基于LTCC技術的TR組件失效分析

第一作者簡介：賀彪（1979-），男，高級工程師。研究方向為LTCC技術。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.038

摘" 要：對某Ku頻段4通道TR組件在后續客戶使用過程中出現的異常導通現象，進行故障定位。通過機理分析與各種檢測手段，認為在電磁場、溫度、濕度等綜合應力作用下LTCC基板內部存在銀離子遷移導致的絕緣電阻下降甚至短路等失效模式是造成該TR組件異常導通的根本原因。根據分析結果，提出改進措施。

關鍵詞：LTCC；TR組件；銀離子遷移；異常導通；故障定位

中圖分類號：TN958.92" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）16-0159-04

Abstract： The fault location is carried out for the abnormal conduction phenomenon of a Ku band 4-channel TR component in the process of subsequent customer use. Through mechanism analysis and various testing methods， it is considered that the failure modes such as the decrease of insulation resistance or even short circuit caused by silver ion migration in the LTCC substrate under the comprehensive stress such as electromagnetic field， temperature and humidity are the root causes of the abnormal conduction of the TR module. According to the analysis results， the improvement measures are put forward.

Keywords： LTCC; TR module; silver ion migration; abnormal conduction; fault location

有源相控陣雷達憑借自身先進的技術特征與較大的潛在優點目前已經成為現代雷達進展的重要趨向。有源相控陣雷達所覆蓋的范圍比較大，抗干擾也非常強，并且具有掃描迅速、波束控制敏捷、可以進行多個目標一同追蹤等優點，在車載、艦載、機載等領域獲得了廣泛應用。TR組件是相控陣雷達當中關重組件，其主要作用是實現收發信號的放大，同時針對信號實行相位與幅度調節，其性能高低將直接影響雷達的收發波束副瓣抑制大小、指向精度等指標。LTCC（低溫共燒陶瓷）基板以其高集成度與優秀的低損耗微波性能成為TR組件的實現載體。

基于LTCC技術的TR組件是微波電路、邏輯控制電路以及電源的載體[1]，分層、接地與電磁兼容性3方面是設計的要點。LTCC基板通常包含信號層、電源層、控制信號層與接地層，為了確保信號完整性，一般將微波電路放在基板上面三層，將控制信號導體與電源走線放到中間層，這樣可以很大程度上確保電路的EMC（電磁兼容）性能。在提升組件集成度方面，微波地采取垂直過孔的形式與底部地相連，通過網格包孔的方式，減少對電源以及控制走線的影響，同時還能通過調整網格間距或設置實心地，消除LTCC固有諧振頻率或減少其諧振強度，使組件更加平穩地工作。為了減少電源線的插入損耗，可以縮短電源線長度、加寬電源線寬度或電源線多層并聯等。

1" 故障現象

某Ku頻段4通道TR組件在后續客戶使用過程中發現存在CLK-0引腳與地之間出現了導通，阻值約100～1 500 Ω，正常值應為絕緣（大于1 000 MΩ）。其中，該LTCC基板的局部形貌如圖1所示，基板中時鐘信號（CLK-0-）和接地（GND）信號如圖1中箭頭所示。

客戶反饋該型號電路有0.5%數量基板存在類似問題。LTCC基板交貨前電性能通斷測試合格。對客戶退貨產品復測，故障現象與客戶描述一致。

該TR組件LTCC基板外形尺寸為37.95 mm×27.3 mm，基板層數為10層，采用Ferro A6金銀混合體系材料流片，即基板正面為金與金鉑導體，用于鍵合與焊接；背面為整面焊接銀，焊接在殼體上；內部為銀導體，用于實現電路各種功能。

2" 故障定位

為了對LTCC基板在客戶使用過程中的異常導通現象進行故障定位及失效分析，制作了LTCC基板異常導通失效故障樹（圖2），按照故障樹逐一分析異常導通原因。

圖1" LTCC基板及局部形貌

圖2" LTCC基板異常導通故障樹

2.1" 版圖設計缺陷

查詢LTCC基板設計版圖，CLK-0-1/CLK-0-2/CLK-0-3三點與所有相鄰GND點之間間距大于0.15 mm，滿足設計要求與工藝加工能力，故排除C201事件。

2.2" 單層生瓷內CLK-0-1/CLK-0-2/CLK-0-3三點與GND間距過小

在印刷導體時由于加工缺陷，CLK-0-1/CLK-0-2/CLK-0-3三點中某一點與GND間距過小，導致在后續燒結時該CLK點與GND似連非連出現異常導通現象。對客戶退回的10只樣品進行三維X射線透視分析系統（X-CT）進行分析。重點觀測圖1中CLK-0-1、CLK-0-2、CLK-0-3與周圍金屬的連接情況，分析它們是否與地線、接地網絡有疑似短路。從圖3中未觀察到疑似短路，故排除C202事件。

2.3" 基板層間CLK-0-1/CLK-0-2/CLK-0-3三點與GND間距過小

由于每批生瓷的流延厚度與Z方向收縮率不同，LTCC基板層間生瓷燒結后單層厚度約為90～94 μm，查詢材料入所檢驗記錄，該批生瓷單層燒結厚度偏下限（90 μm）。對LTCC基板失效樣品進行剖面掃描電鏡分析（如圖4所示），發現層間間距偏小，有疑似短路現象，C203事件需要分析。

圖3" LTCC基板3D X-CT圖

圖4" LTCC基板CLK附近通孔形貌

2.4" 電、濕熱等應力作用

由于該電路采用Ferro A6金銀混合體系材料流片，基板內部存在銀導線與銀通孔等大量銀導體，在后續組封裝與基板使用過程中，在電、濕熱等綜合應力的影響下產生銀離子遷移導致LTCC基板異常導通，事件C204與C205需要分析。

3" 失效分析

3.1" 銀離子遷移介紹

遷移是材料表面或者內部的金屬離子的移動現象，結果將造成絕緣電阻降低、回路的短路或開路等[2-3]。具體剖析銀離子遷移的過程，主要包括陽極溶解、離子運動和陰極沉積3個步驟，如圖5所示。

陽極溶解：在陽極上發生的反應主要是銀的陽極溶解[4]，反應式為

Ag-e-=Ag+。

離子運動：在電場力的驅動下，陽極溶解產生的Ag+向陰極運動，在運動過程中部分與水離解產生的OH-復合反應生成性質不穩定的AgOH，隨后分解為黑色沉淀物Ag2O，反應式為

Ag++OH-→AgOH，

2AgOH→Ag2O+H2O。

陰極沉淀：陽極溶解生成的Ag+在電場力和濃度梯度的共同作用下向陰極遷移，達到陰極后發生電化學還原沉積反應生成金屬銀，反應式為

Ag++e-→Ag。

隨著銀離子在陰極電化學還原沉積反應的進行，銀枝晶從陰極向陽極逐漸遷移生長，直至最終搭接陰陽兩極，形成短路，亦或是陽極側發生空洞或斷連的現象。

圖5" 銀遷移原理示意圖

銀離子遷移主要有離子遷移模型和電遷移模型[5]，2種模型的遷移有所不同，具體見表1。

表1" 銀遷移的2種模型

2種模型又存在共性[6-7]：一是都要先產生可移動的銀。在離子遷移模型中，通過局部的電化學反應產生了銀離子；而在電遷移模型中，銀離子的產生則是在外加電場的陽極側反應得到銀離子；二是銀離子要遷移就需要一定的驅動力。熱勢場、電勢場都為銀的定向移動提供了必要的推動力；三是必要的遷移路徑，疏松的陶瓷孔道、晶界、裂紋邊界以及因潮濕等因素帶來的液相擴散路徑等。

印刷有銀導體的LTCC生瓷片通過層壓壓成一個生瓷坯，生瓷與電子漿料通過共同燒結才能真正達到應有的電學、機械、物理性能。LTCC的共燒一般有排膠和燒結2個基本過程，在排膠期中生瓷內有機物氣化并被燒除，在燒結期中生瓷坯體內的玻璃相生成、潤濕陶瓷顆粒、導電帶和電阻燒成、基板尺寸收縮定型。

LTCC共燒是一個非常復雜的物理、化學過程，影響生瓷共燒工藝適應性、工藝質量的因素很多，最主要的有燒結溫度曲線、燒結氣氛和燒結工裝，每一因素又包含有多個工藝參數，造成對共燒過程、共燒質量的控制非常困難。共燒峰值溫度在800～900 ℃，高溫下內部通孔內銀與印刷銀導體會發生銀遷移，LTCC陶瓷內銀遷移具體路徑如圖6所示。

圖6" 銀遷移路徑示意圖

1）沿表面遷移。表層的銀電極、銀導體中的銀將沿陶瓷體表面縫隙、溝道等在電磁場、溫度、濕度等綜合應力的驅動下發生定向的遷移。

2）沿層間間隙遷移。低溫共燒陶瓷為多層生瓷疊壓燒結得到。經共燒后形成完整的獨石結構，若層壓不合格，在層與層之間可能會有結合縫隙等。

3）沿晶界、裂紋等遷移。陶瓷相中晶界、裂紋、顆粒間的界面以及非致密陶瓷相中的孔洞都將為銀遷移提供大量有效的遷移路徑。

3.2" 電路失效分析

該電路為金銀混合體系電路，內部為銀導體，該電路失效可能原因是：①該批生瓷燒結后單層厚度偏薄；②低溫共燒爐滿爐燒結，部分點位爐溫不合適導致LTCC基板燒結不致密，在基板內部留下了銀離子遷移通道；③在客戶的使用環境下，由于電、濕熱等綜合應力的影響下CLK通孔或導線內的銀離子沿著LTCC基板內部的銀離子遷移通道發生遷移，導致LTCC基板出現異常導通；④現有的篩選試驗覆蓋面不夠，不足以將存在離子遷移通道的有風險基板提前剔除。

LTCC燒結決定了LTCC基板的質量。對于LTCC燒結工序，難點在于金屬材料與陶瓷材料同時燒結，特別需要從控制燒結收縮與基板的整體變化、控制金屬與陶瓷2種材料的燒結收縮行為，從而有效避免微觀和宏觀缺陷，通過燒結過程迭代實驗掌握導體材料抗氧化和有機物排出的規律等方面進行綜合制衡。如果燒結存在缺陷，會導致基板內部存在微裂紋或分層，給銀遷移留下通道。

為了驗證我們的分析，安排燒結試驗。考慮低溫共燒爐爐膛內不同點位溫差在10 ℃以上（爐膛結構如圖7所示），將燒結曲線的峰值溫度分別增加20 ℃和降低20 ℃，使用該電路正常加工的LTCC生瓷坯開展燒結試驗，每爐各燒結10只。完成后續加工工序以及電路的評價與篩選項目后，發現存在異常導通失效現象（增加20 ℃失效2只，降低20 ℃失效3只）。因此，銀離子遷移是導致該LTCC基板異常導通的原因。

圖7" 燒結爐爐膛內部結構

3.3" 改進措施

針對LTCC基板內部銀離子遷移問題，可以從材料、結構、工藝與應用4個方面開展抑制。

1）采用低損耗的微晶玻璃+陶瓷生瓷片作為介質層，基板內部通孔導體與印刷圖形采用低電阻率的銀導體，為了增加層間絕緣性能，在不影響電性能的前提下選擇單層燒結厚度合格范圍偏上限的生瓷片。

2）LTCC版圖結構開展仿真設計，在保證電路性能的前提下，增加銀線間隔，加大通孔直徑、導體厚度、通孔與導體搭接尺寸以及導體與導體搭接尺寸，優化版圖設計。

3）LTCC基板加工過程中由于經歷高溫燒結過程，不可避免地會產生銀遷移，重點研究在加工過程中如何抑制銀遷移。優化填孔、網印、疊片和層壓工藝，保證通孔填充飽滿，印刷銀導體的膜厚合適。通孔疊層對位準確保證孔間接觸面積。層壓后生瓷坯結合緊密。層間無縫隙，減少銀遷移的通道。同時，優化燒結曲線，提高基板致密度，減少LTCC基板陶瓷體中的空洞、裂紋等缺陷，控制銀離子遷移的路徑，有效抑制銀離子的遷移。同時，在保證基板致密度的前提下，提升燒結速度，降低峰值溫度，減少高溫燒結時間，控制銀離子遷移的產生條件，有效抑制銀離子的遷移。同時通過合適的篩選條件，將不合格電路有效剔除。

4）抑制銀遷移的問題，還要從使用問題控制。如存儲放置在氮氣柜或干燥柜中，隔絕水汽保持元器件干燥，抑制銀離子的產生。一些在使用過程中引入的水汽、雜質等污染可能加劇銀遷移的現象。這些污染有的會加速銀向銀離子的轉變，有的可能造成陶瓷相的破壞使其產生缺陷。因此，應嚴格控制生產及裝備環境，并做好清洗等工作，避免污染。同時，通過使用產品規格書的形式與客戶溝通LTCC基板使用注意事項。

4" 結論

綜上所述，LTCC基板燒結不致密存在微縫隙等離子遷移通道，客戶使用過程中，在電、熱等綜合應力作用下，銀離子遷移導致該型號電路出現異常導通現象。同時該批生瓷片偏薄對失效現象也起到了一些負面作用。

針對該型號LTCC基板使用過程中的異常導通剔除，采用以下改進措施，重點減少銀離子遷移，有效剔除不合格電路。

1）后續流片中選擇單層燒結厚度，合格范圍偏上限的生瓷片，與材料供貨商反饋，保障后續生瓷片的厚度在合格范圍偏上限。

2）優化燒結曲線，提升燒結速度，降低峰值溫度，減少高溫燒結時間，降低共燒過程中的銀離子遷移現象。

3）為了有效篩除不合格基板，同時保證生產效率，通過正交分組實驗，增加產品篩選條件：CLK點與地之間加5 V電，同時基板120 ℃加熱10 h。通過該篩選條件，可以有效剔除加工過程中存在缺陷的LTCC基板。

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