徐美娟，楊士成，李?yuàn)櫇?，?旭

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

隨著星載微波單機(jī)小型化和集成化程度的不斷提高，T/R組件產(chǎn)品中開始大量應(yīng)用LTCC基板。LTCC技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于：可以在高頻段使用，內(nèi)部可埋置電容、電感、電阻等無源器件，實(shí)現(xiàn)一個(gè)準(zhǔn)三維封裝的電路。特別是與HTCC等同類技術(shù)相比，可埋置電阻是其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以大大減少表貼元器件的數(shù)量，節(jié)約表面空間，從而進(jìn)一步縮小組件的重量與體積，提高組件可靠性。在T/R組件產(chǎn)品中，功分器中的隔離電阻、衰減器電阻及負(fù)載電阻等，對(duì)電阻精度要求相對(duì)不高，無需精調(diào)就可以滿足使用需求，適合采用LTCC埋置電阻技術(shù)實(shí)現(xiàn)[1]。

然而，埋置電阻阻值的精確控制一直是業(yè)內(nèi)難題。一方面是因?yàn)殡娮铦{料體系復(fù)雜，本身的研制難度大[2]，出廠時(shí)批次一次性不佳，工藝條件難以固化；另一方面LTCC基板加工流程復(fù)雜，埋置電阻的阻值影響因素頗多，電阻的材料、方數(shù)、尺寸、膜厚、形貌、壓合條件、燒結(jié)條件等對(duì)其均有影響；LTCC埋置電阻在制造過程中不可測(cè)，燒結(jié)完成后又不可調(diào)，一旦出現(xiàn)阻值不合格，產(chǎn)品只能報(bào)廢。因此國內(nèi)各LTCC生產(chǎn)線雖然都具備含埋置電阻LTCC基板的加工能力，但普遍存在合格率不高的問題。國內(nèi)專家在埋置電阻制作及精細(xì)控制方面做了大量的工作，同時(shí)對(duì)埋置電阻設(shè)計(jì)的原則、印刷條件、熱壓條件、燒結(jié)條件及埋置深度等對(duì)埋置電阻阻值的影響、LTCC電阻穩(wěn)定性控制等方面也做了大量的研究[2-15]。但在這些研究中,關(guān)于材料特性對(duì)阻值影響的研究較少，對(duì)加工工藝的研究通常也只側(cè)重個(gè)別控制點(diǎn)對(duì)阻值的影響，通過對(duì)個(gè)別工藝參數(shù)的調(diào)整來控制電阻精度，但未能識(shí)別不同電阻材料的差異，提出有針對(duì)性的阻值調(diào)控方法及系統(tǒng)的解決方案。本文針對(duì)這個(gè)問題，優(yōu)化了埋置電阻的加工流程，創(chuàng)新性地提出一種埋置電阻激光修調(diào)的方法，為其精確控制提出了系統(tǒng)的解決方案。

1 埋置電阻影響因素分析

內(nèi)埋電阻的結(jié)構(gòu)如圖1所示,電阻阻值的計(jì)算公式為：

R=ρ×L/S=ρ×L/(a×d)

(1)

其中，ρ為電阻率，L為電阻的長度，S為電阻的截面積，d為電阻燒結(jié)膜厚，a為電阻寬度。

(a)俯視圖 (b)剖面圖

從式(1)可以看出，電阻阻值最終主要由電阻材料的電阻率ρ、電阻的方數(shù)L/a以及電阻的膜層厚度d共同決定。其中，電阻材料的電阻率ρ由燒成后的導(dǎo)電鏈決定。決定導(dǎo)電鏈結(jié)構(gòu)的條件主要有：電阻漿料特性、熱壓壓力以及共燒條件。電阻的方數(shù)L/a由設(shè)計(jì)決定。電阻的厚度d也是直接影響電阻值的重要因素，由生產(chǎn)過程對(duì)于電阻漿料的厚度控制來決定。

方數(shù)對(duì)電阻的影響較為簡單明確，而熱壓壓力及共燒條件對(duì)電阻值的影響已有專家開展過專項(xiàng)研究[4,8]，此處不再贅述。本章主要對(duì)原材料及膜厚對(duì)電阻精度的影響進(jìn)行分析。

1.1 原材料對(duì)電阻值的影響

在研究中發(fā)現(xiàn)，電阻漿料實(shí)測(cè)方阻與標(biāo)稱方阻往往存在差異。根據(jù)廠家提供的技術(shù)條件，對(duì)兩種典型材料體系的新到電阻漿料方阻進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所列，部分電阻的實(shí)測(cè)與標(biāo)稱方阻接近，但有一部分電阻的實(shí)測(cè)方阻與標(biāo)稱方阻的偏差極大，甚至超過了50%。因此，原材料的實(shí)測(cè)方阻與標(biāo)稱方阻差異會(huì)對(duì)電阻的加工精度造成極大的影響。

表1 電阻方阻實(shí)測(cè)值

同時(shí)，實(shí)測(cè)方阻與漿料的使用情況也有關(guān)系，隨著電阻漿料使用頻次增加或時(shí)間延長，玻璃相與釕化物的比例會(huì)逐步發(fā)生變化，因此電阻率也會(huì)發(fā)生變化，表現(xiàn)出來的實(shí)測(cè)方阻也會(huì)隨之發(fā)生改變。如圖2所示，A材料10 k方阻同批次新、舊漿料制作的58 kΩ電阻，兩個(gè)電阻的平面尺寸相同，表2是兩個(gè)電阻膜厚實(shí)測(cè)值的對(duì)比，從表2中可以看出，舊漿料電阻膜層厚度約是新漿料的1.7倍，這意味著隨著漿料使用次數(shù)的增加，電阻率已變?yōu)榱嗽瓉淼?.7倍。因此，使用過程中電阻材料變化對(duì)電阻精度的影響也不可忽視。

表2 新舊電阻漿料對(duì)比

(a)新漿料

1.2 電阻厚度對(duì)電阻值的影響

按照經(jīng)典理論，電阻值與電阻膜厚成反比，即電阻值隨膜厚的增長呈線性下降。但在驗(yàn)證試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，LTCC電阻由于其特殊的結(jié)構(gòu)，電阻值與電阻膜厚呈非線性關(guān)系。以A材料體系的10 kΩ/□電阻為例，電阻合格率非常低，只有60%左右。這是因?yàn)楫?dāng)濕膜厚度在30 μm以下時(shí)，電阻值會(huì)隨膜厚的減薄迅速惡化，電阻膜厚減薄1/5，理論上電阻值應(yīng)增大1.25倍，但實(shí)際電阻值增大了3倍，電阻控制難度極大。因此膜厚對(duì)電阻值的影響尤為關(guān)鍵。

2 埋置電阻精確控制方案

根據(jù)前面的分析，影響埋置電阻精度的因素主要有：1)電阻實(shí)測(cè)方阻；2)電阻的方數(shù)；3)電阻的膜厚；4)熱壓條件；5)燒結(jié)條件。

其中，熱壓條件對(duì)阻值的影響較小，且熱壓條件的改變通常會(huì)導(dǎo)致收縮率變化，影響產(chǎn)品其他性能，因此不建議通過調(diào)熱壓條件來進(jìn)行電阻控制。同理，燒結(jié)條件的變化雖然對(duì)電阻值會(huì)帶來較大的影響，但由于燒結(jié)條件變化會(huì)給收縮率、膜層附著力、可焊性、耐焊性帶來連鎖反應(yīng)，因此也不建議采用調(diào)節(jié)燒結(jié)條件的方式來控制電阻精度。

埋置電阻精度的影響因素雖多，但從根本上來說還是電阻的實(shí)測(cè)方阻與標(biāo)稱電阻之間的差異導(dǎo)致的?？s小這個(gè)差異最簡單、高效且可靠的方法，是根據(jù)電阻的實(shí)測(cè)方阻，進(jìn)行電阻方數(shù)與膜厚的補(bǔ)償，使電阻的最終值盡量接近設(shè)計(jì)值。同時(shí)，根據(jù)前一輪的電阻測(cè)試結(jié)果，可以修正下一輪電阻方數(shù)與膜厚，使結(jié)果得到不斷優(yōu)化。具體流程如圖3所示：

圖3 埋置電阻控制工藝流程

2.1 漿料方阻測(cè)試

埋置電阻的層數(shù)對(duì)阻值的影響不敏感，制作埋置電阻測(cè)試樣件時(shí)，可將電阻埋置在便于操作的層。如圖4所示，本次研究設(shè)計(jì)的通用方阻測(cè)試版，樣件總共為8層，只需2張生瓷片即可完成制作。電阻埋置于第五層生瓷表面，可測(cè)的電阻寬度為0.3～2 mm，方數(shù)為0.5～3.5 □，可覆蓋T/R組件LTCC基板制作的所有電阻需求。每批產(chǎn)品制作前，先制作樣件進(jìn)行漿料實(shí)時(shí)方阻的測(cè)試。選取寬度及方數(shù)接近設(shè)計(jì)值的樣本，記錄其濕膜及干膜厚度，測(cè)試最終電阻值，并根據(jù)式(1)計(jì)算實(shí)測(cè)方阻。實(shí)測(cè)方阻RS及其制作過程中的濕膜與干膜厚度將作為電阻實(shí)際加工時(shí)的依據(jù)。

2.2 電阻方阻補(bǔ)償

根據(jù)方阻測(cè)試結(jié)果，對(duì)電阻進(jìn)行方數(shù)補(bǔ)償。定義：

方阻偏差率=(實(shí)測(cè)方阻-標(biāo)稱方阻)/標(biāo)稱方阻×100%

(2)

電阻值偏差率=(實(shí)測(cè)電阻值-設(shè)計(jì)電阻值)/設(shè)計(jì)電阻值×100%

(3)

制定以下補(bǔ)償方案：1)方阻偏差率不超過±20%的，不在工藝出圖中進(jìn)行加工方數(shù)補(bǔ)償，僅通過膜厚調(diào)節(jié)來控制實(shí)測(cè)電阻即可。2)方阻偏差率超過±20%的，則在工藝出圖時(shí)進(jìn)行加工方數(shù)補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)脑瓌t是，按電阻的實(shí)測(cè)方阻，調(diào)整電阻方數(shù)，使：

補(bǔ)償后方數(shù)/設(shè)計(jì)方數(shù)=1/(1+方阻偏差率)

(4)

經(jīng)補(bǔ)償后，電阻值偏差率將≤±20%。

圖4 電阻方阻測(cè)試版

2.3 電阻膜厚控制

阻值對(duì)膜厚不敏感的電阻，經(jīng)電阻方數(shù)補(bǔ)償后，可采用控制膜厚的方式進(jìn)行電阻的精確控制。濕膜厚度控制的原則如下：

1)對(duì)于電阻值偏差率在-10%～10%的電阻漿料，電阻值處于比較安全的區(qū)間，無需刻意調(diào)節(jié)膜厚，參考電阻方阻測(cè)試時(shí)的膜厚進(jìn)行膜厚控制即可。

2)對(duì)于電阻值偏差率在-20%～-10%的電阻漿料，考慮到實(shí)際制作時(shí)，印刷幅面較大，不同位置的印刷膜厚與方阻測(cè)試(單點(diǎn)精確監(jiān)控膜厚)時(shí)還是會(huì)有一定的偏差，電阻精度有一定的幾率突破下限-30%，因此此時(shí)可根據(jù)方阻測(cè)試的結(jié)果，將膜厚適度減薄10%～20%。

3)對(duì)于電阻值偏差率在10%～20%的電阻漿料，考慮到實(shí)際制作時(shí)，印刷膜厚與方阻測(cè)試時(shí)還是會(huì)有細(xì)微偏差，電阻精度有一定的幾率突破上限30%，此時(shí)可根據(jù)方阻測(cè)試的結(jié)果，將膜厚適度加厚10%～20%。

2.4 電阻修調(diào)

對(duì)于厚度敏感型電阻漿料，由于膜厚對(duì)阻值影響的非線性，膜厚變化與阻值之間的確切關(guān)系難以把控，通過膜厚來調(diào)整阻值的方法不可行。此時(shí)應(yīng)將電阻往負(fù)偏差控制，使電阻的最大變化范圍為0 Ω～設(shè)計(jì)值，并采取激光修調(diào)的方法對(duì)電阻的寬度進(jìn)行修調(diào)，使電阻值增大，就可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)值，從而降低電阻制作的難度。具體方法如下：

1)按補(bǔ)償原則進(jìn)行加工方數(shù)補(bǔ)償。

2)在方阻測(cè)試的濕膜厚度的基礎(chǔ)上將產(chǎn)品濕膜控制厚度提高10%左右，確保預(yù)算電阻值比小于設(shè)計(jì)值。

3)用圖4版圖開展試阻試驗(yàn)，測(cè)試并記錄干/濕膜厚度，測(cè)試并計(jì)算電阻值偏差率。

4)根據(jù)試阻試驗(yàn)?zāi)ず?，完成正式基片的印刷?/p>

5)對(duì)電阻的寬度進(jìn)行激光修調(diào),修調(diào)的尺寸按以下要求執(zhí)行：

修調(diào)后寬度=電阻當(dāng)前寬度×(1+電阻值偏差率) (5)

使用紫外激光進(jìn)行修調(diào)。開展試驗(yàn)摸索，確定激光修調(diào)最佳參數(shù)，如圖5(a)中2號(hào)溝道所示。此時(shí)既能確保將電阻漿料修調(diào)干凈，又不損傷瓷體，如圖5(b)所示。激光修調(diào)后瓷體損傷在2 μm以內(nèi)，相對(duì)瓷體總厚度114 μm來說幾乎可以忽略。

(a)激光修調(diào)參數(shù)摸索

3 結(jié)果與討論

采用上述方案，對(duì)控制難度最大的A漿料10 kΩ方阻電阻進(jìn)行試制，電阻分布如圖6所示，電阻的寬度均為1 mm。

圖6 電阻分布圖

首先，采用圖4中的方阻測(cè)試版，對(duì)漿料的實(shí)時(shí)方阻進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，1 mm寬的電阻，濕膜厚度控制在35 μm時(shí)，干膜厚度約17.5 μm，此時(shí)實(shí)測(cè)方阻為17 kΩ/□。

按照2.2及2.3章節(jié)的原則進(jìn)行加工方數(shù)的補(bǔ)償。經(jīng)計(jì)算，漿料的方阻偏差率=(17-10)/10×100%=70%。

補(bǔ)償后方數(shù)=1/(1+0.7)×設(shè)計(jì)方數(shù)=0.59×設(shè)計(jì)方數(shù)。為保持不同阻值電阻寬度的一致性，以提高印刷膜厚的一致性，通過電阻長度來進(jìn)行電阻方數(shù)的調(diào)整。調(diào)整后的電阻方數(shù)為原來的0.59倍。

考慮到該漿料對(duì)膜厚非常敏感，采用完成方數(shù)補(bǔ)償后，再將濕膜厚度在方阻測(cè)試時(shí)膜厚的基礎(chǔ)上加厚10%，即由35 μm調(diào)整為38 μm，并開展試阻試驗(yàn)。經(jīng)測(cè)試，此時(shí)電阻偏差率范圍為-50%～ -10%。為將電阻值偏差率控制在±30%的范圍內(nèi)，將電阻激光修調(diào)寬度定為設(shè)計(jì)寬度的70%，修調(diào)后理論上電阻值偏差率應(yīng)在±20%范圍內(nèi)。

按上述方案完成樣件的制作后，對(duì)電阻值進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所列，采用上述方案后，電阻值合格率達(dá)100%。其中，有部分電阻的電阻值偏差率超出了預(yù)期的范圍(±20%)，這是因?yàn)榇蠓嬗∷r(shí)，整個(gè)幅面的電阻膜厚存在一定的差異性。

表3 電阻測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過研究，指出影響埋置電阻精度的主要因素是實(shí)測(cè)方阻與標(biāo)稱電阻之間的差異。為了消除該差異性的影響，本文提出了一種通過方阻測(cè)試、方數(shù)補(bǔ)償、電阻膜厚控制及電阻激光修調(diào)控制埋置電阻的精度的方法。其中，激光修調(diào)電阻的方法解決了一直以來困擾技術(shù)人員的內(nèi)埋不可調(diào)的問題，為埋置電阻精度的提高提供了一種新的解決思路。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法有效提高了埋置電阻的合格率，可將控制難度最大的A體系10 kΩ方阻電阻的合格率提升30%以上。該方法已成功應(yīng)用于LTCC生產(chǎn)線，并對(duì)其他內(nèi)埋電阻的阻值快速驗(yàn)證有重要推廣意義。