复合双性LTCC材料基础研究

随着电子技术在自动化、工业控制、医学、航天航空和日常生活等领域的广泛应用,高密度、宽温域、小尺寸、多功能、高品质等特性日益成为其发展的必然趋势,同时这些特性给传统封装技术及工艺带来了巨大的挑战。在众多的封装技术中,低温共烧陶瓷LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)技术成为了国际研究的焦点,因为利用LTCC技术制备的产品不仅能具备高电流密度、小体积,而且还具备高可靠性和优良的电性能、传输特性及密封性。LTCC技术是一种先进的混合电路封装技术。它将四大无源器件,即变压器(T)、电容器(C)、电感器(L)和电阻器(R)集成,配置于多层布线基板中,与有源器件(如:功率MOS、晶体管和IC电路模块等)共同集成为一完整的电路系统。因此LTCC技术又称为混合集成技术,它能有效地提高电路的封装密度及系统的可靠性。笔者围绕LTCC技术中的低温共烧铁氧体LTCF(Low Temperature Co-fired Ferrite)材料,采用理论、实验及应用三位一体的研究模式,开发了一种新型LTCC复合介质材料,不但对该材料的复合机理进行了理论模拟而且对其在LTCC滤波器中的应用展开了研究。笔者在理论模型、材料制备和器件设计上做了一些探索性和创新性的工作,具体内容如下:(1)探索性地建立了针对LTCC陶瓷的低温烧结模型。模型基于液相烧结理论,以液相在晶粒边界引起的毛细管压力及溶解–淀析过程中化学势能的变化为烧结驱动力,将烧结温度、时间与烧结后的最终晶粒大小、相对密度联系起来,模拟出低温烧结动态过程中相对密度的变化趋势。(2)首次提出铁电–铁磁复合材料的复合理论并给予了系统的分析。讨论了复合材料中两相成分的化学结构及电磁性能在理论上对复合可能性的影响,根据材料的微观结构建立了复合模型,模型中假设铁电相均匀分布于铁磁相晶粒表面,并和气孔一起形成非磁性薄层将铁磁晶粒之间隔断,使铁磁颗粒孤立。通过对复合结构中铁磁晶粒内场变化的分析,推导出复合材料铁电/铁磁成分比与复合磁导率的关系方程;另外,利用微观结构中电流流通的等效电路,推导得到不同铁电/铁磁成分比时复合材料复数介电常数与频率的关系表达式。(3)研究了工艺条件对材料电磁性能的影响。按照工艺流程改变工艺参数预烧温度、二次球磨时间、烧结曲线中升温降温速度、烧结温度和保温时间,通过SEM、XRD等分析手段了解改变工艺参数对铁氧体材料微观结构的影响规律,通过对材料介电常数频谱、磁导率频谱及品质因数的测量得知工艺参数对材料电磁性能的影响规律,根据实验数据结果得到最佳铁氧体烧结工艺参数。(4)研究了不同掺杂离子及助熔剂的加入对低温烧结铁氧体LTCF材料的微观结构及电磁性能影响。首先研究了不同MnCO3和CuO含量对NiZn铁氧体烧结特性、微观结构及电磁性能的影响,首次发现了掺杂Mn离子的NiZn铁氧体其电磁性能对烧结温度具有敏感性。其次研究了不同助熔剂Bi2O3、WO3和Nb2O5对NiCuZn铁氧体烧结特性、微观结构及电磁性能的影响,实验揭示W6+对材料微观结构的改善;最后对低温NiCuZn铁氧体进行改性掺杂,研究稀土氧化物CeO2对其微观结构及电磁性能的影响,并给出NiCuZn铁氧体掺杂稀土元素时的磁频谱及介频谱。(5)开发了一新型的基于不同低温烧结NiCuZn铁氧体与高介电常数(BaTiOk+X)钙钛矿的具有电感、电容双性的铁电–铁磁复合材料,研究了不同铁电–铁磁含量对各组复合材料微观结构及电容电感双性的影响。并研究了不同助熔剂Bi2O3、WO3和Nb2O5对其烧结特性、微观结构及电容电感双性的影响。最后对复合材料进行稀土掺杂改性,研究稀土氧化物CeO2对其微观结构及电容电感双性的影响。(6)设计并制作出两种使用LTCC复合双性材料的3G通讯设备用带通滤波器。采用Ansoft HFSS电磁仿真软件对所建立的滤波器模型进行模拟仿真,通过调节滤波器结构参数使滤波器各性能指标达到要求,并实现生产制备。制得带通中心频率3.5 GHz,插损<2.8 dB,带宽>400 MHz,阻带衰减大于35 dB的微带式带通滤波器和带通中心频率1.4 GHz,插损<3 dB,带宽>160 MHz,阻带衰减大于30 dB的LC式带通滤波器。

超小型的片式LTCC滤波器设计

针对微波设备小型化需求,利用低温共烧陶瓷(LTCC)技术,建立了小型化的LTCC电感和LTCC电容模型,并设计了内埋置LTCC电感和电容的片式L频段集总型带通滤波器,同时为了满足高频应用,设计了X频段分布带状线LTCC带通滤波器,通过用电磁场仿真软件ANSYS HFSS对滤波器进行建模及三维仿真优化,加工实现,制成的L和X频段LTCC带通滤波器的插入损耗分别<2.5 d B和<3 d B,体积分别为6 mm×3 mm×1.1 mm和3.1 mm×2 mm×1.1 mm,小型化效果明显。

一种L波段新型LTCC滤波器的实现

基于滤波器技术指标,综合分析低温共烧多层陶瓷(LTCC)滤波器中集总、分布两种设计方案的优劣势,提出了一种集总元件和分布元件结合的电路,即两端电路采用集总元件,中间电路采用分布元件,并在建模中优化了元件特性。经过三维电磁软件仿真与工艺加工制作,发现该集总元件和分布元件结合的设计实现了L波段11%相对带宽下插入损耗3 dB以内,回波损耗20 dB以上,近端抑制60 dB以上,远端至X波段无明显寄生通带。测试结果、电路仿真结果和电磁场仿真结果一致性良好。

基于对称型双谐振电路的LTCC温湿传感器

为了实现高温、恶劣环境下温度和湿度复合参数测量,设计了一种基于对称型双谐振电路的双参数传感器。该传感器采用了一种独特的对称型双谐振电路,可解决多参数间物理性串扰的难题。首先通过高频结构模拟器(HFSS)对传感器电场进行仿真,采用低温共烧陶瓷(LTCC)技术对传感器进行制备,最后搭建温度和湿度平台测试并验证了传感器的可行性。测试结果表明,两个被测参数的谐振频率彼此完全独立、解耦,其中传感器的最高测试温度为500℃,随着温度的升高,温度灵敏度逐渐升高,在25~300℃、300~400℃和400~500℃范围内,温度灵敏度分别约为0.0116、0.0259和0.0493 MHz/℃,湿度灵敏度约为0.043 MHz/%RH,传感器对温度和湿度测量均表现出了良好的敏感特性。

国产G200型LTCC生瓷带应用研究

为了推动低温共烧陶瓷(LTCC)生瓷带的国产化进程,同时系统深入地研究国产LTCC生瓷带的工艺加工性能和工程化应用,以进口LTCC浆料和自主研发的G200型LTCC生瓷带为研究对象,采用LTCC工艺制作测试基板,设计一系列应用验证实验方案,测试并研究G200型LTCC生瓷带的印刷精度、尺寸稳定性、烧结收缩率以及浆料共烧匹配性等关键性能。通过优化生瓷带的预热工艺、导体印刷等工艺参数,选择合适的基板放大系数及基板层数,使制作的LTCC基板产品达到实际应用要求。

一种大尺寸LTCC基板钎焊型铝硅金属外壳的设计

本文阐述了大尺寸LTCC基板钎焊型铝硅金属外壳设计的基本要点,并通过有限元分析和试验相结合的方式,论证了设计要点的合理性。研究结果表明,合理的设计应是限定激光封焊区域的宽度和深度,同时增加铝硅外壳钎焊区域的厚度。

纳秒/皮秒激光加工CaSiO_(3) LTCC的可行性对比研究

围绕硅酸钙低温共烧陶瓷叠层基板难加工的问题,对比纳秒和皮秒激光加工对CaSiO_(3) LTCC的影响、激光作用后的成分以及不同激光参数下CaSiO_(3) LTCC的烧蚀特性,通过硬度变化评价两种激光加工的可行性。结果表明:两种激光加工后的区域皆呈现出粉末层及重铸层的叠加,重铸层产物均为CaSiO_(3),皮秒激光加工后的形貌优于纳秒加工后的形貌;纳秒和皮秒的烧蚀深度分别在97.2~442.6μm和161.7~461.7μm范围内,随激光功率的增加以及速度和填充间距的减小,烧蚀深度基本呈线性增加的趋势,激光功率是影响烧蚀深度的主要因素;皮秒激光作用后的表面粗糙度整体比纳秒激光更低,化学铣切后最小可达6.41μm;纳秒作用后表面热影响区硬度分别下降72.0%~77.2%,较皮秒激光加工更利于后续机加工处理。

基于LTCC工艺的YIG调谐滤波器小型化驱动器

提出了一种YIG调谐滤波器专用、基于低温共烧陶瓷(LTCC)工艺的小型化驱动器,其采用系统化封装SIP方案,体积缩小至常规小型化驱动器的1/4,以LTCC工艺技术制作的陶瓷基板为主载板、氮化铝基板为大功率元件载板,通过高密度SIP集成电容、电阻、集成电路裸芯的方式,实现驱动器的小型化。通过对基板特性分析、热源的计算与仿真、电流温度补偿,有效解决了小型化驱动器的电流温度漂移,使其电流温度漂移小于±0.5 mA,驱动器对YIG调谐器件(滤波器调谐灵敏度为20 MHz/mA)的频率温度漂移影响值小于±10 MHz,满足了YIG调谐器件的小型化驱动需求。

基于LTCC技术的TR组件失效分析

对某Ku频段4通道TR组件在后续客户使用过程中出现的异常导通现象,进行故障定位。通过机理分析与各种检测手段,认为在电磁场、温度、湿度等综合应力作用下LTCC基板内部存在银离子迁移导致的绝缘电阻下降甚至短路等失效模式是造成该TR组件异常导通的根本原因。根据分析结果,提出改进措施。

Ka波段LTCC一体化集成基板的关键技术

Ka波段LTCC一体化集成基板由于工作频率高,对LTCC基板加工工艺和加工精度提出了更高的要求。通过对LTCC基板制造关键工艺的分析、改进和优化,实现了高精度高可靠的LTCC基板制造。通过Ka波段LTCC基板研发工艺和测试平台的建设,部分关键指标有所提高,满足了毫米波段产品的批量生产对产品一致性和可靠性的较高需求。

基于压力辅助烧结方法改善LTCC基板翘曲的研究

低温共烧陶瓷(LTCC)基板普遍存在翘曲问题。由于不同材料和结构的LTCC基板的翘曲存在差异性,基于基板材料和结构方面改善翘曲的办法存在一定的局限性。提出1种新型的压力辅助烧结方法,该方法通过将耐高温压片和LTCC基板相结合,能够有效改善基板翘曲,同时满足基板的可靠性要求。不同厚度的耐高温压片能够平衡基板翘曲和扭曲之间的关系,从而确保LTCC基板形态稳定。压力辅助烧结方法为改善LTCC基板翘曲提供了新的思路。

LTCC基板微通道进出口布局结构散热性能仿真分析

微通道作为微集成系统的主流散热渠道,与其结构相关的多种因素会影响系统的散热性能,进而影响整个系统的正常工作。为研究微通道流体进出口布局结构对微系统散热性能的影响,采用ANSYS有限元数值仿真软件建立了一种采用LTCC基板的微波TR组件三维有限元模型,通过仿真分析研究了该组件微通道流体4种进出口布局结构的散热性能。研究结果表明,4种微通道流体进出口布局结构中通道内流体在进水口处的压强最大,在出水口处的压强最小;对角方式进出口布局结构中流体压强损失最大,流速、压强分布均匀性相对较差,中间方式进出口布局结构中微通道内流体的流速、压强分布相对其他3种较均匀,整体的压强损失最小。在边界条件一致、组件芯片功率相同的情况下,4种流体进出口布局结构仿真结果表明中间方式的微通道进出口布局结构整体热量分布较均匀,没有出现明显的热量集中现象,综合散热性能较好。

基于LTCC工艺的蓝牙天线设计与制造

分析了LTCC工艺对射频器件性能的影响,并在优化LTCC工艺的基础上设计并制作了一款蓝牙芯片全向天线。通过工艺的控制,天线批量一致性好,成品率在85%以上。测试结果表明,天线增益为1.6 dB,较好地符合了设计值。该天线尺寸小(6.0 mm×2.0 mm×1.2 mm),质量轻,带宽大(–10 dB带宽为100 MHz)、易于批量生产,适应用于各种高灵敏度、低剖面的蓝牙无线收发模块。

LTCC生瓷带基本性能检测方法研究

在梳理归集LTCC生瓷带烧结前与烧结后的主要性能指标的基础上,总结了LTCC生瓷带产品的性能要求。说明了性能检测的条件。研究提出了LTCC生瓷带的表面质量及几何、力学、电学、热学相关的外形尺寸、表面粗糙度、平整度、尺寸稳定性、剥离强度、抗拉强度、抗弯强度、杨氏模量、密度、介电常数、损耗因子、体电阻率、热导率、热膨胀系数等重点性能指标检测的样品制备与方法步骤。所论述的检测方法具有很强的实用性和一定的平台关联性。

浅谈LTCC工艺及设备的发展

低温共烧陶瓷(LTCC)技术作为一种新兴的集成封装技术,已成为无源集成的主流技术,在微电子封装陶瓷基板领域得到非常广泛的应用,并随着陶瓷基板集成度的不断提高,对工艺和设备的要求也在发生变化。本文就多个关键工序中工艺和设备的发展趋势进行了研究,并提出了一些工艺难点的解决办法。

一种新型宽带小型化低损耗LTCC滤波器

根据滤波器技术要求,从原理层面将滤波器电路与数学公式相结合。通过广义切比雪夫函数确定了传输零点的频率再通过输入导纳公式确定了产生传输零点的元件取值,进而得到滤波电路。同时,证明了传输零点的添加不会改变通带特性。基于低温共烧多层陶瓷三维封装的工艺特性,对电路进行建模与分析,优化了滤波器电磁特性,最终得到封装尺寸为1206(3.2 mm×1.6 mm)的两款带通滤波器。滤波器30 dB矩形度(BW30dB/BW1dB)在1.75以内。低损耗的滤波器插入损耗在1.2 dB以内。高抑制的滤波器在1.68f0~2.5f0频率范围内,带外抑制在40 dB以上。该滤波器满足了无线通信系统对滤波器小型化、低损耗的要求。

低温共烧陶瓷(LTCC)技术在材料学上的进展

低温共烧陶瓷(LTCC)技术是近年发展起来的令人瞩目的整合组件技术,已经成为无源集成的主流技术,成为无源元件领域的发展方向和新的元件产业的经济增长点．本文叙述了低温共烧陶瓷技术(LTCC)的特点、制备工艺、材料制备相关技术和国内外研究现状以及未来发展趋势．

异质材料共烧匹配性调制在LTCC领域的研究进展

针对LTCC技术的特点,深入分析了LTCC中异质材料共烧匹配性的关键技术及其难点,研究后提出:通过调整粉体粒度,调整流延配比中有机物的含量、调节烧结制度、插入中间层,以及适量掺杂烧结助剂等方法对异质材料的共烧匹配性进行合理有效地调制,最终获得共烧界面结合完好,复合功能满足应用要求的多层结构及功能器件。

基于LTCC的无线无源压力传感器的研究

设计了一种基于低温共烧陶瓷(LTCC)的无线无源压力传感器,利用传感器谐振频率对不同应变的响应来表征传感器的应变特性,采用互感耦合的方式对传感器的谐振频率进行读取。搭建了压力测试平台,通过对天线特征参数的测试获取传感器的谐振频率,测试结果表明,基于LTCC的无线无源压力传感器的谐振频率随外界压力的增大而减小,谐振频率随压力的变化近似于线性变化,灵敏度约为543.12 kHz/bar。

低温共烧陶瓷技术(LTCC)与低介电常数微波介质陶瓷

简述了低温共烧陶瓷技术(LTCC)的特点及微波介质陶瓷实现低温共烧的性能要求,重点介绍了LTCC低介电常数微波介质陶瓷的分类及微波介电性能,分析和讨论了LTCC低介电常数微波介质陶瓷存在的问题,针对LTCC低介电常数陶瓷材料今后的发展方向提出了自己的看法。