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LTCC(低温共烧陶瓷)基板是一种性能优良的陶瓷基板,广泛应用于微电子封装领域。LTCC基板采用多层生瓷片并行加工方法,实现三维立体互连,并可在层间嵌入无源元件,然后通过低温共烧的方法将生瓷片与低温导体材料等烧结成致密的陶瓷基板。由于LTCC具有优良的物理化学特性,其越来越多的应用于微系统。LTCC基板在微系统中的应用主要表现在两个方面:一个是作为微系统的封装基板,搭载微电子、光电子及MEMS芯片等;另一个是利用LTCC材料加工出MEMS器件,并集成在基板内部,使器件与封装一体化。后者形成MEMS技术的一个发展分支,即陶瓷MEMS(C-MEMS)。
本文对LTCC基板在微系统中的应用进行了一些方面的研究工作,包括:微系统用LTCC基板的加工技术;基于LTCC基板的微系统真空封装;LTCC微型加速度计。
LTCC基板应用于微系统封装一个很大的优势是在基板的内部可以加工出微流道和微腔体,这些微结构的加工利用了LTCC生瓷片的易加工性及体积牺牲材料技术。论文中对微系统敖热实验用LTCC微流道基板上的发热器件和微流道接口进行了改进,设计并搭建了一个新的散热实验系统平台。该实验系统在性能上有了显著提升,为后续的实验进行提供了可靠保障。
针对微系统真空封装的需求,利用LTCC材料和工艺的良好气密特性,开发出一款适用于器件级微系统真空封装管壳。该管壳以LTCC基板为底座,以可伐合金为管帽,密封采用气密性优良的焊接工艺。论文中对管壳内壁材料的放气特性进行了实验研究,发现水汽是管壳吸附气体的主要成分;采用氦质谱法对管壳漏率进行测试,实验测得的漏率在10-11Pa·m3/s~10-12Pa·m3/s的量级水平。
论文中设计了一款LTCC电容式加速度计,其振动结构和电容传感器都采用LTCC工艺技术,并且内嵌于LTCC封装基板的内部,使加速度计的表头加工和封装一体化,可以节省基板封装空间,提高系统集成密度。利用有限元仿真软件ANSYS对设计的LTCC加速度计性能进行了仿真评估,并与相同结构尺寸的硅加速度计性能进行了对比。通过仿真发现,相同条件下,LTCC加速度计的灵敏度高于硅加速度计,但其负载能力要低于硅加速度计。通过计算得出该设计的LTCC加速度计灵敏度为1.464 pF/G。