多層低溫共燒陶瓷基板集成液冷循環(huán)通道的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提出的一種多層低溫共燒陶瓷基板集成液冷循環(huán)通道的制備方法，既能保證液冷循環(huán)通道不塌陷，又能解決燒結(jié)中不分層、不鼓包的制作方法。本發(fā)明通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：首先將若干低溫共燒陶瓷生瓷片分成三個(gè)層次，分別制出定位孔、導(dǎo)通孔、散熱孔和液冷循環(huán)通道，再將含天線單元的頂部生瓷片層進(jìn)行一體化疊層為頂部單元，將含液冷循環(huán)通道的中部生瓷片層和含TR組件單元的底部生瓷片層一體化層壓形成凹坑單元；把可揮發(fā)填充材料印刷到凹坑單元的凹坑內(nèi)，并在凹坑單元表面上涂敷有機(jī)粘接劑，將頂部單元疊在凹坑單元上，采用低溫低壓方式形成整體模塊。層壓完畢的整體模塊放入燒結(jié)爐中燒結(jié)，將液冷外部接頭焊接到模塊頂層表面對應(yīng)的液冷進(jìn)出口上。
【專利說明】多層低溫共燒陶瓷基板集成液冷循環(huán)通道的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制作出封閉腔體形成集成液冷通道的多層低溫共燒陶瓷基板(Low Temperature Cofired Ceramics,簡稱LTCC)的制作工藝方法。特別是專用于集成液冷循環(huán)微通道的射頻天線前端的制作工藝方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在第五代電子組裝技術(shù)中，多層低溫共燒陶瓷基板(LTCC)由于具有高密度布線、高信號傳輸速度、低損耗和高可靠性，可埋置無源元件和能夠?qū)崿F(xiàn)氣密性封裝等特點(diǎn)于一體，具有優(yōu)良的電子、機(jī)械、熱學(xué)性能，高頻特性優(yōu)異，三維布線能力強(qiáng)，是研制微波集成組件、多芯片組件(MCM)、系統(tǒng)級封裝(SiP)的重要技術(shù)途徑，在國內(nèi)外受到極大重視。自八十年代以來，日、美國很多公司做了大量研究工作，試制出多芯片組件(MCM)，在先進(jìn)的航天、航空電子設(shè)備和復(fù)雜的通信機(jī)、計(jì)算機(jī)中得到應(yīng)用。特別是將LTCC技術(shù)應(yīng)用到二維有源相控陣天線的研制是未來的發(fā)展方向，特別是射頻天線前端需要將電性能、機(jī)械性能、熱性能一體化集成，必須將液冷循環(huán)通道制作到射頻天線前端內(nèi)部。但是，現(xiàn)有LTCC標(biāo)準(zhǔn)工藝的一些缺點(diǎn)，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)射頻天線前端的一體化集成，具體表現(xiàn)在:
1)在疊層和層壓工序中會(huì)導(dǎo)致液冷循環(huán)通道塌陷；
2)在燒結(jié)工序中會(huì)導(dǎo)致LTCC分層。
[0003]更為嚴(yán)重的是，液冷循環(huán)通道塌陷或LTCC分層會(huì)使得射頻天線前端表層無法裝配射頻芯片，也無法實(shí)現(xiàn)集成散熱，直接導(dǎo)致射頻天線前端報(bào)廢。
[0004]而在國外文獻(xiàn)的報(bào)道中，提出在凹坑內(nèi)填充固體酒精的報(bào)道，但是由于填充材料的量不好控制，導(dǎo)致制作的封閉腔體在燒結(jié)中分層或鼓包。而將液冷通道集成到射頻天線前端中，實(shí)現(xiàn)一體化熱、電、機(jī)械功能的集成，制作出具有多層交錯(cuò)型液冷循環(huán)通道的射頻天線前端的LTCC制作工藝方法，特別是填充可揮發(fā)材料+印刷有機(jī)粘接劑+低溫低壓優(yōu)勢互補(bǔ)的“組合式” LTCC制作方法還沒有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有LTCC工藝技術(shù)的上述不足之處，提出一種既能保證液冷循環(huán)通道不塌陷，又能解決燒結(jié)中不分層、不鼓包的新制作工藝方法。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供的一種多層低溫共燒陶瓷基板集成液冷循環(huán)通道的制備方法，包括如下步驟:首先將若干低溫共燒陶瓷生瓷片分成頂部生瓷片層、中部生瓷片層和底部生瓷片層，三個(gè)層次，然后在上述各層低溫共燒陶瓷生瓷片層上分別制出定位孔、導(dǎo)通孔、散熱孔和液冷循環(huán)通道，將可揮發(fā)性填孔漿料填充到導(dǎo)通孔和散熱孔內(nèi)，將導(dǎo)體線條和電阻漿料印刷到上述各層對應(yīng)的生瓷片表面；再將含天線單元的頂部生瓷片層進(jìn)行一體化層壓，疊層形成頂部單元，將含液冷循環(huán)通道的中部生瓷片層和含TR組件單元的底部生瓷片層進(jìn)行定位疊層，進(jìn)行一體化層壓形成凹坑單元；把可揮發(fā)填充材料印刷到凹坑單元的凹坑內(nèi)，并在凹坑單元表面上印刷涂敷有機(jī)粘接劑，再將頂部單元疊加在凹坑單元上，采用低溫低壓方式形成整體模塊。
[0007]本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果:
本發(fā)明采用生瓷片沖孔/沖腔，生瓷片孔內(nèi)填充金屬，生瓷片表面印刷導(dǎo)體和電阻，生瓷片疊層，一體化層壓，印刷粘接劑，凹坑內(nèi)填充可揮發(fā)材料，低溫低壓，燒結(jié)，軟釬焊接。在LTCC標(biāo)準(zhǔn)工藝的基礎(chǔ)上，在疊層工序內(nèi)新增填充和整平工序，在層壓工序之前，增加了印刷有機(jī)粘接劑工序，以使得可以使用低溫低壓工藝，在燒結(jié)過程中，設(shè)計(jì)了可揮發(fā)填充材料揮發(fā)出口，包括液冷通道進(jìn)出口。將可揮發(fā)填充材料應(yīng)用到LTCC封閉腔體的制作中，利用可揮發(fā)填充材料在封閉腔體層壓時(shí)候，抵抗來自溫水等靜壓的壓力，保持腔體不變形、不塌陷，然后使其在燒結(jié)過程中高溫階段揮發(fā)，以形成沒有阻隔的液冷微通道，不存在燒結(jié)殘留物。將有機(jī)粘接劑應(yīng)用到凹坑單元的上表面，使得能夠采用低溫低壓方式完成凹坑單元和頂部單元有機(jī)結(jié)合，也使得傳遞到液冷微通道的壓力比標(biāo)準(zhǔn)工藝小10倍左右，保證了整題模塊的不變形、不分層、不塌陷。這種將液冷通道集成到功能模塊中，實(shí)現(xiàn)冷卻液體在LTCC內(nèi)部循環(huán)流通帶走熱量，解決了微波集成組件、多芯片組件(MCM)、系統(tǒng)級封裝(SiP)功分層、二維有源相控陣天線，高集成度熱、電、機(jī)械功能一體化的散熱問題，使得LTCC技術(shù)應(yīng)用到天線的熱、電、機(jī)械功能一體化集成成為可能，能夠制作出高集成度的二維有源相控陣天線。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實(shí)施例范圍之中。
[0009]圖1顯示的是本發(fā)明層低溫共燒陶瓷基板分解制作流程示意圖。
[0010]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的射頻天線前端側(cè)面方向的剖面圖。
[0011]圖3是本發(fā)明推薦燒結(jié)曲線示意圖。
[0012]圖中:1.導(dǎo)通孔，2.頂部生瓷片，3定位孔，4是單層微通道腔，5導(dǎo)熱孔，6填孔金屬材料(金銀混合系)，7.導(dǎo)熱金屬材料(銀)，8.填充高純碳材料,9.天線單元,10.液冷通道進(jìn)出口，11.燒成后的微通道，12.導(dǎo)體，13.電阻。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面通過結(jié)合附圖和實(shí)施例一步說明本發(fā)明。
[0014]參閱圖1。根據(jù)本發(fā)明，在制作步驟確定后，工藝參數(shù)的確定是保證封閉腔體制作的關(guān)鍵，主要影響因數(shù)有:對位精度、層壓壓力、層壓溫度、填充密度、燒結(jié)溫度。將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生瓷帶，在生瓷帶上利用打孔、微孔注漿、精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形和布線圖形，并將多個(gè)被動(dòng)組件，如低容值電容、電阻、濾波器、阻抗轉(zhuǎn)換器、耦合器等埋入多層陶瓷基板中，然后疊壓在一起，在900°C下燒結(jié)，制成互不干擾的高密度電路，也可制成內(nèi)置無源元件的三維電路基板，在其表面可以貼裝IC和有源器件，制成無源/有源集成的功能模塊，可進(jìn)一步將電路小型化與高密度化。
[0015]首先將生瓷片分三個(gè)層次，分別是頂部生瓷片層數(shù):5?8層，用于布局天線單元的電路圖形及導(dǎo)通孔，中部層生瓷片層數(shù):5?6層，用于布局液冷循環(huán)通道和TR部分電路圖形及導(dǎo)通孔，底部生瓷片層數(shù):5?8層，用于布局TR部分電路圖形及導(dǎo)通孔。其次分別在過孔/腔體成形、填充/印刷和疊層/層壓三個(gè)階段，按以下順序:在上述各層低溫共燒陶瓷生瓷片層上，按照電路設(shè)計(jì)，制出并填充可揮發(fā)性漿料的導(dǎo)通孔和散熱孔、定位孔和液冷循環(huán)通道，以及用電阻漿料在生瓷片表面印刷的導(dǎo)體線條和電路圖形；然后將含天線單元的頂部生瓷片層進(jìn)行一體化層壓，疊層形成頂部單元，將含液冷循環(huán)通道的中部生瓷片層和含TR組件單元的底部生瓷片層進(jìn)行定位疊層，一體化層壓形成填充有可揮發(fā)填充材料的凹坑單元；通過凹坑單元表面上涂敷的機(jī)粘接劑，將頂部單元疊在凹坑單元上，采用低溫低壓方式形成整體模塊，然后進(jìn)入燒結(jié)階段。
[0016]在過孔/腔體成型階段，生瓷片沖腔采用機(jī)械圓針沖孔方式完成矩型腔體的沖制。在封閉腔體的制作工序中，將上述所有層的生瓷片，按照電路設(shè)計(jì)圖形，采用全自動(dòng)生瓷片打孔機(jī)器，在中間層的生瓷片2的四周打出定位孔3和在頂層的生瓷片2相鄰定位孔3的內(nèi)側(cè)打出導(dǎo)通孔1，在底層生瓷片2中部位置打出導(dǎo)熱孔5，包括打出與這些孔相鄰的過孔，同時(shí)按照電路設(shè)計(jì)圖形在中間層生瓷片的中部上制出含2個(gè)主流道和8個(gè)分支流道4，與液冷進(jìn)口連通的液冷通道，在封閉腔體的制作工序中，疊層對位采用先填充后覆蓋的方法，疊片精度控制在±10um。
[0017]在填充/印刷階段，為防止多層生瓷片分層和翹曲，在生瓷片表面印刷導(dǎo)體時(shí)，生瓷片四周空白處，印刷控制厚度為lOum，寬度為200um左右的虛假導(dǎo)體。虛假導(dǎo)體是指不實(shí)現(xiàn)電信號傳遞，但是在生瓷片表面空白處形成與導(dǎo)體線條對應(yīng)的工藝導(dǎo)線，使得整體模塊在層壓中均勻受力和燒結(jié)中等方收縮，不發(fā)生分層和翹曲缺陷。然后將上述中間層、頂層、底層，所有生瓷片層上，按照電路設(shè)計(jì)圖形要求制出的過孔，采用自動(dòng)生瓷片填孔機(jī)器填充填孔金屬材料6和對底層中部過孔填孔熱金屬材料7 (銀)，用全自動(dòng)生瓷片印刷機(jī)，印刷出導(dǎo)體線條和電阻。填充材料可以是金銀混合系。再采用全自動(dòng)生瓷片印刷機(jī)，印刷出圖2所示的射頻天線前端內(nèi)層導(dǎo)體線條12和電阻13。凹坑內(nèi)填充的可揮發(fā)材料是能夠承受500psi以上的壓強(qiáng)，揮發(fā)溫度是200°C?450°C填充材料。
[0018]在疊層/層壓階段，用溫水等靜壓機(jī)器，疊片精度控制在±10um，用溫度為75°C，壓力為3000psi層壓力將頂層生瓷片層一體化層壓形成頂部單元。用全自動(dòng)疊片機(jī)器，疊片精度控制在±10um，將中間層的生瓷片層和底層的生瓷片層采疊在一起，然后采用溫水等靜壓機(jī)器，用溫度為75°C，壓力為3000psi層壓力一體化層壓形成凹坑單元。將可揮發(fā)填充材料印刷到凹坑單元的凹坑內(nèi)，填充材料上表面與凹坑上表面齊平?？蓳]發(fā)填充材料采用高純碳8進(jìn)行填充，填充方式可以采用手工填充或機(jī)器印刷到凹坑中，填充體積為凹坑體積的95%-98%，采用整平機(jī)對填充材料進(jìn)行整平，以保證填充材料上表面與凹坑上表面齊平。在凹坑單元上表面印刷有機(jī)粘接劑，印刷寬度為0.2mm,印刷厚度為IOum左右，均勻分布于沒有導(dǎo)體的生瓷片四邊。然后將頂部單元一起疊在凹坑單元上，通過凹坑單元上表面印刷有機(jī)粘接劑，用溫度控制在26°C?30°C，壓力控制在150psi?500psi的低溫低壓自動(dòng)疊片機(jī)，將頂部單元疊和凹坑單元上層壓形成集成液冷循環(huán)通道的整體模塊，然后進(jìn)入燒結(jié)階段。
[0019]在燒結(jié)階段，為了是高純碳的合理揮發(fā)，LTCC基板設(shè)計(jì)的出口大小為2_5mm。把層壓完畢的上述整體模塊放入燒結(jié)爐中進(jìn)行共燒，使層壓模塊凹坑形成腔體和液冷通道內(nèi)填充的可揮發(fā)填充材料:填充高純碳材8，從液冷通道進(jìn)出口 10和凹坑形成腔體揮發(fā)出口揮發(fā)出去，在燒結(jié)爐中完成腔體的封閉和結(jié)合。燒結(jié)完畢后的LTCC基板焊上液冷接頭。在燒結(jié)工序中，燒結(jié)450°C以下，升溫速度應(yīng)控制在5°C /s以內(nèi)，在450°C?850°C范圍內(nèi)，升溫速度應(yīng)控制在5°C/s?8°C/s。燒結(jié)曲線推薦見圖3所示燒結(jié)曲線。在燒結(jié)過程中，為了封閉腔體的密封性，必須保證燒結(jié)收縮率一致，可使用山脊形承燒板，減小生瓷片與承燒板的接觸面，允許燒結(jié)氣氛中的氣體從LTCC基板下方流過，為均勻燒結(jié)提供了有利條件，保證在X軸和Y軸上能夠進(jìn)行等方收縮，達(dá)到了封閉腔體的密封性要求。最后再采用軟釬焊接方式將液冷外部接頭焊接到整體模塊頂層表面對應(yīng)的液冷進(jìn)出口上，形成集成了液冷循環(huán)通道的射頻天線前端。
[0020]在圖2中，定位孔3在每層生瓷片的左下角和右上角，起定位作用，填孔金屬材料6起導(dǎo)通高頻信號作用，天線單元9是起接受和發(fā)射高頻信號的作用，液冷通道進(jìn)出口 10在射頻天線前端的左上角和右下角，起輸入和輸出冷卻液的作用，微通道11是用于帶走芯片熱量的通道，流通冷卻液體，內(nèi)層導(dǎo)體線條12用于內(nèi)部信號傳輸，電阻13用于高頻信號方阻。
[0021]以上所述的僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)指出，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以根據(jù)原材料不同作出若干變形和改進(jìn)，比如，本發(fā)明可以采用淀粉、固體酒精等填充材料來取代高純碳，只需要控制好燒結(jié)溫度曲線即可滿足要求；還有，本發(fā)明可選用雙面膜(厚度在IOum左右)來完成凹坑單元與頂部單元直接的結(jié)合；又如，本產(chǎn)品可針對壓力傳感器的制作提出空腔制作工藝。這些變更和改變應(yīng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種多層低溫共燒陶瓷基板集成液冷循環(huán)通道的制備方法，包括如下步驟:首先將若干低溫共燒陶瓷生瓷片分成頂部生瓷片層、中部生瓷片層和底部生瓷片層，其次分別在過孔/腔體成形、填充/印刷和疊層/層壓三個(gè)階段，按以下順序:在上述各層低溫共燒陶瓷生瓷片層上，按照電路設(shè)計(jì)，制出并填充可揮發(fā)性漿料的導(dǎo)通孔和散熱孔、定位孔和液冷循環(huán)通道，以及用電阻漿料在生瓷片表面印刷的導(dǎo)體線條和電路圖形；然后將含天線單元的頂部生瓷片層進(jìn)行一體化層壓，疊層形成頂部單元，將含液冷循環(huán)通道的中部生瓷片層和含TR組件單元的底部生瓷片層進(jìn)行定位疊層，一體化層壓形成填充有可揮發(fā)填充材料的凹坑單元；通過凹坑單元表面上涂敷的機(jī)粘接劑，將頂部單元疊在凹坑單元上，采用低溫低壓方式形成整體模塊，然后進(jìn)入燒結(jié)階段。
2.如權(quán)利要求1所述的多層低溫共燒陶瓷基板集成液冷循環(huán)通道的制備方法，其特征在于: O首先將生瓷片分三個(gè)層次:用于布局天線單元的電路圖形及導(dǎo)通孔的頂部生瓷片層、用于布局液冷循環(huán)通道和TR部分電路圖形及導(dǎo)通孔的中部層生瓷片層和用于布局TR部分電路圖形及導(dǎo)通孔底部生瓷片層；然后 2)在過孔/腔體成型階段，在封閉腔體的制作工序中，生瓷片沖腔后，將上述所有層的生瓷片，按照電路設(shè)計(jì)圖形制出定位孔、導(dǎo)通孔和散熱孔，同時(shí)在中部生瓷片層上制出與液冷進(jìn)口連通的液冷循環(huán)通道，包含主流道和分支流道，形成液冷循環(huán)通道； 3)在填充/印刷階段，將上述所有層的生瓷片按照電路設(shè)計(jì)圖形，采用自動(dòng)生瓷片填孔機(jī)器填充過孔，用全自動(dòng)生瓷片印刷機(jī)印刷出導(dǎo)體線條和電阻； 4)在疊層/層壓階段，用全自動(dòng)疊片機(jī)器將中部生瓷片層和底部生瓷片層采疊在一起，并采用溫水等靜壓機(jī)器一體化層壓形成凹坑單元，同時(shí)用全自動(dòng)疊片機(jī)器將頂部生瓷片層疊在一起，用溫水等靜壓機(jī)器一體化層壓形成頂部單元；將可揮發(fā)填充材料印刷到凹坑單元的凹坑內(nèi)，填充材料后的上表面與凹坑上表面齊平，然后通過凹坑單元上表面印刷的機(jī)粘接劑，采用全自動(dòng)疊片機(jī)將頂部單元疊在凹坑單元上，形成集成液冷循環(huán)通道的整體模塊，然后進(jìn)入燒結(jié)階段 。
3.如權(quán)利要求1或2所述的多層低溫共燒陶瓷基板集成液冷循環(huán)通道的制備方法，其特征在于:燒結(jié)階段，層壓完畢的整體模塊放入燒結(jié)爐中燒結(jié)，使涂敷的有機(jī)粘接劑固化形成介質(zhì)層，使整體模塊凹坑內(nèi)的填充材料從液冷通道進(jìn)出口揮發(fā)出去，最后再采用軟釬焊接方式將液冷外部接頭焊接到整體模塊頂層表面對應(yīng)的液冷進(jìn)出口上，形成集成了液冷循環(huán)通道的射頻天線前端。
4.如權(quán)利要求2所述的多層低溫共燒陶瓷基板集成液冷循環(huán)通道的制備方法，其特征在于:生瓷片沖腔采用機(jī)械圓針沖孔方式完成矩型腔體的沖制。
5.如權(quán)利要求2所述的多層低溫共燒陶瓷基板集成液冷循環(huán)通道的制備方法，其特征在于:在封閉腔體的制作工序中，疊層對位采用先填充后覆蓋的方法，疊片精度控制在+IOum0
6.如權(quán)利要求1所述的多層低溫共燒陶瓷基板集成液冷循環(huán)通道的制備方法，其特征在于:低溫低壓的溫度控制在26°C-30°C，壓力控制在150psi-500psi。
7.如權(quán)利要求1所述的多層低溫共燒陶瓷基板集成液冷循環(huán)通道的制備方法，其特征在于:燒結(jié)階段的燒結(jié)溫度控制450°C以下，升溫速度控制在5°C/s以內(nèi)，在450°C-850°C范圍內(nèi)，升溫速度控制在5°C /s-8°C /s。
8.如權(quán)利要求1所述的多層低溫共燒陶瓷基板集成液冷循環(huán)通道的制備方法，其特征在于:凹坑內(nèi)填充的可揮發(fā)材料是能夠承受500psi以上壓強(qiáng)，200°C-450°C揮發(fā)溫度的填充材料。
9.如權(quán)利要求2所述的多層低溫共燒陶瓷基板集成液冷循環(huán)通道的制備方法，其特征在于:在填充/印刷階段，為防止多層生瓷片分層和翹曲，在生瓷片表面印刷導(dǎo)體時(shí)，生瓷片四周空白處，印刷控制厚度為10um，寬度為200um的虛假導(dǎo)體。
10.如權(quán)利要求1所述的多層低溫共燒陶瓷基板集成液冷循環(huán)通道的制備方法，其特征在于:可揮發(fā)填充材料采用高純碳(8)進(jìn)行填充，填充方式可以采用手工填充或機(jī)器印刷到凹坑中，填充體積為凹坑體積的95%-98%，采用整平機(jī)對填充材料進(jìn)行整平，以保證填充材料上表面與凹坑上 表面齊平。
【文檔編號】H01L21/48GK103456646SQ201310399982
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月5日
【發(fā)明者】閻德勁, 馮剛英, 周宇戈 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所