国产LTCC材料微波基板特性分析*

谢廉忠，游 韬，王 锋

（南京电子技术研究所，江苏南京 210039）

引 言

为了减少收/发（Transmit/Receive, T/R）组件到有源相控阵雷达天线阵元的传输损耗，T/R组件要与阵元直接连接。载体为飞机、卫星、舰艇等的有源相控阵雷达天线还有天线阵面轻、薄的要求。这些要求都限制了T/R组件的体积和重量，需要T/R组件通过高度集成化技术达到孔径适装的要求。为了适应这一发展趋势，必须基于微波单片集成电路（Monolithic Microwave Integrated Circuit, MMIC）和微波多层电路基板实现T/R组件小型化和轻量化[1]。

低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic, LTCC）技术是美国休斯公司于20世纪80年代开发的新型材料技术，陶瓷材料的介电常数和介质损耗小，金属材料的电导率高，可以实现真正意义上的微波多层电路基板，是实现T/R组件小型化和轻量化的理想方法之一[2]。

由于LTCC技术涉及学科门类多，技术难度大，材料配方一直掌握在Dupont、Ferro等少数几家美国公司手中。近年来，随着国内材料技术的不断进步，越来越多的厂商参与了LTCC材料的开发，涌现出了不同品种的LTCC生瓷带和浆料[3-10]，这对打破LTCC材料垄断、推动LTCC技术发展起到了很好的作用。但是面临的问题也不少，不少厂商缺乏同时开展生瓷带和浆料研究的能力，即使有也缺乏工程化应用验证平台，严重制约了LTCC材料的工程化应用。

本文主要从工程应用的角度出发，对基于国产LTCC材料的微波多层电路基板的性能及可靠性进行了测试和分析，为国产LTCC材料的推广应用提供了参考。

1 微波基板性能及工程应用要求

1.1 微波基板材料匹配性能要求

LTCC微波多层电路基板由生瓷带和各种浆料组成，需要对生瓷带、浆料的匹配性能进行研究，否则会造成基板分层、通孔柱开裂、线条断路等问题，影响LTCC微波多层电路基板的质量。

1.2 微波基板组装工艺性能要求

首先在LTCC微波多层电路基板上采用焊接、胶接、金丝/金带键合等微组装工艺组装电阻、电容、MMIC、环形器等器件，然后采用复合封装材料实现气密封装，完成T/R组件的生产。LTCC微波多层电路基板的外形尺寸、翘曲度、键合力、附着力、可焊性、耐焊性等性能指标必须满足组装工艺要求。

1.3 微波基板微波性能要求

LTCC微波多层电路基板内部集成了功分器、耦合器、衰减器、负载电阻等无源器件，基板微波性能需要满足T/R组件技术要求。

1.4 微波基板可靠性能要求

LTCC微波多层电路基板在经过稳定性烘焙、温度循环、机械冲击、扫频振动等试验后无裂纹，通断合格。

2 实验

实验采用国产LTCC材料制作微波多层电路基板，其LTCC生瓷带和浆料信息详见表1。

表1 LTCC材料种类及用途

实验共分为4个部分：

1）制作测试基板，对生瓷带、浆料的匹配性能进行测试，要求生瓷带与浆料之间、浆料与浆料之间相互匹配，无分层、开裂、断路等问题；

2）制作LTCC微波多层电路基板以及工艺陪片，对基板的外形尺寸和翘曲度以及浆料键合力、附着力、可焊性、耐焊性等性能指标进行测试，测试结果满足组装工艺要求；

3）制作X波段T/R组件，对组件微波性能进行测试，要求LTCC微波多层电路基板的微波性能满足T/R组件技术要求；

4）对LTCC微波多层电路基板进行稳定性烘焙、温度循环、机械冲击、扫频振动等试验，要求基板无裂纹，通断合格。

3 结果与讨论

3.1 微波基板材料匹配性能

3.1.1 生瓷带与浆料之间匹配性能

瓷体与金通孔柱、银通孔柱（图1）、金银过渡通孔柱（图2）之间结合良好，没有出现孔洞、开裂等不良现象。瓷体与内部金导体、内部银导体（图1）之间结合良好，没有出现分层现象。

图1 瓷体、金/银通孔柱、导体间结合情况

图2 瓷体、金银过渡通孔柱、导体间结合情况

瓷体与埋置电阻间结合良好，如图3所示，没有出现分层现象。

图3 埋置电阻、瓷体、电极间结合情况

3.1.2 浆料之间匹配性能

内部金导体与金通孔柱（图1）、金银过渡通孔柱（图2）之间结合良好，没有出现断路现象。

内部银导体与银通孔柱（图1）、金银过渡通孔柱（图2）之间结合良好，没有出现断路现象。

可焊接金铂钯导体与金通孔柱（图1）之间结合良好，没有出现断路现象。

表面可键合金导体与金通孔柱之间结合良好，如图4所示，没有出现断路现象。

图4 表面可键合金导体与金通孔柱间结合情况

金通孔柱、金银过渡通孔柱、银通孔柱之间结合良好，如图5所示，没有出现孔洞、开裂等不良现象。

图5 通孔柱间结合情况

埋置电阻与电极间结合良好，如图3所示，没有出现分层、裂纹等不良现象。

3.2 微波基板组装工艺性能

3.2.1 外形尺寸

外形尺寸测试结果见表2，L,W分别为基板的长度和宽度，每片基板的长度和宽度各有2个测试值（L1,L2和W1,W2）。

表2 基板外形尺寸测试结果 mm

由式（1）计算得到基板收缩率公差＜±0.3%，满足工程应用要求。

式中：TL和TW分别为基板长度和基板宽度的公差；53.5 mm和29.7 mm分别为基板长度和基板宽度的目标值。

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3.2.2 翘曲度

翘曲度测试结果见表3，满足工程应用要求。

表3 基板翘曲度测试结果 μm/mm

3.2.3 键合力

键合力（25 μm金丝）测试结果见表4，失效模式为金丝脱落，满足工程应用要求。

表4 表面可键合金导体键合力测试结果 N

3.2.4 附着力

附着力（2.16 mm×2.16 mm、剥离）测试结果见表5，满足工程应用要求。

表5 可焊接金铂钯导体附着力测试结果 kg

按照GB/T 17473.7—2008测试可焊性和耐焊性，焊料为63Sn37Pb。可焊性测试：焊料温度为(230±5)°C，浸入时间为(5±1)s，导电膜接受焊料的面积不小于图形面积的9/10，则可焊性合格；耐焊性测试：焊料温度为(230±5)°C，浸入时间为(420±1)s，导电膜接受焊料的面积不小于图形面积的9/10，则耐焊性合格。测试结果见表6，均满足工程应用要求。

表6 可焊接金铂钯导体可焊性耐焊性测试结果

3.3 微波基板微波性能

采用微组装工艺完成T/R组件装配，并对T/R组件主要性能指标进行测试，测试结果见表7，基板微波性能满足T/R组件技术要求。

表7 T/R组件主要性能指标测试结果

3.4 微波基板可靠性

3.4.1 稳定性烘焙LTCC微波多层电路基板经150°C、24 h稳定性烘焙后没有开裂，通断测试合格。

3.4.2 温度循环

LTCC微波多层电路基板经-55°C→+125°C→-55°C共300次的温度循环后没有开裂，通断测试合格。

3.4.3 机械冲击

LTCC微波多层电路基板按GJB 548B进行机械冲击（条件B）后没有开裂，通断测试合格。

3.4.4 扫频振动

LTCC微波多层电路基板按GJB 548B进行扫频振动（条件A）后没有开裂，通断测试合格。

4 结束语

虽然LTCC材料尤其是高频LTCC材料的开发难度很大，但是经过努力，国内生瓷带和浆料的研究均取得了较大成效。国产LTCC材料间有较好的匹配性能，基于国产LTCC材料的微波多层电路基板能够满足组装工艺要求，基板微波性能满足X波段T/R组件技术要求，基板可靠性满足工程应用要求，可以实现国产LTCC材料的工程化应用。