CSTM-射頻器件用低損耗陶瓷基板試驗方法 編制說明

PAGEPAGE1中國材料與試驗團體標(biāo)準(zhǔn)T/CSTMXXXXX-2022《射頻器件用低損耗陶瓷基板試驗方法》編制說明任務(wù)來源及簡要過程1.1任務(wù)來源中國材料與試驗團體標(biāo)準(zhǔn)T/CSTMXXXXX-2022《射頻器件用低損耗陶瓷基板試驗方法》，為廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃《5G通信用關(guān)鍵材料測試評價技術(shù)研究與設(shè)備開發(fā)項目》中測試技術(shù)的研究成果。根據(jù)項目要求，調(diào)研《射頻器件用低損耗陶瓷基板試驗方法》相關(guān)的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，并進行陶瓷基板材料試驗方法技術(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（以下簡稱電子五所）起草，由中國材料與試驗團體標(biāo)準(zhǔn)委員會電子材料領(lǐng)域委員會（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)備和其他近場連接方式的增加，對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、體積小（尤其受到天線網(wǎng)格間距的限制）、成本低和可靠性高的信號載體材料，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，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，針對陶瓷基板材料需要更為系統(tǒng)完善的測試與驗證方法來支撐當(dāng)前5G高可靠性的發(fā)展要求。根據(jù)《5G通信用關(guān)鍵材料測試評價技術(shù)研究與設(shè)備開發(fā)項目》的項目進度，2022年2月成立《射頻器件用低損耗陶瓷基板試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)的工作團隊，并開始著手調(diào)研有關(guān)陶瓷基板測試的國內(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方法》標(biāo)準(zhǔn)草稿的編制，同月進行標(biāo)準(zhǔn)立項評審工作，經(jīng)專家主評審，同意標(biāo)準(zhǔn)立項。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（以下簡稱風(fēng)華高科）、深圳先進電子材料國際創(chuàng)新研究院，其中電子五所負責(zé)牽頭開展標(biāo)準(zhǔn)起草與技術(shù)研究，風(fēng)華高科負責(zé)測試需求分析并參與標(biāo)準(zhǔn)起草，深圳先進電子材料國際創(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內(nèi)外針對陶瓷基板材料的測試和驗證方法多為單項性能的檢測，如GB/T5594.3-2015電子元器件結(jié)構(gòu)陶瓷材料性能測試方法第3部分：平均線膨脹系數(shù)測試方法、GB/T25995-2010精細陶瓷密度和顯氣孔率試驗方法等，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性能檢測方法，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)性能及詳細試驗方法，如焊盤粘合強度、方阻測量、溫度沖擊等可靠性試驗項目。兩者還在信號測試方面缺少高頻信號下的介電常數(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方法，填補該領(lǐng)域的空白。團隊按照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)合陶瓷基板的實際特點，同時考慮各項試驗方法標(biāo)準(zhǔn)的“科學(xué)性”、“前瞻性”、“適用性”、實施檢測的可行性基礎(chǔ)上，研究制訂了《射頻器件用低損耗陶瓷基板試驗方法》團體標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)填補了陶瓷印制板領(lǐng)域的空白，為陶瓷基板材料在試樣級和元件級相關(guān)性能檢測提供技術(shù)依據(jù)，促進行業(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方法》團體標(biāo)準(zhǔn)是對生瓷材料及由生瓷材料燒結(jié)成陶瓷基板試樣級性能試驗和陶瓷基印制電路板元件級性能驗證方法。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)語和定義；4要求；5尺寸；6電性能；7熱性能；8機械性能；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)帶狀線試驗方法，生瓷材料厚度測量，工藝適應(yīng)性X/Y/Z向收縮率；陶瓷基印制電路板元件級新增電性能特性阻抗、插入損耗和方阻測量，機械性能焊盤粘合強度，環(huán)境可靠性溫度沖擊，補充相關(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量，不僅能檢測生瓷材料的平整度，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)，使用千分尺測量生瓷材料上9個點不同位置的厚度，如圖1所示，每個點值準(zhǔn)確至0.001mm，結(jié)果取均值。圖1厚度測試點示意圖3.2介電常數(shù)、損耗角正切值及溫度系數(shù)經(jīng)團隊調(diào)研，國外領(lǐng)先產(chǎn)品的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切測試方法普遍采用帶狀線法測試，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)對標(biāo)國外產(chǎn)品時，同樣采用帶狀線法進行對比測試。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值與被測介質(zhì)基板的介電損耗角正切tanδε相關(guān)，通過測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)對介電常數(shù)、損耗角正切值的帶狀線法測試相對成熟的標(biāo)準(zhǔn)為國標(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試方法》，該方法測試頻帶覆蓋范圍僅到20GHz，且以原理性描述為主，對測試操作指導(dǎo)針對性不強；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)、損耗角正切值試驗方法。國際標(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)、損耗角正切值試驗方法；故本項測試參照團隊編制的T/CSTMXXXXX-2022《高頻介質(zhì)基板的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切測試方法——帶狀線測試法》，該標(biāo)準(zhǔn)用于測試頻率在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，其針對性及可操作性更強。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在傳輸過程中不發(fā)生反射現(xiàn)象，信號保持完整，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、無干擾噪音的傳輸信號，對射頻器件用陶瓷基印制電路板要求更是如此，故增加特性阻抗測試項目，來驗證陶瓷基印制電路板的阻抗性能。本標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計有50Ω單端傳輸線或100Ω差分阻抗線測試圖形，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以及銅厚進行調(diào)整，阻抗線長度設(shè)定為100mm~150mm，圖2所示；在阻抗曲線圖中，不同的測量區(qū)域選擇對數(shù)據(jù)產(chǎn)生直接影響，選擇正確的測量區(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)、被測件長度和測量精度要求，最大程度提高測量精度，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線通信及射頻電路設(shè)計中的一個重要指標(biāo)，高頻信號傳輸過程中相比低頻信號，其趨膚效應(yīng)會較強，同時對信號的插入損耗影響更為明顯，有必要驗證生瓷材料加工成陶瓷基印制電路板板后的插入信號性能。本標(biāo)準(zhǔn)在增加插入損耗測試項目的同時，給出了標(biāo)準(zhǔn)測試圖形，圖形設(shè)計有兩種長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)計有信號發(fā)射連接器焊盤，該焊盤用于與SMA連接器連接。建議傳輸線長線線長在5inch~10inch之間，短線線長在2inch~5inch之間，長線與短線的長度差值建議大于2inch，建議長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以及銅厚進行調(diào)整。圖3AFR插入損耗測試傳輸線示意圖3.5焊盤粘合強度金屬層與陶瓷基片間的粘合強度，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度的測試。本標(biāo)準(zhǔn)參照行業(yè)內(nèi)對于焊盤粘合強度測試要求及標(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)計方法。LTCC工藝技術(shù)為在生瓷材料燒結(jié)前，在生瓷片上進行鉆孔，再運用網(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，則會在燒結(jié)過程中破壞原本設(shè)計好的基板電路或金屬化孔的可靠性，因此有必要驗證陶瓷基板的收縮率，為尋找低收縮率陶瓷材料或改進工藝參數(shù)提供依據(jù)。在測試陶瓷基板收縮率時，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產(chǎn)品進行快速高溫、低溫的交替變換，充分檢驗受試產(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)各研究所對陶瓷基板的溫度沖擊測試條件而定，高溫850+5℃，低溫-554.知識產(chǎn)權(quán)情況說明中國材料與試驗團體標(biāo)準(zhǔn)T/CSTMXXXXX-2022《射頻器件用低損耗陶瓷基板試驗方法》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內(nèi)外專利及知識產(chǎn)權(quán)問題。5.采用國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進標(biāo)準(zhǔn)的情