CN109640517B - 一种ltcc基悬臂梁结构的制造方法 - Google Patents

一种ltcc基悬臂梁结构的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种LTCC基悬臂梁结构的制造方法，属于微机械三维结构制造领域，主要包括：在经过孔金属化和导体图形印刷后的每一层生瓷片上采用机械或激光切割方式加工加宽的悬臂梁和增加的辅助梁，层压后对辅助梁激光或机械设备进行切除，经烧结致密化后分别印刷和涂覆玻璃焊接浆料和互联浆料，采用倒装贴片机进行合体后进行中温烧结焊接。本发明的优点是本发明在常规机械加工手段的一系列工艺问题上采用激光切割的方法，并增加了辅助梁和加宽悬臂梁的方法实现层压过程的良好控制。因此本发明提出的方法相比于常规制作方法操作成品率更高、精度更高、控制容易、成本更低。此外应用本发明制作的质量块因为采用了增加辅助梁和加宽悬臂梁的方法，极大提高制造控制的一致性，同时大幅度提高了产品率。

Description

一种LTCC基悬臂梁结构的制造方法
技术领域
本发明属于微机械三维结构制造领域，特别涉及一种在低温共烧陶瓷(LTCC)基板上实现加速度计中悬臂梁结构及其制造方法。
技术背景
低温共烧陶瓷(Low temperature co-fired ceramic，LTCC)技术是上世纪八十年代发展起来的无源元件集成电路技术。多层LTCC基板技术能将部分无源元件集成到基板中，使其具有高速、高频、高密度、高可靠性等优点，有利于系统小型化，在提高电路组装密度的同时提高系统可靠性，因此被广泛应用于微波通信、航空航天和军事电子等领域。
近年来，除了在电子技术领域的广泛应用，LTCC技术也逐渐被应用到传感器、执行器以及微系统等其他应用领域中。这些应用主要得益于LTCC基板良好的电学和机械性能，使得基于LTCC的微系统结构具备高可靠性和高稳定性。更重要的是，应用LTCC技术，使一次性制造三维(3-D)微系统结构成为可能，为实现更便捷的片上微系统制造提供了一种可行方案。其制造的灵活度高、成本低、周期短、标准化制造等优点吸引了众多研究者的目光，成为近年来LTCC技术研究的新热点。
悬臂梁用途是通过其微小形变引起的电信号变化从而获得的某种传感信号或特性的机械结构。常见产品有加速度计、压力传感器等。
LTCC基加速度计的悬臂梁结构包含三大部分，分别是：质量块/感应单元、传感悬臂梁以及固定臂等结构，具体结构如图1所示。
由于LTCC基加速度计悬臂梁结构的特殊性，该结构制造集中了悬臂梁成型和悬臂梁成瓷两个技术难点：一方面，悬臂梁成型过程中要保持细小的悬臂结构不发生开裂和明显变形、；另一方面，悬臂梁的成瓷收到LTCC瓷带高温成瓷致密化过程发生的收缩均匀性难以保证。悬臂梁的成型环节产生的微小裂纹都可能导致在叠片、层压以及成瓷致密化等过程出现严重裂纹或断裂，同时由于LTCC瓷带的致密化收缩特性会导致悬臂梁发生形变从而严重影响加速度检测灵敏度和一致性。
加速度计目前报道的是采用硅基制作的悬浮微梁结构较多。大致的流程如下：硅片表面氧化-背面掩模光刻-背面氧化层刻蚀—背面湿法刻槽—正面掩模光刻—正面干法刻蚀—去掩模。目前，基于LTCC基加速度计的悬臂梁结构处在前沿的探索研究。本发明针对LTCC基加速度计中悬臂梁的制造方法。在此制造流程中，首先依次进行LTCC基片材料的下料老化—冲制对位孔—填孔—印刷—腔体处理—腔体冲制—叠片—层压—热切—烧结—检测等工序。腔体处理目的是为了使基板烧结成瓷过程因材料致密化收缩导致悬臂梁发生严重形变。
细小的悬臂梁在生瓷片收缩过程的失配极容易导致梁开裂甚至断裂。为解决上述问题，常用下述处理方法：在腔体处理阶段，首先在质量快/传感单元与外围框架增加辅助烧结用辅助梁，以此增大悬臂梁尺寸，增大悬臂梁的收缩力，使得收缩差异最小化。
LTCC基悬臂梁成型方法可采用机械方式预先冲制形成悬臂梁结构，但是在制造实施中却存在以下几个与“高制造复杂度”相关的缺点：
1)随着悬臂梁尺寸减小其制造的难度增加，当尺寸小于1mm以下时采用机械冲制方式的机械冲击和作用力会导致出现裂纹和断裂的出现。
2)层压是在高压的等压力环境下形成一体化，细小的悬臂梁受压发生严重的变形，甚至断裂。
3)烧结收缩致密化过程，细小的悬臂梁无法提供足够的拉力使质量块处在中心位置。
4)加速度计对质量块的平面度有较高要求，控制烧结致密过程的平面度是难点。
发明内容
本发明为了解决了机械冲制方式导致的开裂、变形、平面性性无法保证等问题，提出了一种“激光切割+辅助层”的制造LTCC基悬臂梁方法。
本发明所采取的技术方案为：
一种LTCC基悬臂梁结构，其包括悬臂梁板2，悬臂梁板2由外至内依次为同心设置的悬臂梁支撑部和质量块3，质量块3的每个顶角处都通过一用于携带质量块3浮空的悬臂梁连结至悬臂梁支撑部上，悬臂梁具有N个折弯，悬臂梁与质量块的连接点及悬臂梁与悬臂梁支撑部的连接点正对。
进一步的，N为正偶数。
进一步的，每个折弯的伸出长度与相邻折弯的伸出长度相等，每个折弯的内侧镂空。
进一步的，每个折弯与相邻的折弯以连接点互为旋转180°对应关系。
进一步的，所述的悬臂梁支撑部和质量块3都为矩形。
一种LTCC基悬臂梁结构的制造方法：
(1)分层：取M层LTCC生瓷片作为基材，将K层基材作为带辅助梁质量块层，将M-K基材作为带悬臂梁层，K大于M-K；
(2)辅助梁质量块层加工：
①采用加工设备对K层带辅助梁质量块层进行加工，加工完毕后得到多个带有对位孔的上部悬臂梁板；
②每个上部悬臂梁板由外至内依次为同心设置的悬臂梁支撑部和质量块3，质量块由各个边缘中央延伸出的辅助梁连接至悬臂梁支撑部上；
(3)带悬臂梁层加工：
①采用加工设备对M-K层带悬臂梁层进行加工，加工完毕后得到多个带有对位孔的下部悬臂梁板；
②每个下部悬臂梁板由外至内依次为同心设置的悬臂梁支撑部和质量块3，质量块3通过悬臂梁与悬臂梁支撑部连结，悬臂梁、质量块3和悬臂梁支撑部共面，质量块由各个边缘中央延伸出的辅助梁连接至悬臂梁支撑部上；
(4)叠压：将步骤(3)中得到的下部悬臂梁板和步骤(2)中得到的上部悬臂梁板依次由下至上堆叠，堆叠完毕后保证每个下部悬臂梁板与上部悬臂梁板的对位孔竖向重合后进行压合，压合完毕得到成一体的生坯基板。
(5)对步骤(4)生坯基板进行烧结致密化；
(6)对步骤(5)烧结后的辅助梁采取加工设备切除，完成对LTCC悬臂梁的制造。
进一步的，在步骤(1)中在对悬臂梁的宽度预设为Q，在步骤(3)中得到的悬臂梁的宽度微W，W大于Q；
在步骤(4)完成后还需对悬臂梁采用加工设备进行切割使得悬臂梁宽度由W缩减为Q。
进一步的，所述的加工设备为机械冲孔机或激光切割设备。
进一步的，所述的LTCC生瓷片带有背膜，在步骤(2)辅助梁质量块层加工和步骤(3)带悬臂梁层加工中都为带膜加工，在步骤(4)叠压步骤之前将背膜去除。
本发明的优点是：本发明在常规机械加工手段的一系列工艺问题上采用激光切割的方法，并增加了辅助梁和加宽悬臂梁的方法实现层压过程的良好控制。因此本发明提出的方法相比于常规制作方法操作成品率更高、精度更高、控制容易、成本更低。此外应用本发明制作的质量块因为采用了增加辅助梁和加宽悬臂梁的方法，极大提高制造控制的一致性，同时大幅度提高了产品率。
附图说明
图1为LTCC基加速度计整体结构示意图；
图2为层压后悬臂梁结构示意图；
图3为激光切割加工后的悬臂梁结构示意图；
图中，上电容板1、悬臂梁板2、悬臂梁支撑部2a、悬臂梁2b、质量块2c、下电容板3；
具体实施方式
如图1所示，LTCC基加速度计整体结构由自上而下为：上电容板(芯片安装板)1、悬臂梁板2、下电容板3(芯片安装板)，实例中所制作的上电容板(芯片安装板)和下电容板为带腔体的LTCC基板，
提供了一种LTCC基悬臂梁结构，包括悬臂梁板2，悬臂梁板2由外至内依次为同心设置的悬臂梁支撑部2a和质量块2c，质量块的每个顶角处都通过一用于携带质量块浮空的悬臂梁2b连结至悬臂梁支撑部上，悬臂梁具有N个折弯，N为正偶数，悬臂梁与质量块的连接点及悬臂梁与悬臂梁支撑部的连接点正对。
所述的折弯保证了各个点受力相同，采用了以下技术手段，每个折弯的伸出长度与相邻折弯的伸出长度相等，每个折弯的内侧镂空，每个折弯与相邻的折弯以连接点互为旋转180°对应关系。
所述的悬臂梁支撑部和质量块都为矩形。
下面结合图3的最终悬臂梁结构对本发明的整体工艺过程带有悬臂梁板2的加速度计进一步的描述。具体工艺如下：
(1)、下料、老化
根据实例中所设计的LTCC基加速度计结构层数要求，下料LTCC生瓷片共22层，并对这些瓷片进行相应的老化处理，计算对悬臂梁的宽度预设为Q。
(2)、冲孔、填孔、分层
取M层LTCC生瓷片作为基材，M小于22，22-M层为下电容板3和上电容板层，将K层基材作为带辅助梁质量块层，将M-K基材作为带悬臂梁层，K大于M-K；根据LTCC基加速度计的内部电气连接属性，在M层LTCC生瓷片上制作冲孔文件，并应用机械冲孔机在对应瓷片的相应位置冲制连接通孔，之后将通孔金属化。
(3)、线条印刷
根据设计要求采用丝网印刷技术实现各层生瓷片上印刷金属化图形，形成可传递信号的金属线网络。
(4)、悬臂梁板制作：
(5)、辅助梁质量块层加工：
①采用加工设备对K层带辅助梁质量块层进行加工，加工完毕后得到多个带有对位孔的上部悬臂梁板，；
②每个上部悬臂梁板由外至内依次为同心设置的悬臂梁支撑部和质量块3，质量块由各个边缘中央延伸出的辅助梁连接至悬臂梁支撑部上，悬臂梁的宽度为W，W大于Q；
(6)带悬臂梁层加工：
①采用加工设备对M-K层带悬臂梁层进行加工，加工完毕后得到多个带有对位孔的下部悬臂梁板；
②每个下部悬臂梁板由外至内依次为同心设置的悬臂梁支撑部和质量块3，质量块3通过悬臂梁与悬臂梁支撑部连结，悬臂梁、质量块3和悬臂梁支撑部共面，质量块由各个边缘中央延伸出的辅助梁连接至悬臂梁支撑部上；
(5)、叠片
由于上下层的电容板带有腔体，且悬臂梁结构复杂且要求组装后为悬臂状，所以采用三部分叠片。首先将上电容板作为上基板单独叠压，下电容板为下基板单独叠压，
悬臂梁板(2)叠片，将步骤(3)中得到的下部悬臂梁板和步骤(2)中得到的上部悬臂梁板依次由下至上堆叠，堆叠完毕后保证每个下部悬臂梁板与上部悬臂梁板的对位孔竖向重合后，得到适用于制备悬臂梁板2的生坯基板。
上电容板(芯片安装板)1、悬臂梁板2、下电容板3(芯片安装板)
(6)、悬臂梁板层压
将生坯基板置入压力机的工作腔下方，其底部为平板金属，采用厚硅胶板封实，压力自顶部由上至下施压，进行压合，通过采用了辅助梁，对整体框架承压过程中承受的压力进行分散实现悬臂梁的高质量层压。
(7)、悬臂梁切割
悬臂梁为加宽处理，宽度为w，承压后悬臂梁形成一体化，为避免成瓷后激光切割带来热应力和引入的内应力，提高加速度计的检测精度需要烧结致密化前将加宽的悬臂梁进行激光切割，使得悬臂梁宽度由W缩减为Q。
(8)。热切
采用热切机对步骤(7)的生坯基板进行分切，形成独立的生坯基板。
(9)、烧结
按照LTCC材料体系的烧结要求进行烧结，其中上电容板和下电容板按照单面腔体基板进行烧结。悬臂梁板的0.3mm悬臂梁在下的放置方式烧结，避免悬臂梁结构在烧结软化过程因自重发生变形。
(10)、激光切割
悬臂梁板烧结后需要对增加的辅助梁进行激光切割去除。因辅助梁的两端均不是敏感位置，所以成瓷后再进行激光切割不会带来工艺问题。
(11)、印刷玻璃焊接浆料
采用丝网印刷技术对A基板和B基板进行玻璃焊接浆料的印刷和互联孔浆料涂覆。
(12)、合体
采用高精度倒装贴片机依次堆叠下电容板3、悬臂梁板和上电容板，完成贴片合体后进行100℃/30min的烘干处理。
(13)、中温烧结
将合体后的LTCC基加速度计经中温(550℃)进行烧结，使三部分形成良好的焊接，实现板间的互联和密封。
(14)、划切成型
采用划片机进行外形划切得到最终的LTCC基加速度计模块。

Claims (8)

1.一种LTCC基悬臂梁结构的制造方法，其特征在于：
包括悬臂梁板，悬臂梁板(2)由外至内依次为同心设置的悬臂梁支撑部(2a)和质量块(2c)，质量块的每个顶角处都通过一用于携带质量块浮空的悬臂梁(2b)连结至悬臂梁支撑部上，悬臂梁具有N个折弯，悬臂梁与质量块的连接点及悬臂梁与悬臂梁支撑部的连接点正对；制作步骤为：
(1)分层：取M层LTCC生瓷片作为基材，将K层基材作为带辅助梁质量块层，将M-K基材作为带悬臂梁层，K大于M-K；
(2)辅助梁质量块层加工：
①采用加工设备对K层带辅助梁质量块层进行加工，加工完毕后得到多个带有对位孔的上部悬臂梁板；
②每个上部悬臂梁板由外至内依次为同心设置的悬臂梁支撑部和质量块3，质量块由各个边缘中央延伸出的辅助梁连接至悬臂梁支撑部上；
(3)带悬臂梁层加工：
①采用加工设备对M-K层带悬臂梁层进行加工，加工完毕后得到多个带有对位孔的下部悬臂梁板；
②每个下部悬臂梁板由外至内依次为同心设置的悬臂梁支撑部和质量块3，质量块3通过悬臂梁与悬臂梁支撑部连结，悬臂梁、质量块3和悬臂梁支撑部共面，质量块由各个边缘中央延伸出的辅助梁连接至悬臂梁支撑部上；
(4)叠压：将步骤(3)中得到的下部悬臂梁板和步骤(2)中得到的上部悬臂梁板依次由下至上堆叠，堆叠完毕后保证每个下部悬臂梁板与上部悬臂梁板的对位孔竖向重合后进行压合，压合完毕得到成一体的生坯基板即悬臂梁板(2)；
(5)对步骤(4)生坯基板进行烧结致密化；
(6)对步骤(5)烧结后的辅助梁采取加工设备切除，完成对LTCC悬臂梁的制造。
2.根据权利要求1所述的一种LTCC基悬臂梁结构的制造方法，其特征在于：在步骤(1)中在对悬臂梁的宽度预设为Q，在步骤(3)中得到的悬臂梁的宽度为W，W大于Q；
在步骤(4)完成后还需对悬臂梁采用加工设备进行切割使得悬臂梁宽度由W缩减为Q。
3.根据权利要求1所述的一种LTCC基悬臂梁结构的制造方法，其特征在于：所述的加工设备为机械冲孔机或激光切割设备。
4.根据权利要求1所述的一种LTCC基悬臂梁结构的制造方法，其特征在于：所述的LTCC生瓷片带有背膜，在步骤(2)辅助梁质量块层加工和步骤(3)带悬臂梁层加工中都为带膜加工，在步骤(4)叠压步骤之前将背膜去除。
5.根据权利要求1所述的一种LTCC基悬臂梁结构的制造方法，其特征在于：N为正偶数。
6.根据权利要求5所述的一种LTCC基悬臂梁结构的制造方法，其特征在于：每个折弯的伸出长度与相邻折弯的伸出长度相等，每个折弯的内侧镂空。
7.根据权利要求6所述的一种LTCC基悬臂梁结构的制造方法，其特征在于：每个折弯与相邻的折弯以连接点互为旋转180°对应关系。
8.根据权利要求1所述的一种LTCC基悬臂梁结构的制造方法，其特征在于：所述的悬臂梁支撑部和质量块都为矩形。
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