[发明专利]一种用于单膜层LTCC内埋腔体结构的制造方法

说明书

技术领域

本发明属于微机械结构制造领域，特别涉及一种在低温共烧陶瓷（LTCC）基板上实现单膜层内埋腔体结构的制造方法。

技术背景

低温共烧陶瓷（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。

为实现微系统的不同功能，3D-LTCC结构中多包含腔体、通道以及膜层等多种不同结构。这些结构，不仅可以在微波电路应用中实现芯片内埋，还可以在微系统应用中构建复杂功能结构，例如：高功率器件底面的散热流体通道结构、微反应器中的反应腔室、电容传感器中的电容腔以及微燃料器中的燃烧室、LTCC贴片天线等等。

单膜层LTCC内埋腔体是LTCC腔体的一种，其是在LTCC基板内部制造的内埋腔体结构，其最主要的特点是顶层仅仅具有一层LTCC瓷片，即单膜层结构。该腔体结构示意如图1所示，包含腔膜层、腔壁层以及腔基底层三个主要部分。得益于单膜层结构良好的力学敏感性以及内部制造的悬空结构，单膜层LTCC内埋腔体在LTCC三维结构制造以及电容式膜层传感器以及内置腔贴片天线等领域具有广泛应用。

由于单膜层LTCC内埋腔体结构的特殊性，该结构制造集中了腔体制造和膜层制造两个技术难点：一方面，内埋腔体结构在制造中要保持腔体结构不变形；另一方面，单膜层的顶盖平整度在制造中难以保证。而腔体尺寸以及膜层的平整性是影响其在各领域应用的关键。

目前，国际上针对该类腔体制造常用采用的制造流程如图2所示。在此制造流程中，首先依次进行基片材料的下料老化—冲孔—填孔—印刷以及腔体冲制等工序。待每片瓷片制作好之后，借助各层之间的对位标记按照结构顺序依次实现多层瓷片之间的层叠。叠片完成之后，进行温水等静压的层压步骤。层压的目的是为了使基板在均匀压力下紧密结合成一个整体。对于单膜层LTCC内埋腔体来说，其腔体内部有一个空腔“缺陷”，若将内部“空虚”的LTCC多层基板直接放入高压环境中，会破坏腔体乃至整个基板。为解决上述问题，常用下述处理方法：在叠片阶段，首先在单膜层腔体盖叠片前，应用牺牲层材料填入腔体，将带有“腔缺陷”的LTCC基板改进为平整的平面基板。然后实施单膜层腔体盖的叠片操作。接下来进行层压处理。在层压阶段，牺牲层对腔体结构进行保护，避免了腔体结构的变形。常用的牺牲层材料有石墨基材料、矿石材料、有机材料等不同体系。在LTCC基板烧结成瓷阶段，牺牲层材料在高温条件下氧化成气态，通过尚未烧结致密膜层的微通孔排出基板结构，从而实现了单膜层LTCC内埋腔体的制造。

应用“添加牺牲层”的方法虽然可以实现单膜层LTCC内埋腔体的制造，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）牺牲层材料的选择及制备。牺牲层材料首先要具备可塑性，才能实现不同结构腔体的填充。此外，牺牲层材料要在高温下能够完全氧化成气体排出LTCC基板外。

2）带有牺牲层LTCC基板的烧结曲线调节。若能在LTCC基板烧结中实现牺牲层材料的氧化，同时保证单膜层内置腔顶层盖的平整性，需要调节烧结曲线。常用的方法是首先对牺牲层材料最热重分析，得到其在不同温度下的氧化速度。然后，结合其热重分析结果对LTCC基板的烧结曲线进行调整。若牺牲层材料的氧化温度较低（低于LTCC基板烧结中排胶阶段的温度），则会在烧结成瓷阶段中使单膜层失去支撑，易造成塌陷的内置腔。若牺牲层材料的氧化温度过高（高于LTCC基板烧结中开始致密化的温度点），则会在盖层成瓷后牺牲层继续氧化，易导致表面“鼓起”的内置腔，严重时还会在腔内留下较多的牺牲层残余。

3）制作中需要牺牲层材料填充的额外操作，降低制作效率。

4）添加牺牲层材料中容易对LTCC腔体造成破坏。

发明内容