[發(fā)明專利]一種用于單膜層LTCC內(nèi)埋腔體結(jié)構(gòu)的制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410125711.1
• 申請日: 2014-03-28
• 公開（公告）號: CN103922869A
• 公開（公告）日: 2014-07-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 嚴英占;唐小平;盧會湘;黨元蘭;趙飛;李攀峰;馮子卉;武云超
• 申請（專利權(quán)）人: 中國電子科技集團公司第五十四研究所
• 主分類號: C05G5/00
• 分類號: C05G5/00
• 代理公司: 河北東尚律師事務(wù)所 13124
• 代理人: 王文慶

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微機械結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域，特別涉及一種在低溫共燒陶瓷（LTCC）基板上實現(xiàn)單膜層內(nèi)埋腔體結(jié)構(gòu)的制造方法。

技術(shù)背景

低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)是上世紀八十年代發(fā)展起來的無源元件集成電路技術(shù)。多層LTCC基板技術(shù)能將部分無源元件集成到基板中，使其具有高速、高頻、高密度、高可靠性等優(yōu)點，有利于系統(tǒng)小型化，在提高電路組裝密度的同時提高系統(tǒng)可靠性，因此被廣泛應(yīng)用于微波通信、航空航天和軍事電子等領(lǐng)域。

近年來，除了在電子技術(shù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，LTCC技術(shù)也逐漸被應(yīng)用到傳感器、執(zhí)行器以及微系統(tǒng)等其他應(yīng)用領(lǐng)域中。這些應(yīng)用主要得益于LTCC基板良好的電學(xué)和機械性能，使得基于LTCC的微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具備高可靠性和高穩(wěn)定性。更重要的是，應(yīng)用LTCC技術(shù)，使一次性制造三維（3-D）微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)成為可能，為實現(xiàn)更便捷的片上微系統(tǒng)制造提供了一種可行方案。其制造的靈活度高、成本低、周期短、標準化制造等優(yōu)點吸引了眾多研究者的目光，成為近年來LTCC技術(shù)研究的新熱點。

為實現(xiàn)微系統(tǒng)的不同功能，3D-LTCC結(jié)構(gòu)中多包含腔體、通道以及膜層等多種不同結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)，不僅可以在微波電路應(yīng)用中實現(xiàn)芯片內(nèi)埋，還可以在微系統(tǒng)應(yīng)用中構(gòu)建復(fù)雜功能結(jié)構(gòu)，例如：高功率器件底面的散熱流體通道結(jié)構(gòu)、微反應(yīng)器中的反應(yīng)腔室、電容傳感器中的電容腔以及微燃料器中的燃燒室、LTCC貼片天線等等。

單膜層LTCC內(nèi)埋腔體是LTCC腔體的一種，其是在LTCC基板內(nèi)部制造的內(nèi)埋腔體結(jié)構(gòu)，其最主要的特點是頂層僅僅具有一層LTCC瓷片，即單膜層結(jié)構(gòu)。該腔體結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，包含腔膜層、腔壁層以及腔基底層三個主要部分。得益于單膜層結(jié)構(gòu)良好的力學(xué)敏感性以及內(nèi)部制造的懸空結(jié)構(gòu)，單膜層LTCC內(nèi)埋腔體在LTCC三維結(jié)構(gòu)制造以及電容式膜層傳感器以及內(nèi)置腔貼片天線等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

由于單膜層LTCC內(nèi)埋腔體結(jié)構(gòu)的特殊性，該結(jié)構(gòu)制造集中了腔體制造和膜層制造兩個技術(shù)難點：一方面，內(nèi)埋腔體結(jié)構(gòu)在制造中要保持腔體結(jié)構(gòu)不變形；另一方面，單膜層的頂蓋平整度在制造中難以保證。而腔體尺寸以及膜層的平整性是影響其在各領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。

目前，國際上針對該類腔體制造常用采用的制造流程如圖2所示。在此制造流程中，首先依次進行基片材料的下料老化—沖孔—填孔—印刷以及腔體沖制等工序。待每片瓷片制作好之后，借助各層之間的對位標記按照結(jié)構(gòu)順序依次實現(xiàn)多層瓷片之間的層疊。疊片完成之后，進行溫水等靜壓的層壓步驟。層壓的目的是為了使基板在均勻壓力下緊密結(jié)合成一個整體。對于單膜層LTCC內(nèi)埋腔體來說，其腔體內(nèi)部有一個空腔“缺陷”，若將內(nèi)部“空虛”的LTCC多層基板直接放入高壓環(huán)境中，會破壞腔體乃至整個基板。為解決上述問題，常用下述處理方法：在疊片階段，首先在單膜層腔體蓋疊片前，應(yīng)用犧牲層材料填入腔體，將帶有“腔缺陷”的LTCC基板改進為平整的平面基板。然后實施單膜層腔體蓋的疊片操作。接下來進行層壓處理。在層壓階段，犧牲層對腔體結(jié)構(gòu)進行保護，避免了腔體結(jié)構(gòu)的變形。常用的犧牲層材料有石墨基材料、礦石材料、有機材料等不同體系。在LTCC基板燒結(jié)成瓷階段，犧牲層材料在高溫條件下氧化成氣態(tài)，通過尚未燒結(jié)致密膜層的微通孔排出基板結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)了單膜層LTCC內(nèi)埋腔體的制造。

應(yīng)用“添加犧牲層”的方法雖然可以實現(xiàn)單膜層LTCC內(nèi)埋腔體的制造，但是在制造實施中卻存在以下幾個與“高制造復(fù)雜度”相關(guān)的缺點：

1）犧牲層材料的選擇及制備。犧牲層材料首先要具備可塑性，才能實現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)腔體的填充。此外，犧牲層材料要在高溫下能夠完全氧化成氣體排出LTCC基板外。

2）帶有犧牲層LTCC基板的燒結(jié)曲線調(diào)節(jié)。若能在LTCC基板燒結(jié)中實現(xiàn)犧牲層材料的氧化，同時保證單膜層內(nèi)置腔頂層蓋的平整性，需要調(diào)節(jié)燒結(jié)曲線。常用的方法是首先對犧牲層材料最熱重分析，得到其在不同溫度下的氧化速度。然后，結(jié)合其熱重分析結(jié)果對LTCC基板的燒結(jié)曲線進行調(diào)整。若犧牲層材料的氧化溫度較低（低于LTCC基板燒結(jié)中排膠階段的溫度），則會在燒結(jié)成瓷階段中使單膜層失去支撐，易造成塌陷的內(nèi)置腔。若犧牲層材料的氧化溫度過高（高于LTCC基板燒結(jié)中開始致密化的溫度點），則會在蓋層成瓷后犧牲層繼續(xù)氧化，易導(dǎo)致表面“鼓起”的內(nèi)置腔，嚴重時還會在腔內(nèi)留下較多的犧牲層殘余。

3）制作中需要犧牲層材料填充的額外操作，降低制作效率。

4）添加犧牲層材料中容易對LTCC腔體造成破壞。

發(fā)明內(nèi)容