CN115410930A - 一种基于lcp的射频器件集成制造方法 - Google Patents

一种基于lcp的射频器件集成制造方法 Download PDF

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王皓吉
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Abstract

一种基于LCP的射频器件集成制造方法，涉及一种射频器件集成制造方法。本发明是要解决目前LCP集成器件在LCP层间添加胶膜，在高频下由于LCP与胶膜之间的界面效应的影响会对器件性能产生不利影响的技术问题。本发明提出一种基于LCP的射频器件集成制造方法，采用LCP预结合后烧结的方式，减小了器件尺寸的变形，同时消除了界面效应，避免了高频下不同材料以及同种材料产生的界面效应，同时采用叠层制造工艺并将无源器件埋入，实现了高集成度的射频器件的低温集成一体化制造。

Description

一种基于LCP的射频器件集成制造方法
技术领域
本发明涉及一种射频器件集成制造方法。
背景技术
微波射频器件主要利用电磁波在器件中的传递与耦合来实现电磁波与信号的处理，随着目前技术方案对于器件的高频化与集成化要求，多将无源器件(电容、电感)等与波导器件集成制造以提高集成度与缩小体积，达到高度集成化制造的目的。
传统集成器件常采用PCB板上焊接的方式，将各种类无源元件按照设计在PCB表面进行贴装加温、助焊完成制造，但是集成度较差。
LTCC(低温共烧陶瓷)是常用集成器件制造材料，利用陶瓷粉末与树脂粘接剂流延形成生瓷带，在生瓷带上印刷导电金属浆料形成导电通路，将多层生瓷带按照规则叠放，同时将无源器件埋入LTCC中，随后高温烧结，形成具有高集成度的射频器件。但是LTCC技术仍然存在一些问题，LTCC在烧结过程中存在收缩的现象，这将导致器件尺寸出现误差，随着器件频率提高，误差对性能的影响随之提高，这导致LTCC不适于高频情况下应用。除此之外，LTCC的高温烧结对于埋入的无源器件的耐热性也具有一定的要求，这提高了制造的难度。
LCP(液晶聚合物)在高频下具有优异的介电性能，也是一种集成器件制造材料，目前常采用LCP与胶膜交叠的方式实现集成器件制造。制造过程中温度相比LTCC技术大幅降低。但是由于在LCP层间添加了胶膜，在高频下由于LCP与胶膜之间的界面效应的影响会对器件性能产生不利影响。此外，常用的胶膜如PP膜在高频下介电性能较差。上述问题阻碍了LCP技术在高频下的应用与发展。
发明内容
本发明是要解决目前LCP集成器件在LCP层间添加胶膜，在高频下由于LCP与胶膜之间的界面效应的影响会对器件性能产生不利影响的技术问题，而提供一种基于LCP的射频器件集成制造方法。
本发明的基于LCP的射频器件集成制造方法是按以下步骤进行的：
一、分层处理：
根据器件结构将器件进行分层处理，并对LCP表面进行清洁；
二、逐层加工：
根据步骤一分层后各层的形状，采用激光切割加工、水射流加工或机械加工按照步骤一所得的外形轮廓、内部通孔、无源器件安置槽和有源器件安置槽进行加工；
三、层间线路印刷及内部金属化：
根据器件设计方案在LCP层间进行金属化工艺，在所埋置的无源器件间设置导电通路，根据设计需求在器件特定位置进行局部金属化；
四、LCP叠放及无源器件通孔埋入填充：
将印制好导电通路的LCP层进行叠放，同时根据设计将对应的无源器件和有源器件填入到对应的安置槽中，并对各层通孔进行填埋以形成导电通路；叠放器件的底层与顶层放置承接膜避免LCP在低温烧结过程中与压板发生粘结；
LCP层叠放与无源器件和有源器件的埋入以及通孔填埋同时进行，在叠放LCP层的同时将器件埋入对应层中，同时将通孔填埋，当一层的操作全部完成后继续叠放下一层；
五、LCP预粘合：
将叠放好的LCP放置在一定的压力下在低温下加热使LCP层间产生一定的结合力；
所述的低温温度为低于所使用LCP材料的熔融温度100℃～30℃；
六、LCP层间界面消除：
将步骤五所得的器件放入高温中进行加热，此过程不应施加压力使之完成粘合，消除层间界面；
所述的高温温度为高于所使用LCP材料的熔融温度0～50℃；
七：外层金属化：
根据器件设计，在外层指定位置进行金属化。
本发明提出一种基于LCP的射频器件集成制造方法，采用LCP预结合后烧结的方式，减小了器件尺寸的变形，同时消除了界面效应，避免了高频下不同材料(LCP与胶膜)以及同种材料(LCP之间)产生的界面效应，同时采用叠层制造工艺并将无源器件埋入，实现了高集成度的射频器件的低温集成一体化制造。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明采用LCP材料进行器件制造，得益于LCP优异的高频性能，器件在高频情况下具有优异的性能；
(2)相比于LTCC技术，本发明很好的降低了器件制造过程中的温度，现有技术中LTCC中需要800℃～900℃才能完成烧结，在本发明中可将制造过程中温度降低至300℃，同时还避免了由于高温烧结所带来的内应力以及尺寸收缩问题；
(3)相比于现有的LCP技术，本发明消除了现有技术中由于胶膜带来的不同材料间产生的界面问题；进一步的，通过改进工艺将LCP间界面同时消除，避免了高频情况下由于界面带来的性能劣化；
(4)本发明极大的提高了器件高频化及集成化制造的能力。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为试验一中射频集成器件分层示意图；
图3为试验二中的回波损耗曲线图；
图4为试验二中的***损耗曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种基于LCP的射频器件集成制造方法，具体是按以下步骤进行的：
一、分层处理：
根据器件结构将器件进行分层处理，并对LCP表面进行清洁；
二、逐层加工：
根据步骤一分层后各层的形状，采用激光切割加工、水射流加工或机械加工按照步骤一所得的外形轮廓、内部通孔、无源器件安置槽和有源器件安置槽进行加工；
三、层间线路印刷及内部金属化：
根据器件设计方案在LCP层间进行金属化工艺，在所埋置的无源器件间设置导电通路，根据设计需求在器件特定位置进行局部金属化工艺；
四、LCP叠放及无源器件通孔埋入填充：
将印制好导电通路的LCP层进行叠放，同时根据设计将对应的无源器件和有源器件填入到对应的安置槽中，并对各层通孔进行填埋以形成导电通路；叠放器件的底层与顶层放置承接膜；
LCP层叠放与无源器件和有源器件的埋入以及通孔填埋同时进行，在叠放LCP层的同时将器件埋入对应层中，同时将通孔填埋，当一层的操作全部完成后继续叠放下一层；
五、LCP预粘合：
将叠放好的LCP放置在一定的压力下在低温下加热使LCP层间产生一定的结合力；
所述的低温温度为低于所使用LCP材料的熔融温度100℃～30℃；
六、LCP层间界面消除：
将步骤五所得的器件放入高温中进行加热使之完成粘合，消除层间界面；
所述的高温温度为高于所使用LCP材料的熔融温度0～50℃；
七：外层金属化：
根据器件设计，在外层指定位置进行金属化。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中所述的无源器件为电容、电感或电阻；所述的有源器件为晶体管、放大器或集成电路。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤三所述的金属化工艺为丝网印刷、激光布线和光刻。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤四中通孔的填埋方法为导电浆料填埋。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤四中所述的承接膜为离型膜、铝箔纸或锡纸。其他与具体实施方式四相同。
用以下试验对本发明进行验证：
试验一：本试验为一种基于LCP的射频器件集成制造方法，如图2所示，具体是按以下步骤进行的：
一、分层处理：
根据器件结构将器件进行分层处理，器件共分为20层，对LCP表面进行清洁；
其中1-1层为信号输入层；1-2至1-4层为电容放置层，层内设有电容放置孔，将贴片电容放置其中；1-5层为布线层，其上表面布有金属线路2-1，用以信号传输；第1-6和1-7层为间隔层，在第7层上表面布置金属线路2-2；1-8至1-10层为电感放置层，层内设有电感放置孔，将贴片电感放置其中；1-11层为间隔层，1-11层上表面布置金属线路2-3，用以将信号导出至滤波器馈电位置；第1-12和1-13层为间隔层；1-14至1-20层为滤波器结构层，其中1-14层下表面布有金属2-4用以信号输入；1-14至1-20层的层间无金属化线路；
二、逐层加工：
本试验选用的材料为先进院(深圳)科技有限公司所生产的LCP，其介电常数为3.4，介电损耗为0.0014，层厚为50μm；根据各层尺寸形状，使用皮秒紫外激光器对LCP材料进行切割与打孔，切割后各层基板形貌与图2所对应；
三、层间线路印刷及内部金属化：
本试验选用银浆为深圳市赛雅电子浆料有限公司的01M-5901导电银浆，采用丝网印刷的方式实现图2中所示电路；将印刷好的LCP放置在100℃的烘干箱30min进行烘干；
四、LCP叠放及无源器件通孔埋入填充：
将LCP依次叠层放置，每层LCP在叠放时将其内部电容电感安置槽中填入对应器件，并使用导电银浆对每层通孔进行填充，使器件内部形成导电通路；
五、LCP预粘合：
在叠放好的LCP顶层与底层分别放置一层铝箔纸防止LCP与压板发生粘结，将叠放完毕的LCP在1MPa的压力下加热，加热温度为200℃，加热100min，使LCP间产生一定的结合力；
六、LCP层间界面消除：
将步骤五所得的器件放入烧结炉中，在LCP底层放置一层新的铝箔纸用以承接，在295℃温度下烧结100min，高温烧结期间LCP上不施加任何压力，经烧结后，层间界面得以消除；
七：外层金属化：
根据器件设计，在外层指定位置进行金属化。
试验二：针对LCP材料，分别采用胶膜粘结工艺和试验一所采用的工艺对集成射频器件进行制造，对两器件的性能进行测试，测得试件的回波损耗曲线如图3所示，***损耗曲线如图4所示。
从图3和图4可以看出，使用胶膜粘结工艺与试验一所提出的界面消除工艺所制得器件中心频率以及带宽并无太大区别，但是由于胶膜粘结工艺在高频下介电损耗较大，所以导致器件的回波损耗与***损耗产生一定的差别，使器件性能恶化，不利于器件的使用。
回波损耗：从图3中可以看出，采用胶膜粘结工艺与试验一工艺所制得的器件回波损耗存在着5dB的差距，对于该器件来说，更高的回波损耗会使器件获得更好的性能。采用胶膜消除工艺可避免因界面效应所带来的损耗所带来的影响，避免回波损耗的降低。
***损耗：从图4中可以看出，采用试验一的界面消除工艺制得的器件所测得的***损耗低于胶膜粘结工艺所产生的***损耗，过大的***损耗会功率的消耗，从而导致器件发热等问题，本发明的工艺由于消除界面效应所带来的损耗问题使得器件的***损耗降低，避免了这些问题的产生。
通过比较可以看出，本发明的界面消除工艺可减小界面效应所带来的损耗问题，提高器件的性能，对于LCP材料在高频下的应用具有重要的意义。

Claims (5)

1.一种基于LCP的射频器件集成制造方法，其特征在于基于LCP的射频器件集成制造方法是按以下步骤进行的：
一、分层处理：
根据器件结构将器件进行分层处理，并对LCP表面进行清洁；
二、逐层加工：
根据步骤一分层后各层的形状，采用激光切割加工、水射流加工或机械加工按照步骤一所得的外形轮廓、内部通孔、无源器件安置槽和有源器件安置槽进行加工；
三、层间线路印刷及内部金属化：
根据器件设计方案在LCP层间进行金属化工艺，在所埋置的无源器件间设置导电通路，根据设计需求在器件特定位置进行局部金属化工艺；
四、LCP叠放及无源器件通孔埋入填充：
将印制好导电通路的LCP层进行叠放，同时根据设计将对应的无源器件和有源器件填入到对应的安置槽中，并对各层通孔进行填埋以形成导电通路；叠放器件的底层与顶层放置承接膜；
LCP层叠放与无源器件和有源器件的埋入以及通孔填埋同时进行，在叠放LCP层的同时将器件埋入对应层中，同时将通孔填埋，当一层的操作全部完成后继续叠放下一层；
五、LCP预粘合：
将叠放好的LCP放置在一定的压力下在低温下加热使LCP层间产生一定的结合力；
所述的低温温度为低于所使用LCP材料的熔融温度100℃～30℃；
六、LCP层间界面消除：
将步骤五所得的器件放入高温中进行加热使之完成粘合，消除层间界面；
所述的高温温度为高于所使用LCP材料的熔融温度0～50℃；
七：外层金属化：
根据器件设计，在外层指定位置进行金属化。
2.根据权利要求1所述的一种基于LCP的射频器件集成制造方法，其特征在于步骤二中所述的无源器件为电容、电感或电阻；所述的有源器件为晶体管、放大器或集成电路。
3.根据权利要求1所述的一种基于LCP的射频器件集成制造方法，其特征在于步骤三所述的金属化工艺为丝网印刷、激光布线和光刻。
4.根据权利要求1所述的一种基于LCP的射频器件集成制造方法，其特征在于步骤四中通孔的填埋方法为导电浆料填埋。
5.根据权利要求1所述的一种基于LCP的射频器件集成制造方法，其特征在于步骤四中所述的承接膜为离型膜、铝箔纸或锡纸。
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