CSTM-射频器件用低损耗陶瓷基板试验方法 编制说明

PAGEPAGE1中国材料与试验团体标准T/CSTMXXXXX-2022《射频器件用低损耗陶瓷基板试验方法》编制说明任务来源及简要过程1.1任务来源中国材料与试验团体标准T/CSTMXXXXX-2022《射频器件用低损耗陶瓷基板试验方法》，为广东省重点领域研发计划《5G通信用关键材料测试评价技术研究与设备开发项目》中测试技术的研究成果。根据项目要求，调研《射频器件用低损耗陶瓷基板试验方法》相关的国内外标准，并进行陶瓷基板材料试验方法技术研究与方法标准化工作。该标准主要由工业和信息化部电子第五研究所（以下简称电子五所）起草，由中国材料与试验团体标准委员会电子材料领域委员会（CSTM/FC51）归口。1.2工作过程射频滤波器是当前5G通讯建设所需的核心器件，随着5G通讯的大力发展，以及物联网接入设备和其他近场连接方式的增加，对射频滤波器提出了高频带选择性、高品质因子、低插入损耗等要求，迫切需要采用重量轻、体积小（尤其受到天线网格间距的限制）、成本低和可靠性高的信号载体材料，陶瓷基板材料以其优良的热性能、微波性能、力学性能以及可靠的电性能等特点，而成为射频器件用首选基板材料。在5G通信领域迅速发展的驱使下，针对陶瓷基板材料需要更为系统完善的测试与验证方法来支撑当前5G高可靠性的发展要求。根据《5G通信用关键材料测试评价技术研究与设备开发项目》的项目进度，2022年2月成立《射频器件用低损耗陶瓷基板试验方法》标准的工作团队，并开始着手调研有关陶瓷基板测试的国内外标准以及标准方法的技术研究工作。2022年4月完成了《高射频器件用低损耗陶瓷基板试验方法》标准草稿的编制，同月进行标准立项评审工作，经专家主评审，同意标准立项。标准的主要起草单位为电子五所，参与单位为广东风华高科科技股份有限公司（以下简称风华高科）、深圳先进电子材料国际创新研究院，其中电子五所负责牵头开展标准起草与技术研究，风华高科负责测试需求分析并参与标准起草，深圳先进电子材料国际创新研究院参与标准起草。2.编制原则和确定主要内容的论据及解决的主要问题目前国内外针对陶瓷基板材料的测试和验证方法多为单项性能的检测，如GB/T5594.3-2015电子元器件结构陶瓷材料性能测试方法第3部分：平均线膨胀系数测试方法、GB/T25995-2010精细陶瓷密度和显气孔率试验方法等，较为齐全的标准有GB/T5593-2015和GB/T14620-2013,但是GB/T5593-2015是陶瓷基板材料试样级性能检测方法，GB/T14620-2013更多的是关注薄膜集成电路用陶瓷基板材料的常规性能要求，缺少陶瓷基印制电路板相关性能及详细试验方法，如焊盘粘合强度、方阻测量、温度冲击等可靠性试验项目。两者还在信号测试方面缺少高频信号下的介电常数、损耗因子、温度系数、特性阻抗（陶瓷基印制电路板）、插入损耗（陶瓷基印制电路板）等试验方法，不能满足5G通讯射频器件用低损耗陶瓷材料的性能检测要求。因此有必要，建立一套完整的射频器件用低损耗陶瓷基板试验方法，填补该领域的空白。团队按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》，GB/T20001.4—2015《标准编写规则第4部分：试验方法标准》给出的规则，在充分研究、消化和吸收GB/T5593-2015、GB/T5594.3-2015、GB/T25995-2010等标准的基础上，结合陶瓷基板的实际特点，同时考虑各项试验方法标准的“科学性”、“前瞻性”、“适用性”、实施检测的可行性基础上，研究制订了《射频器件用低损耗陶瓷基板试验方法》团体标准，该标准填补了陶瓷印制板领域的空白，为陶瓷基板材料在试样级和元件级相关性能检测提供技术依据，促进行业的发展。3.标准主要内容的分析《射频器件用低损耗陶瓷基板试验方法》团体标准是对生瓷材料及由生瓷材料烧结成陶瓷基板试样级性能试验和陶瓷基印制电路板元件级性能验证方法。本标准内容包括：1范围；2规范性引用文件；3术语和定义；4要求；5尺寸；6电性能；7热性能；8机械性能；9物理性能；10工艺适应性；11环境可靠性。本标准在陶瓷基板试样级增加了电性能1GHz~40GHz频率范围的介电常数、损耗因子和温度系数带状线试验方法，生瓷材料厚度测量，工艺适应性X/Y/Z向收缩率；陶瓷基印制电路板元件级新增电性能特性阻抗、插入损耗和方阻测量，机械性能焊盘粘合强度，环境可靠性温度冲击，补充相关标准的欠缺。3.1厚度生瓷材料一般采用流延成型工艺，即在陶瓷粉料中加入溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂等，得到分散均匀的稳定浆料后，在流延机上制得所需要厚度生瓷薄片的一种方法。本标准增加生瓷材料厚度的测量，不仅能检测生瓷材料的平整度，也能反映出流延工艺管控能力。本标准规定了生瓷片的测试位置，在距离生瓷材料基板边缘10mm以上的内侧，使用千分尺测量生瓷材料上9个点不同位置的厚度，如图1所示，每个点值准确至0.001mm，结果取均值。图1厚度测试点示意图3.2介电常数、损耗角正切值及温度系数经团队调研，国外领先产品的介电常数和介质损耗角正切测试方法普遍采用带状线法测试，国内相关企业对标国外产品时，同样采用带状线法进行对比测试。其原理为两端开路的带状传输线具有谐振电路特性，它的谐振频率f与被测介质基板的介电常数εr相关，其固有的品质因数Q值与被测介质基板的介电损耗角正切tanδε相关，通过测量带状线谐振器的谐振频率以及固有的品质因数的数值可得到介质基板的介电常数εr和损耗角正切tanδε。目前行业对介电常数、损耗角正切值的带状线法测试相对成熟的标准为国标GB/T12636-1990《微波介质介电常数和介质损耗正切值的带状线测试方法》，该方法测试频带覆盖范围仅到20GHz，且以原理性描述为主，对测试操作指导针对性不强；GB/T5594.4-2015为陶瓷基片材料的介电常数和介质损耗角正切值的测试方法，该方法只涉及1MHZ频段，未涉及高频下的介电常数、损耗角正切值试验方法。国际标准IEC61189-2-719-2016，只涉及0.5GHz~10GHz频段，未涉及温变条件下的介电常数、损耗角正切值试验方法；故本项测试参照团队编制的T/CSTMXXXXX-2022《高频介质基板的介电常数和介质损耗角正切测试方法——带状线测试法》，该标准用于测试频率在1GHz~40GHz范围内的介电常数、损耗角正切值以及变温范围在-50℃~150℃下的介电常数及损耗角正切值，其针对性及可操作性更强。3.3特性阻抗陶瓷基印制电路板提供的电性能必须能够使信号在传输过程中不发生反射现象，信号保持完整，降低传输损耗，起到匹配阻抗的作用，这样才能得到完整、可靠、精确、无干扰噪音的传输信号，对射频器件用陶瓷基印制电路板要求更是如此，故增加特性阻抗测试项目，来验证陶瓷基印制电路板的阻抗性能。本标准设计有50Ω单端传输线或100Ω差分阻抗线测试图形，其中差分阻抗线的线间距为7mil，线宽可根据具体基材Dk/Df以及铜厚进行调整，阻抗线长度设定为100mm~150mm，图2所示；在阻抗曲线图中，不同的测量区域选择对数据产生直接影响，选择正确的测量区域至关重要，TDR仪器的水平和垂直参数的调整根据所选的探针技术、被测件长度和测量精度要求，最大程度提高测量精度，本标准也给出取值范围建议，建议取值在曲线图中50%~70%的范围或供需双方协商确定。图2阻抗线示意图3.4插入损耗插入损耗是无线通信及射频电路设计中的一个重要指标，高频信号传输过程中相比低频信号，其趋肤效应会较强，同时对信号的插入损耗影响更为明显，有必要验证生瓷材料加工成陶瓷基印制电路板板后的插入信号性能。本标准在增加插入损耗测试项目的同时，给出了标准测试图形，图形设计有两种长度的单端传输线或差分传输线，并且该传输线为带状线结构，传输线两端应设计有信号发射连接器焊盘，该焊盘用于与SMA连接器连接。建议传输线长线线长在5inch~10inch之间，短线线长在2inch~5inch之间，长线与短线的长度差值建议大于2inch，建议长线和短线各自线间距均为7mil，图3所示，线宽可根据具体基材Dk/Df以及铜厚进行调整。图3AFR插入损耗测试传输线示意图3.5焊盘粘合强度金属层与陶瓷基片间的粘合强度，直接决定了后续器件封装质量，有必要增加焊盘粘合强度的测试。本标准参照行业内对于焊盘粘合强度测试要求及标准图形的制作，规定陶瓷基印制板上的焊盘尺寸为（0.2~2.5）mm×（0.1~1.25）mm，用50mm/min的速度垂直拉引线，直到发生失效或超过规定值。3.6X/Y/Z向收缩率目前广泛应用的陶瓷基印制电路板是通过低温共烧陶瓷（LTCC）工艺技术实现，它提供了比传统的厚膜、薄膜和高温共烧陶瓷（HTCC）技术更加灵活的设计方法。LTCC工艺技术为在生瓷材料烧结前，在生瓷片上进行钻孔，再运用网版印刷技术，分别于生瓷上做金属浆料填孔及印制线路，最后将各层进行叠层，放置于（850~900）℃的烧结炉中烧结成型。如果陶瓷烧结后的收缩率过大，则会在烧结过程中破坏原本设计好的基板电路或金属化孔的可靠性，因此有必要验证陶瓷基板的收缩率，为寻找低收缩率陶瓷材料或改进工艺参数提供依据。在测试陶瓷基板收缩率时，由于单张生瓷材料厚度普遍为0.127mm，薄且脆，为了便于操作且能客观体现多层陶瓷基板的收缩率，本标准规定试样尺寸为100mm×100mm±0.75mm，且由8张生瓷片叠加经80℃层压而成，再测量烧结前后的尺寸变化。3.7温度冲击温度冲击是为了对产品进行快速高温、低温的交替变换，充分检验受试产品在极端恶劣的温度环境条件下的性能表现。本标准结合行业内各研究所对陶瓷基板的温度冲击测试条件而定，高温850+5℃，低温-554.知识产权情况说明中国材料与试验团体标准T/CSTMXXXXX-2022《射频器件用低损耗陶瓷基板试验方法》是在充分吸收GB/T5593-2015、GB/T5594.3-2015、GB/T25995-2010等标准而制定的，在制定过程中不涉及国内外专利及知识产权问题。5.采用国际标准和国外先进标准的情