CN110828961B - 一种ltcc内嵌空心矩形波导结构的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LTCC内嵌空心矩形波导结构的制造方法，属于微机械结构制造技术领域。该方法包括制备LTCC顶盖以及具有沟槽的LTCC基底；采用微细铣削工艺技术对沟槽进行精细加工得到矩形槽；采用超声清洗技术对基底进行清洗；将LTCC基底进行再烧结处理；对LTCC顶盖进行研磨、抛光和清洗；实现矩形槽内壁以及对应于矩形槽的LTCC顶盖外壁区域的金属化；将LTCC基底和LTCC顶盖进行玻璃键合等步骤。本方法可将LTCC矩形波导内腔金属化界面的粗糙度降低一个量级以上，为低损耗的高频率信号传输提供支撑，提升波导的高频率信号传输质量。
Description
技术领域
本发明属于微波毫米波微机械结构制造技术领域，特别是指一种LTCC内嵌空心矩形波导结构的制造方法。
技术背景
用LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic，低温共烧陶瓷）技术实现的微波器件/组件具有结构紧凑、损耗小、体积容量大和集成度高等特点。该技术将多层陶瓷介质生瓷片和印刷技术结合，可实现多层并行制造。同时LTCC内部应用金、银等贵金属作为传输导线，还具有低的烧结温度。
LTCC 多层技术可将传输线和微波电路在不同层排布，从而实现各种微波、毫米波传输线和直流信号线等的混合多层设计，大大提高了微波毫米波组件的空间密度。得益于上述优势，LTCC 技术成为微波多芯片组件（microwave multichip module，MMCM）设计中的关键技术，在微波毫米波电子装备研发中得到广泛应用。
太赫兹频率在无损检测、成像、通信等领域应用广泛，然而由于大气中水蒸汽的吸收和大气散射，太赫兹波的传输通常需要采用波导传输结构。基于此原因，太赫兹电子装备研制中的一个重要内容是低损耗波导传输结构。矩形波导具有功率容量大、损耗小、无辐射损耗、结构简单、Q值高的特点，因此在微波毫米波电路和系统中被广泛应用。
LTCC基板在微波电路基板中得到成熟应用，如果能在LTCC技术平台实现低损耗的太赫兹波段矩形波导，则有望在LTCC平台下实现更多功能的集成。
LTCC基板集成矩形波导结构是典型的三维结构。矩形波导由于传输频率高，要求封闭传输，对波导的制造精度特别是内腔的表面粗糙度要求高。常规矩形波导的制造多采用金属件制造方案，此类波导不能和LTCC实现一体集成。在LTCC基板内实现内嵌的高频率信号矩形波导的难点主要在于矩形波导结构精密成型以及高平整度（即，低粗糙度）的矩形波导金属化内腔界面制造。特别是矩形波导三维结构的内腔界面金属化过程难度较大。常规LTCC制造工艺是基于丝网印刷的平版印刷，适合于平面结构的金属化，难以实现三维矩形波导内腔的金属化。
针对LTCC陶瓷内嵌集成矩形空心波导结构制造难题，欧洲的奥卢大学和萨里大学开发了一套制造方法。在该方法中，矩形波导的上下面内腔通过标准丝网印刷工艺实现金属化，波导的侧壁金属化通过金属浆料“浇筑-去除”的方法实现。作为验证，应用该方法实现了G-band (140–220 GHz)的矩形波导，并测试了在150GHz的中心频率处的损耗为0.13dB/mm。
欧洲研究机构的方法实现了LTCC空心矩形波导的制造，然而由于波导内腔的金属浆料的丝印成膜工艺，波导内腔的金属化表面是金属化浆料烧结的自然状态。在自然状态下，内腔金属化界面通过厚膜浆料的烧结成瓷形成，因而表面的粗糙度不易优化控制。此外，应用“浇筑-去除”的方法实现波导内腔侧壁金属化，需要消耗大量的金属化浆料，尤其对于大尺寸太赫兹矩形波导更是如此。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种LTCC内嵌空心矩形波导结构的制造方法，该方法能够在LTCC低温共烧陶瓷基板上实现高性能内嵌矩形波导，可以大幅度提升波导内腔界面的光滑度，提升波导的高频率信号传输质量。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下：
一种LTCC内嵌空心矩形波导结构的制造方法，包括以下步骤：
（1）制备LTCC顶盖以及具有沟槽的LTCC基底；
（2）采用微细铣削工艺技术对所述LTCC基底中的沟槽进行精细加工，得到具有目标尺寸的矩形槽；
（3）采用超声清洗技术对步骤（2）加工后的LTCC基底进行清洗，去除矩形槽中的残渣；
（4）将步骤（3）清洗后的LTCC基底放入烧结炉进行再烧结处理，通过再结晶提高矩形槽内壁的光滑度；
（5）对所述LTCC顶盖进行研磨、抛光和清洗；
（6）对步骤（4）处理后的LTCC基底以及步骤（5）处理后的LTCC顶盖进行掩膜、溅射和电镀，实现矩形槽内壁以及对应于矩形槽的LTCC顶盖外壁区域的金属化；
（7）采用低温玻璃熔接技术，将步骤（6）处理后的LTCC基底和LTCC顶盖进行玻璃键合，键合后，矩形槽区域的金属化界面即为LTCC中内嵌的空心矩形波导结构；
完成对LTCC内嵌空心矩形波导结构的制造。
进一步的，步骤（1）中所述的LTCC基底的制备方式为：
（1101）下料多片生瓷片，并对这些瓷片进行老化处理；
（1102）根据内部电气连接属性，制作冲孔文件，并用冲孔机在对应瓷片的相应位置处冲制连接通孔；
（1103）采用不锈钢钢板做掩模板，通过印刷机实现瓷片上连接通孔的金属化；
（1104）根据各层瓷片上的金属化结构，采用印刷机通过丝网印刷技术实现各层瓷片上线条的金属化；
（1105）通过冲腔工艺在瓷片上形成对应于所述沟槽的镂空区域，然后通过叠片、层压和烧结工艺制备出具有沟槽的LTCC基底。
进一步的，步骤（1）中所述的LTCC基底的制备方式为：
（1201）准备烧结成瓷的LTCC平板基板；
（1202）采用短脉冲激光加工技术，在所述平板基板表面的相应位置处加工出所述沟槽，得到具有沟槽的LTCC基底；所述短脉冲激光为纳秒激光、皮秒激光或飞秒激光。
进一步的，所述步骤（4）中再烧结的温度小于800℃。
进一步的，所述步骤（7）中低温玻璃熔接的温度小于400℃，低温玻璃熔接的持续时间小于10分钟。
采用上述技术方案的有益效果在于：
1、本发明针对LTCC多层陶瓷技术平台下，矩形波导三维立体结构精密成型以及矩形波导金属化内腔界面高平整度（低粗糙度）的制造难题，提出了一种全新的制造方法。具体来说，该方法通过激光初步加工和微细铣削技术相组合的工艺方法，即，在沟槽的基础上进行精细加工，利用微细铣削工艺降低了波导腔内界面的表面粗糙度，从而实现了三维波导腔基础结构的精密成型。
2、本发明方法中，通过陶瓷再烧结回流工艺进一步改善了微细铣削的波导内腔界面状态，进一步提升了矩形槽的表面光滑度，此外，本发明还通过研磨、抛光和清洗操作保证了LTCC顶盖的光滑度。在此基础上，本发明通过溅射、电镀等工艺实现波导内腔界面的金属化。与采用常规的LTCC陶瓷厚膜制造工艺实现的矩形波导结构相比，该方法制造的矩形波导的尺寸精度和内腔界面的质量均有大幅度提升，特别是波导内腔界面状态更佳。
3、本发明方法可将LTCC矩形波导内腔金属化界面的粗糙度降低一个量级以上，这可为低损耗的高频率信号传输提供支撑，提升波导的高频率信号传输质量。
附图说明
图1为本发明实施例中LTCC内嵌空心矩形波导结构的截面示意图。
图2为本发明实施例中制造方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
一种LTCC内嵌空心矩形波导结构的制造方法，包括以下步骤：
（1）制备LTCC顶盖以及具有沟槽的LTCC基底；
（2）采用微细铣削工艺技术对所述LTCC基底中的沟槽进行精细加工，得到具有目标尺寸的矩形槽；
（3）采用超声清洗技术对步骤（2）加工后的LTCC基底进行清洗，去除矩形槽中的残渣；
（4）将步骤（3）清洗后的LTCC基底放入烧结炉进行再烧结处理，通过再结晶提高矩形槽内壁的光滑度；再烧结的最高温度T介于600℃到800℃之间。
（5）对所述LTCC顶盖进行研磨、抛光和清洗；
（6）对步骤（4）处理后的LTCC基底以及步骤（5）处理后的LTCC顶盖进行掩膜、溅射和电镀，实现矩形槽内壁以及对应于矩形槽的LTCC顶盖外壁区域的金属化；
（7）采用低温玻璃熔接技术，将步骤（6）处理后的LTCC基底和LTCC顶盖进行玻璃键合，键合后，矩形槽区域的金属化界面即为LTCC中内嵌的空心矩形波导结构；低温玻璃熔接的工艺温度≤400℃，且持续时间≤10分钟；
完成对LTCC内嵌空心矩形波导结构的制造。
其中，LTCC基底可以采用生瓷片制造，也可采用烧结成瓷的LTCC平板基板（即熟基板）制造。
具体来说，若采用生瓷片制造，则LTCC基底的制备方式为：
（1101）下料多片生瓷片，并对这些瓷片进行老化处理；
（1102）根据内部电气连接属性，制作冲孔文件，并用冲孔机在对应瓷片的相应位置处冲制连接通孔；
（1103）采用不锈钢钢板做掩模板，通过印刷机实现瓷片上连接通孔的金属化；
（1104）根据各层瓷片上的金属化结构，采用印刷机通过丝网印刷技术实现各层瓷片上线条的金属化；
（1105）通过冲腔工艺在瓷片上形成对应于所述沟槽的镂空区域，然后通过叠片、层压和烧结工艺制备出具有沟槽的LTCC基底。
若采用熟基板制造，则LTCC基底的制备方式为：
（1201）准备烧结成瓷的LTCC平板基板；
（1202）采用短脉冲激光加工技术，在所述平板基板表面的相应位置处加工出所述沟槽，得到具有沟槽的LTCC基底；所述短脉冲激光为纳秒激光、皮秒激光或飞秒激光，短脉冲激光预加工波导沟槽的尺寸，其深度和宽度均应小于目标尺寸。
下面以G波段矩形波导结构的制造为例进行详细说明。
如图1所示，待制备的矩形波导结构由自下而上的波导底层2和波导顶盖3组成，波导底层2中具有矩形槽1，矩形槽1的内壁以及波导顶盖3中对应于矩形槽1的外壁区域均具有金属化界面4。其中，LTCC基板使用的材料为8英寸的Ferro-A6M。整个LTCC共有20层，其中，顶盖部分4层，底层部分16层。该矩形波导结构的尺寸如下：G波段矩形波导截面尺寸0.615mm×1.3mm，矩形波导长度为50mm。
如图2所示，应用生瓷片材料制造该结构的具体工艺如下：
（1）下料、老化
根据实施例中所设计的20层厚度要求，下料20片Ferro瓷片，并对这些瓷片进行相应的老化处理。
（2）单层的冲孔、填孔及线条印刷
根据内部电气连接属性，制作冲孔文件，并应用冲孔机在对应瓷片的相应位置冲制连接通孔。之后，应用不锈钢钢板做掩模板，在印刷机上实现上述通孔的金属化。浆料选择Ferro填孔浆料。根据各层上的金属化结构，应用丝网印刷技术在印刷机上实现各层线条的金属化。浆料选择Ferro银系线条印刷浆料。
（3）矩形波导腔冲制
首先，根据设计的腔体尺寸和所在位置制作冲孔文件，然后在冲孔机上实现13层腔壁层上的冲腔操作。需要注意的是，腔体冲制中，对照设计宽度尺寸0.615mm，腔体冲制尺寸保持负公差50μm。
（4）叠片、层压和烧结
将20层生瓷片中的16层按照设计顺利依次进行叠片层压和烧结处理。烧结完成后，制作成带有盲腔沟槽结构的波导基底层熟瓷基板。将剩下的4层，按照叠片层压和烧结步骤，制作成LTCC平板结构，后续用来制造矩形波导的波导顶盖。
（5）微细铣削制造高精度波导槽
应用主轴转速超过13万r/min的微细铣削设备，在波导腔/波导沟槽基础上，加工目标尺寸波导槽。
（6）超声清洗
应用超声清洗技术对微细铣削后的基板进行清洗，去除波导沟槽中附着在内腔表面的残渣。
（7）再烧结回流热处理
清洗后的基板放入烧结炉进行再烧结处理，通过再结晶促进矩形波导内腔界面的光滑度。
（8）波导内腔界面金属化
应用“掩膜-溅射-电镀”工艺，实现波导矩形腔结构的内腔界面金属化，获得波导基底层。
（9）波导顶盖金属化
应用“研磨-抛光-清洗-掩膜-溅射-电镀” 工艺，对步骤（4）中获得的波导顶盖陶瓷结构进行加工，实现空心波导内腔顶盖的金属化，获得波导顶盖层。
（10）玻璃熔接键合
应用低温玻璃熔接技术，将步骤（8）得到的波导基底层和步骤（9）得到的波导顶盖层实现玻璃键合。至此，完成矩形波导结构制造。
仍见图2，应用熟瓷基板材料制造该结构的具体工艺如下：
（1）波导基底层陶瓷沟槽结构制造
采用短脉冲激光（本实例应用飞秒紫外激光）加工技术，在平板基板的表面的对应位置，进行波导沟槽的预加工，进而实现带有波导沟槽的波导基底层陶瓷结构的制造。激光加工中，波导宽度保持负公差(-50μm)～(-100μm)。
后续工艺沿用“应用生瓷片材料制造方法”的步骤（5）～（10）即可。
本发明方法打破了常规LTCC三维结构制造的流程，提出了一种全新的工艺流程和方法。具体来说，从矩形波导高频率信号传输对波导内腔界面的低粗糙度要求出发，本发明提出了一种采用激光预加工和微细铣削工艺相结合的方法来实现矩形波导内壁的高精密成型。进一步的，本发明应用重烧回流技术进一步提高了波导内腔界面的光滑度。此外，本发明应用掩膜溅射和电镀等工艺实现波导内腔的金属化，并应用低温玻璃键合方法将波导基体和波导盖层实现一体化键合。
与应用常规LTCC陶瓷厚膜制造工艺实现的矩形波导结构相比，本方法制造的矩形波导的尺寸精度和内腔界面的质量均有大幅度提升，特别是波导内腔界面状态更佳。采用本发明的方法，可将LTCC矩形波导内腔金属化界面的粗糙度降低一个量级以上，这可为低损耗的高频率信号传输提供支撑，提升波导的高频率信号传输质量。
Claims (5)
1.一种LTCC内嵌空心矩形波导结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制备LTCC顶盖以及具有沟槽的LTCC基底，所述沟槽的尺寸小于目标尺寸；
（2）采用微细铣削工艺技术对所述LTCC基底中的沟槽进行精细加工，得到具有目标尺寸的矩形槽；
（3）采用超声清洗技术对步骤（2）加工后的LTCC基底进行清洗，去除矩形槽中的残渣；
（4）将步骤（3）清洗后的LTCC基底放入烧结炉进行再烧结处理，通过再结晶提高矩形槽内壁的光滑度；
（5）对所述LTCC顶盖进行研磨、抛光和清洗；
（6）对步骤（4）处理后的LTCC基底以及步骤（5）处理后的LTCC顶盖进行掩膜、溅射和电镀，实现矩形槽内壁以及对应于矩形槽的LTCC顶盖外壁区域的金属化；
（7）采用低温玻璃熔接技术，将步骤（6）处理后的LTCC基底和LTCC顶盖进行玻璃键合，键合后，矩形槽区域的金属化界面即为LTCC中内嵌的空心矩形波导结构；
完成对LTCC内嵌空心矩形波导结构的制造。
2.根据权利要求1所述的一种LTCC内嵌空心矩形波导结构的制造方法，其特征在于，步骤（1）中所述的LTCC基底的制备方式为：
（1101）下料多片生瓷片，并对这些瓷片进行老化处理；
（1102）根据内部电气连接属性，制作冲孔文件，并用冲孔机在对应瓷片的相应位置处冲制连接通孔；
（1103）采用不锈钢钢板做掩模板，通过印刷机实现瓷片上连接通孔的金属化；
（1104）根据各层瓷片上的金属化结构，采用印刷机通过丝网印刷技术实现各层瓷片上线条的金属化；
（1105）通过冲腔工艺在瓷片上形成对应于所述沟槽的镂空区域，然后通过叠片、层压和烧结工艺制备出具有沟槽的LTCC基底。
3.根据权利要求1所述的一种LTCC内嵌空心矩形波导结构的制造方法，其特征在于，步骤（1）中所述的LTCC基底的制备方式为：
（1201）准备烧结成瓷的LTCC平板基板；
（1202）采用短脉冲激光加工技术，在所述平板基板表面的相应位置处加工出所述沟槽，得到具有沟槽的LTCC基底；所述短脉冲激光为纳秒激光、皮秒激光或飞秒激光。
4.根据权利要求1所述的一种LTCC内嵌空心矩形波导结构的制造方法，其特征在于，所述步骤（4）中再烧结的温度小于800℃。
5.根据权利要求1所述的一种LTCC内嵌空心矩形波导结构的制造方法，其特征在于，所述步骤（7）中低温玻璃熔接的温度小于400℃，低温玻璃熔接的持续时间小于10分钟。
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| GR01 | Patent grant | ||
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