应用于微波和RF电路中的厚膜材料和工艺.pdf

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1、收稿日期:1999- 09- 20 应用于微波和RF电路中的厚膜材料和工艺 王志会 (电子十三所,石家庄 050051) 摘要 介绍了应用于微波和RF电路中的厚膜材料和工艺。无玻璃的厚膜导体材料(如 金、银等)的电阻率极低。氧化铝(96% , 99% )、氧化铍和氮化铝陶瓷的高频损耗很低, 是优良的微波和RF电路用基板。 采用先进的厚膜细线技术,使厚膜导体的线分辨率几乎 达到了薄膜工艺的水平。新开发的低损耗、低介电常数的低温共烧陶瓷(L TCC)材料最 适合做微波M CM的基板材料。 关键词 厚膜 材料和工艺 微波和RF 低温共烧陶瓷 中图分类号:TN 304 文献标识码: A 文章编号:10

2、0125507 (2000) 2221209 Thick Film Material and Process Applied in M icrowave and RF Circuits W ang Zhihui (T he13th Institute(E lectronics ), S hijiazhuang050051) Abstract Thick film material and process applied in m icrow ave and RF circuits are of2 fered in the paper.The resistivity of the fritles

3、s thick film conductor(A u, A g, etc) is extremely low. W ith very low loss at high frequency, alum ina(96% , 99% ), beryllium oxide(BeO)and alum inium nitride(A lN)ceram ics are excellent substrates form icrow ave and RF circuits. W ith the advanced fine line thick film technology, the line resolut

4、ion of thick film conductor almost reach the levelof the thin film technology. The new ly devel2 oped low loss, low dielectric constant and low temperature co2fired ceram ics(L TCC)ma2 terials are the best substrate for m icrow aveM CM technology. Keywords Thick film M aterial and process M icrow av

5、e and RF Low temperature co2fired ceram ics 1 引 言 厚膜技术是通过丝网印刷的方法把导体浆 料、电阻浆料或介质浆料等材料淀积在陶瓷基 板上,经过高温烧成,在基板上形成粘附牢固 的膜。经过连续多次重复,就形成了多层互连 结构的电路,该电路中可包含集成的电阻、电 容或电感1。 厚膜技术主要用于高可靠和高性能的场 合,如军事、航空、航天和测试设备中。这些 12第37卷 第2期 2000年4月 半导体情报 技术也成功地应用于大批量生产的低成本设 备,这些应用领域包括汽车(发动机控制系统、 安全防抱死系统等)、通信工程(程控交换机用 户电路、微型功率放大器等

6、)、医疗设备和消费 电子(家用视听产品)等。 过去,由于材料和工艺技术等各方面的局 限,厚膜产品一般用在中低频率。 随着电子整机小型、轻量、多功能、高可 靠化的要求日趋迫切,厚膜工艺和材料等各方 面也朝高密度、大功率、高频化方向发展。人 们相继开发了适合于微波和RF电路应用的厚 膜浆料、基板材料、介质材料和工艺。这些厚 膜技术和材料日益成熟,加上厚膜工艺开发周 期短,成本低,适合于大批量生产的特点,应 用不断扩大。90年代迅速发展的共烧陶瓷多芯 片组件(M CM2C ), 是厚膜混合技术的延伸与 发展,是厚膜陶瓷工艺的体现。M CM2C的基板 根据烧成温度的不同,分为高温共烧陶瓷 (HTCC)

7、基板和低温共烧陶瓷(L TCC)基板两 种。 低温共烧陶瓷技术的导体的电阻率较低,介 质材料的高频性能好,工艺灵活,能满足各种 芯片组装技术的要求,适合于在微波和RF电 路应用。 本文从厚膜材料、厚膜细线工艺、低温共 烧陶瓷(L TCC)等方面介绍了微波和RF电路 中厚膜技术的研究成果及广泛应用。 2 厚膜材料 厚膜材料包括厚膜浆料和厚膜基板材料。 厚膜浆料有导体浆料、电阻浆料、介质浆料和 包封浆料等。通用的厚膜基板是陶瓷材料,如 96%氧化铝及99%氧化铝、氧化铍和氮化铝陶 瓷。最常用的是96%氧化铝陶瓷。 211 厚膜浆料 厚膜浆料主要由三部分组成:功能相、粘 结相和载体。功能相决定了成膜

8、后的电性能和 机械性能。在导体浆料中,功能相一般为贵金 属或贵金属的混合物。电阻浆料中的功能相一 般为导电性金属氧化物。在介质中,功能相一 般为玻璃和? 或陶瓷。粘结相通常是玻璃、金属 氧化物或者是两者的组合,其作用是把烧结膜 粘结到基板上。载体是聚合物在有机溶剂中的 溶液。载体决定了厚膜的工艺特性,是印刷膜 和干燥膜的临时粘结剂。功能相和粘结相一般 为粉末状,在载体中进行充分搅拌和分散后形 成膏状的厚膜浆料。生带介质是在聚酯膜上流 延形成柔软的带或膜。 烧结后的厚膜导体是由金属与粘结相组成 的。金属与陶瓷基板的粘结机理有两种:机械 键合和化学键合。机械键合是通过玻璃软化并 扩散进入基板间孔隙

9、形成的。一般认为硼2硅2 铝玻璃在氧化铝基板上形成的就是这类键合。 化学键合是通过金属氧化物与氧化铝或基板上 的其它成分反应形成尖晶石结构。靠化学键结 合附着力强,但烧成温度较玻璃粘结相高。氧 化铜和氧化钙是用于厚膜导体化学键合的典型 氧化物。 在标准的厚膜烧结温度850下,形成 化学键合的反应动力太慢,需要使用玻璃和氧 化物的组合,玻璃把氧化物运送到基板上来帮 助形成键合,有效地增加了反应动力。有些氧 化物也可代替玻璃作助熔剂。 在RF和微波电路中,导体比在低频电路 中多了作微带传输线的作用,应考虑导体的射 频电阻和趋肤深度的影响。工艺上要求导体膜 加厚,导体膜厚度为趋肤深度的35倍,表面

10、光洁度好。厚膜导体中金属的电阻率本身就比 较低,如表1所示。在微波频率下选用不含玻 璃的厚膜导体较好,常用的有无玻璃的金、银、 铂2银和铜等浆料。例如美国杜邦(DU PON T) 公司的氧化物键合导体材料和美国电子科学实 验室(ESL)的M ICRO2LOK系列导体材料都 是这类产品。 表1 厚膜用金属材料的电阻率 金属AgAuCuPdPtMoW 电阻率 10- 6? 8cm 11621211710181016512515 Sadayuki N ishiki等人2在从20 M Hz到 10GHz的频率范围内测量了9种厚膜导体微 带传输线的损耗。这些导体材料是金、银、铜、 铂2金、铂2银、金2钯

11、、银2钯及它们与不同键合 22半导体情报 第37卷 第2期 2000年4月 方式的组合。键合方式包括:化学键合、机械 键合、化学键合和机械键合的组合、树酯与氧 化铝之间的机械键合。测试结果与相同图形的 薄膜性能比较后,得出一个厚膜导体传输损耗 的经验公式。在考虑了基板介质损耗和表面粗 糙度后,测量值与理论值的比值对厚膜导体来 说是114,对薄膜来说是112。该差别是厚膜微 带线边缘较圆滑造成的。厚膜导体的传输损耗 与薄膜接近,铜厚膜的传输损耗最低。作者认 为厚膜导体完全可以用到10GHz。 采用普通的丝网印刷工艺,厚膜导体的分 辨率线条? 间距为250m?250m。通过对导体 浆料中的各成分进

12、行优化,制作出很低电阻率 的新型细线印刷导体的浆料,以满足提高布线 密度的需要。Jerry Steinberg等人3对在氧化 铝和介质基板上的高粘附力厚膜金导体进行了 研究。 采用化学共沉淀制作出小的、 球形的、 大 小均匀的金粉末,选少量的氧化物作助熔剂,严 格控制工艺参数,制作出了能键合2m il金丝的 高粘附力厚膜金浆料。 该浆料烧结膜表面光滑, 线键合性好,粘附力高;电阻率低,烧成膜厚 大于7m时,方阻小于 4m 8 ?;印刷分辨率 高,批量生产时可印刷0118mm的线宽和间 距,实验室内可制作线宽50 m, 间距150m的 图形。 为了进一步提高丝网印刷的分辨率,人们 开发了可光刻的

13、厚膜浆料和光致成图浆料。例 如金属2有机物浆料和薄印浆料等,这些浆料大 部分为金浆料,结合先进的工艺,其细线水平 几乎达到薄膜的工艺水平,详细情况将在后面 介绍。 低温共烧陶瓷(L TCC)技术由于导体的电 阻率较低,介质材料的高频性能好,最适于做 微波M CM的基板材料。在L TCC技术中,厚 膜导体除了作高密度互连的导带外,也是多层 电路互连通孔的填充材料。在功率电路中,人 们利用填充金属的通孔阵列把器件上的热量传 到热沉上。 在微波L TCC中,从降低成本和可靠性的 考虑,利用银作内层导体,金作表层导体。银 有极好的导电性和导热性,可在空气中烧成,比 金便宜,适合作内层导体。厚膜导体材料

14、必须 与L TCC生带系统相匹配,特别是通孔填充材 料,要作为良好的导电和导热通路,又不能导 致任何物理弯曲或封装的开裂。ToddW illiam s 等人4研究了A 6低温共烧陶瓷系统的银通孔 金属化问题。A 6是一种低介电常数、低损耗的 微波和RF用L TCC材料。ToddW illiam s等人 认为通孔填充浆料应考虑下述关键特性:通孔 填充浆料中的玻璃或氧化物与生带中的匹配; 通孔填充材料和生带的收缩率随温度变化应紧 密配合;热膨胀系数相匹配;电导率要高;流 变性与工艺相对应;热导率要高。通过仔细选 择无机材料,使L TCC和银通孔填充浆料之间 的烧结动力产生良好的匹配,烧结结构的通孔

15、 里没有空洞,环通孔的L TCC里没有裂纹,烧 结的银注满了L TCC通孔,也没有突出陶瓷外 边。该金属化系统使低温共烧陶瓷(L TCC)系 统实现了结构上实实在在的互连。 用银作L TCC的内层导体,金作表层导 体,消除了银的表面迁移问题。金和银直接互 连时,会产生扩散。在烧结过程中,由于扩散 速度的不同,在界面上会形成孔隙,即Kirk2 endall孔隙。 该孔隙会导致烧结后开路,使可靠 性成为问题。L. Prozdyk等人5研究了银2金互 连的过渡性通孔填充材料问题。在内层银导体 和表层金导体之间加一层过渡性填充材料可解 决该问题。 212 厚膜基板材料 厚膜材料要制作在一个基板上,该基

16、板对 最终成膜作一机械支撑,也有热、 电的作用。 在 RF和微波电路中,厚膜基板还是传输电磁波 的介质。常用的厚膜基板材料有96%氧化铝及 99%氧化铝、氧化铍和氮化铝陶瓷。这些陶瓷 材料性能稳定,机械强度高,导热性好,介电 性能及绝缘性能好,微波损耗低,是优良的微 波介质材料,主要性能见表2。 96%氧化铝瓷是标准的厚膜基板材料,具 有优良的热、机械、电和物理化学性能,其厚 膜金属化浆料已非常成熟,产品已经商品化、 系 32第37卷 第2期 2000年4月 半导体情报 列化。96%氧化铝瓷中玻璃相较多,环绕晶粒 的玻璃相与厚膜中的玻璃粘结相相互作用,产 生比其它基板材料高得多的粘附力。其厚膜

17、浆 料有玻璃粘结型、 化学键合型和混合型三种。 在 微波电路中,从微波损耗的角度考虑,常常选 用氧化铝含量更高的9915%氧化铝瓷。 表2 常用厚膜基板材料的性能 材 料 A l2O3 96% A l2O3 9915% BeO 9915% A lN 9915% 介电常数 (25 , 10GHz) 819915614 819 (1MHz ) 损耗因数tg (25 , 10GHz) 610- 4310- 4310- 4 310- 4 (1MHz ) 热膨胀系数 ? 10- 6? 614610610413 密度?gcm- 331723189219312 体电阻率? 8cm (25 ) 1014 10

18、14 1015 1013 导热系数 ?Wm- 1K- 1 1740300260 氧化铍陶瓷是热导率最高的陶瓷材料,且 电绝缘性、介电性和机械强度都很好。相对于 其它基板材料,氧化铍陶瓷的介电常数较低,有 利于在微波频率中的应用。氧化铍陶瓷的热导 率是96%氧化铝瓷的十几倍,尽管随着温度的 升高,其热导率逐渐降低,但在25300的温 度范围内,其热导率仍比氮化铝瓷高出30%。 由于氧化铍陶瓷基板的纯度很高 (99 15% ),玻 璃相含量很少,使用的厚膜浆料多为化学键合 型或混合型的专用浆料。 氧化铍陶瓷具有优异的导热性能,很多资 料介绍了它的毒性,但美国的Brush W ellman Inc.

19、等三家公司曾宣布固态氧化铍陶瓷是十分 安全的,人们可以接触、抚摸甚至可以吞下它, 而不会受到伤害。它的不安全之处在于像可被 人们吸入的那样大小的氧化铍粉尘,这些细微 粉尘在氧化铍陶瓷的制造过程中已被成功地治 理了,使用氧化铍陶瓷是十分安全的。 氮化铝陶瓷的导热率很高,几乎可以与氧 化铍陶瓷相媲美,且随着温度的升高降低较缓 慢。其热膨胀系数与半导体材料硅 (4 12 10- 6? )、 砷化镓 (5 1710- 6? )都非常接近。 其它性能,如电气性能、机械性能都很好,无 毒,是有前途的高导热基板材料。 一般的厚膜浆料系统只适用于氧化物陶瓷 基板,其热膨胀系数只能与氧化铝陶瓷匹配, 浆料所含的

20、玻璃在烧结时浸润不了氮化铝,粘 附力较差。目前已经研制出氧化铍陶瓷基板专 用的银、金、铂2银、银2钯等厚膜导体浆料及相 应的电阻浆料和包封料。这些浆料采用了新的 玻璃料,其热膨胀系数与氮化铝(A lN)陶瓷接 近,同时又加入了化学键合的粘附机理,性能 稳定可靠。 R. Reicher等人 6认为厚膜导体浆 料中的玻璃粘结相是一个热阻挡层,对A lN陶 瓷极好的导热性有不利的影响。新开发了无玻 璃的活性金属化A g2Cu2T i厚膜导体浆料,并 研究了该浆料与A lN陶瓷的键合机理和应力 分布。与普通的玻璃键合厚膜导体相比,该无 玻璃的厚膜金属化系统对A lN陶瓷来说可靠 性更高。 由于具有优良

21、的导热性和低的高频损耗, 氧化铍陶瓷和氮化铝陶瓷在微波和RF电路 中,特别是在大功率电路中被当作首选基板材 料。人们利用厚膜工艺,用氧化铍陶瓷和氮化 铝陶瓷作基板材料,制作出了性能好,成本低 的微波无源元件,主要有微波功率衰减器、微 波功率负载电阻等,这些产品体积小,功率容 量大,响应频带宽,性能稳定可靠。目前,微 波 功率负载电阻的水平已做到:功率2 800 W ,频率范围DC6GHz,电压驻波比 1125;微波功率衰减器的水平为功率10 200 W ,频率范围DC4GHz。 3 细线工艺 厚膜电路组装密度的不断提高,要求布线 密度进一步提高,导体线条更细,线间距更窄。 厚膜导体布线密度的提

22、高,可采用厚膜工艺制 作微波和RF电路,使产品研制周期缩短,生产 成本降低。随着M CM技术的不断发展,在组 装技术中越来越多地使用裸芯片组装技术,如 芯片2键合线、梁式引线和倒装芯片等,这些技 术要求的布线密度极高,尤其是倒装芯片技术。 该技术为各芯片间提供最短的连接路径,减少 42半导体情报 第37卷 第2期 2000年4月 了引线阻抗,这样使高频和数字应用的性能更 高。 以前导体线宽为0125mm或更小,被认为 是细线的范畴,但现在这些导体宽度被认为是 常规工艺。在最近几年,细线的范畴已经取得 一致,为0110mm或更小。目前采用传统的丝 网印刷工艺可批量生产011001125mm线宽

23、的导体。这要求对工艺进行严格控制,改进环 境的清洁度,对使用的设备更加小心地操作。 为了进一步提高布线密度和线条分辨率, 人们已开发了一些新的工艺及相关材料,主要 有(1)采用高网孔率丝网;(2)光刻或光致成 图技术;(3)微机控制的直接描绘技术。 311 采用高网孔率丝网 与普通的尼龙丝网和不锈钢丝网相比,新 型的高网孔率丝网的线径更细,目数更高,丝 网的开口率更高,这样导体浆料更容易从漏孔 通过,制作细线条时不易断线。另外,采用直 接金属掩膜时,不受线径和目数的限制,可使 丝网开口率进一步提高。采用上述方法,在厚 膜基片、多层共烧陶瓷基片上可印刷线宽25 100 m, 间距为100m的线条

24、。 312 光刻或光致成图技术 把厚膜技术同光刻技术结合起来,可进一 步提高厚膜导体的分辨率。该工艺大致有两种 方法:(1)先烧结成膜,再光刻成图;(2)先 光刻后成膜。光刻后的导体线条不但细,而且 边缘非常整齐,对微波和RF电路的应用非常 有利。 31211 先烧结成膜,再光刻成图 适合于先烧结成膜,再光刻成图的材料有: 有机金浆、薄印金及无玻璃导体(金,银)等。 例如美国ESL公司的8882 1B 金浆就是一种可 光刻腐蚀的厚膜浆料,该浆料中不含玻璃相,与 基板的粘附是通过反应键合机理来实现的,在 基板上印刷烧结后有很好的粘附性,线键合性 极好。 其光刻工艺流程如下:甩光刻胶1075R 在

25、80100软烘30分钟用设计的版图在 紫外光下曝光30秒用CD230显影剂显影1 2分钟在110120硬烘30分钟用K? I2溶液刻蚀用自来水冲洗用丙酮除去光刻 胶。 采用先烧结成膜,再光刻成图的方法,可 制得25m宽的细线。目前开发的这类导体浆 料对氧化铝基板、氧化铍基板都适应,甚至可 用于抛光的陶瓷基板,这对微波方面的应用更 有意义。 31212 先光刻后成膜 先光刻后成膜技术也就是光致成图技术。 该技术所采用的浆料本身具有光敏性,经过曝 光、显影,直接成图,不需要光刻胶,既简化 了工艺步骤,又提高了导体线条精度。 JurateM inalgiege等人 7开发了一种可光 致成图的 “Sa

26、ule” 厚膜浆料系统和工艺技术,其 丝网印刷和烧结技术与传统的厚膜工艺完全相 同,只是在烧结前增加了光致成图的曝光和显 影两个步骤。该“Saule”厚膜浆料系统的光敏 载体对普通的可见光不敏感,氧不阻止有机物 的聚合。 “Saule” 厚膜浆料系统有导体浆料、电 阻浆料和介质浆料,经过850900烧结后得 到标准厚度的厚膜。烧结膜厚8 m, 导体线宽 分辨率10100 m, 平行线间距低至20 m; 对 多层结构,最小线宽为50m。烧结后的导体表 面平整光滑,边缘陡直。介质浆料由玻璃和再 结晶玻璃组成,与普通印刷型介质相比,该介 质由于粘度较低,没有针孔和气孔,更加致密, M CM介质在12

27、GHz下的损耗小于01002,是 优良的微波介质材料。该浆料系统可用于普通 的氧化铝基板,也可用于抛光的99%氧化铝基 板和硅基片。 美国的DU PON公司开发的光化学刻蚀 厚膜浆料系统叫做FODEL R 浆料8,其工艺流 程同前面的“Saule”厚膜浆料相同,使用该材 料和工艺制作的金导体的线条分辨率可达到 38m?38m线条和间距的水平,烧结膜厚7 8 m, 电阻率 6m 8 ?,厚膜工艺的线条分辨 率达到了薄膜的水平。 313 微机控制的直接描绘技术9, 10 该技术是由CAD进行设计后,直接在基 片上描绘出厚膜图形,不需要制版、制网及丝 52第37卷 第2期 2000年4月 半导体情报

28、 网印刷等工艺步骤,从根本上改变了传统丝网 印刷图形的工艺方法。该技术由美国“M I2 CROPEN”公司、日本松下电器公司等相继开 发成功,已经实现商业化。 直接描绘技术的关键是高精度直接描绘装 置及相应配套的电子浆料。由精密变量泵将浆 料泵送至笔尖,这可消除温度或粘度的可能变 化。电磁控制笔尖将浆料压到基板表面,跟随 布线表面轮廓时,产生恒定厚度的图形。可直 接描绘的厚膜浆料有:导体浆料、 电阻浆料、 介 质浆料和玻璃包封浆料等。该系统可精确地控 制布线的线宽和间距,目前布线的线条宽度可 达50 m, 平行线间距最小为1217m。该系统 适合于小批量和多品种的生产规模。 4 低温共烧陶瓷技

29、术 411 低温共烧陶瓷技术 低温共烧陶瓷(L TCC)基板是80年代中 期出现的一种新型的多层基板工艺,是高温共 烧陶瓷(HTCC)基板技术与厚膜工艺有机结合 的产物。其介质材料主要由玻璃? 陶瓷组成,与 有机载体充分混合后流延成生带,在生带上打 孔后填充厚膜导体浆料,作为层与层之间互连 的通路,在每一层上印刷厚膜金属化图形,多 层之间对准后热压,再经排胶烧结,形成具有 独石结构的多层基板,其工艺流程如图1所示。 溶剂 增塑剂 有机粘合剂 多层基板 烧成 层压后的生带 切割 层压 金属化 冲孔 生带 流延 浆料 混合 32 氧化铝(Al O )玻璃 图1 LTCC多层基板的工艺流程 在L T

30、CC生带上也可以制作电阻和电容 元件,有两种途径:(1)在两层生带之间制作 电阻,也叫“三明治”电阻;(2)把电阻印刷 在氧化铝熟瓷基板上,上面覆盖多层生带,叫 “埋置电阻” 。印刷、烧结在氧化铝基板上的 “埋置电阻” 可在同生带层压前激光调阻。为该 工艺开发的电阻浆料经高温多次返烧后,有较 高的稳定性,TCR值与标准材料相当 ( 100ppm? )。 目前, L TCC生带已经商品化, Dupont公 司、Ferro公司及ESL公司等均有商品化的 L TCC生瓷带系统。采用商品化的L TCC生瓷 带制作M CM多层基板,可省去制作生瓷带的 步骤,进一步缩短制作周期。 412 微波用LTCC基

31、板材料 多芯片组件(M CM)是一种先进的微电子 组装技术,是目前能最大限度地发挥高度集成、 高速半导体IC性能、制作高速电子系统,达到 电子整机小型化的最有效途径。 按基板的不同, M CM可分为三种:层压多芯片组件(M CM2 L)、淀积多芯片组件(M CM2D)和陶瓷多芯片 组件(M CM2C)。陶瓷多芯片组件基板根据烧 结温度的不同分为高温共烧陶瓷(HTCC)基板 和低温共烧陶瓷(L TCC)基板两种。 像层压覆铜板(M CM2L)、单? 多层薄膜 (M CM2D)、高温共烧陶瓷或厚膜这样的传统 封装技术不能满足微波M CM的复合要求。低 温共烧陶瓷技术是一个“桥”技术,包含了上 述各

32、种技术的优点,又使缺点降为最小11,最 适合作微波M CM基板。由于低温共烧陶瓷的 烧成温度较低( 1000 ), 因此可以使用电阻 率低的金属(如金、银、银2钯、铜等)作导体; 其基板是通过在氧化铝中添加玻璃来降低烧结 温度,介质的介电常数较低。低的导体电阻率 和低介电常数的介质,都有利于减小高频信号 延迟。L TCC多层基板技术工艺成熟可靠,目前 可制作50层以上的多层电路,布线密度高,能 适应各种裸芯片组装工艺的要求。 原来开发的L TCC材料都是为数字电路 系统应用的,对微波M CM来说其介电损耗特 性达不到要求。在90年代初,人们就开始研究 L TCC材料在微波方面的应用。Kazuo

33、 Suna2 hara 12, W illiam E. Berg13等人都研究了应用 62半导体情报 第37卷 第2期 2000年4月 于微波和高频电路的L TCC材料,取得了一定 的成果,但还不够尽善尽美,主要不足之处在 于微波损耗不够低,介电常数不够小,不能在 较高的微波频率下使用。 Raymond L. Brow n等人 14研究了利用低 温共烧陶瓷制作微波模块的问题。对微波电路 来说, L TCC材料的介电性能中的关键性能有: 介电损耗、 介电常数、 绝缘电阻和介电强度。 低 损耗对发射和接收信号是很理想的。低的介电 常数对高速信号处理很重要。高的绝缘电阻和 介电强度对微波应用来说都是

34、很理想的。 L TCC系统有两个基本介质系统:一是把玻璃 和陶瓷混合;二是使用反玻璃化玻璃,在制造 过程中玻璃结晶。微波系统必须使用低损耗的 导体,为了兼顾降低成本和保证可靠性的需要, 在L TCC结构中一般内层导体和填充材料使 用银,表层导体使用金。应考虑在高可靠场合 使用银导体时有可能发生银离子迁移问题。由 于使用反玻璃化介质时,会使在烧结时银导体 和介质之间的反应减少,因此需开发一种在银 的熔点 (950 )以下温度烧成的反玻璃化玻璃 配方。 从理论上分析,含有低的电子极化率离子 的玻璃2陶瓷材料的介电常数较低;在高频下有 较高极化率和较弱键合强度的离子的玻璃,其 损耗较高。 该玻璃2陶

35、瓷的烧成温度不能接近或 高于金和银的熔点。根据上述原则,选定了基 于Ca2B2Si2O玻璃的玻璃2陶瓷系统,其中含有 极化率较低的离子和结晶的硅灰石相,该系统 的微波损耗很小,即Ferro A 6 L TCC系统。 A.A. Shapiro等人 15研究了 CaO2Si O22 B2O3系统相图,认为在制作Ca2B2Si2O反玻璃 L TCC工艺过程中的结晶物质有CaOB2O3, CaOSi O2, 3CaO2Si O2等。 利用正交实验三 个因素、五个水平,研究了烧成温度、升温速 度和保温时间对Ferro A 6低损耗L TCC介质 电(微波插入损耗)、机械和微观结构的影响。 Ferro A

36、 6的主要性能为相对介电常数518; 微 波损耗很低,可与9919%A l2O3上的薄膜相比; 热膨胀系数与GaA s很匹配,为610- 6(RT 200 ); 热导率为 2 W ?m K, 插入相兼容的导 热通孔阵列,热导率可接近70 W?mK。 A ndrew J.Piloto等 人16认 为 一 般 的 L TCC生带系统对微波M CM来说其介电损耗 特性达不到要求。利用专门的测量技术对一些 材料的特性进行了评价,结果如表3所示。另 外,微波M CM基板材料的要求应包括GaA s 集成电路的要求,即热膨胀系数与其相匹配,理 想的微波级L TCC材料的性能包括:(1)低损 耗,低介电常数(

37、Tan 010005,r 410); (2)热膨胀系数CTE615ppm? ;(3)可与 金导体共烧( 1000 ); (4)与厚膜电阻浆料 相匹配。 表3 一些LTCC系统的介电特性 样品名称厂家 介电 常数 损耗 (10 - 4) 频率 ?GHz LTCC 279AU S 5147131608184 544NPAU S 51301312410147 NC544AU S51094610910148 544S U S5141916910146 677333DU S 31932812010196 A 6 U S51801216910101 C LTCCU S51411613410140 W EC

38、?NOSC LTCCU S41312112910190 951U S71636217710120 901U S51442913910145 LEC2NewJapan41963617810188 M ullite2W hiteJapan61501614210107 W estinghouse目标W EC3173185100911 对一般的L TCC材料来说,这些性能之间 是有矛盾的,为了达到上述目标采取了以下措 施:(1)选择一种具有较低介电常数的化学系 统;(2)使用亚微米、活性粉末降低烧结温度; ( 3)通过材料的高纯度控制损耗角正切值; (4)使用添加剂调整热膨胀系数,但又不能破 坏前面的

39、性能。 选择的配方是以结晶 2石英为添加剂的 硼2硅玻璃系统。硅酸硼粉末的大小为亚微米 级, 2石英粉也很细 (1 2m ), 在ppm量级 几乎探测不到杂质。调整配方,瓷料在800 1000的烧结温度下都可致密化。 2石英添加 剂的水平为35%(体积)时,在标准的M CM 72第37卷 第2期 2000年4月 半导体情报 组装温度范围内,基板的热膨胀系数与GaA s 相匹配。使用同表3一样的测量技术测得新研 制的L TCC材料的损耗角正切为310- 46 10- 4,介电常数为319。 413 低损耗、低介电常数LTCC材料的应用 低损耗、低介电常数L TCC材料系统在做 M CM基板时,有

40、下列优势: 细的导体线条和间距; 金属化导体电阻率低; 极好的高频性能; 可集成无源元件(L , R等 ), 电阻可激 光修调; 可与多种裸芯片组装工艺相兼容; 成本低,研制周期短。 同传统的厚膜、薄膜和高温共烧工艺技术 相比,L TCC技术提供了更大的灵活性,在微波 和RF电路中,使用微带、 带线、 共面波导和DC 线的混合信号设计可组合在一个多层结构中。 DC控制线和功率反馈线包含在同一结构中, 通过接地面或接地孔阵列在同一层或不同层上 隔开。L TCC的三维工艺为达到这些目的提供 了可能。 L TCC基板材料在微波和RF领域中的一 个重要应用是制作有源相控阵雷达中的发射? 接收组件。相控

41、阵雷达是由大量的发射单元构 成一个相阵面,每个发射源就是一个T?R模 块,并由其移相器对雷达波束进行扫描的先进 雷达系统。实现相控阵的关键在于其有源电扫 描阵列天线(A ESA ), T ?R模块是相控阵天线 中的最关键部分。T?R模块代表了最后一个发 射和最近一个接收点,它在雷达中工作频率最 高,利用M CM2C技术制作T?R模块时,基板 材料需要这种新型的低损耗、低介电常数 L TCC材料。 美国已有多家公司应用先进的L TCC技 术成功地制作出有源相控阵雷达中的发射? 接 收组件,如W estinghouse公司、RCA公司、 Hughes公司等。利用L TCC材料制作的有源 相控阵雷达

42、中的发射? 接收组件大大减小了雷 达的体积和重量,改进了性能,是最具代表性 并大量使用的微波M CM2C组件。 人们利用L TCC材料极好的高频性能开 发了一系列表面贴装的微波无源元件。例如 A naren M icrow ave公司的Xinger系列产品, 这些产品有平衡2不平衡变换器、混合耦合器、 定向耦合器和功分器等。这些元件的封装形式 同片式电容相似,体积小,性能高,一致性好, 容易使用,可靠性高。目前,这些元件覆盖了 DC4GHz的中高功率。 5 结 论 近年来,厚膜技术的发展突飞猛进,相继 开发出一系列适用于微波和RF电路的新材料 和新工艺。无玻璃的厚膜导体材料(如金、银 等)具有

43、很低的微波损耗;厚膜常用基板,如 氧化铝、氧化铍和氮化铝陶瓷都具有很低的微 波损耗,氧化铍和氮化铝陶瓷是高导热、高可 靠的微波大功率基板材料。人们利用新的厚膜 导体材料,采用先进的细线工艺方法(高网孔 率丝网和金属掩膜,光刻、光致成图技术,直 接描绘技术 ), 使厚膜工艺的线条宽度、线间距 更加微细化,而光刻、光致成图技术使厚膜工 艺的线条分辨率接近了薄膜的工艺水平。新发 展起来的低损耗、低介电常数L TCC材料最适 合于微波M CM的基板材料。 厚膜技术是一个有机的整体,是各种先进 技术的组合。细线技术需要的新型浆料,微波 M CM用L TCC基板材料都要求金属或玻璃2 陶瓷粉末非常微细,高

44、纯度,大小均匀,形状 符合要求,要采用化学共沉淀等特殊方法制备。 在制作微波M CM时,不仅需要低损耗、低介 电常数L TCC材料,也需要特殊的导体浆料和 先进的细线工艺技术。当然,微波M CM是一 个复杂的系统工程,需要电、机械和工艺工程 师的协同工作。 更多输入? 输出的大尺寸芯片、 更高的使用 频率、更大的耗散功率的发展趋势会推动厚膜 技术进一步向前发展,制造成本更低,研制周 期更短,在微波和RF电路中的应用会更加广 泛。 82半导体情报 第37卷 第2期 2000年4月 参 考 文 献 1 Chares H A.Electronic Packaging 6 (2):10 3 Stein

45、berg J, KistlerB. High2adhesion gold thick film con2 ductor on alum ina and dielectric substrates. Hybrid Circuit Technology, 1991; (4): 26 4 W illiam s T, Shaikh A. Silver viametallization for low tem2 perature cofired ceram ic tape.ISHM94 Proceedings, 324 329 5 Prozdyk Let al.Transition via fillma

46、terial for silver2gold interconnect.ISHM94 Proceedings, 307 6 Reicher R, SmetanaW. Bonding mechanism and stress dis2 tribution of a glass frit free thick film metallization for A lN2ceram ics. J M ater Sci, M.E. , (9), 6, 429, 1998, 12 7 M inalgiege J.Very fine line photoi mageable thick film techno

47、logy developed at Hibridas, L ithuania.ISHM94 Proceedings, 23 8 FODELR.Photoi mageable materials2a thick film solution for high density multichip modules.ISHM93 Procee2 dings, 483 9 W alter M , M athias.Hybrid Circuit Technology,1989; (4): 1921 10 Truggested B. Hybrid Circuit Technology, 1989; (2):

48、33 34 11 Pilotoet al.Low loss low temperature cofired ceram ics. World Ceram ics Conf. ,(Jun 26Jul 6, 1994) 12 Sunahara K,Takabatake M.Low2temperature cofired multilayer circuit board for high2frequency applications. Hybrid Circuit Technology, February, 1990;3541 13 Berg W E. M icrowave hybrids usin

49、g low2fire multilayer ceram ics. Hybrid Circuit Technology, 1991; (3): 815 14 Brown R L , Polinski P W , Shaikh A S. M anufacturing of m icrowave modules using low2temperature cofired ce2 ram ics.1994 IEEE M TT2S Digest, 17271729 15 Shapiro A Aet al.Structure2property relationships in low2temperature cofired ceram ics.ISHM94 Proceed2 ings, 306 16 Piloto A J, Partlow D P, Zaki K. Low los, low tempera2 ture cofired ceram ic for