CN102712520A - 由低温共烧陶瓷材料制造高频接收和/或发射装置的方法以及由其制造的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及由低温共烧陶瓷(LTCC)材料形成高频接收器、发射器和收发器的方法。两个或更多个彼此接触的低k厚膜介电带材层和两个或更多个彼此接触的低k厚膜介电带材层形成低k高k的LTCC结构，所述结构具有改善的性能和支持高频收发器经济型大批量生产工艺的能力。本发明还涉及LTCC接收、发射和收发结构以及由这些结构制成的装置。

Description

由低温共烧陶瓷材料制造高频接收和/或发射装置的方法以及由其制造的装置
发明领域
本发明涉及由低温共烧陶瓷(LTCC)材料形成高频接收器、发射器和收发器的方法。本发明还涉及LTCC接收、发射和收发结构以及由这些结构制成的装置。
发明背景
最近的发现(a)用于LTCC厚膜材料的玻璃，其中LTCC厚膜材料达到足够低的介电常数(k)以允许用作信号处理应用的电子封装的低k部分，以及(b)这种达到足够低的k值以允许用作信号处理应用的电子封装的低k部分的LTCC厚膜材料，已产生了利用这种LTCC厚膜材料进行额外发现的可能性。此类玻璃已在2006年10月5日提交的共同转让的已获准美国专利申请序列号11/543,742中公开并且受权利要求书保护。此类低k厚膜介电组合物在2007年6月29日提交的共同转让的美国专利申请序列号11/824,116中公开并且受权利要求书保护。
互连电路板是由大量极小电路元件组成的电子电路或子系统的物理实现，所述电路元件以电方式和机械方式互连。很多情况下，期望将这些不同类型的电子组件以一定排列方式组合起来，以便可将它们在一个单独的紧凑封装中物理隔离而又彼此相邻地组装，并且彼此电连接和/或电连接到从封装延伸出来的公共接头。
复杂电子电路通常需要电路由若干层通过绝缘介电层隔离的导体构建而成。导电层通过穿透介电层的导电途径（称为通路）在各级之间互连。此类多层结构使电路变得更加紧凑。
一种有用的介电带材组合物公开于授予Donohue等人的美国专利6,147,019中。Donohue等人的介电带材组合物达到了在7-8范围内的介电常数，并且不适合作为电子封装信号处理应用的低k材料。
另一种有用的介电带材组合物是可商购获得的产品，产品编号951（可从E.I.du Pont de Nemours and Company商购获得）。该介电带材组合物达到了在7-8范围内的介电常数，并且不适合作为电子封装信号处理应用的低k材料。
先前可用的LTCC厚膜材料达不到足够低的k而不允许用作用于信号处理应用的电子封装的低k部分。具有大于6的介电常数(k)的厚膜介电层通常用于在埋置无源组件应用中。在这些LTCC埋置无源组件应用中，介电厚膜是常见的。
然而，在天线、波束成形、滤波器、耦合器、平衡-不平衡变换器、以及其它射频(RF)信号处理应用中，最好使用k值显著低于7-8的较低k材料，优选具有在2-5范围内的介电常数的低k材料。因此，已被用于那些应用中的材料不是LTCC材料，而是聚四氟乙烯(PTFE)材料，例如可从E.I.du Pont de Nemours and Company商购获得的Teflon
Figure BDA00001911899900021
。
这些PTFE材料的介电常数(k)能够达到大约2.2-4。这种3-4的介电常数允许更广的线宽，并且形成了具有维持50Ω并达到更低的电路介电损耗和更低的对屏幕细纹成图的容差效应的能力。现今，低k的PTFE介电材料用于几乎所有的30GHz以上的RF模块，因为在该介电质中波长较小。
介电常数k也是控制层压材料电气性能的重要材料属性。在电子工业中使用的介电层压材料基于其介电常数一般分成两大类：1)具有在2.2-5.5范围内的介电常数的低k材料，以及2)具有范围为5.5-12的k的高k材料。
低k层压体一般由复杂的有机材料（例如前面讨论过的PTFE材料）组成，并且高k材料具有玻璃陶瓷组合物。
有机层压体可具有或可不具有加载在其分子基质中的玻璃、陶瓷或其它材料颗粒以实现不同的k值。LTCC材料是使用最广泛的玻璃陶瓷材料体系之一。低k和高k材料体系均因其介电常数而提供某些独特的优势。对每个材料组的具体优势的比较在下面的表1.1中示出。
一般而言，陶瓷材料（具体地讲是LTCC材料）为电子系统水平的封装提供了某些非常引人注目的特性，即：(i)高机械强度和刚度，(ii)气密性，(iii)极低的吸水率（这是有机材料的严重问题），(iv)与在集成电路(IC)芯片的制造中所用的工业标准半导体材料匹配的优异的CTE（热膨胀系数）。
半导体材料具有在3-5ppm/℃范围内的CTE值，LTCC材料与有机材料的17ppm/℃的CTE值相比具有接近于4.5ppm/℃的CTE值。LTCC近乎匹配IC芯片的CTE值获得非常高的可靠性。
此外，一般而言，陶瓷材料（具体地讲是LTCC材料）(v)由于具有较高的介电常数而具有较小水平的串扰。最后，(vi)LTCC材料的较高介电常数k导致非常紧凑的电路设计。
然而，LTCC材料的高介电常数k使得难于用其制造天线和其它辐射元件（尤其是在较高频率下）。
LTCC材料的另一个缺点是其较高的介电常数k降低了信号传输速度。
基于以上讨论和下表1.1，很明显低k和高k介电常数材料均具有具体的优势与劣势。
授予Gurkovich等人的美国专利5,757,611公开了一种具有埋置无源组件（例如在其中的电容器）的电子封装，以及用于制造电子封装的方法。电子封装包括无源组件部分（其包含多个高k介电材料层）、信号处理部分（其包含多个低k介电材料层），以及插入在无源组件部分和信号处理部分之间的至少一个缓冲层。Gurkovich等人没有公开允许缺少介于低k和高k区域之间的缓冲层的LTCC结构。此外，Gurkovich等人公开了利用压力辅助层压的制造方法。Gurkovich等人公开了无源组件部分与信号处理结合的用途，并且没有公开无源组件部分以及信号处理作为独立特征的能力。另外，Gurkovic等人公开了沿介于所有层之间的所有垂直通路的定位焊盘的用途。
具有低k和高k层两者的多层层压结构也被提出，该结构结合两类层压材料的优势，同时限制对电路性能的任何不利影响。然而，它们的制备方法麻烦且复杂，并且单独的低k和高k组件价格昂贵，这两者均导致每个制造的单元的成本高昂。这将在下面更详细地描述。
发明人发现，许多电路类型可受益于简单、易于制造的LTCC层压结构中低k和高k材料两者积极方面的结合。例如，收发器（在同一个电路中结合了接收器和发射器）电路是此类系统的良好实例。收发器电路极广泛地用于多种通讯设备如手机、无线网络装置、雷达系统、收音机等。
收发器通常具有许多由半导体、无源组件（作为单独的组件并且印刷在电路基板上），以及用于接收和发射信号的天线组成的微波集成电路(MMIC)。对于使用收发器的电子系统的封装，基板材料需要能够支持MMIC的连接、能够承载布线密度高但串扰较低的电互连器，并且能够承载高效天线结构。
需要易于制造、基板材料廉价的收发器或者其它电路例如接收器和发射器，其结合了低k和高k材料两者的特性。
本发明提供了独特且新颖的方法以及所得结构，其中两类具有不同介电常数的LTCC带材系统（一类具有低k，而另一类具有高k）可被结合以形成单个的、整体的、多层电路板以用于收发器应用、或其它电路应用例如接收器和发射器。
表1.1
低k和高k材料的特性比较
Figure BDA00001911899900041
Figure BDA00001911899900051
发明概述
本发明提供了大批量生产具有低温共烧陶瓷基板的高频天线的新型、独特且性价比极高的方法。该方法包括以下步骤：(a)提供一层或多层彼此接触的低k厚膜介电带材，每层具有在3.5-6.5范围内的介电常数并基于固体计包含：(a)40-80重量%的玻璃组合物；(b)20-60重量%的陶瓷氧化物；上述组分分散在(c)有机聚合物粘合剂的溶液中；以形成低k层状结构，(b)使所述k层状结构与高k结构接触以形成具有暴露的低k表面和暴露的高k表面的组合件，所述高k结构由一层或多层高k材料形成，(c)在暴露的低k表面上提供贴片天线图案，(d)加工所述组合件以形成低温共烧陶瓷结构，以及(e)在暴露的高k表面上提供芯片电路。
在本发明的实施方案中，高k结构由高k材料制成，所述高k材料选自氧化铝、氮化铝、氧化硅、碳化硅、氮化硅、以及在基板上的感光带材(PTOS)并具有大于或等于6.5的k值。
在本发明的其它实施方案中，高k结构为彼此接触的厚膜介电带材的一个或多个层，每层具有在6.5-8范围内的介电常数。
本发明还提供了根据上述本发明方法制备的新型、独特且性价比极高的高频天线。
附图概述
图1示出了现有的收发器封装的实例。
图2A示出了根据本发明的收发器封装的示意图。
图2B示出了低k层上的印刷相控天线阵列。
图2C示出了本发明的完整单个基板LTCC收发器的横截面。
图2D为现有装置与本发明实施方案的成本结构对比。
图3示出了辐射效率根据四种不同天线基板材料的频率的变化情况。
发明详述
对作为描述本发明方法以及通过实践本发明的多个实施方案所获得的结构和装置的极大改进的基础的现有技术进行了描述，其中使用的多层层压结构具有低k和高k层，其结合了两类层压材料的优势，同时限制了对电路性能的任何不利影响。然而，如下文所详述，它们的制备方法麻烦且复杂，并且单独的低k和高k组件价格昂贵，这两者均导致制造的每个单元的成本高昂。
因为典型的收发器需组合低k和高k材料二者进行高效运行，所以目前的设计将高k陶瓷材料用于收发器的芯片附连侧，将低k有机材料用于天线侧。
两种完全不同类型的材料（低k有机材料和高k陶瓷材料）之间的这种复合结构导致极高水平的性能错配，并且没有中间结构材料就无法将它们连结在一起。
由高抛光和精密机械加工的铝制成的金属基板目前用作此类收发器封装的支柱。
需要分别制造这三个组件：(i)低k有机天线基板，(ii)高k陶瓷MMIC基板，和(iii)金属基板。这三个组件中的每一个使用了完全不同的制造工艺。然后将它们组装在一起以形成收发器单元。
在MMIC陶瓷基板和有机天线基板之间需要通过金属板形成具有极低损耗的电互连器。目前，可以在金属板上加工的互连结构的最佳设计方案是需要极高几何精度的充气波导管。此外，需要设计、优化和加工合适的过渡结构，以形成层压体（有机和陶瓷二者）上的印刷微带线互连器与充气波导管之间的接口。此类过渡结构趋于“有损耗的”，并严格限制作为一个整体的系统的损耗预算。
此外，组装步骤需要将高度专业化的工艺设备添加到成本结构中。
在组装阶段，由于需要用高精度加工来处理三个不同的组件、在空间中操纵它们，然后在具有最小空间错位的情况下将它们连结到一起，以限制信号损耗，因而对收率也有显著的影响。
总之，收发器封装的现有设计方案是高度复杂、成本高昂的方法，使得最终系统成本较高，从而限制了围绕收发器建造的系统（如汽车的自适应巡航控制(ACC)系统）的市场接受程度。
图1示出了此类收发器封装的典型实例。
在本发明的实施方案中，与多层高k的LTCC带材层压在一起并加工成“单个基板LTCC”的多层低k的LTCC带材的使用代表了在为收发器封装提供解决方案的领域中的显著进步。同时，由如上所述的现有技术造成的许多问题要么被消除、要么被降低了多个等级，如下文将描述的那样。
本发明利用设计LTCC材料的能力，以便在同一单个基板上既具有低k层压层又具有高k层压层。在本发明的实施方案中，多层低k的LTCC带材与多层高k的LTCC带材层压在一起，并加工成单个基板LTCC。在本发明的其它实施方案中，在低k层上加工天线结构，而MMIC结构安装在高k层上。
因为本发明提供了全陶瓷结构，所以上文表1.1中描述了陶瓷材料的所有优势。具体地讲，(i)高机械强度和刚度，(ii)气密性，(iii)极低的吸水率，(iv)优异CTE（热膨胀系数），其与(IC)芯片匹配，(v)由于较高的介电常数因而具有较低的串扰水平，并且(vi)非常紧凑的电路设计均具有本发明的单个基板LTCC。
本发明通过将两种功能结合到一个常见基板中而消除了使用单独的MMIC和天线子电路的需要。此外，本发明的LTCC结构不需要金属基板互连导电物，从而显著降低了成本。复杂的组装步骤是现有方法中收率损失的主要原因，该步骤被完全取消，从而显著节省了成本。此外，取消组装步骤缩短了循环时间，并因此显著改善了组装线的生产能力。最后，不再需要充气波导管过渡结构的印刷输电线（例如微带线、共面波导、带状线），从而改善了系统的损耗预算。
因为本发明的单个基板LTCC所用的制造方法只使用标准的LTCC方法，即丝网印刷、层压和焙烧，所以除了LTCC加工通常所需的设备外，不需要任何额外的专用设备的资本投资。
图2A示出了根据本发明的收发器封装的示意图。图2B示出了在低k层上的印刷相控天线阵列。图2C示出了本发明的完整单个基板LTCC收发器的横截面。图2D为现有技术与本发明实施方案的成本结构的对比情况。
辐射效率是天线阵列的重要操作参数。辐射效率指定辐射的电磁能量与通过多种损耗机理消散的电磁能量的比率。典型的损耗机理包括导电元件的电阻损耗、基板材料的介电损耗以及由于表面波的激发和传播而产生的损耗。可通过选择具有高导电性的导体和具有低损耗角正切的基板材料而降低电阻损耗和介电损耗。然而，表面波损耗是显著的并取决于基板的介电质厚度以及介电常数。表面波损耗将随着给定基板厚度的天线基板的介电常数而增大。此外，表面波将不利地影响辐射图的质量，从而产生较高的旁瓣电平和交叉极化效应。随着操作频率增大，表面波损耗的影响变得越来越明显。因此，将天线材料的介电常数保持在较低水平是非常重要的。然而，如果介电常数太低，则将需要较大的构成天线的金属化图案，从而增大天线阵列的总体尺寸。这继而会使系统的总占有面积超出规格。本发明的复合低k/高k组合的LTCC基板实现了在需要保持较小电路总占有面积同时提供较高辐射效率之间的极好平衡。
图3示出了辐射效率根据四种不同天线基板材料的频率的变化情况。就所有情况而言，辐射效率随着频率的增大而降低。然而，对于具有最高介电常数的材料（在这种情况下，为介电常数为10的铝），其辐射效率随频率的降低速率是最高的。因此，很明显，天线基板的介电常数较低对于减小辐射效率随频率逐渐降低的不利影响是有利的。此外，低介电常数的优势在较高频率下更明显。下表3示出了在研究中的材料在各个频率点处的辐射效率的绝对值。
表3：
根据频率和介电常数的天线辐射效率
Figure BDA00001911899900091
根据本发明的低k/高k结构具有低k层，所述低k层具有在3.5-6.5范围内，或在其它实施方案中在4-5范围内的介电常数，其将用作收发器一面的天线基板。从表中明显地看出，与包括标准LTCC和氧化铝两者的其它陶瓷材料相比，根据本发明的低k/高k的LTCC结构使高于在30GHz的频率下的辐射效率显著改善，这归功于本发明的多层层压LTCC结构中的低k层的存在。
对天线尺寸的影响是本发明的多层层压LTCC结构的另一个有益效果。典型的收发器阵列天线由天线金属化图案的大型矩阵构成，其中形成整体矩阵的每个元件采用简单的几何形状，诸如矩形或圆形。一般来讲，阵列天线是整个收发器面积上最大的子系统。因此，关键的是使天线阵列所占据的面积保持最小，以使系统总占有面积保持较小。
每个天线元件的尺寸将取决于天线基板的介电常数，并与其成反比关系。这意味着如果将具有高介电常数的材料用作天线基板，则给定操作频率的元件的所得尺寸将会较小。
然而，为了获得更高的辐射效率，天线基板需要具有较低的介电常数。显然，无法同时满足高辐射效率和较小面积的要求，从而需要进行工程折衷。因此，需要具有中等介电常数的天线基板以保证良好的辐射效率以及足够小的占有面积。
例如，表4示出了常用电子封装材料的矩形微带线贴片阵列的每个元件所占用的面积。整个阵列一般由添加到大面积结构中的100个至1000个此类元件组成。
表4：
在75GHz频率下的单个微带线矩形天线元件的面积计算。
  材料   dK   长度(mm)   宽度(mm)   面积(mm2)
  典型的有机物（特氟隆）   2.5   1.11   1.52   1.6872
  低k的LTCC   4   0.88   1.26   1.1088
  标准LTCC   7.5   0.63   0.97   0.6111
  陶瓷（氧化铝）   10   0.53   0.85   0.4505
从表4明显地看出，用介电常数为大约10的氧化铝获得了天线元件的最小面积，有机材料获得了几乎大三倍的天线元件的最小面积。通过比较辐射效率（表3）和天线元件面积（表4），可以看出，当与具有较小占有面积的标准LTCC和具有最高辐射效率的有机材料相比，根据本发明的低k/高k的LTCC结构实现了极好的辐射效率。
因此，与现有设计相比，根据本发明的低k/高k的LTCC结构的另一个明显优势是它实现了天线辐射效率与电路总面积之间所需的折衷。
对互连器尺寸的影响是根据本发明的低k/高k的LTCC结构的另一个优势。用于电子封装中的任何介电基板的关键功能之一是为获得低损耗电互连器提供介质。这些互连器采用受控阻抗输电线的形式，并携带多个组件和子系统之间的信号，最重要的是集成电路芯片之间的信号。
金属化限定互连器的宽度是获得受控阻抗的重要参数，并且是介电常数的反函数。对于具有较低介电常数的基底材料而言，需要较宽的互连器，反之亦然。因此，低k材料上的互连器将占据更大的空间，从而使电路的总占有面积非常大。另一方面，较窄的受控阻抗互连器可以很容易地在具有较高介电常数的材料上获得。根据本发明的低k/高k的LTCC结构在这方面具有明显的优势，因为基板的芯片连结侧由具有大约6.5-8.0的介电常数的LTCC层构成。
因此，用根据本发明的低k/高k的LTCC结构基板能够制造低k层上具有良好辐射效率和较小尺寸，同时在高k层上承载较窄受控阻抗芯片互连器的天线。这消除了必须使用两种单独的基板材料的需要，其中一种材料用于优化天线功能，而另一种用于芯片连结和互连，从而显著简化了收发器电路的设计、组装和制造。
整合埋置无源组件的潜能是根据本发明的低k/高k的LTCC结构的另一个优势。一般来讲，收发器电路使用许多不同类型的无源组件来实现多种电功能。电阻器和电容器是最广泛需要的用于收发器的无源功能。因为根据本发明的低k/高k的LTCC结构为多层陶瓷复合物，它提供了将电阻器与具有LTCC带材的电容器厚膜浆料共焙烧的能力，以及使叠堆内嵌入的无源组件金属化的能力，从而释放了基板外表面上有价值的电路区。
参见图2C，本发明的单个基板LTCC收发器，如本文所讨论的基板对LTCC结构和/或贴片天线网格和/或MMIC装置的各个层之间的电互连器没有施加具体的要求或限制。根据设计者的设计和创造要求，可在MMIC之间和MMIC与天线之间产生任何简单或复杂的互连方案。这些互连器可具有由每个基板层界面上的信号线、连接不同层上的信号线的通路等形成的路径。对于本领域已知的任何多层或LTCC电路而言，这是大同小异的。不考虑互连器的具体性质，从大量互连器线可共同位于给定区域内的意义上来讲，高k层将使得能够获得非常好的互连或导体密度，因为较高k材料允许迹线较窄。同时，可实现在低k层上制造天线。
在本发明的实施方案中，可具有一个或多个MMIC，这取决于电路设计者想要使用的具体的收发器构造。在其它实施方案中，可具有封装非常类似于MMIC封装的晶体管，但没有MMIC。一般来讲，本发明涵盖了有源组件，包括在根据本发明的低k/高k的LTCC结构的低k表面上的MMIC和/或晶体管。
包括根据本发明的低k/高k的LTCC结构的低k表面上的MMIC和/或晶体管在内的每个有源组件与贴片天线网格之间没有最小数量的连接。此类构型取决于具体的电路设计。不管前文如何描述，包括根据本发明的低k/高k的LTCC结构的低k表面上的MMIC和/或晶体管在内的有源组件之一与贴片天线网格之间需要至少一个互连器。在本发明的实施方案中，这种单线连接可为“枝状的”，以供所有天线网格使用。在本发明的其它实施方案中，天线网格上的每个元件可具有它们自己的一套MMIC，以为其提供单独的专用互连器。在典型的系统设计中，可具有大约20个来源于多个MMIC的供天线网格使用的互连器。
如本文所用，术语“厚膜”和“厚膜浆料”是指细分固体在有机介质中的分散体，其具有浆料的稠度或可浇铸带材的浆液的稠度，并且具有适于丝网印刷和喷涂、浸涂、喷墨涂或辊涂的流变性。如本文所用，术语“厚膜”是指粉末在丝网印刷载体或可浇铸带材的浆液中的悬浮液，其在加工时形成具有几微米或更厚的膜。粉末通常包含功能相、玻璃和其它用于粘附到基板的添加剂等。载体通常包含有机树脂、溶剂和用于流变原因的添加剂。用于此类浆料的有机介质通常由溶于溶剂中的液体基料聚合物和各种流变剂组成，所有这些材料在焙烧过程期间均可完全热分解。此类浆料可为电阻性的或导电性的，并且在某些情况下，其甚至可具有介电性质。本发明的厚膜组合物包含无机粘合剂，因为功能性固体需要在焙烧期间被烧结。适宜的有机介质材料的更详细讨论可见于授予Usala的美国专利4,536,535中，该文献以引用方式并入本文。在一些实施方案中，对于单个印刷或带材层而言，焙烧的介电厚膜层为大约3-300微米，并且所有范围都包含在其中。在另一些实施方案中，焙烧的介电厚膜层的厚度在3-5微米，5-10微米，10-15微米，30-250微米的范围内。
I.高k介电带材组合物
本发明利用可商购获得的介电厚膜带材组合物作为外部或内部约束带材。这些可商购获得的高k介电厚膜带材包含基于可结晶玻璃的系统，如硼酸盐、硼硅酸盐或硼-二氧磷基-硅酸盐玻璃网，如可商购获得的带材951、943或美国专利公开申请11/543742中所述的带材中所用，该专利以引用方式并入本文（可从E.I.du Pont de Nemours and Company商购获得）。这些可商购获得的高k带材尤其有用于本发明。如本文所用，“高k”带材在6-8k的范围内。上文直接提到的介电带材不是标准的约束带材。标准约束带材会与功能性带材层反应，并且不能在不损坏电路的情况下从LTCC装置上去除。
可用于本发明的高k带材通常反应性非常高，如果用于内部或外部，很可能会与上文提到的标准约束带材反应；并因此可能降低高频特性，诸如介电损耗和介电常数。因此，标准约束带材不可与这些基于硼酸盐的低损耗介电带材结合起来用于高频应用中。
本发明使用先前开发的低k介电厚膜组合物及其使用方法，所述方法提供(1)低介电损耗带材，其用于具有介电常数比本发明可用的k～6-8低的高频应用中，(2)低收缩值，其在未使用约束带材的情况下比本发明可用的7-12%的收缩值低，以及(3)在一些实施方案中，提供约束高k介电带材的附加特性的低k带材（可商购获得的产品943、951和美国专利申请11/543742中所公开的可商购获得的带材），并且最后(4)低k介电带材与高k介电带材反应，并在焙烧时获得没有分层的连续结构，这允许电路设计者在电路z方向的合适位置并入多个k值带材，以在适当位置处控制电路的功能特性。在一些实施方案中，在焙烧低k和高k带材时获得均匀结构（即，不能区分各个带材层的结构）。
本发明利用了新型低k和低介电损耗带材。此外，本发明所述的低k带材与可商购获得的介电厚膜带材相容，并且可用于LTCC结构的特定的层。新型低k带材具有比任何可商购获得的功能性LTCC带材低的收缩，并且如果联合使用的话，具有约束本发明可用的其它功能性生瓷带的附加特性（例如上文所公开的高k介电带材）。
通常，通过将无机固体、有机固体和挥发性溶剂的浆液浇铸在可移除的聚合物膜上来形成LTCC带材。该浆液由一种或多种玻璃粉和陶瓷氧化物填充材料以及有机基质树脂-溶剂体系（介质）组成，其中该树脂-溶剂体系被配制和加工为包含分散悬浮固体的液体。通过用该浆液涂覆可移除的聚合物膜的表面以便形成厚度与宽度均匀的涂层来制备带材。
在一个实施方案中，可用作在高频LTCC应用中的介电带材层的LTCC带材材料公开于美国专利申请11/543742中。
此外，美国专利申请11/543742的介电厚膜带材组合物的一些实施方案在本发明中用作高k厚膜带材层。该介电带材被设计为除去潜在的毒性组分并表现出均匀性和在6-8范围内相对较低的介电常数。另外，介电带材具有在至高90GHz或有时更高的较宽频率范围内的低介电损耗性能，这取决于金属负载。
II.低k厚膜介电带材组合物
与可商购获得的“LTCC电路功能性带材”相比，低k带材具有非常低的收缩，此外，它约束其它可商购获得的带材（如果在LTCC结构的z方向使用的话），并且在加工后不需要去除。当低k带材用于构建高密度的LTCC电路时，其表现出与导体和无源电子材料的加工和材料的相容性。具有其它可商购获得的低损耗带材的低k带材系统或“基于低k带材的复合系统”可在本发明所述的LTCC系统的标准加工条件下提供至高90GHz或更高频率内的低介电损耗、比PTFE结构更大的电路设计自由、优异的X-Y约束效应以及低k带材与高k带材之间的无分层的良好连接。本发明的厚膜介电带材层之间不需要缓冲层。
在本发明的实施方案中，提供的自约束LTCC系统可允许将RF、微波和/或毫米波信号处理能力更好地整合到一个模块、封装或板中。不存在LTCC或多层陶瓷系统，这允许在自约束在X-Y方向并还具有低k和低损耗的一个复合模块、封装或板（即结构）中一起使用多个高和低k介电层。本发明将在一个LTCC结构中使用由各种高k值和低k值、厚度和损耗值组成的层的组合。
可商购获得的用于LTCC装置的介电生瓷带具有最低大约6-7的介电常数。电路设计者正在寻找比可商购获得的介电厚膜LTCC带材低得多的k值。低k电介质用于几乎所有高于30GHz的RF模块中。能够在叠堆的某个z位置放置k值低于6-8的层可使电路设计者获得更大程度的自由。
由于在模块的外层上使用k值较低的电介质，所以现在天线类似于在PTFE中所设计的那些。使用较低的k允许使用较宽的RF线以保持50Ω的电阻。这对设计具有双倍的影响：(1)较宽的线具有较高的收率，因为其线宽度公差比较窄的线具有更小的影响，以及(2)较宽的线比较窄的线提供更佳的性能（即，衰减较低）。
在LTCC加工期间所有生瓷带均收缩。收缩是许多参数的函数：包括存在于带材中的无机氧化物的粒度和粒度分布；有机与无机材料的比率；聚合物的“解压缩”和解聚以及含碳物质的“燃烧”的动力学；玻璃软化的动力学；存在于带材中的玻璃组分与无机填充材料的相互作用（如果有的话）；晶体的成核和生长（如果玻璃为可结晶的）。尽管收缩是三维现象，但对LTCC电路设计者而言最重要的方面是X-Y收缩。优选的晶体生长对设计具有较小的影响。然而，伸长的晶体生长会产生表面粗糙、不需要的性能变化。X-Y收缩为0和/或将收缩控制在尽可能最低的水平是所期望的。陶瓷制造者已开发出控制并约束LTCC带材的材料和带材。这些约束带材基于在LTCC加工温度下最不容易烧结的陶瓷材料，如氧化铝和二氧化硅。这些约束带材的其它要求是在电路烧结后应易于从LTCC电路的表面去除；即，最不容易与功能性带材层反应。一些约束带材通过插入功能性带材复合层的Z方向而在内部使用，它们将变成电路的一部分，与用于外部约束的那些带材不同，它们不会被移除。与高频应用所需的介电常数相比，所有内部可用的约束此类带材具有高介电常数。在高频应用中所使用的以及前面部分所述的LTCC带材是基于硼酸盐或硼-硅酸盐，或硼-二氧磷基-硅酸盐玻璃的系统，它在LTCC加工条件下会结晶，留下低粘度的“残余玻璃”。外部约束带材会与“残余玻璃”反应，所以在加工后难以在不损坏电路和/或不留下残余物的情况下将其去除。在表面上存在此类残余物使得不可能在表面上增加功能元件。所以理想的解决方案是开发具有接近0的较低收缩值或在不使用约束带材的情况下具有设计要求可接受的最低收缩的LTCC带材。
对带材进行内部和/或外部约束以及将复合材料的收缩降至最低水平是未来基本需要的装置要求。标准约束带材不能与这些带材化学成分一起使用，因为它们在一起会发生反应并且在加工后无法移除，从而降低介电特性：如果机械地去除约束带材，会增大介电常数、介电损耗和电路表面损坏。
本发明还涉及基于硼酸盐、硼-硅酸盐或硼-二氧磷基-硅酸盐可结晶玻璃的带材，其具有陶瓷氧化物填料组分，以控制玻璃的结晶、控制“残余”玻璃的粘度并降低焙烧复合材料的介电常数。另外，新带材可与其它可商购获得的低介电损耗带材相容，以便可将它们整合在一起以用于提供多个特性功能。
此外，如果电路设计者希望在电路中结合具体的较低K和低损耗介电特性的层，则可将该带材结合到任何具有相容化学物质的LTCC复合系统中。此类结合可使系统中其它带材层的功能特性发生变化。
该材料特征在于它们不含毒性的金属氧化物，如铅镉的氧化物。该材料被设计为在约850-875℃下加工以用于现有带材介电材料。可调整加工条件以用于具体的LTCC电路。带材被设计为可与导体、埋置电容器和通过丝网印刷或带材浇铸或其它类似加工条件而应用的其它无源电子组件共焙烧。
A.一种或多种陶瓷氧化物
添加少量SiO2的所述组合物在与基于银的导线的相容性方面表现出显著的改善。与邻近的银导线相互作用的趋势在所测试的由产生高粘度“残余玻璃”的玻璃制成的带材组合物中被抑制。报告的介电损耗特性出乎意料地显示出，在组合物中添加少量SiO2不会显著改变介电带材的介电特性。这种情况下向玻璃中添加低添加含量的SiO2在Donohue等人的美国专利公开6,147,019中没有报告。添加SiO2被表明不会对介电损耗有益。
在本发明中，将显著更高量的二氧化硅作为第二结晶相填料加入硼酸盐或硼-硅酸盐或硼-二氧磷基-硅酸盐玻璃中以降低介电常数并减小生瓷带收缩以满足LTCC设计者的低k需要。
因此，本发明提供了低k厚膜介电带材组合物，基于无机组合物的总重量%计，所述组合物包含：(1)40-80%、优选45-55%的基于硼酸盐、或硼-硅酸盐、或硼-二氧磷基-硅酸盐的玻璃组合物，诸如美国专利公开6,147,019中所述的玻璃化学物质；提交于2006年10月5日的共同转让的已获准美国专利申请序列号11/543,742中所公开并受权利要求书保护的玻璃；在生瓷带951中所使用的DUPONT玻璃，或具有在峰值焙烧温度下的对数粘度范围为2-6泊的类似可结晶玻璃，(2)与玻璃化学物质相容的20-60%、优选30-50%的陶瓷氧化物或混合的氧化物填料如二氧化硅、硅酸盐，(3)0-5%的其它无机氧化物和化合物如氧化铜，以及具有类似化学性质的其它物质。
B.玻璃料
在带材组合物的配方中，玻璃量相对于陶瓷材料量是重要的。按重量计20-60%的填料范围被认为是所期望的，因为达到了足够的压实。如果填料浓度超过按重量计60%，则焙烧结构不够致密并且孔太多。在所期望的玻璃/填料比率内，将显而易见的是，在焙烧期间，填料相会变得充满液体玻璃。玻璃-填料比率的变化还取决于玻璃在软化点处的粘度、“残余玻璃”的粘度、以及填料对于所谓玻璃“网络形成物”的性质。
为了在焙烧时获得组合物的更大压实的目的，无机固体具有小粒度非常重要。具体地，基本上所有颗粒应该均不超过15μm，优选地不超过10μm。除了这些最大粒度限制，优选至少50%的玻璃和陶瓷填料颗粒大于1μm并小于6μm。
用于本发明中的玻璃组合物的一个实施方案是基于摩尔%计，基本上由以下组分组成的硼-二氧磷基-硅酸盐玻璃网络：50-56%的B2O3、0.5-5.5%的P2O5、SiO2以及它们的混合物、20-50%的CaO、2-15%的Ln2O3，其中Ln选自稀土元素以及它们的混合物；0-6%的MI 2O，其中MI选自碱性元素；和0-10%的Al2O3，前提条件是组合物为可水磨的。本发明所用的另一种玻璃在Donahue的文献和Hang等人的其它文献中有所描述。
用于本发明中的玻璃组合物的一个附加实施方案是基于摩尔%计，基本上由以下组分组成的玻璃组合物：(i)46-57.96%的B2O3，(ii)玻璃网络形成物，其选自0.5-8.5%的P2O5、1.72-5.00%的SiO2以及P2O5与SiO2的混合物，其中所述P2O5与SiO2的混合物的组合摩尔%为3.44-8.39%，(iii)20-50%的CaO，(iv)2-15%的Ln2O3，其中Ln选自稀土元素以及它们的混合物；(v)0-6%的MI2O，其中MI选自碱性元素；和(vi)0-10%的Al2O3，其中所述玻璃组合物为陶瓷填充的失透玻璃组合物，其中所述玻璃组合物在结晶前流动，前提条件是所述组合物是可水磨的。
本发明中所用的无机填料为二氧化硅粉末，其具有0.5-15.0m2/gm，优选7.0-13.0m2/gm的表面积。与可结晶玻璃的润湿特性相容的其它混合的陶瓷氧化物和/或陶瓷氧化物的混合物在850℃的最高焙烧温度下具有2-6泊的对数粘度范围。
C  有机介质
玻璃和陶瓷无机固体分散在其中的有机介质由溶解在挥发性有机溶剂中的有机聚合物粘合剂，以及任选的其它溶解材料诸如增塑剂、隔离剂、分散剂、剥色剂、消泡剂、稳定剂和润湿剂构成。
为获得更好的结合效率，基于总组合物，对于90重量%的固体含量而言（其中包括玻璃和陶瓷填料），优选使用至少5重量%的聚合物粘合剂。但是，更优选使用不超过30重量%的聚合物粘合剂与其它低挥发性改性剂诸如增塑剂和最小70重量%的无机固体。在这些限制范围内，希望使用尽可能少量的粘合剂和其它低挥发性有机改性剂，以便减少必须通过高温分解而去除的有机物量，并且获得更好的颗粒填料，所述颗粒填料在焙烧时有利于完全压实。
在过去，已采用多种聚合材料作为生瓷带的基料，例如聚(乙烯醇缩丁醛)、聚(乙酸乙烯酯)、聚(乙烯醇)、纤维素聚合物（例如甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、甲基羟乙基纤维素）、无规立构聚丙烯、聚乙烯、硅聚合物（例如聚(甲基硅氧烷)、聚(甲基苯基硅氧烷)）、聚苯乙烯、丁二烯/苯乙烯共聚物、聚苯乙烯、聚(乙烯吡咯烷酮)、聚酰胺、高分子量聚醚、环氧乙烷和环氧丙烷的共聚物、聚丙烯酰胺，以及各种丙烯酸类聚合物（例如聚丙烯酸钠、聚(丙烯酸低级烷基酯)、聚(甲基丙烯酸低级烷基酯)和丙烯酸低级烷基酯与甲基丙烯酸低级烷基酯的各种共聚物及多聚合物）。甲基丙烯酸乙酯与丙烯酸甲酯的共聚物以及丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸甲酯与甲基丙烯酸的三元共聚物之前已用作注浆成型材料的基料。
公布于1985年8月20日的授予Usala的美国专利4,536,535公开了有机基料，所述有机基料为相容的0-100重量%的C1-8甲基丙烯酸烷基酯、100-0重量%的C1-8丙烯酸烷基酯和0-5重量%的胺的烯键式不饱和羧酸的多聚物的混合物。因为可将最小量的上述聚合物与最大量的介电固体配合使用，所以优选地选择它们来制备本发明的介电成分。为此，以上提及的Usala专利申请的公开内容以引用方式并入本文。
很多情况下，聚合物粘合剂也包含相对于基料聚合物少量的增塑剂，所述增塑剂起到降低基料聚合物的玻璃化转变温度的作用。当然，增塑剂的选择主要由需要被改性的聚合物决定。已用于各种基料系统的增塑剂包括邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二酸二辛酯、邻苯二甲酸丁基苄基酯、磷酸烷基酯、聚亚烷基二醇、甘油、聚(环氧乙烷)、羟乙基化烷基酚、二烷基二硫代膦酸酯和聚(异丁烯)。其中，邻苯二甲酸丁基苄基酯在丙烯酸类聚合物系统中的使用最为频繁，因为它在相对小的浓度中使用时非常有效。
选择浇铸溶液的溶剂组分时，要能够使其完全溶解聚合物并获得足够强的挥发性，从而通过在大气压下应用相对较低的热量，便能使溶剂从分散体中蒸发出来。此外，在沸点温度下或包含在有机介质中的任何其它添加剂的分解温度下，该溶剂都必须能够充分沸腾。因此，最常使用大气压沸点低于150℃的溶剂。此类溶剂包括丙酮、二甲苯、甲醇、乙醇、异丙醇、甲基乙基酮、乙酸乙酯、1，1,1-三氯乙烷、四氯乙烯、醋酸戊酯、2,2,4-三乙基戊二醇-1,3-单异丁酸酯、甲苯、二氯甲烷和碳氟化合物。上述个别溶剂可能无法完全溶解基料聚合物。但是，当与其它一种或多种溶剂混合时，它们的作用令人满意。这属于本领域人员的技能范围。尤其优选的溶剂为乙酸乙酯，因为这避免了使用对环境有害的氯碳化合物。
除了溶剂和聚合物之外，还使用增塑剂来防止带材断裂并且为涂覆带材处理能力（例如盖印、印制和层压）提供更宽的界限。优选的增塑剂为由Rohm和Haas Co.制造的BENZOFLEX
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400，其为聚丙二醇二苯甲酸酯。
施用方式
生瓷带通过以下方式形成：将玻璃、陶瓷填料、聚合物粘合剂和如上所述的一种或多种溶剂的浆液分散体薄层浇铸到柔性基底上，将所述浇铸层加热以除去挥发性溶剂。这形成无溶剂的带材层。然后将带材盖印成片材或收集成卷。通常将生瓷带用作多层电子电路的介电材料或绝缘材料。利用每个角上的对位孔将生瓷带片材盖印成比实际电路规模稍大一些的尺寸。为了连接多层电路中的各层，则在生瓷带中制成通孔。这一步骤通常利用机械冲孔来完成。然而，可使用强聚焦激光或其它方法来挥发并形成生瓷带中的通孔。典型的通孔尺寸范围为0.004英寸至0.25英寸。各层之间的互连通过在通孔内填充厚膜导电性油墨形成。通常通过标准丝网印刷技术来施用这种油墨。每层电路均布满丝网印刷导体轨道。而且，可在选定层上印制电阻油墨或高介电常数油墨，以形成电阻性或电容性电路元件。此外，特殊配制的高介电常数生瓷带与在多层电容器行业中所使用的生瓷带类似，可作为多层电路的一部分合并到一起。
完成电路的每一层之后，将独立的各层整理并层压。禁闭的单轴或等静压冲模用于确保各层之间的精确对齐。用热载台切割器修剪层压组合件。通常在标准厚膜传送带熔炉或带有程序化加热循环的箱式炉中进行焙烧。此方法也允许将顶部和/或底部导体共烧制为约束的烧结结构的一部分，而无需使用常规释放带材作为顶层或底层，也无需在烧结之后移除和清洁释放带材。
本发明的焙烧带材（或膜）的介电特性取决于存在的全部晶体和玻璃的数量和/或质量以及其它因素。低温共烧陶瓷(LTCC)器件的介电特性也取决于所使用的导体。在一些实施方案中，具有导体与介电带材的相互作用可以改变器件的介电部分的化学性质。通过调整热特征和/或改变带材中填料的质量和/或数量和/或导体的化学性质，本领域的技术人员可完成介电常数和/或介电损耗值的改变。
如本文所用，术语“焙烧”是指在诸如一定温度的空气之类的氧化气氛下加热组合件，并持续充足时间以挥发（烧掉）组合件各层中的所有有机材料，从而烧结各层中的所有玻璃、金属或介电材料，并因此使整个组合件变得致密。
本领域的技术人员将认识到，在每个层压步骤中，都必须精确对准每一层，这样才能将通孔准确连接到邻近功能层的适当导电性通道。
术语“功能层”是指印制的生瓷带，其具有导电性、电阻性或电容性功能。因此，如上文所述，典型的生瓷带层可能在其上印制有一个或多个电阻器电路和/或电容器以及导电性回路。
还应认识到，在具有大于10层的多层层压体中通常要求烧结循环应超过20小时以提供充足时间来进行有机热分解。
本发明的一种或多种组合物的用途还可用于形成电子制品，一般来讲包括多层电路，以及形成微波和其它高频电路组件，包括但不限于：高频传感器、多模雷达模型、远程通信组件和模块、以及天线。本发明所述的系统允许将微波功能更好地整合到一个模块、封装或板中。另一个重要意义是不存在其它LTCC或多层陶瓷系统，这允许将多个介电层一起用于一个复合模块、封装或板中。本发明将在一个复合结构中使用由各种K值、厚度、损耗值组成的层的组合。
多层电路的形成
本发明还提供了形成多层电路的方法，所述方法包括以下步骤：其中所述电路达到了在0-5%范围内的x,y收缩，并且其中所述低k约束带材层具有在2-5范围内的k值，并且其中所述带材可使高频LTCC电路设计者获得更大程度的自由，以便将多个带材与符合具体电路要求的本发明所述带材混合并互相匹配。
这些多层电路需要电路由多个层通过绝缘介电层隔离的导体构建而成。绝缘介电层可由本发明的一个或多个带材层组成。导电层通过穿透介电层的导电通路在各级之间互连。烧结由介电层和导电层组成的多层结构之后，将形成可实现功能化电路的复合材料（即形成电功能性复合结构）。本文中定义的复合材料是由焙烧多层结构所得的独特部件所构成的结构材料，它可实现功能性电路。

Claims (18)

1.大批量生产具有低温共烧陶瓷基板的高频天线的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)提供一层或多层彼此接触的低k厚膜介电带材，每层具有在3.5-6.5范围内的介电常数并基于固体计包含：(a)40-80重量%的玻璃组合物；(b)20-60重量%的陶瓷氧化物；上述组分分散在(c)有机聚合物粘合剂的溶液中；以形成低k层状结构，
(b)使所述低k层状结构与高k结构接触以形成具有暴露的低k表面和暴露的高k表面的组合件，所述高k结构由一层或多层高k材料制成，
(c)在所述暴露的低k表面上提供贴片天线图案，
(d)加工所述组合件以形成低温共烧陶瓷结构，以及
(e)在所述暴露的高k表面上提供芯片电路。
2.权利要求1的方法，其中所述高k结构由高k材料制成，所述高k材料选自氧化铝、氮化铝、氧化硅、碳化硅、氮化硅、以及在基板上的感光带材(PTOS)并具有大于或等于6.5的k值。
3.权利要求1的方法，其中所述高k结构为一层或多层彼此接触的厚膜介电带材，每层具有在6.5-8范围内的介电常数。
4.权利要求1的方法，其中基于摩尔%计，所述玻璃组合物基本上由以下组分组成：50-6%的B2O3、0/5-5.5%的P2O5、SiO2以及它们的混合物、20-50%的CaO、2-15%的Ln2O3，其中Ln选自稀土元素以及它们的混合物；
0-6%的MI 2O，其中MI选自碱性元素；和
0-10%的Al2O3，前提条件是所述组合物是可水磨的。
5.权利要求1的方法，其中所述玻璃组合物具有2-6泊的对数粘度范围，并且所述陶瓷氧化物选自基本上由二氧化硅、硅酸盐以及它们的混合物组成的组，并且其中所述陶瓷氧化物具有在2-5k范围内的介电常数。
6.权利要求1的方法，其中所述低k厚膜介电组合物还包含(d)至多5重量%的无机氧化物，其选自氧化铜、二氧化硅、氧化铝以及混合的氧化物。
7.权利要求1的方法，其中所述低k厚膜介电带材提供X-Y约束。
8.权利要求1的方法，还包括具有约束带材。
9.权利要求1的方法，其中基于摩尔%计，所述玻璃组合物基本上由以下组分组成：(i)46-57.96%的B2O3，(ii)玻璃网络形成物，其选自0.5-8.5%的P2O5、1.72-5.00%的SiO2、以及P2O5与SiO2的混合物，其中所述P2O5与SiO2的混合物的组合摩尔%为3.44-8.39%，(iii)20-50%的CaO，(iv)2-15%的Ln2O3，其中Ln选自稀土元素以及它们的混合物；(v)0-6%的MI2O，其中MI选自碱性元素；和(vi)0-10%的Al2O3，其中所述玻璃组合物为填充陶瓷的失透玻璃组合物，其中所述玻璃组合物在结晶前流动，前提条件是所述组合物是可水磨的。
10.大批量生产的具有低温共烧陶瓷基板的高频天线，所述天线包括：
(a)一层或多层彼此接触的低k厚膜介电带材，每层具有在3.5-6.5范围内的介电常数并基于固体计包含：(a)40-80重量%的玻璃组合物；(b)20-60重量%的陶瓷氧化物；上述组分分散在(c)有机聚合物粘合剂的溶液中；其形成低k层状结构，
(b)一层或多层彼此接触并与所述低k层状结构接触的高k材料，其中所述两个或更多个(a)层和所述两个或更多个(b)层形成具有暴露的低k表面和暴露的高k表面的组合件，
(c)在所述暴露的低k表面上的贴片天线图案，
(d)已被加工成形成低温共烧陶瓷结构的所述组合件，和
(e)在所述暴露的高k表面上的芯片电路。
11.权利要求10的天线，其中所述高k材料选自氧化铝、氮化铝、氧化硅、碳化硅、氮化硅、以及在基板上的感光带材(PTOS)并具有大于或等于6.5的k值。
12.权利要求10的天线，其中所述高k材料为一层或多层彼此接触的厚膜介电带材，每层具有在6.5-8范围内的介电常数。
13.权利要求10的天线，其中基于摩尔%计，所述玻璃组合物基本上由以下组分组成：50-6%的B2O3、0/5-5.5%的P2O5、SiO2以及它们的混合物、20-50%的CaO、2-15%的Ln2O3，其中Ln选自稀土元素以及它们的混合物；
0-6%的MI 2O，其中MI选自碱性元素；和
0-10%的Al2O3，前提条件是所述组合物是可水磨的。
14.权利要求10的天线，其中所述玻璃组合物具有2-6泊的对数粘度范围，并且所述陶瓷氧化物选自基本上由二氧化硅、硅酸盐以及它们的混合物组成的组，并且其中所述陶瓷氧化物具有在2-5k范围内的介电常数。
15.权利要求10的天线，其中所述低k厚膜介电组合物还包含(d)至多5重量%的无机氧化物，其选自氧化铜、二氧化硅、氧化铝以及混合的氧化物。
16.权利要求10的天线，其中所述低k厚膜介电带材在所述加工期间提供X-Y约束。
17.权利要求10的天线，还包括约束带材。
18.权利要求10的天线，其中基于摩尔%计，所述玻璃组合物基本上由以下组分组成：(i)46-57.96%的B2O3，(ii)玻璃网络形成物，其选自0.5-8.5%的P2O5、1.72-5.00%的SiO2、以及P2O5与SiO2的混合物，其中所述P2O5与SiO2的混合物的组合摩尔%为3.44-8.39%，(iii)20-50%的CaO，(iv)2-15%的Ln2O3，其中Ln选自稀土元素以及它们的混合物；(v)0-6%的MI2O，其中MI选自碱性元素；和(vi)0-10%的Al2O3，其中所述玻璃组合物为填充陶瓷的失透玻璃组合物，其中所述玻璃组合物在结晶前流动，前提条件是所述组合物是可水磨的。
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