基于LTCC工艺对滤波器性能的研究

黄明富，王霞辉，黄昆，赖桂坚

（1.广东风华高新科技股份有限公司，广东肇庆，526020；2.新型电子元器件关键材料与工艺国家重点实验室，广东肇庆，526020；3.肇庆学院，广东肇庆，526020；4.云浮技师学院，广东云浮，527300）

0 引言

目前，低温共烧陶瓷技术高度集成各种元器件逐步趋于小型化，目前工控类和移动消费类终端电子元件要求其具备小型化、高可靠性、高精度特点。印刷电路趋向密集化的电极布线，导体趋肤效应和高频传输信号会出现能量衰减现象。金属导体精细化布线内埋电路的基础，也是信号传输减少损耗的关键，导体材料、工艺、陶瓷烧结后应力处理等有密切关系。

目前LTCC产品内部集成布线密度高，布线后电极电路出现不平整、电极局部扩散等隐患，本研究设计的实现依赖于先进的LTCC技术，LTCC技术的具体实现过程如下：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，然后叠压在一起，最后在900℃下烧结成型。整个制作过程可以看作将复杂的三维立体式电路进行布线集成（如低容值电容、电阻、天线等）埋入多层陶瓷基板中，制成三维空间互不干扰的高密度电路，也可制成内置无源元件的三维电路基板，而且表面可以贴装芯片和有源器件，制成无源/有源集成的功能模块，可进一步将电路小型化与高密度化，此种技术尤其适用于制备高频射频终端组件[3-6]。

本文对LTCC滤波器产品导体印刷精密布线控制，基于温水等静压的应力处理工艺进行了研究。

1 LTCC工艺原理和工艺实现

1.1 LTCC工艺原理

低温共烧陶瓷技术(Low-temperature co-fired ceramic;LTCC)是以陶瓷粉末作为电路基板的技术，导体布线印刷原理基于水平面上丝网印刷导体浆料，将产品不同层导体线路埋入多层陶瓷基板中，并通过通孔实现不同线路层的上下导通，形成高密度、高精密三维电路结构，在800-950摄氏度的烧结炉中实现导体浆料和陶瓷材料共同烧结，一次性形成独石式陶瓷元件，LTCC技术减少了分立式布线的昂贵、重复烧结过程，提升了效率，降低了成本，同时实现了电路型化和高密度化。LTCC工艺流程如图1所示。

图1 LTCC工艺流程图

在小型化滤波器加工制备过程中，布线及通孔过于密集化不但增加了制备工序难度，而且导体布线通断不良会导致大量通断的隐患，密集型导体布线通过高目数印刷和匹配设备的工艺参数，同时通过表面应力释放改变布线表面平面度，从而实现了精密导体的布线精度要求，降低了电路通断的风险，同时也具备小型化滤波器元器件高频领域特性和高稳定性。

1.2 精密化布线工艺设计及实现

LTCC印刷工艺过程中，将LTCC生瓷片放置于印刷机平台上，印刷机平台通过真空吸附功能将生瓷片固定；同时通过印刷机固定印刷网版，将银浆导入印刷丝网中，印刷机刮刀刮动印刷丝网，刮刀对网版具有一定的压力，使金属浆料经过印刷丝网渗透到生瓷片上，完成对导体浆料在生瓷片上的印刷过程。本次布线印刷的生瓷片采用进口FERRO公司材料，其介电常数18.3±5%，介电损耗＜0.002，基于该陶瓷材料的生瓷片采用聚酯复合网版印刷银浆，采用高目数500丝网，印刷线条线径≤60um，线间距≤60um；根据生瓷片在X、Y方向的收缩率和产品电路布线特点，研究了几组印刷工艺参数方案，如表1所示。

表1 不同组合精密印刷工艺

印刷生瓷片上布线精度比较重要考量就是重复印刷性，重复精度能力是指对菲林图案不同批次的再现能力，包括印刷的精度、清晰度和分辨力重复性，其包括两个方面，一是单个线条或点的线径或直径，二是各线条图案在整张丝网上的位置，即丝网与菲林的一致性，它会影响到多套丝网的配合。印刷布线精度的另一个评估方式是图案的肩锐性，其是视网膜肩部的方正程度，当为90度方肩时，印刷的线条边缘清晰，当肩锐性不够，出现塌肩时，印刷的线条就会出现厚度不匀，印迹扩大的现象。肩锐性与感光乳剂本身、上膜质量、晒版机平行度、曝光量及冲洗条件都有关系。经过高目数精细化工艺方案优化，印刷线条线径60um，线间距60um，印刷环境：23℃，RH%40-50。对比不同印刷布线质量，可满足此滤波器布线要求。如表2所示。

表2 不同组合精密印刷工艺

1.3 电极表面应力工艺设计及实现

产品在烧结前需要LTCC生瓷片致密化处理，通常致密化为层压压力工艺处理，使叠片坯体密度升高，同时内部电极固化不发生移动，各层电极和生瓷片形成一体，整个过程致密度在层压过程中可以得到明显提升。按照叠片层压的时序，层压可以分为一次性层压和累积法层压。一次性层压是在叠层过程中不加压力，叠片完成后一次加压压实各叠层膜片。而累积法则是在生瓷逐层叠放的过程中施加压力，叠片和层压同时完成。两种方法最底层的生瓷累积受压多次，叠层的厚度方向结构变得不均匀。

本文研究的为一次性层压方法，通过热水等静压操作，可以弥合烘干后坯片的缺陷，保证切割前坯片的完整性。因为以热水作为介质进行的等静压操作，陶瓷烧结前需进行精密化处理，LTCC层压实现了致密化过程，温水等静压利用帕斯卡原理，将水或油加热需要的温度保持恒定温度，然后将产品放入液体中，使其各方面受到等值压力处理，经过处理后产品致密性和强度明显提升。内部电极布线和导通通孔结合密度会随着致密程度变化，应力处理是电极联通性能关键因素，同时通孔柱和表面PAD的叠层精度关系到滤波器损耗性能；层压影响基板生胚时的密度，影响整体基板烧结收缩，从而影响电极平面度，通过不同组合温水等静压工艺应力处理方案，如下表3所示：

表3 温水等静压参数表

采用的等静压工艺具体过程是将生胚体真空封袋装入密闭的塑封袋，放入一定水容量的高压腔体内。当设备等静压机施加压力时，压力就会通过水作为媒介，以相等的压力压强向各个方向传递，从而使密封袋内坯片的各方面都受到相等的压力。与此同时，高压腔内的水被加热到较高温度以保证坯片里面的黏合剂软化。软化的坯片通过高温高压状态压实。粉体和粘合剂向空隙方向流动并相互黏结形成整体，从而使坯片内的裂纹、气泡等缺陷被弥合。通过不同温度和压力组合对滤波器产品布线进行应力优化处理，其表面电极平面度呈现不同状态[5-10]，如下表4。

表4 温水等静压参数表

2 LTCC工艺设计及实现带通滤波器测试结果

对比不同组合的LTCC工艺条件，其制备完成的电路集成电路呈现不同特性，前者容易出现趋肤效应，即当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的“皮肤”部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导线内部实际上电流较小。结果使导体的电阻增加，使它的损耗功率也增加。这一现象称为趋肤效应(skin effect)。趋肤效应使导体的有效电阻增加。频率（f）越高，趋肤效应越显著。当频率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截面减小，电阻增大。测试两个过程烧结后银导体电阻率，印刷导体图案相同，测试导体电阻率，按照GB/T 1747.33-2008,微电子技术用贵金属浆料测试方法，使用ADEX电阻测试仪银导体电阻率2.1mΩ·cm，其阻值降低12%～15%，经测试翘曲程度对趋肤效应对信号传输的影响，使用安捷伦网络分析仪在50欧姆阻抗线测试通带内（8000～9000MHz）损耗，在信号传输线的翘曲度＜15um时，其损耗最小。如图2所示。

图2 LTCC电极翘曲度对损耗影响

阻值的变化从而影响内部电路信号传输效果，经过精细化和表面工艺设计优化后，通带内（3550～3950MHz）滤波器损耗小于1.5dB， 带通滤波器损耗可满足移动通信模组要求，下图为优化后测试曲线。如图3所示。

图3 LTCC制备工艺设计带通滤波器的测试结果

3 结论

烧陶本文通过印刷和温水等静压工艺方案的对比分析，基于印刷工艺和温水等静压应力处理工艺的研究，其导体轮廓性和平面度更加有利于LTCC电路集成密集化高要求，并实现滤波器使用过程较小传输路径和低损耗优点。对LTCC滤波器高度集成化、小型化有积极作用。