毫米波LTCC基板組裝技術研究

金珂

中國電子科技集團公司第十研究所，四川成都 610036

毫米波LTCC基板組裝技術研究

金珂

中國電子科技集團公司第十研究所，四川成都 610036

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本文從分析了毫米波LTCC基板焊接過程中，由于熱膨脹系數失配引起的熱應力情況以及可能產生的失效類型，并提出了毫米波LTCC基板焊接技術工藝設計的改進方法，實現了LTCC基板與腔體的可靠焊接。

LTCC；過渡層；熱膨脹系數；剪切應力

LTCC；transition layer；CTE；thermal stress

引言

毫米波電路主要使用聚合物介質微帶電路基板、陶瓷薄膜電路基板和LTCC基板作為電路板基材料。聚合物介質微帶電路基板具有易于加工、成型，裝配難度較低的優點，但缺點是基板面積較大，難以加工多層電路板。隨著現代軍事電子裝備對小型化的要求日益增強，越來越多的毫米波電路組件開始采用薄膜陶瓷、LTCC基板等新型電路基板，其中LTCC

基板由于其優異的高頻性能和多層基板的特性被廣泛應用于各類毫米波組件中，以達到提高電路精度、減小組件體積等目標。同時，為滿足模塊輕質化需求，鋁合金等輕質金屬也越來越多的被應用于毫米波電路組件。

新材料電路基板的裝配給毫米波電路的微組裝帶來了新的挑戰。毫米波電路要求接地良好，通常使用軟釬焊的方式進行基板組裝。與聚合物介質微帶電路基板不同的是，陶瓷基板缺乏柔韌性，同時其強度也不及普通的印制電路板。LTCC材料的熱膨脹系數（CTE）通

常為7ppm左右，與金屬鋁等材料相差很大。在組裝過程中基板與腔體間CTE的失配會引起層間剪切應力造成LTCC基板變形或碎裂。因此，在LTCC基板組裝過程中必須對CTE失配

可能引起的質量問題進行評估，并采取相應的工藝措施以確保微組裝的順利進行和產品的長期可靠性。

1 LTCC基板組裝工藝特點

毫米波組件微組裝的方式主要有焊接和導電膠膠接兩種方式。環氧導電膠缺乏延展性并具有低溫脆性，并不適合作為硬質基板和金屬腔體的粘接材料。因此LTCC基板組裝通常采用焊接的方式。

對于散熱要求低的模塊，可使用可伐合金作為腔體材料，以避免由于基板、腔體之間熱膨脹系數失配帶來的組裝難度提高和產品可靠性降低，并用63Sn37Pb焊料將LTCC基板直接焊接到可伐腔體。對散熱要求高的毫米波模塊，通常采用銅、鋁等作為腔體材料。隨著新材料技術的不斷進步，新型低熱膨脹系數、高導熱性能、輕質材料如AlSiC、石墨鋁、硅鋁合金等材料也被應用于毫米波組件的結構設計中，但由于加工性和防護性等問題，新型材料作為腔體的應用目前仍不成熟。軍用電子產品需要經受嚴酷的環境適應性考驗。環境適應性要求根據產品的使用環境不同而不同，通常需要經過溫度循環、溫度沖擊和振動等環節的篩選試驗。其中，溫度循環和沖擊帶來的溫度交替變化會加劇CTE失配引起的剪切應力，反復拉扯基板，造成疲勞開裂，引起組件失效。因此，LTCC基板組裝工藝必須控制由CTE失配引起的剪切應力在可承受的范圍之內，避免疲勞引起的失效。

2 LTCC基板組裝工藝設計

銅（CTE為16ppm）、鋁（CTE為23ppm）和LTCC基板的熱膨脹系數差異較大。為防止陶瓷基板發生碎裂，可在陶瓷基板和腔體金屬之間加入一層過渡層，LTCC基板毫米波組件的基本結構如圖1所示。對過渡層材料的要求是其熱膨脹系數必須介于陶瓷基板和腔體金屬材料之間，并與陶瓷基板材料接近，同時過渡層應具有較高的熱導率和較高的強度。在傳統的解決方案中通常采用鎢銅、鉬銅合金或Cu/Mo/Cu夾層等材料作為過渡層，也可采用AlSiC、石墨鋁、硅鋁合金等新型輕質合金作為過渡層材料。

圖1 LTCC基板毫米波組件的基本結構

兩種不同熱膨脹系數的材料焊接時，在高溫t1下結合到一起。回到常溫t0狀態下后，產生的溫差為Δt=t1-t0。由于兩種材料的熱膨脹系數不同，收縮率也不同，從而在兩種材料之間產生剪切應力。由于LTCC基板和過渡層的熱膨脹系數接近，因此可簡化模型，認為LTCC基板和過渡層之間無剪切應力。同時大多數合金焊料的熱膨脹系數與金屬鋁接近，可簡單認為剪切應力只發生在過渡層和腔體之間。圖2給出了過渡層與腔體之間的受力關系。

圖2 過渡層與腔體之間的受力關系

在溫度變化過程中過渡層和腔體的中心（圖2虛線處）無位移產生，其余位置距離中心線越遠則收縮率差異越大。收縮之差在過渡層和腔體產生的內應力，而內應力轉化成加在兩種不同材料界面之間的剪切應力f，f=f’。如式（1）所示，在距離過渡層和腔體中心線距離為d的A點處，剪切應力與距離d、焊接溫差和熱膨脹系數差成正比。

f∝dΔtΔσ………… (1)

式（1）中，d為A點到中心線的距離，Δσ為過渡板、腔體金屬熱膨脹系數之差。

在過渡層和腔體邊緣，由于受到剪切應力而發生應變（圖3）。根據剪切模量公式 G＝ f/θ，可得出

θ1、θ2分別為過渡板和腔體邊緣的剪切應變弧度，x1、x2分別為過渡板和腔體在x方向上的應變量，h1、h2分別為過渡板和腔體的厚度。

圖3 過渡層和腔體邊緣的應變示意圖

式（3）中，L為過渡板的長度。通過式（2）和式（3）可以計算出腔體和過渡板邊緣所受剪切應力，邊緣的剪切應力為最大剪切應力。

剪切應力首先表現出的是對焊料層的剪切力。如果剪切應力超過焊料所能承受的剪切應力，或者焊料與過渡層或腔體結合不夠緊密，過渡層和腔體就會分離。

如果焊料承受住了剪切應力，剪切應力就會表現為對腔體和過渡板的彎折力。通過式（4）可以計算出彎折力。

式（4）中，W為過渡板寬度。

可以利用彎曲剛度公式K=E1來計算腔體和過渡板的彎曲剛度，其中E為材料的彈性模量，I為慣性矩。如果過渡層和腔體的強度同時無法承受剪切力，焊接體就會發生翹曲（圖4）。由于慣性矩和結構的形狀、厚度、截面積有關，因此改變腔體的結構形式和增加腔體厚度、寬度，都可以增加腔體的剛度。

圖4 焊接體發生翹曲

3 LTCC基板組裝實現

3.1 材料選擇

從以上分析可以得出，在進行產品的結構和工藝設計時必須考慮以下幾點因素：

1）過渡層材料

熱膨脹系數

過渡層的熱膨脹系數必須與被焊接基板相同或接近。

力學性能

同時過渡層應有一定的強度避免應力造成的彎曲，盡量選擇剪切模量大的材料。材料本身剪切模量較小的情況下可加大厚度以增加剛度。

鍍層要求

過渡層的鍍涂必須與選擇的焊料相匹配。通常鍍層和含有同種元素的焊料能較好的焊接，如銀鍍層可與Ag/In合金焊料匹配。也可以在過渡層上直接鍍焊料，從而保證焊料的平整和浸潤。

2）焊料選擇

焊料溫度

用于大面積異CTE材料焊接的焊料應盡量選擇低溫焊料。由于低溫焊料結晶溫度低，從焊接到冷卻的溫度差異較小，可以減小過渡層和腔體的收縮，從而減小應力。

力學性能

焊料應具有一定的抗蠕變和抗疲勞的性能，以抵抗收縮過程中的剪切應力和溫度循環下的反復拉伸和收縮。焊料的剪切強度、延展率是關注的主要參數，應選擇剪切強度大和延展率高的焊料，避免選擇有脆性的焊料。選擇時主要根據環境適應性要求確定。

對特定金屬鍍層的浸潤能力

焊接失效并不都是焊料本身的強度問題，由于一些其他的外部因素，如焊接的空洞率、界面浸潤性、冶金反應、界面效應和組件中包含的其他材料的特性造成的焊接強度降低，通常是焊接無法達到焊料本身的強度。低溫焊料的浸潤性通常較差，選擇時需要注意其對特定金屬鍍層的浸潤能力。

冶金相容性

要考慮浸出現象和有可能形成的金屬間化合物。

3）腔體材料

腔體材料在鍍層和強度方面的要求與過渡層相同。同時，可以改變腔體的外形以提高腔體的剛度。

3.2 組裝夾具設計

對面積或體積較大的待焊接件，受熱不均勻可能造成內部膨脹不均勻，在冷卻過程中產生額外的不均勻的內應力，需要使用夾具固定待焊接件以抵抗形變。夾具設計形式與加熱方式有關，如果用傳導加熱的方式焊接，夾具應保證待焊接件受熱面積較大且受熱均勻。同時，為避免腔體、過渡板發生應變，可使用彈性夾具對腔體、過渡板施加持續的壓力。

3.3 組裝工藝過程

焊接過程中，要保證焊料與過渡層、腔體的焊接面充分浸潤。過渡層、腔體表面必須是清潔的且未被氧化，焊接前的清洗是必要的過程，在焊接過程中可使用助焊劑去除表面氧化層。必要時，可使用搪錫的方式將焊料均勻涂抹到焊接面。實驗表明，使用搪錫的方式可使焊透率達到95%以上。焊接面之間的摩擦是另一個提高焊透率的方法，摩擦的過程可以有效去除氧化物和降低焊接空洞率。較厚的焊料層的厚度有助于利用焊料本身的延展性緩沖過渡層與腔體之間的剪切應力。

焊接溫度曲線設置要求緩慢升溫和降溫，使待焊接件均勻受熱和冷卻，同時在焊接和冷卻的全過程中，應使用工裝保證焊接件不發生形變。

4 結語

LTCC等新型基板是毫米波技術的發展方向，也是毫米波電路實現系統小型化和三維立體組裝的技術保障。為了實現大面積CTE失配材料的高質量、高可靠性焊接，在產品設計環節，必須選擇合適的過渡層、腔體和焊料材料，利用材料的特性參數分析、評估剪切應力對產品的影響；并采取有效的工藝措施，減小焊接過程中的剪切應力，提高毫米波組件的可靠性。

[1]Pin J.Wang, Jong S.Kim, and Chin C.Lee. A new bonding technologdy ealing with large CTE mismatcbh etweelna rge Si chips and Cu substrateEs. lectroniCc omponeannts d Technology Conference(2008).

[2]任榕，解啟林，高永新，邱穎霞.一種應用于電子封裝的熱匹配工藝設計.電子工藝技術，2011（5）.

[3]王聽岳.微波電路組裝工藝研究.電子工藝技術，1999（9）.

echnology Research of LTCC Substrate Assembly for Millimetre Wave Circuits

Jin Ke
Southwest Institute of Electronic Technology，Sichuan 610036，China

In this paper, we analyzetd he emergenocfe thermasl tress due to the mismatchoinf g coefficienot f thermael xpansion and the invalidatiomn ode duringt he solderinpg roce ss of LTCC substrate of millimetwer ave moduleA. new technologwy as set up to improvte he weldinsgt rength, and realizedt he reliablyl ink of LTCC substrate with the aluminium alloy.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.12.121