LTCC基板關(guān)鍵工藝問題解決方案

摘要：TCC技術(shù)以其特有的技術(shù)特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于射頻電路系統(tǒng)，針對LTCC工藝中關(guān)鍵工藝問題開展研究，詳細(xì)分析了影響LTCC基板收縮率、翹曲度和層間對位偏差的工藝因素，并闡述了如何優(yōu)化工藝參數(shù)以解決上述問題。通過大量的工藝試驗(yàn)和數(shù)據(jù)測試，結(jié)果表明，新的工藝方案可有效解決這些工藝問題。

LTCC技術(shù)是誕生于上世紀(jì)80年代的多層電路技術(shù)，其首先采用生瓷粉料通過流延形成生瓷帶，然后在各層生瓷帶進(jìn)行沖孔、通孔金屬漿料填充、電路圖形印刷、電阻印刷，最后將各層生瓷片對位疊層、壓合后在850℃～900℃的溫度下燒結(jié)為一體，形成多層陶瓷電路。LTCC以其低介電常數(shù)，多層任意布線等技術(shù)優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于高密度及高頻電子產(chǎn)品，是高密度封裝的有效技術(shù)手段。

LTCC多層電路基板制造工藝流程較長，工藝復(fù)雜，基板收縮率、翹曲度、層間對位精度等都是影響產(chǎn)品性能的重要因素，目前這些都是LTCC基板制造工藝中控制的難點(diǎn)，需要不斷進(jìn)行研究，改進(jìn)優(yōu)化LTCC制造工藝。

1，影響因素分析

      1.1 收縮率偏差原因分析

      LTCC收縮率與其密度有直接關(guān)系，密度越大收縮率越小，密度越小收縮率越大，反應(yīng)到工藝參數(shù)上來，密度與層壓壓力相對應(yīng)，因此可以通過調(diào)控層壓壓力來改變LTCC產(chǎn)品的收縮率，使之達(dá)到設(shè)計(jì)要求，如下圖1所示是LTCC材料廠商提供的本批次材料“層壓壓力-密度-收縮率”關(guān)系曲線。

但是上述廠家給出的“等靜壓壓力-收縮率”曲線是基于白瓷進(jìn)行燒結(jié)后測量的，而實(shí)際LTCC基板由于存在金屬通孔、印刷金屬導(dǎo)線，這些金屬的收縮率不同于白瓷收縮率，因此相同層壓壓力下LTCC產(chǎn)品的收縮率與白瓷的收縮率有一定差異，需要進(jìn)一步研究其規(guī)律，積累工藝數(shù)據(jù)，進(jìn)行層壓壓力相應(yīng)的調(diào)整。

1.2 基板翹曲原因分析

LTCC基板燒結(jié)收縮率及翹曲度是LTCC基板的重要工藝指標(biāo)之一。其不僅與燒結(jié)工藝有關(guān)，還與基板對稱性設(shè)計(jì)、電路布局、漿料選用關(guān)系密切。

1）燒結(jié)原因：燒結(jié)工藝與基板翹曲度、收縮率有直接關(guān)系，LTCC基板的燒結(jié)過程實(shí)際是一個放熱吸熱反應(yīng)的過程。排膠階段（室溫至500℃左右）基板中有機(jī)物分解揮發(fā)，質(zhì)量減輕；燒結(jié)階段（700℃～850℃左右）基板發(fā)生結(jié)晶和析晶反應(yīng)，伴隨反應(yīng)的進(jìn)行，基板收縮。因此低溫階段、高溫階段的燒結(jié)時間，升溫速率與基板收縮程度、翹曲程度關(guān)系密切，需要優(yōu)化燒結(jié)曲線，通過試驗(yàn)調(diào)整排膠階段升溫速率、時間，燒結(jié)階段升溫速率、時間，各階段空氣流量等重要工藝參數(shù)。

2）基板結(jié)構(gòu)及金屬分布問題：LTCC基板的結(jié)構(gòu)也是決定LTCC基板燒結(jié)翹曲度的關(guān)鍵因素，當(dāng)LTCC基板上存在多種規(guī)格的空腔結(jié)構(gòu)時，其結(jié)構(gòu)難以均衡對稱，同時由于LTCC基板上含有大量通孔及密集金屬導(dǎo)線，這些都難以均勻分布，這樣就容易導(dǎo)致其翹曲度超差。

                            圖1 LTCC“層壓壓力-密度-收縮率”關(guān)系曲線

                                            表1 帶膜工藝LTCC通孔錯位原因分析表（單位：μm)

                                                                                表2 層壓壓力與收縮率關(guān)系試驗(yàn) 

        3）漿料選用問題：不同銀漿、金漿與生瓷帶熱膨脹系數(shù)匹配性不同，因此大面積印刷層選用不同漿料時對基板翹曲度的影響尤為明顯。

1.3 通孔層間對位偏差原因分析

LTCC基板層間對位偏差與打孔精度、生瓷片自身收縮情況、各層印刷導(dǎo)體情況，疊層對位精度等眾多因素相關(guān)，是控制的難點(diǎn)，因此需要對整個工藝流程進(jìn)行監(jiān)控，找出主要影響因素，進(jìn)行優(yōu)化控制。按照帶膜工藝流程進(jìn)行LTCC制造，對全過程進(jìn)行錯位監(jiān)控，具體如表1所示：

本輪試驗(yàn)通過全流程跟蹤監(jiān)測，由表1數(shù)據(jù)可知，帶膜生瓷片在撕膜后會有一個應(yīng)力的釋放，導(dǎo)致較大變形，其中主要形變方向?yàn)樯闪餮臃较?，表現(xiàn)為放大，范圍約為40μm～70μm，垂直于流延方向則表現(xiàn)為收縮，范圍約為10μm～20μm，是帶膜工藝通孔錯位的主要原因。

二，工藝方案及試驗(yàn)結(jié)果

      2.1 收縮率偏差控制工藝方案

      開展試驗(yàn)研究，尋求實(shí)際收縮率與曲線上收縮率的誤差，以此進(jìn)行調(diào)整。如下所示是開展了多批次不同層壓壓力下實(shí)際收縮率測試實(shí)驗(yàn)。

如上表2所示，通過多輪的層壓試驗(yàn)，實(shí)測LTCC收縮率與LTCC“層壓壓力-密度-收縮率”關(guān)系曲線上收縮率誤差約為0.2%～0.3%，依此指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。在武協(xié)LTCC制造中，工藝設(shè)計(jì)收縮率15.8%，為達(dá)到次收縮率，因?yàn)樯鲜鲈囼?yàn)證明實(shí)測LTCC收縮率與曲線上收縮率誤差約為0.2%～0.3%，因此要到達(dá)15.8%的收縮率，應(yīng)選用16%收縮率所對應(yīng)的層壓壓力，即力3000psi。實(shí)際效果表明效果較好，達(dá)到了設(shè)計(jì)收縮率。

2.2 基板翹曲度控制工藝方案

1）燒結(jié)工藝優(yōu)化：降低排膠階段升溫速率，優(yōu)化各階段氣流量，緩解不同材料熱膨脹系數(shù)不匹配的應(yīng)力。

2）布版設(shè)計(jì)優(yōu)化：對于單塊基板內(nèi)部無法滿足金屬化平衡分布的情況，擬在版圖布局時進(jìn)行對稱性布局，使其在整版中形成金屬化平衡分布，燒結(jié)時再進(jìn)行整版燒結(jié)，這樣就可以有效的改善基板平整度。

3）漿料選用優(yōu)化：在混合漿料體系中，大面積底層盡量選用同種材質(zhì)的漿料，對于LTCC背面焊接層，確需選擇不同漿料時，可盡量選擇后燒型漿料，以此可降低燒結(jié)難度，改善基板翹曲度。

                                         表5 無膜工藝LTCC生瓷形變統(tǒng)計(jì)表（單位：μm)

                                             圖2 單塊LTCC的孔分布及金屬導(dǎo)線分布的不對稱性

                               圖3 布版設(shè)計(jì)后整版LTCC的孔分布及金屬導(dǎo)線分布的對稱性

按照上述方案進(jìn)行工藝優(yōu)化后，將生產(chǎn)的LTCC基板在廣州五所賽寶試驗(yàn)室進(jìn)行了基板外形尺寸及翹曲度測試，測試表明，通過上述改進(jìn)，基板外形尺寸精度及翹曲度指標(biāo)完全滿足過藝要求，改進(jìn)效果明顯，基板本身及空腔底面平整度均達(dá)到了較好效果，基板均達(dá)到小于2‰的翹曲度。

2.3 通孔層間對位偏差控制

帶膜工藝，在疊片前撕膜，生瓷片在流延是積累的應(yīng)力在撕膜時集中釋放，造成生瓷片無規(guī)律性變形，引起生瓷片上通孔及導(dǎo)線位置偏移。改為無膜工藝，在打孔前對生瓷片進(jìn)行撕膜、自然放置老化處理，以釋放應(yīng)力；更改后工藝流程如下圖4所示，該此工藝流程瓷片疊片前形變?nèi)绫?所示。

通過上述分析可知，生瓷片脫膜后通過老化工序，加速生瓷片老化釋放壓力，減小生瓷片在其后加工過程中的形變量，然后再進(jìn)行生瓷片加工，從而有效地改善了LTCC基板層間對位偏差，因此老化效果將對后續(xù)LTCC基板層間對位偏差有重要影響，老化不充分，脫膜生瓷片在后續(xù)加工中仍將有較大形變，為此需要對老化工藝開展研究，較好的老化的方法通常是對生瓷片脫膜后進(jìn)行常溫下自然晾置，其關(guān)鍵工藝參數(shù)時晾置時間，下面對該工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)方法是在脫膜后的生瓷片上沖孔，通過測量X、Y方向通孔間距以判斷生瓷片是否老化充分了，試驗(yàn)情況如下：

                            表4 無膜生瓷片老化工藝試驗(yàn)（單位：mm)

上述試驗(yàn)表明生瓷片脫膜后自然晾置24h后老化充分，后續(xù)生瓷片形變量不大，因此無膜工藝?yán)匣瘯r間可設(shè)置為自然晾置不低于24h即可。

表5測試數(shù)據(jù)表明，無膜工藝流程下打孔后至疊片前，打孔、填孔、印刷、漿料干燥等工序操作造成的生瓷片形變約在+15μm左右，完全滿足過藝要求，該工藝流程下填孔層間對位偏差將得以改善。

采用上述方案后，改進(jìn)后通孔對位精度明顯提高，達(dá)到≤40μm水平，表5所示。

結(jié)語：從上述試驗(yàn)可知，實(shí)際LTCC基板由于存在金屬通孔、印刷金屬導(dǎo)線，這些金屬的收縮率不同于白瓷收縮率，因此相同層壓壓力下LTCC產(chǎn)品的收縮率與白瓷的收縮率有一定差異，可通過積累工藝數(shù)據(jù)，進(jìn)行層壓壓力相應(yīng)的調(diào)整來解決收縮率偏差問題。對于LTCC基板燒結(jié)收縮率，其不僅與燒結(jié)工藝有關(guān)，還與基板對稱性設(shè)計(jì)、電路布局、漿料選用關(guān)系密切；帶膜工藝較無膜工藝在通孔層間對位精度控制上難度更大，撕膜時應(yīng)力釋放是導(dǎo)致層間通孔對位偏差的主要原因，無膜工藝更適合層間對位精度要求較高的應(yīng)用。更多LTCC基板相關(guān)問題咨詢金瑞欣特種電路。

內(nèi)容來源：先進(jìn)陶瓷材料