這些軟件的使用，可以大大的縮短我們研發(fā)設(shè)計及生產(chǎn)周期，有效的降低了研發(fā)及生產(chǎn)的成本。%177。%177。%177。%14177。310177。27 to 15177。玻璃陶瓷粉料有機載體混合攪拌流 延烘 干第1層生瓷帶打孔印刷導(dǎo)體漿料通孔填充第2層生瓷帶岑打孔。表征生瓷帶性能的參數(shù)主要包括介電常數(shù)、損耗因子、絕緣電阻、擊穿電壓、抗彎強度、CTE和熱導(dǎo)率。原材料的制備屬于基礎(chǔ)研究，是一個需要投入大量的人力、物力，長周期的研究工作。LTCC材料的選擇依賴所需要的特性，如介電常數(shù)、附著力、熱膨脹系數(shù)損耗角正切值，其軟化點必須高到在開始致密化之前完成排膠，低至能保高密度燒結(jié)。流延前要先將漿料進行消泡，以便消除流延片中出現(xiàn)氣泡。流延工藝包括配料、真空除氣和流延等三道工序。流延技術(shù)要求陶瓷粉料的粒度小和形狀好（一般為球形），流延漿料的流動性好，溶劑揮發(fā)速度適當(dāng)。粘合劑通常包括樹脂、增塑劑、分散劑、溶劑等成分。增塑劑控制生瓷帶的韌性；分散劑可以打開瓷粉的團粒，使瓷粉的每一顆粒包裹一層樹脂薄膜；溶劑用來溶解樹脂，并可控制流延漿料的粘度。因此，粘合劑中各成分的排除溫度要有一個合理的梯度。溫度不到600℃時樹脂在空氣中就可氧化分解完畢，而在氫氣中完全分解的溫度則是1100℃。目前，國際上常用的粘合劑為聚乙烯醇縮丁醛（PVB）系統(tǒng)，屬溶劑型粘合劑系統(tǒng)，其主要優(yōu)點是工藝成熟和性能穩(wěn)定，其最大缺點是有毒，要求采取必要的環(huán)保和防護措施。技術(shù)的關(guān)鍵是對生瓷帶的致密性、厚度的均勻性和強度的控制。通過控制流延機的流延刀片與PET磨帶的間距，可以得到不同厚度的流延片。表23給出了流延薄膜容易出現(xiàn)的問題。預(yù)處理有兩種方法：一種是將生瓷帶在120℃下烘干20～30分鐘；另一種是將生瓷帶在氮氣干燥箱內(nèi)放置24小時。預(yù)處理時間的長短因生瓷帶材質(zhì)的不同而有差異。 打孔生瓷片上打孔是共燒陶瓷多層基板制造中極為關(guān)鍵的工藝技術(shù)。在生瓷片上打孔就是要求在生瓷片上形成（～）mm直徑的通孔。生瓷片上打孔的方法主要有三種：數(shù)控鉆床鉆孔、數(shù)控沖床沖孔、激光打孔。50μm）。數(shù)控鉆床的對位可采用模擬方法。此外，機械鉆孔對孔的邊緣會產(chǎn)生一定影響?？捎脹_床模具一次沖出上千個孔。10μm，適合于批量生產(chǎn)。通過沖模設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化，可以減少模具的品種和數(shù)量，降低成本。目前常用二氧化碳激光器作為生瓷片打孔機的光源。Q開關(guān)Nd－YAG激光器的打孔速度可達每秒（250～300）孔，打孔精度為177。激光打成的孔有25μm左右的傾斜度，有利于留存導(dǎo)體漿料，也可提高疊層時上下對準(zhǔn)的精度。目前使用最多的是絲網(wǎng)印刷法。印刷機工作臺的四角上各有一個與生瓷片定位孔相對應(yīng)的定位柱，直徑為（～）mm。絲網(wǎng)印刷以采用325目的不銹鋼絲網(wǎng)或高開孔率尼龍絲網(wǎng)為宜，最好采用接觸式印刷。 導(dǎo)電帶形成的方法有兩種：傳統(tǒng)的厚膜絲網(wǎng)印刷工藝和計算機直接描繪法。生瓷片上印刷的導(dǎo)電帶的厚度應(yīng)比一般厚膜工藝要求的厚度薄一些，此外，各層生瓷片之間的對位精度要高。膜厚均勻，并且可控。描繪速度可在(～125)mm導(dǎo)電帶圖形直接描繪法對導(dǎo)體漿料的細(xì)度、粘度、烘干速度均有很高要求。通孔填充、導(dǎo)體層印刷操作完畢后，將印刷完的電路板置于一個箱式烘箱內(nèi)，在70～80℃下放置5分鐘，對通孔和導(dǎo)體進行烘干。主要是觀察通孔的填充情況及導(dǎo)帶印刷是否合格，以便于及時修補。模具最好用硬質(zhì)材料加工，以防止多次使用后變形。烘巴就是把經(jīng)過疊片的多層基板坯體放在干燥爐進行烘烤使其干燥。疊壓主要有兩種方式:單軸向熱壓和均勻熱壓。壓力是從單一方向施加的。這種方法會產(chǎn)生氣孔、開裂和較大的伸縮率等現(xiàn)象，尤其是在邊緣和單層時Z方向的收縮率尤為明顯。水溫和施壓的時間與單軸向熱壓相同，施加的壓力要高于單軸向熱壓。最好使用等靜壓力機，因為它的壓力比較均勻，基板燒結(jié)收縮率一致性好，對提高后燒結(jié)表面導(dǎo)體與通孔對位精度有利。壓力過大，排膠時會起泡分層:過小也會分層，且基板燒結(jié)收縮率較大，收縮率一致性差。然后把密封好的坯體放到等靜壓載板上置入等靜壓機中進行等靜壓處理。切割主要包括有后燒切割鋸、超聲波切割、激光切割、生瓷沖片等幾種方法，對于矩形部件通常采用后燒切割鋸，效果良好。超生波切割的工藝也屬于后燒操作，可以嚴(yán)格控制異形部件的公差，邊緣質(zhì)量優(yōu)異。熟瓷激光切割可以確保精度，而且成本相對較低。生瓷激光切割可以產(chǎn)生高質(zhì)量的邊緣。對于生瓷沖片而言，無論是在沖片工序?qū)愋紊善瑳_成單層，還是在疊片工序?qū)B片沖成基板行狀，它都可以迅速地制備出異形基板。這些方法各有優(yōu)缺點，要根據(jù)實際情況選擇合適的方法。經(jīng)測試知殘余的碳化物對帶的機械強度和絕緣電阻有著明顯的影響，而且容易使元件褪色。由于使用的導(dǎo)體材料不同，排膠時所采用的氣氛也不同。排膠是有機粘合劑汽化和燒除的過程，升溫過程中生坯內(nèi)的溶劑首先揮發(fā)，溫度升到200℃以上，樹脂開始氧化分解，排膠結(jié)束時分解量應(yīng)為(60～65％)。對于溶劑型粘合劑，升溫速度為每小時(20～50)℃,升到250℃后,保溫(3～5)小時；對于水溶型粘合劑，升溫速度為每小時(20～30)℃,升到285℃后，保溫(4～6)小時。排膠的升溫速度取決于生坯在該溫度下失重率的高低。保溫時間長短視基板厚度而定，對于層數(shù)多、尺寸大、形狀復(fù)雜的基板，排膠速度要相應(yīng)放慢。排膠不充分，燒結(jié)后基板會起泡、變形或分層；排膠過量，又可能使金屬化圖形脫落或基板碎裂。燒結(jié)工藝的關(guān)鍵是燒結(jié)曲線和爐膛溫度的一致性，它決定了燒結(jié)后基板的平整度和收縮率。這是因為在燒結(jié)過程中，導(dǎo)體與基板的燒結(jié)溫度總是有一定差距的。燒結(jié)時升溫速度過快，會導(dǎo)致基板的平整度差和收縮率大。必須對燒結(jié)好的低溫共燒陶瓷多層基板進行檢測，以驗證多層布線的連接性。美國BSL公司生產(chǎn)的雙向探針測試儀可對基板兩面進行開路、短路和高阻失效測試。圖22給出了三維LTCC模塊橫截面結(jié)構(gòu)圖，其中有內(nèi)埋置電感、電容、電阻、表面電阻、內(nèi)導(dǎo)體、外導(dǎo)體以及通孔。圖22 三維LTCC模塊橫截面 LTCC中導(dǎo)體設(shè)計所有標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體的邊界到基板邊界的尺寸應(yīng)大于15mil。 內(nèi)埋置導(dǎo)體到基板邊界的距離 按照設(shè)計需要，設(shè)計者可以根據(jù)CTTE技術(shù)，使得內(nèi)埋置導(dǎo)體線到基板邊界的尺寸達到6mil。圖23給出了幾種典型的導(dǎo)體線拐角。圖23給出了通常容易出現(xiàn)的兩種形式，許多文獻建議設(shè)計者采用兩導(dǎo)體線兩連結(jié)端口能夠具有一定的重疊部分，以便防止出現(xiàn)兩導(dǎo)線連結(jié)端相脫離的現(xiàn)象。圖 23 導(dǎo)體線連結(jié)形式、線間距圖2表24分別給出了導(dǎo)體線寬、線間距示意圖及相應(yīng)的尺寸。2) 保持通孔、生瓷帶縱橫比為一個最優(yōu)定值。導(dǎo)熱孔是典型的堆積通孔，它的通孔直徑較大，一般為8mil、12mil，通孔覆蓋盤直徑大于8mil。射頻屏蔽通孔是在每層與導(dǎo)體間電氣連結(jié)的堆積孔，它的覆蓋盤也是遵從標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體設(shè)計原則。圖26 電氣通孔及通孔覆蓋盤的截面圖表25 通孔及覆蓋盤尺寸描 述標(biāo)準(zhǔn) (mil)通孔 (直徑)4681012覆蓋盤(直徑)101214最小通孔間距(中心距)，通孔直徑，兩層間交錯通孔錯位為2通孔直徑，最小通孔中心距基板邊沿距離應(yīng)為3通孔直徑，如圖27所示。射頻通孔間距可以小到50μm(在不同層上平行放置)。 圖28 射頻通孔頂視圖及側(cè)視圖地和電源應(yīng)盡可能的采用網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)體覆蓋面積應(yīng)小于50%。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。 圖29網(wǎng)格化中的饋通圖2表26分別給出了網(wǎng)格化地面中各種設(shè)計及相應(yīng)的尺寸。可以利用空腔埋置有源元件和無源元件，從而實現(xiàn)高密度封裝。圖211 LTCC技術(shù)中的空腔 LTCC技術(shù)仿真及設(shè)計軟件介紹嵌入式的無源元件，如：電感、電容、濾波器等，都無法簡單的像傳統(tǒng)的射頻元件以矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及量測校正技術(shù)就可以輕易的特性化，若涉及到復(fù)雜的互連線結(jié)構(gòu)，勢必要以一個可以估計的方法去實現(xiàn)。目前市面上的電磁場仿真軟件有：Ansoft HFSS、Ensemble、S