電子元器件厚膜技術(shù)介紹

1、電子元器件厚膜技術(shù)介紹厚膜技術(shù)是通過絲網(wǎng)印刷的方法把導(dǎo)體漿料、電阻漿料或介質(zhì)漿料等材料淀積在陶瓷基板上，經(jīng)過高溫?zé)?，在基板上形成粘附牢固的膜。?jīng)過連續(xù)多次重復(fù)，就形成了多層互連結(jié)構(gòu)的電路，該電路中可包含集成的電阻、電容或電感1。厚膜技術(shù)主要用于高可靠和高性能的場合，如軍事、航空、航天和測試設(shè)備中。這些技術(shù)也成功地應(yīng)用于大批量生產(chǎn)的低成本設(shè)備，這些應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車（發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)、安全防抱死系統(tǒng)等）、通信工程（程控交換機(jī)用戶電路、微型功率放大器等）、醫(yī)療設(shè)備和消費(fèi)電子（家用視聽產(chǎn)品）等。過去，由于材料和工藝技術(shù)等各方面的局限，厚膜產(chǎn)品一般用在中低頻率。隨著電子整機(jī)小型、輕量、多功能、高可靠化的

2、要求日趨迫切，厚膜工藝和材料等各方面也朝高密度、大功率、高頻化方向發(fā)展。人們相繼開發(fā)了適合于微波和RF電路應(yīng)用的厚膜漿料、基板材料、介質(zhì)材料和工藝。這些厚膜技術(shù)和材料日益成熟，加上厚膜工藝開發(fā)周期短，成本低，適合于大批量生產(chǎn)的特點，應(yīng)用不斷擴(kuò)大。90年代迅速發(fā)展的共燒陶瓷多芯片組件（MCMC），是厚膜混合技術(shù)的延伸與發(fā)展，是厚膜陶瓷工藝的體現(xiàn)。MCMC的基板根據(jù)燒成溫度的不同，分為高溫共燒陶瓷（HTCC）基板和低溫共燒陶瓷（LTCC）基板兩種。低溫共燒陶瓷技術(shù)的導(dǎo)體的電阻率較低，介質(zhì)材料的高頻性能好，工藝靈活，能滿足各種芯片組裝技術(shù)的要求，適合于在微波和RF電路應(yīng)用。本文從厚膜材料、厚膜細(xì)線工

3、藝、低溫共燒陶瓷（LTCC）等方面介紹了微波和RF電路中厚膜技術(shù)的研究成果及廣泛應(yīng)用。 2厚膜材料厚膜材料包括厚膜漿料和厚膜基板材料。厚膜漿料有導(dǎo)體漿料、電阻漿料、介質(zhì)漿料和包封漿料等。通用的厚膜基板是陶瓷材料，如96氧化鋁及99氧化鋁、氧化鈹和氮化鋁陶瓷。最常用的是96氧化鋁陶瓷。21厚膜漿料厚膜漿料主要由三部分組成：功能相、粘結(jié)相和載體。功能相決定了成膜后的電性能和機(jī)械性能。在導(dǎo)體漿料中，功能相一般為貴金屬或貴金屬的混合物。電阻漿料中的功能相一般為導(dǎo)電性金屬氧化物。在介質(zhì)中，功能相一般為玻璃和或陶瓷。粘結(jié)相通常是玻璃、金屬氧化物或者是兩者的組合，其作用是把燒結(jié)膜粘結(jié)到基板上。載體是聚合物在

4、有機(jī)溶劑中的溶液。載體決定了厚膜的工藝特性，是印刷膜和干燥膜的臨時粘結(jié)劑。功能相和粘結(jié)相一般為粉末狀，在載體中進(jìn)行充分?jǐn)嚢韬头稚⒑笮纬筛酄畹暮衲{料。生帶介質(zhì)是在聚酯膜上流延形成柔軟的帶或膜。燒結(jié)后的厚膜導(dǎo)體是由金屬與粘結(jié)相組成的。金屬與陶瓷基板的粘結(jié)機(jī)理有兩種：機(jī)械鍵合和化學(xué)鍵合。機(jī)械鍵合是通過玻璃軟化并擴(kuò)散進(jìn)入基板間孔隙形成的。一般認(rèn)為硼硅鋁玻璃在氧化鋁基板上形成的就是這類鍵合?；瘜W(xué)鍵合是通過金屬氧化物與氧化鋁或基板上的其它成分反應(yīng)形成尖晶石結(jié)構(gòu)。靠化學(xué)鍵結(jié)合附著力強(qiáng)，但燒成溫度較玻璃粘結(jié)相高。氧化銅和氧化鈣是用于厚膜導(dǎo)體化學(xué)鍵合的典型氧化物。在標(biāo)準(zhǔn)的厚膜燒結(jié)溫度850下，形成化學(xué)鍵合的反

5、應(yīng)動力太慢，需要使用玻璃和氧化物的組合，玻璃把氧化物運(yùn)送到基板上來幫助形成鍵合，有效地增加了反應(yīng)動力。有些氧化物也可代替玻璃作助熔劑。在RF和微波電路中，導(dǎo)體比在低頻電路中多了作微帶傳輸線的作用，應(yīng)考慮導(dǎo)體的射頻電阻和趨膚深度的影響。工藝上要求導(dǎo)體膜加厚，導(dǎo)體膜厚度為趨膚深度的35倍，表面光潔度好。厚膜導(dǎo)體中金屬的電阻率本身就比較低，如表1所示。在微波頻率下選用不含玻璃的厚膜導(dǎo)體較好，常用的有無玻璃的金、銀、鉑銀和銅等漿料。例如美國杜邦（DUPONT）公司的氧化物鍵合導(dǎo)體材料和美國電子科學(xué)實驗室（ESL）的MICROLOK系列導(dǎo)體材料都是這類產(chǎn)品。 Sadayuki Nishiki等人2在20

6、MHZ到10GHz的頻率范圍內(nèi)測量了9種厚膜導(dǎo)體微帶傳輸線的損耗。這些導(dǎo)體材料是金、銀、銅、鉑金、鉑銀、金鈀、銀鈀及它們與不同鍵合方式的組合。鍵合方式包括：化學(xué)鍵合、機(jī)械鍵合、化學(xué)鍵合和機(jī)械鍵合的組合、樹酯與氧化鋁之間的機(jī)械鍵合。測試結(jié)果與相同圖形的薄膜性能比較后，得出一個厚膜導(dǎo)體傳輸損耗的經(jīng)驗公式。在考慮了基板介質(zhì)損耗和表面粗糙度后，測量值與理論值的比值對厚膜導(dǎo)體來說是14，對薄膜來說是12。該差別是厚膜微帶線邊緣較圓滑造成的。厚膜導(dǎo)體的傳輸損耗與薄膜接近，銅厚膜的傳輸損耗最低。作者認(rèn)為厚膜導(dǎo)體完全可以用到10GHz。采用普通的絲網(wǎng)印刷工藝，厚膜導(dǎo)體的分辨率線條間距為250m250m。通過對

7、導(dǎo)體漿料中的各成分進(jìn)行優(yōu)化，制作出很低電阻率的新型細(xì)線印刷導(dǎo)體的漿料，以滿足提高布線密度的需要。Jerry Steinberg等人3對在氧化鋁和介質(zhì)基板上的高粘附力厚膜金導(dǎo)體進(jìn)行了研究。采用化學(xué)共沉淀制作出小的、球形的、大小均勻的金粉末，選少量的氧化物作助熔劑，嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，制作出了能鍵合2mil金絲的高粘附力厚膜金漿料。該漿料燒結(jié)膜表面光滑，線鍵合性好，粘附力高；電阻率低，燒成膜厚大于7m時，方阻小于4m；印刷分辨率高，批量生產(chǎn)時可印刷018mm的線寬和間距，實驗室內(nèi)可制作線寬50m，間距150m的圖形。為了進(jìn)一步提高絲網(wǎng)印刷的分辨率，人們開發(fā)了可光刻的厚膜漿料和光致成圖漿料。例如金屬有

8、機(jī)物漿料和薄印漿料等，這些漿料大部分為金漿料，結(jié)合先進(jìn)的工藝，其細(xì)線水平幾乎達(dá)到薄膜的工藝水平，詳細(xì)情況將在后面介紹。低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)由于導(dǎo)體的電阻率較低，介質(zhì)材料的高頻性能好，最適于做微波MCM的基板材料。在LTCC技術(shù)中，厚膜導(dǎo)體除了作高密度互連的導(dǎo)帶外，也是多層電路互連通孔的填充材料。在功率電路中，人們利用填充金屬的通孔陣列把器件上的熱量傳到熱沉上。在微波LTCC中，從降低成本和可靠性的考慮，利用銀作內(nèi)層導(dǎo)體，金作表層導(dǎo)體。銀有極好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，可在空氣中燒成，比金便宜，適合作內(nèi)層導(dǎo)體。厚膜導(dǎo)體材料必須與LTCC生帶系統(tǒng)相匹配，特別是通孔填充材料，要作為良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱通

9、路，又不能導(dǎo)致任何物理彎曲或封裝的開裂。Todd Williams等人4研究了A6低溫共燒陶瓷系統(tǒng)的銀通孔金屬化問題。A6是一種低介電常數(shù)、低損耗的微波和RF用LTCC材料。Todd Williams等人認(rèn)為通孔填充漿料應(yīng)考慮下述關(guān)鍵特性：通孔填充漿料中的玻璃或氧化物與生帶中的匹配；通孔填充材料和生帶的收縮率隨溫度變化應(yīng)緊密配合；熱膨脹系數(shù)相匹配；電導(dǎo)率要高；流變性與工藝相對應(yīng)；熱導(dǎo)率要高。通過仔細(xì)選擇無機(jī)材料，使LTCC和銀通孔填充漿料之間的燒結(jié)動力產(chǎn)生良好的匹配，燒結(jié)結(jié)構(gòu)的通孔里沒有空洞，環(huán)通孔的LTCC里沒有裂紋，燒結(jié)的銀注滿了LTCC通孔，也沒有突出陶瓷外邊。該金屬化系統(tǒng)使低溫共燒陶瓷

10、（LTCC）系統(tǒng)實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上實實在在的互連。用銀作LTCC的內(nèi)層導(dǎo)體，金作表層導(dǎo)體，消除了銀的表面遷移問題。金和銀直接互連時，會產(chǎn)生擴(kuò)散。在燒結(jié)過程中，由于擴(kuò)散速度的不同，在界面上會形成孔隙，即Kirkendall孔隙。該孔隙會導(dǎo)致燒結(jié)后開路，使可靠性成為問題。LProzdyk等人5研究了銀金互連的過渡性通孔填充材料問題。在內(nèi)層銀導(dǎo)體和表層金導(dǎo)體之間加一層過渡性填充材料可解決該問題。22厚膜基板材料厚膜材料要制作在一個基板上，該基板對最終成膜作一機(jī)械支撐，也有熱、電的作用。在RF和微波電路中，厚膜基板還是傳輸電磁波的介質(zhì)。常用的厚膜基板材料有96氧化鋁及99氧化鋁、氧化鈹和氮化鋁陶瓷。這些陶瓷

11、材料性能穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，導(dǎo)熱性好，介電性能及絕緣性能好，微波損耗低，是優(yōu)良的微波介質(zhì)材料，主要性能見表2。96氧化鋁瓷是標(biāo)準(zhǔn)的厚膜基板材料，具有優(yōu)良的熱、機(jī)械、電和物理化學(xué)性能，其厚膜金屬化漿料已非常成熟，產(chǎn)品已經(jīng)商品化、系列化。96氧化鋁瓷中玻璃相較多，環(huán)繞晶粒的玻璃相與厚膜中的玻璃粘結(jié)相相互作用，產(chǎn)生比其它基板材料高得多的粘附力。其厚膜漿料有玻璃粘結(jié)型、化學(xué)鍵合型和混合型三種。在微波電路中，從微波損耗的角度考慮，常常選用氧化鋁含量更高的995氧化鋁瓷。氧化鈹陶瓷是熱導(dǎo)率最高的陶瓷材料，且電絕緣性、介電性和機(jī)械強(qiáng)度都很好。相對于其它基板材料，氧化鈹陶瓷的介電常數(shù)較低，有利于在微波頻率中的應(yīng)

12、用。氧化鈹陶瓷的熱導(dǎo)率是96氧化鋁瓷的十幾倍，盡管隨著溫度的升高，其熱導(dǎo)率逐漸降低，但在25300的溫度范圍內(nèi)，其熱導(dǎo)率仍比氮化鋁瓷高出30。由于氧化鈹陶瓷基板的純度很高（995），玻璃相含量很少，使用的厚膜漿料多為化學(xué)鍵合型或混合型的專用漿料。氧化鈹陶瓷具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，很多資料介紹了它的毒性，但美國的Brush WellmanInc等三家公司曾宣布固態(tài)氧化鈹陶瓷是十分安全的，人們可以接觸、撫摸甚至可以吞下它，而不會受到傷害。它的不安全之處在于像可被人們吸入的那樣大小的氧化鈹粉塵，這些細(xì)微粉塵在氧化鈹陶瓷的制造過程中已被成功地治理了，使用氧化鈹陶瓷是十分安全的。氮化鋁陶瓷的導(dǎo)熱率很高，幾乎

13、可以與氧化鈹陶瓷相媲美，且隨著溫度的升高降低較緩慢。其熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體材料硅（42106）、砷化鎵（57106）都非常接近。其它性能，如電氣性能、機(jī)械性能都很好，無毒，是有前途的高導(dǎo)熱基板材料。一般的厚膜漿料系統(tǒng)只適用于氧化物陶瓷基板，其熱膨脹系數(shù)只能與氧化鋁陶瓷匹配，漿料所含的玻璃在燒結(jié)時浸潤不了氮化鋁，粘附力較差。目前已經(jīng)研制出氧化鈹陶瓷基板專用的銀、金、鉑銀、銀鈀等厚膜導(dǎo)體漿料及相應(yīng)的電阻漿料和包封料。這些漿料采用了新的玻璃料，其熱膨脹系數(shù)與氮化鋁（AlN）陶瓷接近，同時又加入了化學(xué)鍵合的粘附機(jī)理，性能穩(wěn)定可靠。RReicher等人6認(rèn)為厚膜導(dǎo)體漿料中的玻璃粘結(jié)相是一個熱阻擋層，對Al

14、N陶瓷極好的導(dǎo)熱性有不利的影響。新開發(fā)了無玻璃的活性金屬化AgCuTi厚膜導(dǎo)體漿料，并研究了該漿料與AlN陶瓷的鍵合機(jī)理和應(yīng)力分布。與普通的玻璃鍵合厚膜導(dǎo)體相比，該無玻璃的厚膜金屬化系統(tǒng)對AlN陶瓷來說可靠性更高。由于具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性和低的高頻損耗，氧化鈹陶瓷和氮化鋁陶瓷在微波和RF電路中，特別是在大功率電路中被當(dāng)作首選基板材料。人們利用厚膜工藝，用氧化鈹陶瓷和氮化鋁陶瓷作基板材料，制作出了性能好，成本低的微波無源元件，主要有微波功率衰減器、微波功率負(fù)載電阻等，這些產(chǎn)品體積小，功率容量大，響應(yīng)頻帶寬，性能穩(wěn)定可靠。目前，微波功率負(fù)載電阻的水平已做到：功率2800W，頻率范圍DC6GHz，電壓駐

15、波比125；微波功率衰減器的水平為功率10200W，頻率范圍DC4GHz。 3細(xì)線工藝厚膜電路組裝密度的不斷提高，要求布線密度進(jìn)一步提高，導(dǎo)體線條更細(xì)，線間距更窄。厚膜導(dǎo)體布線密度的提高，可采用厚膜工藝制作微波和RF電路，使產(chǎn)品研制周期縮短，生產(chǎn)成本降低。隨著MCM技術(shù)的不斷發(fā)展，在組裝技術(shù)中越來越多地使用裸芯片組裝技術(shù)，如芯片鍵合線、梁式引線和倒裝芯片等，這些技術(shù)要求的布線密度極高，尤其是倒裝芯片技術(shù)。該技術(shù)為各芯片間提供最短的連接路徑，減少了引線阻抗，這樣使高頻和數(shù)字應(yīng)用的性能更高。以前導(dǎo)體線寬為025mm或更小，被認(rèn)為是細(xì)線的范疇，但現(xiàn)在這些導(dǎo)體寬度被認(rèn)為是常規(guī)工藝。在最近幾年，細(xì)線的范

16、疇已經(jīng)取得一致，為010mm或更小。目前采用傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷工藝可批量生產(chǎn)0100125mm線寬的導(dǎo)體。這要求對工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制，改進(jìn)環(huán)境的清潔度，對使用的設(shè)備更加小心地操作。為了進(jìn)一步提高布線密度和線條分辨率，人們已開發(fā)了一些新的工藝及相關(guān)材料，主要有（1）采用高網(wǎng)孔率絲網(wǎng)；（2）光刻或光致成圖技術(shù)；（3）微機(jī)控制的直接描繪技術(shù)。31采用高網(wǎng)孔率絲網(wǎng)與普通的尼龍絲網(wǎng)和不銹鋼絲網(wǎng)相比，新型的高網(wǎng)孔率絲網(wǎng)的線徑更細(xì)，目數(shù)更高，絲網(wǎng)的開口率更高，這樣導(dǎo)體漿料更容易從漏孔通過，制作細(xì)線條時不易斷線。另外，采用直接金屬掩膜時，不受線徑和目數(shù)的限制，可使絲網(wǎng)開口率進(jìn)一步提高。采用上述方法，在厚膜基片、多層

17、共燒陶瓷基片上可印刷線寬25100m，間距為100m的線條。32光刻或光致成圖技術(shù)把厚膜技術(shù)同光刻技術(shù)結(jié)合起來，可進(jìn)一步提高厚膜導(dǎo)體的分辨率。該工藝大致有兩種方法：（1）先燒結(jié)成膜，再光刻成圖；（2）先光刻后成膜。光刻后的導(dǎo)體線條不但細(xì)，而且邊緣非常整齊，對微波和RF電路的應(yīng)用非常有利。321先燒結(jié)成膜，再光刻成圖適合于先燒結(jié)成膜，再光刻成圖的材料有：有機(jī)金漿、薄印金及無玻璃導(dǎo)體（金，銀）等。例如美國ESL公司的8881B金漿就是一種可光刻腐蝕的厚膜漿料，該漿料中不含玻璃相，與基板的粘附是通過反應(yīng)鍵合機(jī)理來實現(xiàn)的，在基板上印刷燒結(jié)后有很好的粘附性，線鍵合性極好。其光刻工藝流程如下：甩光刻膠10

18、75R在80100軟烘30分鐘用設(shè)計的版圖在紫外光下曝光30秒用CD30顯影劑顯影12分鐘在110120硬烘30分鐘用KI2溶液刻蝕用自來水沖洗用丙酮除去光刻膠。采用先燒結(jié)成膜，再光刻成圖的方法，可制得25m寬的細(xì)線。目前開發(fā)的這類導(dǎo)體漿料對氧化鋁基板、氧化鈹基板都適應(yīng)，甚至可用于拋光的陶瓷基板，這對微波方面的應(yīng)用更有意義。322先光刻后成膜先光刻后成膜技術(shù)也就是光致成圖技術(shù)。該技術(shù)所采用的漿料本身具有光敏性，經(jīng)過曝光、顯影，直接成圖，不需要光刻膠，既簡化了工藝步驟，又提高了導(dǎo)體線條精度。Jurate Minalgiege等人7開發(fā)了一種可光致成圖的“Saule”厚膜漿料系統(tǒng)和工藝技術(shù)，其絲網(wǎng)

19、印刷和燒結(jié)技術(shù)與傳統(tǒng)的厚膜工藝完全相同，只是在燒結(jié)前增加了光致成圖的曝光和顯影兩個步驟。該“Saule”厚膜漿料系統(tǒng)的光敏載體對普通的可見光不敏感，氧不阻止有機(jī)物的聚合?！癝aule”厚膜漿料系統(tǒng)有導(dǎo)體漿料、電阻漿料和介質(zhì)漿料，經(jīng)過850900燒結(jié)后得到標(biāo)準(zhǔn)厚度的厚膜。燒結(jié)膜厚8m，導(dǎo)體線寬分辨率10100m，平行線間距低至20m；對多層結(jié)構(gòu)，最小線寬為50m。燒結(jié)后的導(dǎo)體表面平整光滑，邊緣陡直。介質(zhì)漿料由玻璃和再結(jié)晶玻璃組成，與普通印刷型介質(zhì)相比，該介質(zhì)由于粘度較低，沒有針孔和氣孔，更加致密，MCM介質(zhì)在12GHz下的損耗小于0002，是優(yōu)良的微波介質(zhì)材料。該漿料系統(tǒng)可用于普通的氧化鋁基板，

20、也可用于拋光的99氧化鋁基板和硅基片。美國的DUPON公司開發(fā)的光化學(xué)刻蝕厚膜漿料系統(tǒng)叫做FODELR漿料8，其工藝流程同前面的“Saule”厚膜漿料相同，使用該材料和工藝制作的金導(dǎo)體的線條分辨率可達(dá)到38m38m線條和間距的水平，燒結(jié)膜厚78m，電阻率6m，厚膜工藝的線條分辨率達(dá)到了薄膜的水平。33微機(jī)控制的直接描繪技術(shù)9，10該技術(shù)是由CAD進(jìn)行設(shè)計后，直接在基片上描繪出厚膜圖形，不需要制版、制網(wǎng)及絲網(wǎng)印刷等工藝步驟，從根本上改變了傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷圖形的工藝方法。該技術(shù)由美國“MICROPEN”公司、日本松下電器公司等相繼開發(fā)成功，已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化。直接描繪技術(shù)的關(guān)鍵是高精度直接描繪裝置及相應(yīng)配

21、套的電子漿料。由精密變量泵將漿料泵送至筆尖，這可消除溫度或粘度的可能變化。電磁控制筆尖將漿料壓到基板表面，跟隨布線表面輪廓時，產(chǎn)生恒定厚度的圖形?？芍苯用枥L的厚膜漿料有：導(dǎo)體漿料、電阻漿料、介質(zhì)漿料和玻璃包封漿料等。該系統(tǒng)可精確地控制布線的線寬和間距，目前布線的線條寬度可達(dá)50m，平行線間距最小為127m。該系統(tǒng)適合于小批量和多品種的生產(chǎn)規(guī)模。 4低溫共燒陶瓷技術(shù)41低溫共燒陶瓷技術(shù)低溫共燒陶瓷（LTCC）基板是80年代中期出現(xiàn)的一種新型的多層基板工藝，是高溫共燒陶瓷（HTCC）基板技術(shù)與厚膜工藝有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。其介質(zhì)材料主要由玻璃陶瓷組成，與有機(jī)載體充分混合后流延成生帶，在生帶上打孔后填充厚

22、膜導(dǎo)體漿料，作為層與層之間互連的通路，在每一層上印刷厚膜金屬化圖形，多層之間對準(zhǔn)后熱壓，再經(jīng)排膠燒結(jié)，形成具有獨石結(jié)構(gòu)的多層基板，其工藝流程如圖1所示。 在LTCC生帶上可以制作電阻和電容元件,有兩種用途:(1)在兩層生帶之間制作電阻,也叫三明治電阻;(2)把電阻印刷在氧化鋁熟瓷基板上，上面覆蓋多層生帶，叫“埋置電阻”。印刷、燒結(jié)在氧化鋁基板上的“埋置電阻”可在同生帶層壓前激光調(diào)阻。為該工藝開發(fā)的電阻漿料經(jīng)高溫多次返燒后，有較高的穩(wěn)定性，TCR值與標(biāo)準(zhǔn)材料相當(dāng)（100ppm）。目前，LTCC生帶已經(jīng)商品化，Dupont公司、Ferro公司及ESL公司等均有商品化的LTCC生瓷帶系統(tǒng)。采用商品化

23、的LTCC生瓷帶制作MCM多層基板，可省去制作生瓷帶的步驟，進(jìn)一步縮短制作周期。42微波用LTCC基板材料多芯片組件（MCM）是一種先進(jìn)的微電子組裝技術(shù)，是目前能最大限度地發(fā)揮高度集成、高速半導(dǎo)體IC性能、制作高速電子系統(tǒng)，達(dá)到電子整機(jī)小型化的最有效途徑。按基板的不同，MCM可分為三種：層壓多芯片組件（MCML）、淀積多芯片組件（MCMD）和陶瓷多芯片組件（MCMC）。陶瓷多芯片組件基板根據(jù)燒結(jié)溫度的不同分為高溫共燒陶瓷（HTCC）基板和低溫共燒陶瓷（LTCC）基板兩種。像層壓覆銅板（MCML）、單多層薄膜（MCMD）、高溫共燒陶瓷或厚膜這樣的傳統(tǒng)封裝技術(shù)不能滿足微波MCM的復(fù)合要求。低溫共燒

24、陶瓷技術(shù)是一個“橋”技術(shù)，包含了上述各種技術(shù)的優(yōu)點，又使缺點降為最小11，最適合作微波MCM基板。由于低溫共燒陶瓷的燒成溫度較低（1000），因此可以使用電阻率低的金屬（如金、銀、銀鈀、銅等）作導(dǎo)體；其基板是通過在氧化鋁中添加玻璃來降低燒結(jié)溫度，介質(zhì)的介電常數(shù)較低。低的導(dǎo)體電阻率和低介電常數(shù)的介質(zhì)，都有利于減小高頻信號延遲。LTCC多層基板技術(shù)工藝成熟可靠，目前可制作50層以上的多層電路，布線密度高，能適應(yīng)各種裸芯片組裝工藝的要求。于微波和高頻電路的LTCC材料，取得了一定的成果，但還不夠盡善盡美，主要不足之處在于微波損耗不夠低，介電常數(shù)不夠小，不能在較高的微波頻率下使用。Raymond LB

25、rown等人14研究了利用低溫共燒陶瓷制作微波模塊的問題。對微波電路來說，LTCC材料的介電性能中的關(guān)鍵性能有：介電損耗、介電常數(shù)、絕緣電阻和介電強(qiáng)度。低損耗對發(fā)射和接收信號是很理想的。低的介電常數(shù)對高速信號處理很重要。高的絕緣電阻和介電強(qiáng)度對微波應(yīng)用來說都是很理想的。LTCC系統(tǒng)有兩個基本介質(zhì)系統(tǒng)：一是把玻璃和陶瓷混合；二是使用反玻璃化玻璃，在制造過程中玻璃結(jié)晶。微波系統(tǒng)必須使用低損耗的導(dǎo)體，為了兼顧降低成本和保證可靠性的需要，在LTCC結(jié)構(gòu)中一般內(nèi)層導(dǎo)體和填充材料使用銀，表層導(dǎo)體使用金。應(yīng)考慮在高可靠場合使用銀導(dǎo)體時有可能發(fā)生銀離子遷移問題。由于使用反玻璃化介質(zhì)時，會使在燒結(jié)時銀導(dǎo)體和介質(zhì)

26、之間的反應(yīng)減少，因此需開發(fā)一種在銀的熔點（950）以下溫度燒成的反玻璃化玻璃配方。從理論上分析，含有低的電子極化率離子的玻璃陶瓷材料的介電常數(shù)較低；在高頻下有較高極化率和較弱鍵合強(qiáng)度的離子的玻璃，其損耗較高。該玻璃陶瓷的燒成溫度不能接近或高于金和銀的熔點。根據(jù)上述原則，選定了基于CaBSiO玻璃的玻璃陶瓷系統(tǒng)，其中含有極化率較低的離子和結(jié)晶的硅灰石相，該系統(tǒng)的微波損耗很小，即Ferro A6 LTCC系統(tǒng)。AAShapiro等人15研究了CaOSiO2B2O3系統(tǒng)相圖，認(rèn)為在制作CaBSiO反玻璃LTCC工藝過程中的結(jié)晶物質(zhì)有CaOB2O3，CaOSiO2，3CaO2SiO2等。利用正交實驗三

27、個因素、五個水平，研究了燒成溫度、升溫速度和保溫時間對Ferro A6低損耗LTCC介質(zhì)電（微波插入損耗）、機(jī)械和微觀結(jié)構(gòu)的影響。Ferro A6的主要性能為相對介電常數(shù)58；微波損耗很低，可與999Al2O3上的薄膜相比；熱膨脹系數(shù)與GaAs很匹配，為6106（RT200）；熱導(dǎo)率為2WmK，插入相兼容的導(dǎo)熱通孔陣列，熱導(dǎo)率可接近70WmK。Andrew JPiloto等人16認(rèn)為一般的LTCC生帶系統(tǒng)對微波MCM來說其介電損耗特性達(dá)不到要求。利用專門的測量技術(shù)對一些材料的特性進(jìn)行了評價，結(jié)果如表3所示。另外，微波MCM基板材料的要求應(yīng)包括GaAs集成電路的要求，即熱膨脹系數(shù)與其相匹配，理想

28、的微波級LTCC材料的性能包括：（1）低損耗，低介電常數(shù)（Tan00005，r40）；（2）熱膨脹系數(shù)CTE65ppm；（3）可與金導(dǎo)體共燒（1000）；（4）與厚膜電阻漿料相匹配。 對一般的LTCC材料來說，這些性能之間是有矛盾的，為了達(dá)到上述目標(biāo)采取了以下措施：（1）選擇一種具有較低介電常數(shù)的化學(xué)系統(tǒng)；（2）使用亞微米、活性粉末降低燒結(jié)溫度；（3）通過材料的高純度控制損耗角正切值；（4）使用添加劑調(diào)整熱膨脹系數(shù)，但又不能破壞前面的性能。選擇的配方是以結(jié)晶石英為添加劑的硼硅玻璃系統(tǒng)。硅酸硼粉末的大小為亞微米級，石英粉也很細(xì)（12m），在ppm量級幾乎探測不到雜質(zhì)。調(diào)整配方，瓷料在800100

29、0的燒結(jié)溫度下都可致密化。石英添加劑的水平為35（體積）時，在標(biāo)準(zhǔn)的MCM組裝溫度范圍內(nèi)，基板的熱膨脹系數(shù)與GaAs相匹配。使用同表3一樣的測量技術(shù)測得新研制的LTCC材料的損耗角正切為31046104，介電常數(shù)為39。43低損耗、低介電常數(shù)LTCC材料的應(yīng)用 低損耗、低介電常數(shù)LTCC材料系統(tǒng)在做MCM基板時，有下列優(yōu)勢：細(xì)的導(dǎo)體線條和間距；金屬化導(dǎo)體電阻率低；極好的高頻性能；可集成無源元件（L，R等），電阻可激光修調(diào)；可與多種裸芯片組裝工藝相兼容；成本低，研制周期短。同傳統(tǒng)的厚膜、薄膜和高溫共燒工藝技術(shù)相比，LTCC技術(shù)提供了更大的靈活性，在微波和RF電路中，使用微帶、帶線、共面波導(dǎo)和DC線的混合信號設(shè)計可組合在一個多層結(jié)構(gòu)中。DC控制線和功率反饋線包含在同一結(jié)構(gòu)中，通過接地面或接地孔陣列在同一層或不同層上隔開。LTCC的三維工藝為達(dá)到這些目的提供了可能。LTCC基板材料在微波和RF領(lǐng)域中的一個重要應(yīng)用是制作有源相控陣?yán)走_(dá)中的發(fā)射接收組件。相控陣?yán)走_(dá)是由大量的發(fā)射單元構(gòu)成一個相陣面，每個發(fā)射源就是一個TR模塊，并由其移