專利名稱：由低溫共燒陶瓷材料制造高頻接收和/或發(fā)射裝置的方法以及由其制造的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由低溫共燒陶瓷(LTCC)材料形成高頻接收器、發(fā)射器和收發(fā)器的方法。本發(fā)明還涉及LTCC接收、發(fā)射和收發(fā)結(jié)構(gòu)以及由這些結(jié)構(gòu)制成的裝置。
_2]
背景技術(shù)：
最近的發(fā)現(xiàn)(a)用于LTCC厚膜材料的玻璃，其中LTCC厚膜材料達到足夠低的介電常數(shù)(k)以允許用作信號處理應(yīng)用的電子封裝的低k部分，以及(b)這種達到足夠低的k值以允許用作信號處理應(yīng)用的電子封裝的低k部分的LTCC厚膜材料，已產(chǎn)生了利用這種LTCC厚膜材料進行額外發(fā)現(xiàn)的可能性。此類玻璃已在2006年10月5日提交的共同轉(zhuǎn)讓的已獲準美國專利申請序列號11/543,742中公開并且受權(quán)利要求書保護。此類低k厚膜介
電組合物在2007年6月29日提交的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請序列號11/824，116中公開并且受權(quán)利要求書保護?；ミB電路板是由大量極小電路元件組成的電子電路或子系統(tǒng)的物理實現(xiàn)，所述電路元件以電方式和機械方式互連。很多情況下，期望將這些不同類型的電子組件以一定排列方式組合起來，以便可將它們在一個單獨的緊湊封裝中物理隔離而又彼此相鄰地組裝，并且彼此電連接和/或電連接到從封裝延伸出來的公共接頭。復(fù)雜電子電路通常需要電路由若干層通過絕緣介電層隔離的導(dǎo)體構(gòu)建而成。導(dǎo)電層通過穿透介電層的導(dǎo)電途徑(稱為通路)在各級之間互連。此類多層結(jié)構(gòu)使電路變得更加緊湊?！N有用的介電帶材組合物公開于授予Donohue等人的美國專利6，147，019中。Donohue等人的介電帶材組合物達到了在7-8范圍內(nèi)的介電常數(shù)，并且不適合作為電子封裝信號處理應(yīng)用的低k材料。另一種有用的介電帶材組合物是可商購獲得的產(chǎn)品，產(chǎn)品編號951 (可從E. I. duPont de Nemours and Company商購獲得)。該介電帶材組合物達到了在7_8范圍內(nèi)的介電常數(shù)，并且不適合作為電子封裝信號處理應(yīng)用的低k材料。先前可用的LTCC厚膜材料達不到足夠低的k而不允許用作用于信號處理應(yīng)用的電子封裝的低k部分。具有大于6的介電常數(shù)(k)的厚膜介電層通常用于在埋置無源組件應(yīng)用中。在這些LTCC埋置無源組件應(yīng)用中，介電厚膜是常見的。然而，在天線、波束成形、濾波器、耦合器、平衡-不平衡變換器、以及其它射頻(RF)信號處理應(yīng)用中，最好使用k值顯著低于7-8的較低k材料，優(yōu)選具有在2-5范圍內(nèi)的介電常數(shù)的低k材料。因此，已被用于那些應(yīng)用中的材料不是LTCC材料，而是聚四氟乙烯(PTFE)材料，例如可從 E. I. du Pont de Nemours and Company 商購獲得的 Teflon 。這些PTFE材料的介電常數(shù)(k)能夠達到大約2. 2-4。這種3_4的介電常數(shù)允許更廣的線寬，并且形成了具有維持50Ω并達到更低的電路介電損耗和更低的對屏幕細紋成圖的容差效應(yīng)的能力。現(xiàn)今，低k的PTFE介電材料用于幾乎所有的30GHz以上的RF模塊，因為在該介電質(zhì)中波長較小。
介電常數(shù)k也是控制層壓材料電氣性能的重要材料屬性。在電子工業(yè)中使用的介電層壓材料基于其介電常數(shù)一般分成兩大類1)具有在2. 2-5. 5范圍內(nèi)的介電常數(shù)的低k材料，以及2)具有范圍為5. 5-12的k的高k材料。低k層壓體一般由復(fù)雜的有機材料(例如前面討論過的PTFE材料)組成，并且高k材料具有玻璃陶瓷組合物。有機層壓體可具有或可不具有加載在其分子基質(zhì)中的玻璃、陶瓷或其它材料顆粒以實現(xiàn)不同的k值。LTCC材料是使用最廣泛的玻璃陶瓷材料體系之一。低k和高k材料體系均因其介電常數(shù)而提供某些獨特的優(yōu)勢。對每個材料組的具體優(yōu)勢的比較在下面的表
I.I中示出。
一般而言，陶瓷材料(具體地講是LTCC材料)為電子系統(tǒng)水平的封裝提供了某些非常引人注目的特性，即(i)高機械強度和剛度，(ii)氣密性，(iii)極低的吸水率(這是有機材料的嚴重問題)，(iv)與在集成電路(IC)芯片的制造中所用的工業(yè)標準半導(dǎo)體材料匹配的優(yōu)異的CTE (熱膨脹系數(shù))。半導(dǎo)體材料具有在3-5ppm/°C范圍內(nèi)的CTE值，LTCC材料與有機材料的17ppm/°C的CTE值相比具有接近于4. 5ppm/°C的CTE值。LTCC近乎匹配IC芯片的CTE值獲得非常高的可靠性。此外，一般而言，陶瓷材料(具體地講是LTCC材料)(V)由于具有較高的介電常數(shù)而具有較小水平的串擾。最后，(vi)LTCC材料的較高介電常數(shù)k導(dǎo)致非常緊湊的電路設(shè)計。然而，LTCC材料的高介電常數(shù)k使得難于用其制造天線和其它輻射元件(尤其是在較高頻率下)。LTCC材料的另一個缺點是其較高的介電常數(shù)k降低了信號傳輸速度?；谝陨嫌懻摵拖卤鞩. 1，很明顯低k和高k介電常數(shù)材料均具有具體的優(yōu)勢與劣勢。授予Gurkovich等人的美國專利5，757, 611公開了一種具有埋置無源組件(例如在其中的電容器)的電子封裝，以及用于制造電子封裝的方法。電子封裝包括無源組件部分(其包含多個高k介電材料層)、信號處理部分(其包含多個低k介電材料層)，以及插入在無源組件部分和信號處理部分之間的至少一個緩沖層。Gurkovich等人沒有公開允許缺少介于低k和高k區(qū)域之間的緩沖層的LTCC結(jié)構(gòu)。此外，Gurkovich等人公開了利用壓力輔助層壓的制造方法。Gurkovich等人公開了無源組件部分與信號處理結(jié)合的用途，并且沒有公開無源組件部分以及信號處理作為獨立特征的能力。另外，Gurkovic等人公開了沿介于所有層之間的所有垂直通路的定位焊盤的用途。具有低k和高k層兩者的多層層壓結(jié)構(gòu)也被提出，該結(jié)構(gòu)結(jié)合兩類層壓材料的優(yōu)勢，同時限制對電路性能的任何不利影響。然而，它們的制備方法麻煩且復(fù)雜，并且單獨的低k和高k組件價格昂貴，這兩者均導(dǎo)致每個制造的單元的成本高昂。這將在下面更詳細地描述。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，許多電路類型可受益于簡單、易于制造的LTCC層壓結(jié)構(gòu)中低k和高k材料兩者積極方面的結(jié)合。例如，收發(fā)器(在同一個電路中結(jié)合了接收器和發(fā)射器)電路是此類系統(tǒng)的良好實例。收發(fā)器電路極廣泛地用于多種通訊設(shè)備如手機、無線網(wǎng)絡(luò)裝置、雷達系統(tǒng)、收音機等。
收發(fā)器通常具有許多由半導(dǎo)體、無源組件(作為單獨的組件并且印刷在電路基板上)，以及用于接收和發(fā)射信號的天線組成的微波集成電路(MMIC)。對于使用收發(fā)器的電子系統(tǒng)的封裝，基板材料需要能夠支持MMIC的連接、能夠承載布線密度高但串擾較低的電互連器，并且能夠承載高效天線結(jié)構(gòu)。需要易于制造、基板材料廉價的收發(fā)器或者其它電路例如接收器和發(fā)射器，其結(jié)合了低k和高k材料兩者的特性。本發(fā)明提供了獨特且新穎的方法以及所得結(jié)構(gòu)，其中兩類具有不同介電常數(shù)的LTCC帶材系統(tǒng)(一類具有低k，而另一類具有高k)可被結(jié)合以形成單個的、整體的、多層電路板以用于收發(fā)器應(yīng)用、或其它電路應(yīng)用例如接收器和發(fā)射器。表I. I
低k和高k材料的特性比較[0028權(quán)利要求
1.大批量生產(chǎn)具有低溫共燒陶瓷基板的高頻天線的方法，所述方法包括以下步驟 (a)提供一層或多層彼此接觸的低k厚膜介電帶材，每層具有在3.5-6. 5范圍內(nèi)的介電常數(shù)并基于固體計包含(a) 40-80重量％的玻璃組合物；(b) 20-60重量％的陶瓷氧化物；上述組分分散在(c)有機聚合物粘合劑的溶液中；以形成低k層狀結(jié)構(gòu)， (b)使所述低k層狀結(jié)構(gòu)與高k結(jié)構(gòu)接觸以形成具有暴露的低k表面和暴露的高k表面的組合件，所述高k結(jié)構(gòu)由一層或多層高k材料制成， (c)在所述暴露的低k表面上提供貼片天線圖案， (d)加工所述組合件以形成低溫共燒陶瓷結(jié)構(gòu)，以及 (e)在所述暴露的聞k表面上提供芯片電路。
2.權(quán)利要求I的方法，其中所述高k結(jié)構(gòu)由高k材料制成，所述高k材料選自氧化鋁、氮化鋁、氧化硅、碳化硅、氮化硅、以及在基板上的感光帶材(PTOS)并具有大于或等于6. 5的k值。
3.權(quán)利要求I的方法，其中所述高k結(jié)構(gòu)為一層或多層彼此接觸的厚膜介電帶材，每層具有在6. 5-8范圍內(nèi)的介電常數(shù)。
4.權(quán)利要求I的方法，其中基于摩爾％計，所述玻璃組合物基本上由以下組分組成50-6% 的 B203、0/5-5. 5% 的 P205、SiO2 以及它們的混合物、20-50% 的 CaO,2-15% 的 Ln2O3,其中Ln選自稀土元素以及它們的混合物； 0-6%的M12O，其中M1選自堿性元素；和 0-10%的Al2O3,前提條件是所述組合物是可水磨的。
5.權(quán)利要求I的方法，其中所述玻璃組合物具有2-6泊的對數(shù)粘度范圍，并且所述陶瓷氧化物選自基本上由二氧化硅、硅酸鹽以及它們的混合物組成的組，并且其中所述陶瓷氧化物具有在2-5k范圍內(nèi)的介電常數(shù)。
6.權(quán)利要求I的方法，其中所述低k厚膜介電組合物還包含(d)至多5重量％的無機氧化物，其選自氧化銅、二氧化硅、氧化鋁以及混合的氧化物。
7.權(quán)利要求I的方法，其中所述低k厚膜介電帶材提供X-Y約束。
8.權(quán)利要求I的方法，還包括具有約束帶材。
9.權(quán)利要求I的方法，其中基于摩爾％計，所述玻璃組合物基本上由以下組分組成⑴ 46-57. 96% 的 B2O3, (ii)玻璃網(wǎng)絡(luò)形成物，其選自 0. 5-8. 5% 的 P2O5U. 72-5. 00% 的 SiO2'以及P2O5與SiO2的混合物，其中所述P2O5與SiO2的混合物的組合摩爾％為3. 44-8. 39%，(iii) 20-50%的CaO，(iv) 2-15%的Ln2O3，其中Ln選自稀土元素以及它們的混合物；(v) 0-6%的MI2O，其中MI選自堿性元素；和(vi)0-10%的Al2O3,其中所述玻璃組合物為填充陶瓷的失透玻璃組合物，其中所述玻璃組合物在結(jié)晶前流動，前提條件是所述組合物是可水磨的。
10.大批量生產(chǎn)的具有低溫共燒陶瓷基板的高頻天線，所述天線包括 (a)一層或多層彼此接觸的低k厚膜介電帶材，每層具有在3. 5-6. 5范圍內(nèi)的介電常數(shù)并基于固體計包含(a) 40-80重量％的玻璃組合物；(b) 20-60重量％的陶瓷氧化物；上述組分分散在(c)有機聚合物粘合劑的溶液中；其形成低k層狀結(jié)構(gòu)， (b)一層或多層彼此接觸并與所述低k層狀結(jié)構(gòu)接觸的高k材料，其中所述兩個或更多個(a)層和所述兩個或更多個(b)層形成具有暴露的低k表面和暴露的高k表面的組合件，(C)在所述暴露的低k表面上的貼片天線圖案， (d)已被加工成形成低溫共燒陶瓷結(jié)構(gòu)的所述組合件，和 (e)在所述暴露的聞k表面上的芯片電路。
11.權(quán)利要求10的天線，其中所述高k材料選自氧化鋁、氮化鋁、氧化硅、碳化硅、氮化硅、以及在基板上的感光帶材(PTOS)并具有大于或等于6. 5的k值。
12.權(quán)利要求10的天線，其中所述高k材料為一層或多層彼此接觸的厚膜介電帶材，每層具有在6. 5-8范圍內(nèi)的介電常數(shù)。
13.權(quán)利要求10的天線，其中基于摩爾％計，所述玻璃組合物基本上由以下組分組成50-6% 的 B203、0/5-5. 5% 的 P205、SiO2 以及它們的混合物、20-50% 的 CaO,2-15% 的 Ln2O3,其中Ln選自稀土元素以及它們的混合物； 0-6%的M12O，其中M1選自堿性元素；和 0-10%的Al2O3,前提條件是所述組合物是可水磨的。
14.權(quán)利要求10的天線，其中所述玻璃組合物具有2-6泊的對數(shù)粘度范圍，并且所述陶瓷氧化物選自基本上由二氧化硅、硅酸鹽以及它們的混合物組成的組，并且其中所述陶瓷氧化物具有在2-5k范圍內(nèi)的介電常數(shù)。
15.權(quán)利要求10的天線，其中所述低k厚膜介電組合物還包含(d)至多5重量％的無機氧化物，其選自氧化銅、二氧化硅、氧化鋁以及混合的氧化物。
16.權(quán)利要求10的天線，其中所述低k厚膜介電帶材在所述加工期間提供X-Y約束。
17.權(quán)利要求10的天線,還包括約束帶材。
18.權(quán)利要求10的天線，其中基于摩爾％計，所述玻璃組合物基本上由以下組分組成⑴ 46-57. 96% 的 B2O3, (ii)玻璃網(wǎng)絡(luò)形成物，其選自 0. 5-8. 5% 的 P2O5U. 72-5. 00% 的 SiO2'以及P2O5與SiO2的混合物，其中所述P2O5與SiO2的混合物的組合摩爾％為3. 44-8. 39%，(iii) 20-50%的CaO，(iv) 2-15%的Ln2O3，其中Ln選自稀土元素以及它們的混合物；(v) 0-6%的MI2O，其中MI選自堿性元素；和(vi)0-10%的Al2O3,其中所述玻璃組合物為填充陶瓷的失透玻璃組合物，其中所述玻璃組合物在結(jié)晶前流動，前提條件是所述組合物是可水磨的。
全文摘要
本發(fā)明涉及由低溫共燒陶瓷(LTCC)材料形成高頻接收器、發(fā)射器和收發(fā)器的方法。兩個或更多個彼此接觸的低k厚膜介電帶材層和兩個或更多個彼此接觸的低k厚膜介電帶材層形成低k高k的LTCC結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)具有改善的性能和支持高頻收發(fā)器經(jīng)濟型大批量生產(chǎn)工藝的能力。本發(fā)明還涉及LTCC接收、發(fā)射和收發(fā)結(jié)構(gòu)以及由這些結(jié)構(gòu)制成的裝置。
文檔編號H01Q1/38GK102712520SQ201180006663
公開日2012年10月3日 申請日期2011年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者D·M·奈爾, J·C·麥勒比, J·M·帕里斯, K·M·奈爾, M·F·麥庫姆斯 申請人:E·I·內(nèi)穆爾杜邦公司