LTCC用钌系电阻浆料特性分析

DOI：10．19659/j．issn．1008－5300．2019．01．010

电子机械工程

Electro－MechanicalEngineering

·制造工艺·

LTCC用钌系电阻浆料特性分析

谢廉忠，游

摘

*

韬，王锋

（南京电子技术研究所，江苏南京210039）

firedCeramic，LTCC）技术优势逐步被大家所认识，要：随着低温共烧陶瓷（LowTemperatureCo-其

涌现出了不同品种广阔的应用前景以及巨大的市场需求驱动着国内厂商开始关注LTCC材料的开发，

但由于缺乏工程化应用验证和可靠性考核，离货架产品尚有不少距离。文中对的LTCC生瓷带和浆料，

分析了钌系电阻浆料的工艺性能、材国产钌系电阻浆料在X波段收/发组件中的应用进行了深入研究，

微波性能以及可靠性能，并采用国产钌系电阻浆料研制了X波段T/Ｒ组件，性能指标满足料匹配性能、

为微波LTCC材料的国产化进行了有益的探索。相控阵雷达技术要求，

关键词：LTCC；钌系电阻浆料；X波段；收/发组件；相控阵雷达

中图分类号：TN604文献标识码：A文章编号：1008－5300（2019）01－0042－04

CharacteristicAnalysisofＲutheniumSystem

ＲesistorPasteforLTCC

XIELian-zhong，YOUTao，WANGFeng

（NanjingＲesearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039，China）

Abstract：WithLTCCtechnologyadvantagesoflowtemperatureco-firedceramic（LTCC）beinggraduallyrecognized，wideapplicationprospectsandhugemarketdemandshavedrivendomesticmanufacturerstofocusonthedevelopmentofLTCCmaterials．AlthoughavarietyofLTCCgreentapesandpasteshavebeendevel-oped，thereisstillagapfromtheshelfforthelackofengineeringverificationandreliabilityassessment．InbandT/Ｒmoduleisthispaper，theapplicationofdomesticallyproducedrutheniumsystemresistorpasteinX-matchingpropertywithothermaterials，microwavepropertyandintensivelystudied．Thetechnologicalproperty，

bandT/Ｒmodulesbasedonreliabilityofthisrutheniumsystemresistorpastearedescribed．Furthermore，X-thisrutheniumsystemresistorpastearefabricated，andsatisfythetechniquestandardofphasedarrayradar．ThisstudyprovidesusefulresultsforthelocalizationofLTCCmaterials．

Keywords：LTCC；rutheniumsystemresistorpaste；X-band；T/Ｒmodule；phasedarrayradar

［4］

收/发组件中获得了广泛应用，是实现机载、星载、舰载相控阵雷达收/发组件小型化、轻量化、高性能、高

引言

firedCeram-低温共烧陶瓷（LowTemperatureCo-ic，LTCC）技术是20世纪80年代初美国休斯公司开

它采用低损耗介质材料、低电阻率发的新型材料技术，

导体以及精确的导体布线方法，实现真正意义上的三

还可以利用埋置方式集成电阻、电容、电维微波互连，

，不仅可以节约空间，进一步提高组感等无源元件

［3］

还可以使产品宽频性能更好，更具重复性，装密度，

是研制微波多层电路基板的理想技术，在相控阵雷达

［1－2］

可靠的有效手段。

LTCC技术是一种多学科交叉的整合组件技术，涉及金属材料、无机非金属材料、高分子材料等多个领

生瓷带及配套浆料品种多，组织结构复杂，技术难域，

Ferro等少数几家美国材料配方掌握在Dupont、度大，

公司手中。国内LTCC材料方面的研究明显落后于国尤其缺少系列化、拥有自主知识产权的高频LTCC外，［5］

LTCC材料。近年来，随着国内材料技术的不断进步，

*

收稿日期：2018－10－16

·42·

第35卷第1期谢廉忠，等：LTCC用钌系电阻浆料特性分析·制造工艺·

的技术优势、广阔的应用前景以及巨大的市场需求驱动着国内厂商开始关注LTCC材料的开发

［6－8］

，涌现出了不同品种的LTCC生瓷带和浆料，

但是由于LTCC技术涉及学科门类太多，

国内很少有厂商具有同时开展生瓷带和浆料研究的能力，

即使有也缺乏工程化应用验证和可靠性考核平台，

离货架产品尚有不少距离。本文基于LTCC微波多层电路基板制造工艺以及

相控阵雷达收/发组件对埋置电阻浆料的技术要求，全面研究了国内某型钌系电阻浆料的工艺性能、

材料匹配性能、

微波性能以及可靠性能［9］

，对钌系电阻浆料工程化应用进行了有益的探索，

推动LTCC材料的国产化进程。

1

钌系电阻浆料性能及工程应用要求

1．1

钌系电阻浆料工艺性能要求

LTCC微波多层电路基板制造工艺流程见图1，其

工艺特点是不同层并行进行下料、

打孔、填孔、丝印，一次叠压，

一次烧结。埋置电阻集成在基板内部，无法进行调阻，

必须通过加强工艺过程控制保证阻值精度。影响阻值精度的工艺过程包括丝印、层压、烧结等，钌系电阻浆料的丝印、层压、烧结等工艺性能必须满足工程应用要求。

图1LTCC微波多层电路基板制造工艺流程

1．2

钌系电阻浆料材料匹配性能要求埋置电阻集成在基板内部，通过电极输出阻值性

能，

所以钌系电阻浆料必须与生瓷带和电极浆料匹配，否则会造成电阻部位扩散、分层、翘曲等现象，影响LTCC微波多层电路基板的质量。1．3

钌系电阻浆料微波性能要求

在LTCC微波多层电路基板中实现电阻埋置的一

般是功分器中的隔离电阻、

负载电阻以及衰减器所用的电阻，

钌系电阻浆料微波性能需要满足收/发组件性能要求。

1．4钌系电阻浆料可靠性能要求

埋置电阻在经过稳定性烘焙、热冲击等试验后，需

要保持良好的电阻性能，

阻值变化满足要求。2实验

采用国产钌系电阻浆料以及进口LTCC生瓷带制

作埋置电阻测试样件，

电阻浆料方阻为100Ω/□，埋置电阻有效长度为2mm、

宽度为1mm、方数为2□。在生瓷带上制作定位孔和互连孔，然后采用印刷方法制作电极、

电阻以及通孔柱图形，最后采用层压和烧结工艺制作成层数为10层、

电阻埋置在任意层上的埋置电阻测试样件。生瓷带层压工艺参数为20．7MPa、

70℃、15min。排胶、烧结工艺参数：按1℃/min的升温速率从室温升到450℃并保温180min，

按8℃/min的升温速率从室温升到850℃并保温15min后冷却。

实验共分为5个部分：

1）对钌系电阻浆料印刷、层压、烧结等工艺性能进行测试，

满足LTCC工艺和埋置电阻阻值精度控制要求。浆料印刷工艺性能：重点测试电阻浆料与不锈

钢丝网、

生瓷带间是否具有良好的转印特性，要求电阻图形边缘清晰，

膜层厚度均匀；浆料层压工艺性能：重点测试压力、

温度、时间等工艺参数对埋置电阻阻值的影响，

要求电阻浆料层压工艺窗口能够满足生瓷带层压工艺以及埋置电阻阻值精度控制要求；浆料烧结工艺性能：重点测试升温速率、

峰值温度、保温时间、压缩空气流量等工艺参数对埋置电阻阻值的影响，要求电阻浆料烧结工艺窗口能够满足生瓷带烧结工艺以及埋

置电阻阻值精度控制要求。

2）对埋置在不同层数的埋置电阻阻值进行测试，要求钌系电阻浆料满足LTCC多层布线技术要求，同时满足埋置电阻阻值精度控制要求。

3）对电阻浆料材料匹配性能进行测试，包括丝印

后浆料不能腐蚀生瓷带和电极浆料、

层压后浆料不能与生瓷带分层、

烧结后浆料不能向陶瓷材料扩散等，避免材料间相互影响。

4）采用电阻浆料制作衰减器，对埋置电阻微波性能进行测试，

要求衰减器微波性能满足收/发组件技术要求。5）对埋置电阻进行稳定性烘焙和热冲击试验，要求电阻抵抗高温贮存以及温度剧变的能力满足工程应用要求。

3

结果与讨论

3．1

电阻浆料工艺性能3．1．1

印刷性能

埋置电阻都是采用丝网印刷工艺制作，通过控制

电阻膜层厚度实现电阻阻值控制。影响电阻膜层厚度的因素包括丝印网版参数、

电阻浆料印刷性能、印刷工·43·

·制造工艺·电子机械工程2019年2月

艺参数等。关于丝印网版参数和印刷工艺参数对电阻

膜层厚度影响的研究较多，

在此不作介绍。本文通过印刷后电阻图形边缘清晰度、

膜层厚度均匀性考核电阻浆料印刷性能能否满足LTCC工艺要求。

国产钌系电阻浆料印刷效果良好，图形清晰，与电

极浆料搭接可靠，

见图2。电阻膜层厚度见表1，均匀性达到±2．0μm。电阻浆料与不锈钢丝网、

生瓷带间具有良好的转印特性，

满足LTCC工艺要求。图2埋置电阻印制图形表1

电阻膜层厚度测试结果

3．1．2

层压性能

采用等静压工艺实现LTCC埋置电阻的层压，工

艺参数包括层压压力、

层压温度和保压时间。当层压温度70℃、

保压时间15min时，试验了不同层压压力对方阻的影响。当层压压力为13．8～27．6MPa时，方阻为94．5Ω/□～97．5Ω/□。

当层压压力20．7MPa、保压时间15min时，试验了不同层压温度对方阻的影响。当层压温度为60℃～80℃时，方阻为94．6Ω/□～97．3Ω/□。

当层压压力20．7MPa、层压温度70℃时，试验了不同保压时间对方阻的影响。当保压时间为5min～25min时，方阻为95．2Ω/□～100．4Ω/□。可以得出结论：层压参数对方阻影响较小，当采

用20．7MPa、

70℃、15min层压时，电阻浆料方阻为95．4Ω/□，电阻浆料层压工艺参数与生瓷带兼容。

3．1．3烧结性能

烧结工艺参数包括升温速率、峰值温度、保温时间和

压缩空气流量。当峰值温度850℃、

保温时间15min、压缩空气流量180L/min时，

试验了不同升温速率对方阻的影响。当升温速率为2℃/min～10℃/min时，

方阻为90．4Ω/□～91．8Ω/□。

当升温速率8℃/min、保温时间15min、压缩空气

流量180L/min时，试验了不同峰值温度对方阻的影响。·44·

当峰值温度为840℃～880℃时，方阻为83．0Ω/□～106．7

Ω/□，如表2所示。

表2

不同峰值温度方阻测试结果

峰值温度/℃

方阻/（Ω·□－1

）

84083．085090．986098．6870103．5880

106．7

当峰值温度850℃、升温速率8℃/min、压缩空气

流量180L/min时，

试验了不同保温时间对方阻的影响。当保温时间为5min～25min时，

方阻为84．8Ω/□～93．1Ω/□，如表3所示。

表3

不同保温时间方阻测试结果

保温时间/min

方阻/（Ω·□－1

）

584．810

88．4

1590．92092．425

93．1

当峰值温度850℃、升温速率8℃/min、保温时间15min时，试验了不同压缩空气流量对方阻的影响。

当压缩空气流量为80L/min～280L/min时，方阻为87．8Ω/□～94．3Ω/□。

可以得出结论：升温速率和压缩空气流量对方阻

影响较小，

保温时间对方阻影响较为明显，峰值温度对方阻影响最大，

当采用8℃/min、850℃、15min、180L/min烧结时，电阻浆料方阻为90．9Ω/□，电阻浆料烧结工艺参数与生瓷带兼容。3．2

不同埋置层数电阻阻值

研究了钌系电阻浆料不同埋置层数与方阻间的关系，

如表4所示。不同埋置层数的方阻不同，但都在±30%容差范围内，电阻浆料可以实现在任意层生瓷带上埋置，

满足LTCC多层布线要求。表4

不同层生瓷带上方阻测试结果

3．3电阻浆料材料匹配性能3．3．1

浆料腐蚀

国产钌系电阻浆料印刷效果见图2。电阻浆料与生

瓷带、

电极浆料的有机体系兼容性良好，材料间没有相互扩散和腐蚀等不良现象，

可以保证埋置电阻的制作。第35卷第1期谢廉忠，等：LTCC用钌系电阻浆料特性分析·制造工艺·

3．3．2浆料分层

埋置电阻排胶、烧结后，电阻与瓷体、电极间结合

良好，

如图3所示，没有出现分层、裂纹等不良现象。图3电阻与瓷体、电极间结合情况

3．3．3浆料扩散

埋置电阻排胶、烧结后，电阻与瓷体、电极间没有

出现相互扩散等不良现象，如图3所示。3．4

电阻浆料微波性能

采用国产和进口电阻浆料制作衰减器，衰减器插入损耗测量结果如图4所示，国产电阻浆料制作的衰减器微波性能与基于进口浆料的相当。

图4衰减器插入损耗对比

3．5电阻可靠性

为了考核高温贮存对埋置电阻的影响，对埋置电阻

进行稳定性烘焙试验，

条件为150℃、96h。阻值变化见表5，

阻值变化小于0．1%，满足收/发组件技术要求。表5

稳定性烘焙前后阻值变化

样品号

烘烤前/Ω烘烤后/Ω阻值变化/%

1183．1183．20．052189．2189．40．103190．4190．50．054175．5175．60．055

176．5

176．6

0．05

为了考核埋置电阻在遭到温度剧变时的抵抗能力

以及温度剧变产生的影响，

对埋置电阻进行热冲击试验，

条件为－55℃/125℃、100次冲击。阻值变化见表6，阻值变化小于0．05%，满足收/发组件技术要求。

表6

热冲击前后阻值变化

样品号

热冲击前/Ω

热冲击后/Ω

阻值变化/%

1183．2183．30．052189．4189．50．053190．5190．504175．6175．605

176．6

176．6

0

4结束语

钌系电阻浆料的印刷、层压、烧结等工艺性能与

LTCC生瓷带兼容。钌系电阻浆料与LTCC生瓷带以及电极浆料匹配，

层压、烧结后没有出现分层、扩散等不良现象，

可靠性满足要求。钌系电阻浆料的微波性能与进口浆料相当。钌系电阻浆料满足LTCC工艺以

及埋置电阻阻值精度控制要求，研制的X波段T/Ｒ组件性能指标满足相控阵雷达技术要求。

参考文献

［1］WANGG，BAＲLOWF，ELSHABINIA，etal．Modeling

andcontrolofresistancetoleranceforembeddedresistorsinLTCC［C］//ElectronicComponentsandTechnologyCon-ference．SanDiego，CA，USA，2002：516－525．

［2］GEＲKEＲD，ATOＲD．Embeddedresistorsandcapacitors

inorganicandinorganicsubstrates［C］//AerospaceConfer-ence．BigSky，Montana，USA，2006：1－17．

［3］CHOYH，KIMJW，PAＲKYH，etal．Anultra-miniatur-izedtransceivermoduleforbluetoothapplicationsusing3-DLTCCsystem-on-packagetechnology［C］//IEEEMTT-SIn-ternationalMicrowaveSymposiumDigest．Atlanta，Georgia，USA，2008：1－4．

［4］刘永宁．微波多层电路与低温共烧陶瓷（LTCC）［J］．现

代雷达，2000（6）：83－86．

［5］钟慧，张怀武．低温共烧结陶瓷（LTCC）：特点、应用及

问题［

J］．磁性材料及器件，2003，34（4）：33－35，42．［6］龙承毅，张树人，周晓华，等．CaO-B2O3-SiO2系LTCC

基板材料的制备及烧结［J］．电子元件与材料，2011，30（7）：29－31．

［7］金勿毁，陈立桥，李世鸿，等．金铂钯合金粉末的特性对

低温共烧电子浆料性能的影响［J］．贵金属，2015，36（1）：1－5．

［8］陈力春，堵永国，陈兴宇，等．LTCC流延生瓷带的力学

性能［

J］．电子元件与材料，2009，28（12）：64－67．［9］罗慧，李世鸿，刘继松，等．化学法制备超细玻璃粉及其

在LTCC用厚膜电阻浆料中的应用［J］．贵金属，2014，35（3）：24－28．

谢廉忠（1965－），男，研究员级高级工程师，主要从事厚膜和LTCC工艺研究工作。

·45·