CN103456646B - 多层低温共烧陶瓷基板集成液冷循环通道的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种多层低温共烧陶瓷基板集成液冷循环通道的制备方法，既能保证液冷循环通道不塌陷，又能解决烧结中不分层、不鼓包的制作方法。本发明通过下述技术方案予以实现：首先将若干低温共烧陶瓷生瓷片分成三个层次，分别制出定位孔、导通孔、散热孔和液冷循环通道，再将含天线单元的顶部生瓷片层进行一体化叠层为顶部单元，将含液冷循环通道的中部生瓷片层和含TR组件单元的底部生瓷片层一体化层压形成凹坑单元；把可挥发填充材料印刷到凹坑单元的凹坑内，并在凹坑单元表面上涂敷有机粘接剂，将顶部单元叠在凹坑单元上，采用低温低压方式形成整体模块。层压完毕的整体模块放入烧结炉中烧结，将液冷外部接头焊接到模块顶层表面对应的液冷进出口上。

Description

多层低温共烧陶瓷基板集成液冷循环通道的制备方法

技术领域

本发明涉及一种制作出封闭腔体形成集成液冷通道的多层低温共烧陶瓷基板（LowTemperatureCofiredCeramics,简称LTCC）的制作工艺方法。特别是专用于集成液冷循环微通道的射频天线前端的制作工艺方法。

背景技术

在第五代电子组装技术中,多层低温共烧陶瓷基板(LTCC)由于具有高密度布线、高信号传输速度、低损耗和高可靠性,可埋置无源元件和能够实现气密性封装等特点于一体,具有优良的电子、机械、热学性能,高频特性优异,三维布线能力强,是研制微波集成组件、多芯片组件(MCM)、系统级封装(SiP)的重要技术途径，在国内外受到极大重视。自八十年代以来,日、美国很多公司做了大量研究工作,试制出多芯片组件(MCM),在先进的航天、航空电子设备和复杂的通信机、计算机中得到应用。特别是将LTCC技术应用到二维有源相控阵天线的研制是未来的发展方向，特别是射频天线前端需要将电性能、机械性能、热性能一体化集成，必须将液冷循环通道制作到射频天线前端内部。但是，现有LTCC标准工艺的一些缺点，导致难以实现射频天线前端的一体化集成，具体表现在：

1）在叠层和层压工序中会导致液冷循环通道塌陷；

2）在烧结工序中会导致LTCC分层。

更为严重的是，液冷循环通道塌陷或LTCC分层会使得射频天线前端表层无法装配射频芯片，也无法实现集成散热，直接导致射频天线前端报废。

而在国外文献的报道中，提出在凹坑内填充固体酒精的报道，但是由于填充材料的量不好控制，导致制作的封闭腔体在烧结中分层或鼓包。而将液冷通道集成到射频天线前端中，实现一体化热、电、机械功能的集成，制作出具有多层交错型液冷循环通道的射频天线前端的LTCC制作工艺方法，特别是填充可挥发材料+印刷有机粘接剂+低温低压优势互补的“组合式”LTCC制作方法还没有相关文献报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有LTCC工艺技术的上述不足之处，提出一种既能保证液冷循环通道不塌陷，又能解决烧结中不分层、不鼓包的新制作工艺方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供的一种多层低温共烧陶瓷基板集成液冷循环通道的制备方法，包括如下步骤：首先将若干低温共烧陶瓷生瓷片分成顶部生瓷片层、中部生瓷片层和底部生瓷片层，三个层次，然后在上述各层低温共烧陶瓷生瓷片层上分别制出定位孔、导通孔、散热孔和液冷循环通道，将可挥发性填孔浆料填充到导通孔和散热孔内，将导体线条和电阻浆料印刷到上述各层对应的生瓷片表面；再将含天线单元的顶部生瓷片层进行一体化层压，叠层形成顶部单元，将含液冷循环通道的中部生瓷片层和含TR组件单元的底部生瓷片层进行定位叠层，进行一体化层压形成凹坑单元；把可挥发填充材料印刷到凹坑单元的凹坑内，并在凹坑单元表面上印刷涂敷有机粘接剂，再将顶部单元叠加在凹坑单元上，采用低温低压方式形成整体模块。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明采用生瓷片冲孔/冲腔，生瓷片孔内填充金属，生瓷片表面印刷导体和电阻，生瓷片叠层，一体化层压，印刷粘接剂，凹坑内填充可挥发材料，低温低压，烧结，软钎焊接。在LTCC标准工艺的基础上，在叠层工序内新增填充和整平工序，在层压工序之前，增加了印刷有机粘接剂工序，以使得可以使用低温低压工艺，在烧结过程中，设计了可挥发填充材料挥发出口，包括液冷通道进出口。将可挥发填充材料应用到LTCC封闭腔体的制作中，利用可挥发填充材料在封闭腔体层压时候，抵抗来自温水等静压的压力，保持腔体不变形、不塌陷，然后使其在烧结过程中高温阶段挥发，以形成没有阻隔的液冷微通道，不存在烧结残留物。将有机粘接剂应用到凹坑单元的上表面，使得能够采用低温低压方式完成凹坑单元和顶部单元有机结合，也使得传递到液冷微通道的压力比标准工艺小10倍左右，保证了整题模块的不变形、不分层、不塌陷。这种将液冷通道集成到功能模块中，实现冷却液体在LTCC内部循环流通带走热量，解决了微波集成组件、多芯片组件(MCM)、系统级封装(SiP)功分层、二维有源相控阵天线，高集成度热、电、机械功能一体化的散热问题，使得LTCC技术应用到天线的热、电、机械功能一体化集成成为可能，能够制作出高集成度的二维有源相控阵天线。

附图说明

下面结合附图和实施例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

图1显示的是本发明层低温共烧陶瓷基板分解制作流程示意图。

图2是本发明实施例的射频天线前端侧面方向的剖面图。

图3是本发明推荐烧结曲线示意图。

图中：1.导通孔，2.顶部生瓷片，3定位孔，4是单层微通道腔，5导热孔，6填孔金属材料（金银混合系），7.导热金属材料（银），8.填充高纯碳材料，9.天线单元，10.液冷通道进出口，11.烧成后的微通道，12.导体，13.电阻。

具体实施方式

下面通过结合附图和实施例一步说明本发明。

参阅图1。根据本发明，在制作步骤确定后，工艺参数的确定是保证封闭腔体制作的关键，主要影响因数有：对位精度、层压压力、层压温度、填充密度、烧结温度。将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，在生瓷带上利用打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形和布线图形，并将多个被动组件，如低容值电容、电阻、滤波器、阻抗转换器、耦合器等埋入多层陶瓷基板中，然后叠压在一起，在900℃下烧结，制成互不干扰的高密度电路，也可制成内置无源元件的三维电路基板，在其表面可以贴装IC和有源器件，制成无源/有源集成的功能模块，可进一步将电路小型化与高密度化。

首先将生瓷片分三个层次，分别是顶部生瓷片层数：5～8层，用于布局天线单元的电路图形及导通孔，中部层生瓷片层数：5～6层，用于布局液冷循环通道和TR部分电路图形及导通孔，底部生瓷片层数：5～8层，用于布局TR部分电路图形及导通孔。其次分别在过孔/腔体成形、填充/印刷和叠层/层压三个阶段，按以下顺序：在上述各层低温共烧陶瓷生瓷片层上，按照电路设计，制出并填充可挥发性浆料的导通孔和散热孔、定位孔和液冷循环通道，以及用电阻浆料在生瓷片表面印刷的导体线条和电路图形；然后将含天线单元的顶部生瓷片层进行一体化层压，叠层形成顶部单元，将含液冷循环通道的中部生瓷片层和含TR组件单元的底部生瓷片层进行定位叠层，一体化层压形成填充有可挥发填充材料的凹坑单元；通过凹坑单元表面上涂敷的有机粘接剂，将顶部单元叠在凹坑单元上，采用低温低压方式形成整体模块，然后进入烧结阶段。

在过孔/腔体成型阶段，生瓷片冲腔采用机械圆针冲孔方式完成矩型腔体的冲制。在封闭腔体的制作工序中，将上述所有层的生瓷片，按照电路设计图形，采用全自动生瓷片打孔机器，在中间层的生瓷片2的四周打出定位孔3和在顶层的生瓷片2相邻定位孔3的内侧打出导通孔1，在底层生瓷片2中部位置打出导热孔5，包括打出与这些孔相邻的过孔，同时按照电路设计图形在中间层生瓷片的中部上制出含2个主流道和8个分支流道4，与液冷进口连通的液冷通道，在封闭腔体的制作工序中，叠层对位采用先填充后覆盖的方法，叠片精度控制在±10um。

在填充/印刷阶段，为防止多层生瓷片分层和翘曲，在生瓷片表面印刷导体时，生瓷片四周空白处，印刷控制厚度为10um，宽度为200um左右的虚假导体。虚假导体是指不实现电信号传递，但是在生瓷片表面空白处形成与导体线条对应的工艺导线，使得整体模块在层压中均匀受力和烧结中等方收缩，不发生分层和翘曲缺陷。然后将上述中间层、顶层、底层，所有生瓷片层上，按照电路设计图形要求制出的过孔，采用自动生瓷片填孔机器填充填孔金属材料6和对底层中部过孔填孔热金属材料7（银），用全自动生瓷片印刷机，印刷出导体线条和电阻。填充材料可以是金银混合系。再采用全自动生瓷片印刷机，印刷出图2所示的射频天线前端内层导体线条12和电阻13。凹坑内填充的可挥发材料是能够承受500psi以上的压强，挥发温度是200℃～450℃填充材料。

在叠层/层压阶段，用温水等静压机器，叠片精度控制在±10um,用温度为75℃，压力为3000psi层压力将顶层生瓷片层一体化层压形成顶部单元。用全自动叠片机器，叠片精度控制在±10um，将中间层的生瓷片层和底层的生瓷片层采叠在一起，然后采用温水等静压机器，用温度为75℃，压力为3000psi层压力一体化层压形成凹坑单元。将可挥发填充材料印刷到凹坑单元的凹坑内，填充材料上表面与凹坑上表面齐平。可挥发填充材料采用高纯碳8进行填充，填充方式可以采用手工填充或机器印刷到凹坑中，填充体积为凹坑体积的95%-98%，采用整平机对填充材料进行整平，以保证填充材料上表面与凹坑上表面齐平。在凹坑单元上表面印刷有机粘接剂，印刷宽度为0.2mm，印刷厚度为10um左右，均匀分布于没有导体的生瓷片四边。然后将顶部单元一起叠在凹坑单元上，通过凹坑单元上表面印刷有机粘接剂，用温度控制在26℃～30℃，压力控制在150psi～500psi的低温低压自动叠片机，将顶部单元叠和凹坑单元上层压形成集成液冷循环通道的整体模块，然后进入烧结阶段。

在烧结阶段，为了是高纯碳的合理挥发，LTCC基板设计的出口大小为2-5mm。把层压完毕的上述整体模块放入烧结炉中进行共烧，使层压模块凹坑形成腔体和液冷通道内填充的可挥发填充材料：填充高纯碳材8，从液冷通道进出口10和凹坑形成腔体挥发出口挥发出去，在烧结炉中完成腔体的封闭和结合。烧结完毕后的LTCC基板焊上液冷接头。在烧结工序中，烧结450℃以下，升温速度应控制在5℃/s以内，在450℃～850℃范围内，升温速度应控制在5℃/s～8℃/s。烧结曲线推荐见图3所示烧结曲线。在烧结过程中，为了封闭腔体的密封性，必须保证烧结收缩率一致，可使用山脊形承烧板，减小生瓷片与承烧板的接触面，允许烧结气氛中的气体从LTCC基板下方流过，为均匀烧结提供了有利条件，保证在X轴和Y轴上能够进行等方收缩，达到了封闭腔体的密封性要求。最后再采用软钎焊接方式将液冷外部接头焊接到整体模块顶层表面对应的液冷进出口上，形成集成了液冷循环通道的射频天线前端。

在图2中，定位孔3在每层生瓷片的左下角和右上角，起定位作用，填孔金属材料6起导通高频信号作用，天线单元9是起接受和发射高频信号的作用，液冷通道进出口10在射频天线前端的左上角和右下角，起输入和输出冷却液的作用，微通道11是用于带走芯片热量的通道，流通冷却液体，内层导体线条12用于内部信号传输，电阻13用于高频信号方阻。

以上所述的仅是本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以根据原材料不同作出若干变形和改进，比如，本发明可以采用淀粉、固体酒精等填充材料来取代高纯碳，只需要控制好烧结温度曲线即可满足要求；还有，本发明可选用双面膜（厚度在10um左右）来完成凹坑单元与顶部单元直接的结合；又如，本产品可针对压力传感器的制作提出空腔制作工艺。这些变更和改变应视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多层低温共烧陶瓷基板集成液冷循环通道的制备方法，包括如下步骤：首先将若干低温共烧陶瓷生瓷片分成顶部生瓷片层、中部生瓷片层和底部生瓷片层，其次在过孔/腔体成型、填充/印刷和叠层/层压三个阶段，按以下顺序进行制备：在各层低温共烧陶瓷生瓷片层上，按照电路设计，制出导通孔和散热孔、定位孔和液冷循环通道，以及用电阻浆料在生瓷片表面印刷的导体线条和电路图形；然后将含天线单元的顶部生瓷片层进行一体化层压，叠层形成顶部单元，将含液冷循环通道的中部生瓷片层和含TR组件单元的底部生瓷片层进行定位叠层，一体化层压形成填充有可挥发填充材料的凹坑单元；然后通过凹坑单元表面上涂敷的有机粘接剂，将顶部单元叠在凹坑单元上形成整体模块，然后进入烧结阶段。

2.如权利要求1所述的多层低温共烧陶瓷基板集成液冷循环通道的制备方法，其特征在于：

1）首先将生瓷片分三个层次：用于布局天线单元的电路图形及导通孔的顶部生瓷片层、用于布局液冷循环通道和TR部分电路图形及导通孔的中部层生瓷片层和用于布局TR部分电路图形及导通孔底部生瓷片层；然后

2）在过孔/腔体成型阶段，在封闭腔体的制作工序中，生瓷片冲腔后，将所有层的生瓷片，按照电路设计图形制出定位孔、导通孔和散热孔，同时在中部生瓷片层上制出与液冷进口连通的液冷循环通道，包含主流道和分支流道，形成液冷循环通道；

3）在填充/印刷阶段，将上述所有层的生瓷片按照电路设计图形，采用自动生瓷片填孔机器填充过孔，用全自动生瓷片印刷机印刷出导体线条和电阻；

4）在叠层/层压阶段，用全自动叠片机器将中部生瓷片层和底部生瓷片层层叠在一起，并采用温水等静压机器一体化层压形成凹坑单元，同时用全自动叠片机器将顶部生瓷片层叠在一起，用温水等静压机器一体化层压形成顶部单元；将可挥发填充材料印刷到凹坑单元的凹坑内，填充材料后的上表面与凹坑上表面齐平，然后通过凹坑单元上表面印刷的有机粘接剂，用温度控制在26℃～30℃，压力控制在150psi～500psi的低温低压自动叠片机，将顶部单元和凹坑单元叠层压形成集成液冷循环通道的整体模块，然后进入烧结阶段。

3.如权利要求1或2所述的多层低温共烧陶瓷基板集成液冷循环通道的制备方法，其特征在于：烧结阶段，层压完毕的整体模块放入烧结炉中烧结，使涂敷的有机粘接剂固化形成介质层，使整体模块凹坑内的填充材料从液冷通道进出口挥发出去，最后再采用软钎焊接方式将液冷外部接头焊接到整体模块顶层表面对应的液冷进出口上，形成集成了液冷循环通道的射频天线前端。

4.如权利要求2所述的多层低温共烧陶瓷基板集成液冷循环通道的制备方法，其特征在于：生瓷片冲腔采用机械圆针冲孔方式完成矩型腔体的冲制。

5.如权利要求2所述的多层低温共烧陶瓷基板集成液冷循环通道的制备方法，其特征在于：在封闭腔体的制作工序中，叠层对位采用先填充后覆盖的方法，叠片精度控制在±10um。

6.如权利要求1所述的多层低温共烧陶瓷基板集成液冷循环通道的制备方法，其特征在于：在烧结工序中，烧结温度控制在450℃以下，升温速度控制在5℃/s以内，在450℃～850℃范围内，升温速度控制在5℃/s～8℃/s。

7.如权利要求1所述的多层低温共烧陶瓷基板集成液冷循环通道的制备方法，其特征在于：凹坑内填充的可挥发材料是能够承受500psi以上压强，挥发温度为200℃～450℃的填充材料。

8.如权利要求2所述的多层低温共烧陶瓷基板集成液冷循环通道的制备方法，其特征在于：在填充/印刷阶段，为防止多层生瓷片分层和翘曲，在生瓷片表面印刷导体时，生瓷片四周空白处，印刷控制厚度为10um，宽度为200um的导体。

9.如权利要求1所述的多层低温共烧陶瓷基板集成液冷循环通道的制备方法，其特征在于：可挥发填充材料采用高纯碳（8）进行填充，填充方式可以采用手工填充或机器印刷到凹坑中，填充体积为凹坑体积的95%-98%，采用整平机对填充材料进行整平，以保证填充材料上表面与凹坑上表面齐平。