LTCC集成電阻的精細(xì)控制

賈少雄，李　俊，黃旭蘭，楊　偉，王　亮

（中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，太原 030024）

微電子制造與可靠性

LTCC集成電阻的精細(xì)控制

賈少雄，李俊，黃旭蘭，楊偉，王亮

（中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，太原 030024）

低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fire Ceramic——LTCC）技術(shù)，具有可集成無源電阻的獨(dú)特優(yōu)勢。LTCC基板集成電阻主要有兩種方式，表層電阻和內(nèi)埋電阻。主要討論了LTCC基板內(nèi)埋電阻的制備工藝。針對不同的電阻材料，設(shè)計(jì)了不同工藝。最終為不同電阻的制備提出了一種優(yōu)化的工藝，使得LTCC內(nèi)埋電阻的精度控制范圍可達(dá)到±17%。

LTCC；內(nèi)埋電阻；印刷工藝；精度

通常來說，LTCC內(nèi)埋電阻精度為±30%。本文通過調(diào)整印刷工藝及改進(jìn)電阻工藝設(shè)計(jì)，以期有效提高內(nèi)埋電阻的精度。

1　引言

當(dāng)代信息技術(shù)的發(fā)展要求整機(jī)系統(tǒng)小型化。這種趨勢醞釀出了微電子工藝在過去幾十年中的飛速發(fā)展。迄今為止，半導(dǎo)體有源器件的集成度已接近硅工藝極限，這使得研究人員漸漸將目光轉(zhuǎn)向了無源元件的集成。LTCC（Low Temperature Co-fire Ceramic）技術(shù)正是目前廣泛采用的、滿足無源元件集成的理想技術(shù)［1，2，3］，該技術(shù)通過集成電阻、電感和電容等無源元件，實(shí)現(xiàn)微波組件輕量化、小型化以及高可靠性。

目前LTCC基板集成電阻的主要方式為表層電阻和內(nèi)埋電阻。表層電阻和內(nèi)埋電阻都是通過絲網(wǎng)印

2　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文研究的介質(zhì)材料體系為Ferro A6M ，電阻體系為Ferro FX87系列電阻體系。圖1為電阻外形示意圖，圖中中間為電阻，兩邊為端電極，W為電阻寬度，L為電阻長度。本文主要設(shè)計(jì)了一系列不同長度（L）和寬度（W）的電阻，電阻長寬比（L/W）變化范圍為0.5～4。

本文選用Ferro A6M的10層介質(zhì)材料，電阻埋置于第4層介質(zhì)，電阻兩端有端電極，第一層（即樣品表面）同樣位置處也有端電極，第1層到第3層通過0.2 mm直徑的電路通孔將第1層的端電極和內(nèi)埋電阻兩端的端電極互連，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本文通過調(diào)整印刷網(wǎng)版的乳膠厚度和印刷工藝方式共設(shè)計(jì)了8種印刷工藝，分別編號為1#～8#。

圖1　內(nèi)埋電阻示意圖

圖2　內(nèi)埋電阻結(jié)構(gòu)圖

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

根據(jù)厚膜理論，電阻值由式（1）所得：

其中，R為電阻值，Rs為方阻值，L為電阻長度，W為電阻寬度。

再根據(jù)電阻公式，

其中，ρ為材料電阻率，d為印刷電阻的膜厚。由公式（1）和公式（2）相比可得：

對于相同材料而言，可以認(rèn)為其電阻率ρ為固定的，所以，由公式（3）可知，印刷電阻材料的方阻值與印刷得到的電阻膜厚成反比。

實(shí)驗(yàn)中，膜厚測量采用Cyber Voltage激光測厚儀測量印刷干燥后的電阻膜厚d。對于不同的印刷工藝，其印刷干燥后電阻漿料的膜厚不同，具體對應(yīng)數(shù)值如表1所示。

表1　不同印刷工藝下的電阻膜厚

實(shí)驗(yàn)中，電阻測量采用ATG A5 Neo飛針測試儀進(jìn)行測量。圖3為不同方阻的材料在不同印刷工藝下的歸一化方阻值（實(shí)測方阻值與理論方阻值的比值）。從圖3可得，不同方阻材料的歸一化方阻隨印刷工藝的變化具有一致性，其基本可分為三大區(qū)域：第一區(qū)域?yàn)闅w一化方阻最高的兩點(diǎn)，即印刷工藝為1#和3#的兩種工藝得到的歸一化方阻最高；第二區(qū)域?yàn)闅w一化方阻最低的三點(diǎn)，即印刷工藝為2#、5#、8#三種工藝得到的歸一化方阻最小；第三區(qū)域?yàn)橹虚g區(qū)域，即印刷工藝為4#、6#、7#三種工藝。這是因?yàn)橛晒剑?）可知，相同材料的方阻主要與電阻的膜厚成反比。再由表1可得，1#和3#印刷工藝得到的電阻膜厚最小，為28～29 μm；2#、5#、8#三種工藝得到的印刷膜厚最大，為39～42 μm；4#、6#、7#三種工藝得到的印刷膜厚居于中間，為33～35 μm。

圖3　不同材料的歸一化方阻隨印刷工藝的變化

同時，從圖3還可得出，在相同印刷工藝作用下，不同材料的歸一化方阻差別較大?？梢钥闯?，對于10 Ω和10 kΩ的材料，在1#印刷工藝作用下，歸一化方阻已經(jīng)超過1，分別達(dá)到了1.05和1.20；對于100 Ω和1 kΩ的材料，在1#印刷工藝作用下，歸一化方阻均在1以下，分別達(dá)到0.93和0.60。因此，需要對不同材料分別進(jìn)行印刷工藝和電阻的設(shè)計(jì)，才可達(dá)到電阻阻值的精細(xì)控制，接下來針對不同的材料分別進(jìn)行研究。

3.1 方阻為10 kΩ的電阻材料

圖4　不同印刷工藝下方阻為10 kΩ的方阻誤差隨電阻長寬比的變化

由前面的討論可知，不同的印刷工藝會引起較大的電阻變化。因此在相同印刷工藝作用下，設(shè)計(jì)了不同的電阻尺寸，觀察其方阻的變化。圖4為在不同印刷工藝作用下，方阻為10 kΩ的方阻誤差隨電阻外形尺寸的變化。通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算所得，不同印刷工藝作用下10 kΩ電阻材料以3倍標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算所得的方阻容差及平均方阻值，如表2所示。結(jié)合圖4和表2可以看出，對于10 kΩ的電阻漿料，不同長寬比的電阻設(shè)計(jì)，方阻的容差為11%～22%，不同印刷工藝下平均方阻值為5.88 kΩ～11.99 kΩ。

因此，這里針對方阻為10 kΩ的電阻漿料，采用4#印刷工藝，即圖4“*”號所標(biāo)示的最優(yōu)方案，可得平均方阻為10.03 kΩ，以3倍標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)得的方阻誤差為±11%。

表2　不同印刷工藝下10 kΩ方阻的誤差及平均方阻值

3.2方阻為1 kΩ的電阻材料

圖5　不同印刷工藝下方阻為1 kΩ的方阻誤差隨電阻長寬比的變化

表3　不同工藝下1 kΩ的方阻誤差及平均方阻值

同樣，結(jié)合圖5和表3可得，對于1 kΩ的電阻漿料，在不同長寬比的電阻設(shè)計(jì)下，經(jīng)過不同的印刷工藝，以3倍標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)得的方阻誤差為±4%～±20%，不同印刷工藝下平均方阻為0.29 kΩ～0.60 kΩ。

因此，這里針對方阻為1 kΩ的電阻漿料，采用編號為1的印刷工藝，可得平均方阻為0.6 kΩ，誤差為± 17%。實(shí)際使用過程中，若采用1#印刷工藝，需要在電阻設(shè)計(jì)時將其長寬比設(shè)計(jì)為1.67；若采用2～8號印刷工藝，電阻膜厚會比較厚，而且電阻長寬比需要調(diào)整的比例較大。所以這里仍然推薦采用1#印刷工藝，將電阻長寬比設(shè)計(jì)為原來的1.67倍，可得其方阻值為1 kΩ，誤差為±17%。

3.3方阻為100 Ω的電阻材料

圖6　不同印刷工藝下方阻為100 Ω的方阻誤差隨電阻長寬比的變化

表4　不同工藝作用下100 Ω電阻的誤差變化范圍及平均方阻值

結(jié)合圖6和表4，可得到，對于方阻為100 Ω的電阻漿料，采用1#印刷工藝，可得平均方阻為93.20 Ω，容差范圍為±11%。實(shí)際使用過程中，若采用理論的長寬比設(shè)計(jì)方式，在1#印刷工藝作用下，所得方阻范圍為88.20～98.20 Ω。在精度要求比較高的情況下，電阻設(shè)計(jì)時可將其長寬比設(shè)計(jì)為理論比例的1.07倍，這樣可得其平均方阻為100 Ω，誤差為±11%。

3.4方阻為10 Ω的電阻材料

圖7　不同印刷工藝下方阻為10 Ω的方阻誤差隨電阻長寬比的變化

表5　不同工藝作用下10 Ω電阻的誤差變化范圍及平均方阻值

結(jié)合圖7和表5，可知，對于方阻為10 Ω的電阻漿料，采用編號為1的印刷工藝，可得平均方阻為10.54，容差范圍為±7%。實(shí)際使用過程中，若采用理論的長寬比設(shè)計(jì)方式，在1#印刷工藝作用下，所得方阻范圍為10.14～10.94 Ω。在精度要求比較高的情況下，電阻設(shè)計(jì)時可將其長寬比設(shè)計(jì)為理論值的0.949倍，這樣可得其平均方阻為10 Ω，誤差為±7%。

3.5電阻隨溫度的變化

在確定了不同方阻的制備工藝之后，進(jìn)一步研究了按照此工藝進(jìn)行制備的電阻隨溫度的變化。圖8和圖9分別顯示了不同方阻的電阻隨溫度的變化關(guān)系和不同方阻的溫度系數(shù)。

表6顯示了不同方阻的平均溫度系數(shù)及變化范圍。結(jié)合圖8、圖9和表6可知：10 Ω方阻呈現(xiàn)正的溫度系數(shù)，并且溫度系數(shù)較大，平均為868×10-6/℃，并且變化范圍較大，為0～1648×10-6/℃；其他方阻基本都呈現(xiàn)出負(fù)溫度系數(shù)。可見LTCC電阻影響因素比較復(fù)雜，需要我們長期的探索。

圖8　不同方阻的歸一化電阻隨溫度變化

圖9　不同方阻的溫度系數(shù)

表6　不同方阻的溫度系數(shù)平均值及變化范圍

4　結(jié)論

本文針對Ferro A6M介質(zhì)材料體系及其FX87系列內(nèi)埋電阻體系的電阻精度與印刷工藝及制備過程中的電阻長寬比設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。通過調(diào)整電阻制備過程中絲網(wǎng)的乳膠厚度、印刷工藝以及電阻的長寬比設(shè)計(jì)，可以顯著提高不同內(nèi)埋電阻材料的控制精度，其中10 kΩ精度為±11%，1 kΩ精度為±17%，100 Ω精度為±11%，10 Ω精度為±7%。同時我們也得到內(nèi)埋電阻的溫度特性，其中10 Ω的電阻呈現(xiàn)出正的溫度特性，且溫度穩(wěn)定性不佳。

［1］ 邊國輝，方一波，吳小帥. 用于制造微波多芯片組件的LTCC技術(shù)［J］. 半導(dǎo)體技術(shù)，2008，33（5）：378-380.

［2］ 謝廉忠，周勤. LTCC埋置電阻器制造工藝研究［J］. 混合微電子技術(shù)，2003，14（3）：83-86.

［3］ Andrzej Dziedzic， Leszek J Golonka， Andrzej Kolek， et al. DC and AC electrical properties and long-term stability of LTCC resistors［C］. 24th International Spring Seminar on Electronics echnology， 2001.137-141.

［4］ 王嘯，馬濤，李峰. LTCC基板上電阻的設(shè)計(jì)與制造［J］.電子元件與材料，2006，25（8）： 64-67.

［5］ Markku Lahti ， Antti Vimpari， Kari Kautio. Printable resistors in LTCC systems［J］. Journal of the European Ceramic Society. 2007， 27 ： 2953-2956.

The Tight Control of Tolerance of LTCC Resistor

JIA Shaoxiong， LI Jun， HUANG Xulan， YANG Wei， WANG Liang
（China Electronics Technology Group Corporation No.2 Research Institute， Taiyuan 030024，China）

Low Temperature Co-fire Ceramic （LTCC） technology offers a unique advantage in passive components. The integral resistors in LTCC include surface resistors and embedded resistors. In this study the processing of embedded resistors in LTCC substrates have been discussed. The experimental work has been made with different types of resistor material. By optimizing the processing， the embedded resistance tolerances smaller than ±17% were achieved.

LTCC； embedded resistors； the print processing； resistance tolerances刷工藝將不同的電阻漿料印刷于LTCC生瓷表面，然后通過疊層共燒的方式制成電阻。表層電阻的優(yōu)點(diǎn)是可以通過激光調(diào)阻的工藝來精細(xì)調(diào)整電阻精度；內(nèi)埋電阻的優(yōu)點(diǎn)是可以減少頂層的印刷面積，進(jìn)一步提高LTCC基板集成度。然而，內(nèi)埋電阻極難實(shí)現(xiàn)激光調(diào)阻，電阻精度不易控制［4，5］。

TN305

A

1681-1070（2015）12-0030-04

賈少雄（1988—），男，山西朔州人，碩士，2012年畢業(yè)于西安交通大學(xué)微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè)，現(xiàn)從事LTCC工藝及微波元器件研發(fā)工作。

2015-7-31