小型化LTCC低通濾波器設(shè)計(jì)與制造工藝研究

　　4 關(guān)鍵工藝研究

　　LTCC工藝最大的難點(diǎn)在于工藝參數(shù)的敏感性、加工結(jié)果的非直觀性和燒結(jié)后基板的不可返工性。對(duì)于具體的產(chǎn)品基板，因材料、尺寸、層數(shù)、結(jié)構(gòu)、圖形 分布、后燒狀態(tài)等的不同，往往需要通過多輪次的實(shí)際產(chǎn)品加工參數(shù)調(diào)整與漸進(jìn)優(yōu)化，才能得到很滿意的LTCC基板，尤其是燒結(jié)、層壓的工藝參數(shù)，對(duì)基板的質(zhì) 量影響很大。期望獲得合格、高質(zhì)量、高性能的LTCC基板，除了嚴(yán)格控制各個(gè)加工工序的材料、環(huán)境、參數(shù)、過程外，還必須在疊片前檢驗(yàn)剔除不合格的生瓷片 層，在燒結(jié)后監(jiān)控基板的收縮率、密度、強(qiáng)度、平整度、通斷狀態(tài)等關(guān)鍵指標(biāo).

　　4.1 通孔填充和印刷

　　在LTCC工藝中，通孔填充主要是為了層間電路連接，在生瓷片上形成的通孔中填滿導(dǎo)電漿料。此外，在某些高頻的電路設(shè)計(jì)中，還需要屏蔽孔，起到電磁 屏蔽的作用。LTCC設(shè)計(jì)中通常使用0.1 mm、0.15 mm、0.2 mm三種規(guī)格的通孔作為信號(hào)通孔。由于在工藝流程中會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，使用過小的通孔會(huì)導(dǎo)致層間互聯(lián)通孔的連接變差，如果通孔直徑大于0.3 mm或者小于0.15 mm,金屬化時(shí)都很難形成盲孔或者埋孔，從而降低了基板的成品率和可靠性，所以通常設(shè)計(jì)中盡量避免使用小于0.1 mm的通孔作為層間電氣連接的信號(hào)通孔。本文中設(shè)計(jì)的濾波器中都采用0.2 mm的通孔。填充工藝中出現(xiàn)的問題主要有兩種，一是填充漿料過多，漿料溢出漫延會(huì)對(duì)產(chǎn)品的性能和可靠性造成影響，甚至造成電路短路，導(dǎo)致產(chǎn)品失效;另一種 是填充不飽滿，造成層間連接失效。在微孔填充工藝中，根據(jù)生瓷片厚度以及填充漿料的特性，通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，選擇合適的填充壓力和加壓時(shí)間，最終取得良好的 填充效果，如圖7所示。

　　印刷是將設(shè)計(jì)好的電路圖形轉(zhuǎn)移到生瓷片的過程，在LTCC工藝中一般采用絲網(wǎng)印刷的方式將導(dǎo)體漿料印刷在生瓷片上。印刷是LTCC工藝中重要的一個(gè) 環(huán)節(jié)，印刷質(zhì)量直接關(guān)系到最終電路的電性能，同時(shí)印刷也是LTCC工藝中最難控制的工藝環(huán)節(jié)，因?yàn)橛∷①|(zhì)量和很多因素有關(guān)，主要包括：

　　(1)絲網(wǎng)規(guī)格;

　　(2)印刷過程條件;

　　(3)導(dǎo)體漿料特性;

　　(4)絲網(wǎng)特性。

　　好的印刷質(zhì)量主要是指印刷圖形位置準(zhǔn)確、漿料量適中、形狀正確、印刷穩(wěn)定等。在濾波器電路圖形的印刷過程中，開始容易出現(xiàn)印刷效果差的情況，通過不 斷的改進(jìn)，在絲網(wǎng)印刷過程中優(yōu)化控制好刮板壓力、印刷速度、折距等工藝參數(shù)，得到較好質(zhì)量的印刷圖形。絲網(wǎng)印刷的印刷質(zhì)量如圖8所示。

　　4.2 疊片和層壓

　　疊片是將印刷和填孔后的單個(gè)生瓷片通過校位疊片后進(jìn)行熱壓，使多張生瓷片結(jié)合成為一體，疊片的精度是保證三維電路連接準(zhǔn)確不可或缺的工序，疊片精度 差會(huì)造成層間電路的互連錯(cuò)位，從而影響電路的性能，甚至使得電路失效，如圖9所示。在早期的LTCC工藝中較多使用手工疊片的方式，隨著LTCC電路印刷 線路和通孔尺寸的縮小，手工疊片對(duì)位的精度逐漸滿足不了工藝要求，現(xiàn)在普遍采用自動(dòng)化的疊片設(shè)備，主要由CCD攝像頭、一個(gè)XY-θ平臺(tái)和一個(gè)固定平臺(tái)組 成，通過校準(zhǔn)生瓷片上的對(duì)位孔和攝像頭的中心軸，作為對(duì)位的標(biāo)準(zhǔn)光軸，將生瓷片放在XY-θ平臺(tái)上并調(diào)整位移和角度，使對(duì)位孔中心和標(biāo)準(zhǔn)光軸重合，從而達(dá) 到精確對(duì)位的效果，目前自動(dòng)化疊片設(shè)備的層間對(duì)位精度可以達(dá)到10 μm以下。

　　層壓是將疊片完成的生瓷片通過單軸壓或者等靜壓，使其成為致密的整體，本文中濾波器制作工藝中采用等靜壓的方式，先將疊片完成的生瓷片真空包封在防 水的袋中，然后放入等靜壓層壓機(jī)的壓力水腔進(jìn)行層壓。層壓的基本參數(shù)是壓力和溫度，本文中使用的工藝條件為壓力21 MPa,層壓溫度70 ℃，先預(yù)熱5 min,然后升壓至層壓壓力，層壓時(shí)間13 min.層壓過程中最大的問題是分層，分層會(huì)導(dǎo)致基板燒結(jié)后產(chǎn)生分層斷裂和缺陷變形。為了防止分層現(xiàn)象，需要根據(jù)產(chǎn)品的特性優(yōu)化層壓的條件，包括壓力、溫 度、時(shí)間等參數(shù)。

　　5 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一種小型化的LTCC低通濾波器，通過對(duì)濾波器原理圖的分析和仿真，建立了低通濾波器三維電路物理模型并完成三維電磁場仿真，濾波器采用 集總參數(shù)形式的多層螺旋結(jié)構(gòu)電感和VIC電容設(shè)計(jì)，采用14層生瓷片結(jié)構(gòu)，尺寸面積為3.2 mm×1.6 mm×1.4 mm.重點(diǎn)分析了LTCC低通濾波器電路版圖設(shè)計(jì)和工藝流程中的一些關(guān)鍵問題，并在LTCC工藝線上完成濾波器的加工，濾波器電路的實(shí)物圖如圖10所示。 900M小型化LTCC低通濾波器可廣泛應(yīng)用于無線移動(dòng)通信系統(tǒng)中。