专利名称：由低温共烧陶瓷材料制造高频接收和/或发射装置的方法以及由其制造的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及由低温共烧陶瓷(LTCC)材料形成高频接收器、发射器和收发器的方法。本发明还涉及LTCC接收、发射和收发结构以及由这些结构制成的装置。
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背景技术：
最近的发现(a)用于LTCC厚膜材料的玻璃，其中LTCC厚膜材料达到足够低的介电常数(k)以允许用作信号处理应用的电子封装的低k部分，以及(b)这种达到足够低的k值以允许用作信号处理应用的电子封装的低k部分的LTCC厚膜材料，已产生了利用这种LTCC厚膜材料进行额外发现的可能性。此类玻璃已在2006年10月5日提交的共同转让的已获准美国专利申请序列号11/543,742中公开并且受权利要求书保护。此类低k厚膜介
电组合物在2007年6月29日提交的共同转让的美国专利申请序列号11/824，116中公开并且受权利要求书保护。互连电路板是由大量极小电路元件组成的电子电路或子系统的物理实现，所述电路元件以电方式和机械方式互连。很多情况下，期望将这些不同类型的电子组件以一定排列方式组合起来，以便可将它们在一个单独的紧凑封装中物理隔离而又彼此相邻地组装，并且彼此电连接和/或电连接到从封装延伸出来的公共接头。复杂电子电路通常需要电路由若干层通过绝缘介电层隔离的导体构建而成。导电层通过穿透介电层的导电途径(称为通路)在各级之间互连。此类多层结构使电路变得更加紧凑。—种有用的介电带材组合物公开于授予Donohue等人的美国专利6，147，019中。Donohue等人的介电带材组合物达到了在7-8范围内的介电常数，并且不适合作为电子封装信号处理应用的低k材料。另一种有用的介电带材组合物是可商购获得的产品，产品编号951 (可从E. I. duPont de Nemours and Company商购获得)。该介电带材组合物达到了在7_8范围内的介电常数，并且不适合作为电子封装信号处理应用的低k材料。先前可用的LTCC厚膜材料达不到足够低的k而不允许用作用于信号处理应用的电子封装的低k部分。具有大于6的介电常数(k)的厚膜介电层通常用于在埋置无源组件应用中。在这些LTCC埋置无源组件应用中，介电厚膜是常见的。然而，在天线、波束成形、滤波器、耦合器、平衡-不平衡变换器、以及其它射频(RF)信号处理应用中，最好使用k值显著低于7-8的较低k材料，优选具有在2-5范围内的介电常数的低k材料。因此，已被用于那些应用中的材料不是LTCC材料，而是聚四氟乙烯(PTFE)材料，例如可从 E. I. du Pont de Nemours and Company 商购获得的 Teflon 。这些PTFE材料的介电常数(k)能够达到大约2. 2-4。这种3_4的介电常数允许更广的线宽，并且形成了具有维持50Ω并达到更低的电路介电损耗和更低的对屏幕细纹成图的容差效应的能力。现今，低k的PTFE介电材料用于几乎所有的30GHz以上的RF模块，因为在该介电质中波长较小。
介电常数k也是控制层压材料电气性能的重要材料属性。在电子工业中使用的介电层压材料基于其介电常数一般分成两大类1)具有在2. 2-5. 5范围内的介电常数的低k材料，以及2)具有范围为5. 5-12的k的高k材料。低k层压体一般由复杂的有机材料(例如前面讨论过的PTFE材料)组成，并且高k材料具有玻璃陶瓷组合物。有机层压体可具有或可不具有加载在其分子基质中的玻璃、陶瓷或其它材料颗粒以实现不同的k值。LTCC材料是使用最广泛的玻璃陶瓷材料体系之一。低k和高k材料体系均因其介电常数而提供某些独特的优势。对每个材料组的具体优势的比较在下面的表
I.I中示出。
一般而言，陶瓷材料(具体地讲是LTCC材料)为电子系统水平的封装提供了某些非常引人注目的特性，即(i)高机械强度和刚度，(ii)气密性，(iii)极低的吸水率(这是有机材料的严重问题)，(iv)与在集成电路(IC)芯片的制造中所用的工业标准半导体材料匹配的优异的CTE (热膨胀系数)。半导体材料具有在3-5ppm/°C范围内的CTE值，LTCC材料与有机材料的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值获得非常高的可靠性。此外，一般而言，陶瓷材料(具体地讲是LTCC材料)(V)由于具有较高的介电常数而具有较小水平的串扰。最后，(vi)LTCC材料的较高介电常数k导致非常紧凑的电路设计。然而，LTCC材料的高介电常数k使得难于用其制造天线和其它辐射元件(尤其是在较高频率下)。LTCC材料的另一个缺点是其较高的介电常数k降低了信号传输速度。基于以上讨论和下表I. 1，很明显低k和高k介电常数材料均具有具体的优势与劣势。授予Gurkovich等人的美国专利5，757, 611公开了一种具有埋置无源组件(例如在其中的电容器)的电子封装，以及用于制造电子封装的方法。电子封装包括无源组件部分(其包含多个高k介电材料层)、信号处理部分(其包含多个低k介电材料层)，以及插入在无源组件部分和信号处理部分之间的至少一个缓冲层。Gurkovich等人没有公开允许缺少介于低k和高k区域之间的缓冲层的LTCC结构。此外，Gurkovich等人公开了利用压力辅助层压的制造方法。Gurkovich等人公开了无源组件部分与信号处理结合的用途，并且没有公开无源组件部分以及信号处理作为独立特征的能力。另外，Gurkovic等人公开了沿介于所有层之间的所有垂直通路的定位焊盘的用途。具有低k和高k层两者的多层层压结构也被提出，该结构结合两类层压材料的优势，同时限制对电路性能的任何不利影响。然而，它们的制备方法麻烦且复杂，并且单独的低k和高k组件价格昂贵，这两者均导致每个制造的单元的成本高昂。这将在下面更详细地描述。发明人发现，许多电路类型可受益于简单、易于制造的LTCC层压结构中低k和高k材料两者积极方面的结合。例如，收发器(在同一个电路中结合了接收器和发射器)电路是此类系统的良好实例。收发器电路极广泛地用于多种通讯设备如手机、无线网络装置、雷达系统、收音机等。
收发器通常具有许多由半导体、无源组件(作为单独的组件并且印刷在电路基板上)，以及用于接收和发射信号的天线组成的微波集成电路(MMIC)。对于使用收发器的电子系统的封装，基板材料需要能够支持MMIC的连接、能够承载布线密度高但串扰较低的电互连器，并且能够承载高效天线结构。需要易于制造、基板材料廉价的收发器或者其它电路例如接收器和发射器，其结合了低k和高k材料两者的特性。本发明提供了独特且新颖的方法以及所得结构，其中两类具有不同介电常数的LTCC带材系统(一类具有低k，而另一类具有高k)可被结合以形成单个的、整体的、多层电路板以用于收发器应用、或其它电路应用例如接收器和发射器。表I. I
低k和高k材料的特性比较[0028权利要求
1.大批量生产具有低温共烧陶瓷基板的高频天线的方法，所述方法包括以下步骤 (a)提供一层或多层彼此接触的低k厚膜介电带材，每层具有在3.5-6. 5范围内的介电常数并基于固体计包含(a) 40-80重量％的玻璃组合物；(b) 20-60重量％的陶瓷氧化物；上述组分分散在(c)有机聚合物粘合剂的溶液中；以形成低k层状结构， (b)使所述低k层状结构与高k结构接触以形成具有暴露的低k表面和暴露的高k表面的组合件，所述高k结构由一层或多层高k材料制成， (c)在所述暴露的低k表面上提供贴片天线图案， (d)加工所述组合件以形成低温共烧陶瓷结构，以及 (e)在所述暴露的闻k表面上提供芯片电路。
2.权利要求I的方法，其中所述高k结构由高k材料制成，所述高k材料选自氧化铝、氮化铝、氧化硅、碳化硅、氮化硅、以及在基板上的感光带材(PTOS)并具有大于或等于6. 5的k值。
3.权利要求I的方法，其中所述高k结构为一层或多层彼此接触的厚膜介电带材，每层具有在6. 5-8范围内的介电常数。
4.权利要求I的方法，其中基于摩尔％计，所述玻璃组合物基本上由以下组分组成50-6% 的 B203、0/5-5. 5% 的 P205、SiO2 以及它们的混合物、20-50% 的 CaO,2-15% 的 Ln2O3,其中Ln选自稀土元素以及它们的混合物； 0-6%的M12O，其中M1选自碱性元素；和 0-10%的Al2O3,前提条件是所述组合物是可水磨的。
5.权利要求I的方法，其中所述玻璃组合物具有2-6泊的对数粘度范围，并且所述陶瓷氧化物选自基本上由二氧化硅、硅酸盐以及它们的混合物组成的组，并且其中所述陶瓷氧化物具有在2-5k范围内的介电常数。
6.权利要求I的方法，其中所述低k厚膜介电组合物还包含(d)至多5重量％的无机氧化物，其选自氧化铜、二氧化硅、氧化铝以及混合的氧化物。
7.权利要求I的方法，其中所述低k厚膜介电带材提供X-Y约束。
8.权利要求I的方法，还包括具有约束带材。
9.权利要求I的方法，其中基于摩尔％计，所述玻璃组合物基本上由以下组分组成⑴ 46-57. 96% 的 B2O3, (ii)玻璃网络形成物，其选自 0. 5-8. 5% 的 P2O5U. 72-5. 00% 的 SiO2'以及P2O5与SiO2的混合物，其中所述P2O5与SiO2的混合物的组合摩尔％为3. 44-8. 39%，(iii) 20-50%的CaO，(iv) 2-15%的Ln2O3，其中Ln选自稀土元素以及它们的混合物；(v) 0-6%的MI2O，其中MI选自碱性元素；和(vi)0-10%的Al2O3,其中所述玻璃组合物为填充陶瓷的失透玻璃组合物，其中所述玻璃组合物在结晶前流动，前提条件是所述组合物是可水磨的。
10.大批量生产的具有低温共烧陶瓷基板的高频天线，所述天线包括 (a)一层或多层彼此接触的低k厚膜介电带材，每层具有在3. 5-6. 5范围内的介电常数并基于固体计包含(a) 40-80重量％的玻璃组合物；(b) 20-60重量％的陶瓷氧化物；上述组分分散在(c)有机聚合物粘合剂的溶液中；其形成低k层状结构， (b)一层或多层彼此接触并与所述低k层状结构接触的高k材料，其中所述两个或更多个(a)层和所述两个或更多个(b)层形成具有暴露的低k表面和暴露的高k表面的组合件，(C)在所述暴露的低k表面上的贴片天线图案， (d)已被加工成形成低温共烧陶瓷结构的所述组合件，和 (e)在所述暴露的闻k表面上的芯片电路。
11.权利要求10的天线，其中所述高k材料选自氧化铝、氮化铝、氧化硅、碳化硅、氮化硅、以及在基板上的感光带材(PTOS)并具有大于或等于6. 5的k值。
12.权利要求10的天线，其中所述高k材料为一层或多层彼此接触的厚膜介电带材，每层具有在6. 5-8范围内的介电常数。
13.权利要求10的天线，其中基于摩尔％计，所述玻璃组合物基本上由以下组分组成50-6% 的 B203、0/5-5. 5% 的 P205、SiO2 以及它们的混合物、20-50% 的 CaO,2-15% 的 Ln2O3,其中Ln选自稀土元素以及它们的混合物； 0-6%的M12O，其中M1选自碱性元素；和 0-10%的Al2O3,前提条件是所述组合物是可水磨的。
14.权利要求10的天线，其中所述玻璃组合物具有2-6泊的对数粘度范围，并且所述陶瓷氧化物选自基本上由二氧化硅、硅酸盐以及它们的混合物组成的组，并且其中所述陶瓷氧化物具有在2-5k范围内的介电常数。
15.权利要求10的天线，其中所述低k厚膜介电组合物还包含(d)至多5重量％的无机氧化物，其选自氧化铜、二氧化硅、氧化铝以及混合的氧化物。
16.权利要求10的天线，其中所述低k厚膜介电带材在所述加工期间提供X-Y约束。
17.权利要求10的天线,还包括约束带材。
18.权利要求10的天线，其中基于摩尔％计，所述玻璃组合物基本上由以下组分组成⑴ 46-57. 96% 的 B2O3, (ii)玻璃网络形成物，其选自 0. 5-8. 5% 的 P2O5U. 72-5. 00% 的 SiO2'以及P2O5与SiO2的混合物，其中所述P2O5与SiO2的混合物的组合摩尔％为3. 44-8. 39%，(iii) 20-50%的CaO，(iv) 2-15%的Ln2O3，其中Ln选自稀土元素以及它们的混合物；(v) 0-6%的MI2O，其中MI选自碱性元素；和(vi)0-10%的Al2O3,其中所述玻璃组合物为填充陶瓷的失透玻璃组合物，其中所述玻璃组合物在结晶前流动，前提条件是所述组合物是可水磨的。
全文摘要
本发明涉及由低温共烧陶瓷(LTCC)材料形成高频接收器、发射器和收发器的方法。两个或更多个彼此接触的低k厚膜介电带材层和两个或更多个彼此接触的低k厚膜介电带材层形成低k高k的LTCC结构，所述结构具有改善的性能和支持高频收发器经济型大批量生产工艺的能力。本发明还涉及LTCC接收、发射和收发结构以及由这些结构制成的装置。
文档编号H01Q1/38GK102712520SQ201180006663
公开日2012年10月3日 申请日期2011年1月28日 优先权日2010年1月29日
发明者D·M·奈尔, J·C·麦勒比, J·M·帕里斯, K·M·奈尔, M·F·麦库姆斯 申请人:E·I·内穆尔杜邦公司