CSTM-射頻器件用低損耗陶瓷基板試驗(yàn)方法 編制說明

PAGEPAGE1中國(guó)材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CSTMXXXXX-2022《射頻器件用低損耗陶瓷基板試驗(yàn)方法》編制說明任務(wù)來源及簡(jiǎn)要過程1.1任務(wù)來源中國(guó)材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CSTMXXXXX-2022《射頻器件用低損耗陶瓷基板試驗(yàn)方法》，為廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃《5G通信用關(guān)鍵材料測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)研究與設(shè)備開發(fā)項(xiàng)目》中測(cè)試技術(shù)的研究成果。根據(jù)項(xiàng)目要求，調(diào)研《射頻器件用低損耗陶瓷基板試驗(yàn)方法》相關(guān)的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行陶瓷基板材料試驗(yàn)方法技術(shù)研究與方法標(biāo)準(zhǔn)化工作。該標(biāo)準(zhǔn)主要由工業(yè)和信息化部電子第五研究所（以下簡(jiǎn)稱電子五所）起草，由中國(guó)材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)電子材料領(lǐng)域委員會(huì)（CSTM/FC51）歸口。1.2工作過程射頻濾波器是當(dāng)前5G通訊建設(shè)所需的核心器件，隨著5G通訊的大力發(fā)展，以及物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備和其他近場(chǎng)連接方式的增加，對(duì)射頻濾波器提出了高頻帶選擇性、高品質(zhì)因子、低插入損耗等要求，迫切需要采用重量輕、體積?。ㄓ绕涫艿教炀€網(wǎng)格間距的限制）、成本低和可靠性高的信號(hào)載體材料，陶瓷基板材料以其優(yōu)良的熱性能、微波性能、力學(xué)性能以及可靠的電性能等特點(diǎn)，而成為射頻器件用首選基板材料。在5G通信領(lǐng)域迅速發(fā)展的驅(qū)使下，針對(duì)陶瓷基板材料需要更為系統(tǒng)完善的測(cè)試與驗(yàn)證方法來支撐當(dāng)前5G高可靠性的發(fā)展要求。根據(jù)《5G通信用關(guān)鍵材料測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)研究與設(shè)備開發(fā)項(xiàng)目》的項(xiàng)目進(jìn)度，2022年2月成立《射頻器件用低損耗陶瓷基板試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)的工作團(tuán)隊(duì)，并開始著手調(diào)研有關(guān)陶瓷基板測(cè)試的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)以及標(biāo)準(zhǔn)方法的技術(shù)研究工作。2022年4月完成了《高射頻器件用低損耗陶瓷基板試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)草稿的編制，同月進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)評(píng)審工作，經(jīng)專家主評(píng)審，同意標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)。標(biāo)準(zhǔn)的主要起草單位為電子五所，參與單位為廣東風(fēng)華高科科技股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱風(fēng)華高科）、深圳先進(jìn)電子材料國(guó)際創(chuàng)新研究院，其中電子五所負(fù)責(zé)牽頭開展標(biāo)準(zhǔn)起草與技術(shù)研究，風(fēng)華高科負(fù)責(zé)測(cè)試需求分析并參與標(biāo)準(zhǔn)起草，深圳先進(jìn)電子材料國(guó)際創(chuàng)新研究院參與標(biāo)準(zhǔn)起草。2.編制原則和確定主要內(nèi)容的論據(jù)及解決的主要問題目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)陶瓷基板材料的測(cè)試和驗(yàn)證方法多為單項(xiàng)性能的檢測(cè)，如GB/T5594.3-2015電子元器件結(jié)構(gòu)陶瓷材料性能測(cè)試方法第3部分：平均線膨脹系數(shù)測(cè)試方法、GB/T25995-2010精細(xì)陶瓷密度和顯氣孔率試驗(yàn)方法等，較為齊全的標(biāo)準(zhǔn)有GB/T5593-2015和GB/T14620-2013,但是GB/T5593-2015是陶瓷基板材料試樣級(jí)性能檢測(cè)方法，GB/T14620-2013更多的是關(guān)注薄膜集成電路用陶瓷基板材料的常規(guī)性能要求，缺少陶瓷基印制電路板相關(guān)性能及詳細(xì)試驗(yàn)方法，如焊盤粘合強(qiáng)度、方阻測(cè)量、溫度沖擊等可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目。兩者還在信號(hào)測(cè)試方面缺少高頻信號(hào)下的介電常數(shù)、損耗因子、溫度系數(shù)、特性阻抗（陶瓷基印制電路板）、插入損耗（陶瓷基印制電路板）等試驗(yàn)方法，不能滿足5G通訊射頻器件用低損耗陶瓷材料的性能檢測(cè)要求。因此有必要，建立一套完整的射頻器件用低損耗陶瓷基板試驗(yàn)方法，填補(bǔ)該領(lǐng)域的空白。團(tuán)隊(duì)按照GB/T1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》，GB/T20001.4—2015《標(biāo)準(zhǔn)編寫規(guī)則第4部分：試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》給出的規(guī)則，在充分研究、消化和吸收GB/T5593-2015、GB/T5594.3-2015、GB/T25995-2010等標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合陶瓷基板的實(shí)際特點(diǎn)，同時(shí)考慮各項(xiàng)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)的“科學(xué)性”、“前瞻性”、“適用性”、實(shí)施檢測(cè)的可行性基礎(chǔ)上，研究制訂了《射頻器件用低損耗陶瓷基板試驗(yàn)方法》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)填補(bǔ)了陶瓷印制板領(lǐng)域的空白，為陶瓷基板材料在試樣級(jí)和元件級(jí)相關(guān)性能檢測(cè)提供技術(shù)依據(jù)，促進(jìn)行業(yè)的發(fā)展。3.標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容的分析《射頻器件用低損耗陶瓷基板試驗(yàn)方法》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)生瓷材料及由生瓷材料燒結(jié)成陶瓷基板試樣級(jí)性能試驗(yàn)和陶瓷基印制電路板元件級(jí)性能驗(yàn)證方法。本標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容包括：1范圍；2規(guī)范性引用文件；3術(shù)語(yǔ)和定義；4要求；5尺寸；6電性能；7熱性能；8機(jī)械性能；9物理性能；10工藝適應(yīng)性；11環(huán)境可靠性。本標(biāo)準(zhǔn)在陶瓷基板試樣級(jí)增加了電性能1GHz~40GHz頻率范圍的介電常數(shù)、損耗因子和溫度系數(shù)帶狀線試驗(yàn)方法，生瓷材料厚度測(cè)量，工藝適應(yīng)性X/Y/Z向收縮率；陶瓷基印制電路板元件級(jí)新增電性能特性阻抗、插入損耗和方阻測(cè)量，機(jī)械性能焊盤粘合強(qiáng)度，環(huán)境可靠性溫度沖擊，補(bǔ)充相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的欠缺。3.1厚度生瓷材料一般采用流延成型工藝，即在陶瓷粉料中加入溶劑、分散劑、粘結(jié)劑、增塑劑等，得到分散均勻的穩(wěn)定漿料后，在流延機(jī)上制得所需要厚度生瓷薄片的一種方法。本標(biāo)準(zhǔn)增加生瓷材料厚度的測(cè)量，不僅能檢測(cè)生瓷材料的平整度，也能反映出流延工藝管控能力。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了生瓷片的測(cè)試位置，在距離生瓷材料基板邊緣10mm以上的內(nèi)側(cè)，使用千分尺測(cè)量生瓷材料上9個(gè)點(diǎn)不同位置的厚度，如圖1所示，每個(gè)點(diǎn)值準(zhǔn)確至0.001mm，結(jié)果取均值。圖1厚度測(cè)試點(diǎn)示意圖3.2介電常數(shù)、損耗角正切值及溫度系數(shù)經(jīng)團(tuán)隊(duì)調(diào)研，國(guó)外領(lǐng)先產(chǎn)品的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切測(cè)試方法普遍采用帶狀線法測(cè)試，國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)對(duì)標(biāo)國(guó)外產(chǎn)品時(shí)，同樣采用帶狀線法進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。其原理為兩端開路的帶狀傳輸線具有諧振電路特性，它的諧振頻率f與被測(cè)介質(zhì)基板的介電常數(shù)εr相關(guān)，其固有的品質(zhì)因數(shù)Q值與被測(cè)介質(zhì)基板的介電損耗角正切tanδε相關(guān)，通過測(cè)量帶狀線諧振器的諧振頻率以及固有的品質(zhì)因數(shù)的數(shù)值可得到介質(zhì)基板的介電常數(shù)εr和損耗角正切tanδε。目前行業(yè)對(duì)介電常數(shù)、損耗角正切值的帶狀線法測(cè)試相對(duì)成熟的標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)標(biāo)GB/T12636-1990《微波介質(zhì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗正切值的帶狀線測(cè)試方法》，該方法測(cè)試頻帶覆蓋范圍僅到20GHz，且以原理性描述為主，對(duì)測(cè)試操作指導(dǎo)針對(duì)性不強(qiáng)；GB/T5594.4-2015為陶瓷基片材料的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值的測(cè)試方法，該方法只涉及1MHZ頻段，未涉及高頻下的介電常數(shù)、損耗角正切值試驗(yàn)方法。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61189-2-719-2016，只涉及0.5GHz~10GHz頻段，未涉及溫變條件下的介電常數(shù)、損耗角正切值試驗(yàn)方法；故本項(xiàng)測(cè)試參照?qǐng)F(tuán)隊(duì)編制的T/CSTMXXXXX-2022《高頻介質(zhì)基板的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切測(cè)試方法——帶狀線測(cè)試法》，該標(biāo)準(zhǔn)用于測(cè)試頻率在1GHz~40GHz范圍內(nèi)的介電常數(shù)、損耗角正切值以及變溫范圍在-50℃~150℃下的介電常數(shù)及損耗角正切值，其針對(duì)性及可操作性更強(qiáng)。3.3特性阻抗陶瓷基印制電路板提供的電性能必須能夠使信號(hào)在傳輸過程中不發(fā)生反射現(xiàn)象，信號(hào)保持完整，降低傳輸損耗，起到匹配阻抗的作用，這樣才能得到完整、可靠、精確、無(wú)干擾噪音的傳輸信號(hào)，對(duì)射頻器件用陶瓷基印制電路板要求更是如此，故增加特性阻抗測(cè)試項(xiàng)目，來驗(yàn)證陶瓷基印制電路板的阻抗性能。本標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)有50Ω單端傳輸線或100Ω差分阻抗線測(cè)試圖形，其中差分阻抗線的線間距為7mil，線寬可根據(jù)具體基材Dk/Df以及銅厚進(jìn)行調(diào)整，阻抗線長(zhǎng)度設(shè)定為100mm~150mm，圖2所示；在阻抗曲線圖中，不同的測(cè)量區(qū)域選擇對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生直接影響，選擇正確的測(cè)量區(qū)域至關(guān)重要，TDR儀器的水平和垂直參數(shù)的調(diào)整根據(jù)所選的探針技術(shù)、被測(cè)件長(zhǎng)度和測(cè)量精度要求，最大程度提高測(cè)量精度，本標(biāo)準(zhǔn)也給出取值范圍建議，建議取值在曲線圖中50%~70%的范圍或供需雙方協(xié)商確定。圖2阻抗線示意圖3.4插入損耗插入損耗是無(wú)線通信及射頻電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要指標(biāo)，高頻信號(hào)傳輸過程中相比低頻信號(hào)，其趨膚效應(yīng)會(huì)較強(qiáng)，同時(shí)對(duì)信號(hào)的插入損耗影響更為明顯，有必要驗(yàn)證生瓷材料加工成陶瓷基印制電路板板后的插入信號(hào)性能。本標(biāo)準(zhǔn)在增加插入損耗測(cè)試項(xiàng)目的同時(shí)，給出了標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖形，圖形設(shè)計(jì)有兩種長(zhǎng)度的單端傳輸線或差分傳輸線，并且該傳輸線為帶狀線結(jié)構(gòu)，傳輸線兩端應(yīng)設(shè)計(jì)有信號(hào)發(fā)射連接器焊盤，該焊盤用于與SMA連接器連接。建議傳輸線長(zhǎng)線線長(zhǎng)在5inch~10inch之間，短線線長(zhǎng)在2inch~5inch之間，長(zhǎng)線與短線的長(zhǎng)度差值建議大于2inch，建議長(zhǎng)線和短線各自線間距均為7mil，圖3所示，線寬可根據(jù)具體基材Dk/Df以及銅厚進(jìn)行調(diào)整。圖3AFR插入損耗測(cè)試傳輸線示意圖3.5焊盤粘合強(qiáng)度金屬層與陶瓷基片間的粘合強(qiáng)度，直接決定了后續(xù)器件封裝質(zhì)量，有必要增加焊盤粘合強(qiáng)度的測(cè)試。本標(biāo)準(zhǔn)參照行業(yè)內(nèi)對(duì)于焊盤粘合強(qiáng)度測(cè)試要求及標(biāo)準(zhǔn)圖形的制作，規(guī)定陶瓷基印制板上的焊盤尺寸為（0.2~2.5）mm×（0.1~1.25）mm，用50mm/min的速度垂直拉引線，直到發(fā)生失效或超過規(guī)定值。3.6X/Y/Z向收縮率目前廣泛應(yīng)用的陶瓷基印制電路板是通過低溫共燒陶瓷（LTCC）工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)，它提供了比傳統(tǒng)的厚膜、薄膜和高溫共燒陶瓷（HTCC）技術(shù)更加靈活的設(shè)計(jì)方法。LTCC工藝技術(shù)為在生瓷材料燒結(jié)前，在生瓷片上進(jìn)行鉆孔，再運(yùn)用網(wǎng)版印刷技術(shù)，分別于生瓷上做金屬漿料填孔及印制線路，最后將各層進(jìn)行疊層，放置于（850~900）℃的燒結(jié)爐中燒結(jié)成型。如果陶瓷燒結(jié)后的收縮率過大，則會(huì)在燒結(jié)過程中破壞原本設(shè)計(jì)好的基板電路或金屬化孔的可靠性，因此有必要驗(yàn)證陶瓷基板的收縮率，為尋找低收縮率陶瓷材料或改進(jìn)工藝參數(shù)提供依據(jù)。在測(cè)試陶瓷基板收縮率時(shí)，由于單張生瓷材料厚度普遍為0.127mm，薄且脆，為了便于操作且能客觀體現(xiàn)多層陶瓷基板的收縮率，本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試樣尺寸為100mm×100mm±0.75mm，且由8張生瓷片疊加經(jīng)80℃層壓而成，再測(cè)量燒結(jié)前后的尺寸變化。3.7溫度沖擊溫度沖擊是為了對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行快速高溫、低溫的交替變換，充分檢驗(yàn)受試產(chǎn)品在極端惡劣的溫度環(huán)境條件下的性能表現(xiàn)。本標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合行業(yè)內(nèi)各研究所對(duì)陶瓷基板的溫度沖擊測(cè)試條件而定，高溫850+5℃，低溫-554.知識(shí)產(chǎn)權(quán)情況說明中國(guó)材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CSTMXXXXX-2022《射頻器件用低損耗陶瓷基板試驗(yàn)方法》是在充分吸收GB/T5593-2015、GB/T5594.3-2015、GB/T25995-2010等標(biāo)準(zhǔn)而制定的，在制定過程中不涉及國(guó)內(nèi)外專利及知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題。5.采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的情