小型化LTCC低通濾波器設計與制造工藝研究

　　4 關鍵工藝研究

　　LTCC工藝最大的難點在于工藝參數的敏感性、加工結果的非直觀性和燒結后基板的不可返工性。對于具體的產品基板，因材料、尺寸、層數、結構、圖形 分布、后燒狀態等的不同，往往需要通過多輪次的實際產品加工參數調整與漸進優化，才能得到很滿意的LTCC基板，尤其是燒結、層壓的工藝參數，對基板的質 量影響很大。期望獲得合格、高質量、高性能的LTCC基板，除了嚴格控制各個加工工序的材料、環境、參數、過程外，還必須在疊片前檢驗剔除不合格的生瓷片 層，在燒結后監控基板的收縮率、密度、強度、平整度、通斷狀態等關鍵指標.

　　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電漿料。此外，在某些高頻的電路設計中，還需要屏蔽孔，起到電磁 屏蔽的作用。LTCC設計中通常使用0.1 mm、0.15 mm、0.2 mm三種規格的通孔作為信號通孔。由于在工藝流程中會產生一定的誤差，使用過小的通孔會導致層間互聯通孔的連接變差，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，所以通常設計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通孔。本文中設計的濾波器中都采用0.2 mm的通孔。填充工藝中出現的問題主要有兩種，一是填充漿料過多，漿料溢出漫延會對產品的性能和可靠性造成影響，甚至造成電路短路，導致產品失效;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，根據生瓷片厚度以及填充漿料的特性，通過反復的實驗，選擇合適的填充壓力和加壓時間，最終取得良好的 填充效果，如圖7所示。

　　印刷是將設計好的電路圖形轉移到生瓷片的過程，在LTCC工藝中一般采用絲網印刷的方式將導體漿料印刷在生瓷片上。印刷是LTCC工藝中重要的一個 環節，印刷質量直接關系到最終電路的電性能，同時印刷也是LTCC工藝中最難控制的工藝環節，因為印刷質量和很多因素有關，主要包括：

　　(1)絲網規格;

　　(2)印刷過程條件;

　　(3)導體漿料特性;

　　(4)絲網特性。

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

　　4.2 疊片和層壓

　　疊片是將印刷和填孔后的單個生瓷片通過校位疊片后進行熱壓，使多張生瓷片結合成為一體，疊片的精度是保證三維電路連接準確不可或缺的工序，疊片精度 差會造成層間電路的互連錯位，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，手工疊片對位的精度逐漸滿足不了工藝要求，現在普遍采用自動化的疊片設備，主要由CCD攝像頭、一個XY-θ平臺和一個固定平臺組 成，通過校準生瓷片上的對位孔和攝像頭的中心軸，作為對位的標準光軸，將生瓷片放在XY-θ平臺上并調整位移和角度，使對位孔中心和標準光軸重合，從而達 到精確對位的效果，目前自動化疊片設備的層間對位精度可以達到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的壓力水腔進行層壓。層壓的基本參數是壓力和溫度，本文中使用的工藝條件為壓力21 MPa,層壓溫度70 ℃，先預熱5 min,然后升壓至層壓壓力，層壓時間13 min.層壓過程中最大的問題是分層，分層會導致基板燒結后產生分層斷裂和缺陷變形。為了防止分層現象，需要根據產品的特性優化層壓的條件，包括壓力、溫 度、時間等參數。

　　5 結論

　　本文設計了一種小型化的LTCC低通濾波器，通過對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 集總參數形式的多層螺旋結構電感和VIC電容設計，采用14層生瓷片結構，尺寸面積為3.2 mm×1.6 mm×1.4 mm.重點分析了LTCC低通濾波器電路版圖設計和工藝流程中的一些關鍵問題，并在LTCC工藝線上完成濾波器的加工，濾波器電路的實物圖如圖10所示。 900M小型化LTCC低通濾波器可廣泛應用于無線移動通信系統中。