摘要

LTCC技術以其特有的技術特點廣泛應用于射頻電路系統(tǒng)，本文針對LTCC工藝中關鍵工藝問題開展研究，詳細分析了影響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)化工藝參數以解決上述問題。通過大量的工藝試驗和數據測試，結果表明，新的工藝方案可有效解決這些工藝問題。

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

LTCC收縮率與其密度有直接關系，密度越大收縮率越小，密度越小收縮率越大，反應到工藝參數上來，密度與層壓壓力相對應，因此可以通過調控層壓壓力來改變LTCC產品的收縮率，使之達到設計要求，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”曲線是基于白瓷進行燒結后測量的，而實際LTCC基板由于存在金屬通孔、印刷金屬導線，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產品的收縮率與白瓷的收縮率有一定差異，需要進一步研究其規(guī)律，積累工藝數據，進行層壓壓力相應的調整。

LTCC基板燒結收縮率及翹曲度是LTCC基板的重要工藝指標之一。其不僅與燒結工藝有關，還與基板對稱性設計、電路布局、漿料選用關系密切。

1）燒結原因：燒結工藝與基板翹曲度、收縮率有直接關系，LTCC基板的燒結過程實際是一個放熱吸熱反應的過程。排膠階段（室溫至500℃左右）基板中有機物分解揮發(fā)，質量減輕；燒結階段（700℃～850℃左右）基板發(fā)生結晶和析晶反應，伴隨反應的進行，基板收縮。因此低溫階段、高溫階段的燒結時間，升溫速率與基板收縮程度、翹曲程度關系密切，需要優(yōu)化燒結曲線，通過試驗調整排膠階段升溫速率、時間，燒結階段升溫速率、時間，各階段空氣流量等重要工藝參數。

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

圖1 LTCC“層壓壓力-密度-收縮率”關系曲線

表1 帶膜工藝LTCC通孔錯位原因分析表（單位：μm) 

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

本輪試驗通過全流程跟蹤監(jiān)測，由表1數據可知，帶膜生瓷片在撕膜后會有一個應力的釋放，導致較大變形，其中主要形變方向為生瓷流延方向，表現為放大，范圍約為40μm～70μm，垂直于流延方向則表現為收縮，范圍約為10μm～20μm，是帶膜工藝通孔錯位的主要原因。

開展試驗研究，尋求實際收縮率與曲線上收縮率的誤差，以此進行調整。如下所示是開展了多批次不同層壓壓力下實際收縮率測試實驗。

如上表2所示，通過多輪的層壓試驗，實測LTCC收縮率與LTCC“層壓壓力-密度-收縮率”關系曲線上收縮率誤差約為0.2%～0.3%，依此指導實際生產。在武協(xié)LTCC制造中，工藝設計收縮率15.8%，為達到次收縮率，因為上述試驗證明實測LTCC收縮率與曲線上收縮率誤差約為0.2%～0.3%，因此要到達15.8%的收縮率，應選用16%收縮率所對應的層壓壓力，即力3000psi。實際效果表明效果較好，達到了設計收縮率。

1）燒結工藝優(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不匹配的應力。

2）布版設計優(yōu)化：對于單塊基板內部無法滿足金屬化平衡分布的情況，擬在版圖布局時進行對稱性布局，使其在整版中形成金屬化平衡分布，燒結時再進行整版燒結，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，以此可降低燒結難度，改善基板翹曲度。

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

帶膜工藝，在疊片前撕膜，生瓷片在流延是積累的應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線位置偏移。改為無膜工藝，在打孔前對生瓷片進行撕膜、自然放置老化處理，以釋放應力；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如表5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行常溫下自然晾置，其關鍵工藝參數時晾置時間，下面對該工藝參數進行試驗研究。試驗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，試驗情況如下：

表5測試數據表明，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，改進后通孔對位精度明顯提高，達到≤40μm水平，如圖5所示。