LTCC陶瓷基板疊層后背印效果

在布線層數(shù)較多的低溫共燒陶瓷基板中，通常會存在單層瓷片的雙面均需要印刷的情況。為了解決這種雙面大面積印刷帶來的變形、對位偏移、開裂等問題，采用層壓后再二次印刷背面金屬層的方法，研究了二次印刷、二次等靜壓工藝對成型后瓷體和金屬層的影響，通過膜層厚度、收縮率、翹曲度、膜層附著力、可焊性等指標對此工藝進行了評價。結(jié)果顯示，改進后的二次印刷成型工藝能有效提高此類具有單層雙面布圖的低溫共燒陶瓷基板的成品率，制備的成品電路基板具有優(yōu)異的可裝配性和可靠性。

低溫共燒陶瓷(LTCC)基板作為陶瓷封裝基板的一種，具有優(yōu)良的電學、熱學、機械和加工性能，可以滿足低頻、數(shù)字、射頻和微波器件多芯片組裝的技術(shù)要求，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品中。

相對于其他類型的互聯(lián)電路基板，LTCC基板最大的特點是基板布線層數(shù)多、布線設(shè)計自由度高，可在不增加工藝流程的前提下實現(xiàn)任意層的直接互聯(lián)。為充分利用LTCC基板這種高布線密度的特點，現(xiàn)有的LTCC電路設(shè)計中常會出現(xiàn)單層介質(zhì)正反兩面均需要印刷電路圖形的情況。

由于常用的LTCC生瓷片單層厚度僅為127 μm左右，且生瓷片由玻璃、陶瓷粉體與有機載體混合而成，其自身強度較低。在進行雙面印刷后，一方面印刷導(dǎo)體漿料會部分滲透進入瓷體，造成瓷體強度進一步降低，從而導(dǎo)致瓷片開裂、破損等問題.

另一方面，雙面印刷后的烘干工藝中，印刷區(qū)域和空白瓷區(qū)域會由于材料物性差異導(dǎo)致出現(xiàn)瓷片變形的情況，進而導(dǎo)致燒結(jié)時出現(xiàn)翹曲、收縮不一致等更嚴重的問題。特別是在微波射頻電路基板中，由于存在大面積接地印刷層和大面積焊接印刷層，印刷漿料的量更大，這種由雙面印刷帶來的缺陷更明顯。

這些缺陷將嚴重影響LTCC基板的可靠性，尤其是在LTCC基板使用過程中，由于應(yīng)力分配不均、熱膨脹系數(shù)失配等因素將造成微裂紋擴展、焊盤脫落等更嚴重的故障，為LTCC的應(yīng)用帶來了極大的挑戰(zhàn)。

一，工藝設(shè)計及實驗方法

       1.1 材料選擇

試驗選用的LTCC材料體系為常用的Ferro A6M,內(nèi)層印刷選用FX30-025型導(dǎo)體漿料，背面二次印刷的焊接漿料選用CN36-020型導(dǎo)體漿料。

試驗樣品設(shè)計單片電路尺寸為25 mm×35 mm, 介質(zhì)層數(shù)12層，厚度1.15 mm。在布線設(shè)計上，最后一層生瓷片(第12層)的正面使用FX30-025型導(dǎo)體漿料印刷大面積網(wǎng)格地，背面Bottom層用CN36-020型導(dǎo)體漿料印刷大面積的焊接層。

1.2 工藝設(shè)計

在常規(guī)的LTCC工藝中，先完成每層生瓷片的所有單層工藝(包括沖孔、填孔、絲印),然后將這些層堆疊起來，再經(jīng)過等靜壓即可獲得生坯料，最后通過排膠和燒結(jié)獲得成品的LTCC熟瓷基板。常規(guī)LTCC工藝流程圖如圖1所示。本文改進的工藝方案中，單層工藝中只印刷最后一層生瓷片正面的圖形，在等靜壓之后再進行最后一層生瓷背面(Bottom層)大面積的印刷，然后進行二次等靜壓、燒結(jié)獲得成品基板，工藝流程圖2所示。

                                                                                    圖1 常規(guī)工藝流程設(shè)計圖 

分別使用常規(guī)工藝和改進工藝各制備一版LTCC基板進行對比，其中常規(guī)工藝(圖1)記為工藝方法A,此方法第12層生瓷片正面印刷和背面印刷連續(xù)進行，如圖1中虛線框所示；而改進的二次印刷工藝記為工藝方法B(圖2),此方法第12層生瓷片先印刷正面，疊層等靜壓之后再進行背面印刷。

由于改進的工藝中需要對基板生坯進行兩次等靜壓，而后印刷以及等靜壓工藝會直接影響到基板燒成后的膜層厚度、成膜形貌、收縮、膜層可焊性等[11,12,13,14]。因此，本文重點研究兩種工藝對基板成型后膜層的影響。

                                                                              圖2 LTCC二次印刷工藝流程設(shè)計圖

1.3 分析方法

使用ZEISS sigma型掃描電鏡對生瓷片表面微觀形貌進行了觀察；對燒成后的熟瓷樣品剖切制樣，使用掃描電鏡對金屬膜層厚度進行測量；采用XP-1型臺階儀對燒結(jié)后基板的翹曲度進行表征，對比了兩種工藝對基板翹曲的影響；采用E43-104型電子萬能試驗機對膜層附著力進行測量；采用CT-52G型錫爐對可焊性進行定性測量。

結(jié)果分析

2.1 二次印刷對膜層形貌及厚度的影響

采用兩種工藝方法制備的LTCC樣品背面大面積焊接金屬層的顯微圖片如圖3所示，其中圖3a為工藝方法A獲得的樣品表面顯微圖片，圖3b為工藝方法B的樣品表面顯微圖片。對比發(fā)現(xiàn)改進后的再印刷方法獲得的樣品表面孔隙率與常規(guī)方法的表面孔隙率無明顯差異，其形貌均為多孔結(jié)構(gòu)，這些孔隙是由于導(dǎo)體漿料中有機成分燒除后所形成的。

                                                                            圖3 背面大面積焊接層的表面顯微圖片對比

2.1 二次印刷對膜層形貌及厚度的影響

采用兩種工藝方法制備的LTCC樣品背面大面積焊接金屬層的顯微圖片如圖3所示，其中圖3a為工藝方法A獲得的樣品表面顯微圖片，圖3b為工藝方法B的樣品表面顯微圖片。對比發(fā)現(xiàn)改進后的再印刷方法獲得的樣品表面孔隙率與常規(guī)方法的表面孔隙率無明顯差異，其形貌均為多孔結(jié)構(gòu)，這些孔隙是由于導(dǎo)體漿料中有機成分燒除后所形成的。

為了進一步對比表面膜層情況，采用剖切的方法獲得了背面大面積焊接金屬層的剖面顯微圖片，如圖4所示，其中圖4a為工藝方法A樣品剖面顯微圖片 ,圖4b為工藝方法B樣品剖面顯微圖片。

通過對比發(fā)現(xiàn)，采用兩種工藝方法獲得的大面積層的剖切面形貌無明顯差異，且燒成厚度測量值均大于指標要求的15 μm, 能滿足焊接使用要求。兩種樣品的膜厚差異約為1 μm。由于兩種方法在印刷工序中使用了同樣的網(wǎng)版和印刷參數(shù)，僅在背面的導(dǎo)體層印刷順序上及等靜壓上有差別，結(jié)果表明這種工藝差別不會對膜層的形貌及厚度等特征產(chǎn)生影響，采用二次印刷方法可以獲得與常規(guī)工藝特征相同的膜層。

                                                                                圖4 背面大面積焊接層的剖面顯微圖片對比

2.2 二次印刷對基板收縮率的影響

LTCC基板的收縮主要受到介質(zhì)中玻璃/陶瓷粉料特性以及生片特性的影響。而加工工藝中對基板收縮影響較大的工序包括等靜壓、燒結(jié)。如圖1、圖2所示，兩種工藝中的等靜壓工藝存在差異。

為了研究工藝變化對收縮率的影響，分別采用工藝方法A和B各制備3件樣品，編號1JHJ～6JHJ,對比了水平方向(X\\Y)和厚度方向(Z)的收縮率。其中工藝方法A采用常規(guī)等靜壓工藝參數(shù)：壓力3 000 PSI,溫度70 ℃,保壓15 min; 工藝方法B中一次等靜壓壓力1 000 PSI,溫度70 ℃,保壓8 min; 工藝方法B中二次等靜壓壓力3 000 PSI,溫度70 ℃,保壓12 min。兩種工藝方法收縮率對比見表1。

從表1中可以看出常規(guī)工藝方法A獲得樣品的水平方向收縮率均值分別為15.62%(X方向)、15.58%(Y方向),而工藝方法B收縮率X方向15.47%、Y方向15.53%,差異在0.2%以內(nèi)；同時，兩種工藝得到的厚度方向的收縮率分別為25.92%(方法A)、26.07%(方法B),其差值同樣在0.2%范圍以內(nèi)。

這種差異與LTCC原材料本身帶來的收縮率差異范圍相當。兩種工藝下LTCC基板的收縮率偏差一致性滿足X/Y方向：15.5±0.3%,Z方向：26.0±0.3%的指標要求。

因此，兩種工藝獲得的基板收縮率基本一致，二次印刷工藝不會對收縮產(chǎn)生影響。

       表1 兩種工藝方法收縮率對比情況

2.3 二次印刷對翹曲度的影響

為了研究二次印刷工藝對基板共燒結(jié)匹配性的影響，對比了兩種工藝方法制備的基板的翹曲度，如圖5所示，其中圖5a為工藝方法A樣品翹曲度曲線 ,圖5b為工藝方法B樣品翹曲度曲線。對比曲線可以看出兩種樣品的翹曲度絕對值均小于30 μm, 翹曲度值<1.5 μm/mm(0.15%),兩種基板的翹曲度無明顯差異，均滿足常規(guī)LTCC基板的翹曲度≤0.3%的指標要求。此結(jié)果表明二次印刷并不會影響金屬導(dǎo)體與瓷體的共燒匹配性。

2.4 二次印刷對膜層附著力的影響

在LTCC基板共燒時，導(dǎo)體層與介質(zhì)陶瓷間的膜層附著是由于陶瓷中的玻璃成分滲透進導(dǎo)體形成機械錨固。通常為了提高這種錨固力，在導(dǎo)體中同步加入陶瓷粉料，以達到更好的錨固作用。為了檢驗二次印刷后的膜層附著強度，參考IPC-TM-650 2.4.21.1c標準進行試驗，在LTCC生坯背面同步印刷了面積2.43 mm2的焊盤進行拉脫測試，測試結(jié)果如下表2所示。

從圖中可以看出兩種樣品的拉脫強度均大于15 MPa, 遠高于裝配要求的4.6 MPa, 滿足基板附著力性能指標要求。結(jié)果表明再印刷工藝獲得的膜層與常規(guī)工藝的附著強度相當，此工藝不影響金屬膜層與瓷體之間的滲透與相互錨固，膜層可靠穩(wěn)定。

表2 兩種工藝方法膜層附著力值

2.5 二次印刷對可焊性的影響

基板背面大面積的金屬層膜層一般用于裝配焊接，膜層的可焊性對裝配質(zhì)量的好壞至關(guān)重要，而影響膜層可焊性的因素包括膜層表面活性、表面吸濕性、污染物、玻璃相占比等。因此，為了研究再印刷對膜層的影響，參考GJB548B-2005中方法2003,對兩種工藝方法獲得的樣品進行了可焊性浸焊測試對比，焊料溫度245±5 ℃。

圖6為兩種樣品背面大面積焊接層的焊接潤濕性對比，其中圖6a為方法A樣品的可焊性測試圖片，圖6b為方法B樣品的可焊性測試圖片。從圖中可以看出圖6a潤濕性良好僅有少數(shù)針孔，這些潤濕針孔未見AuPtPd印刷層露出，可能是由焊料中的雜質(zhì)或污染造成；圖6b可以看到基板潤濕性極好，僅有少量的潤濕針孔，且上錫厚度較厚。

因此，兩種樣品的潤濕面積滿足GJB548B對可焊性潤濕性面積大于95%的要求，可見再印刷工藝未對基板可焊性產(chǎn)生影響，能滿足后續(xù)裝配工藝的需求。

                                                                            圖6 背面大面積焊接層的可焊性測試圖片

2.6 二次印刷對成品率的影響

為了進一步對比二次印刷與原有工藝在成品率上的區(qū)別，采用兩種工藝各制備兩個生產(chǎn)批次的樣品，單批次為10版，拼版數(shù)量為6塊/版。兩種工藝的缺陷情況對比情況見表3。

表3 兩種工藝缺陷情況對比

從表3中可以看出，此類雙面印刷采用工藝方法A出現(xiàn)的不可修復(fù)的缺陷主要包括印刷圖形邊緣整體開裂以及腔體拐角的延伸開裂，其缺陷比例高達5%;而工藝方法B只印刷單面然后壓合，此時已形成具有較高強度的生坯，因此未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

此外，工藝方法A出現(xiàn)的可修復(fù)缺陷主要包括印刷外溢，工藝方法B等靜壓后生坯平整性相比方法A要好，因此未出現(xiàn)外溢情況。第四種缺陷是由生瓷變形造成的對位偏移，此類缺陷在工藝方法A中出現(xiàn)比例極高。

圖7所示為兩種方法的疊層孔位剖面圖，其中圖7a為工藝方法A中出現(xiàn)的對位偏移情況，從圖中可以看出，導(dǎo)通孔從上往下剖切后，頂層孔已無法看到填孔漿料，表面頂層的通孔與下層出現(xiàn)了嚴重偏差，該偏移一般在20～40 μm, 當偏移達到150 μm以上時將出現(xiàn)斷路造成基板報廢。

圖7b為正常對位情況，從圖中可以看到剖面孔位完整，表明疊層對位效果較好。這種缺陷主要是因為雙面印刷需要提前去掉背膜，從而造成生瓷出現(xiàn)自由伸縮，同時由于雙面印刷的金屬漿料的含量過高，其滲透進瓷片后同樣會造成瓷片的伸縮變形。出現(xiàn)第四種缺陷后需要采用手工對位的方式來進行疊片，此時多層互聯(lián)導(dǎo)通孔會出現(xiàn)明顯的對位偏移，當偏移距離超過孔徑時就會出現(xiàn)斷路；即使偏移未超過孔徑，這種局部搭接也是不可靠的連接，在使用中容易出現(xiàn)故障。

從上述兩種工藝方法的缺陷對比可以看出，采用疊壓后再二次印刷的方法，能有效避免常規(guī)工藝方法中出現(xiàn)的開裂、外溢和對位偏移問題，顯著提升了此類雙面布圖LTCC基板的成品率。

結(jié)論

通過低溫共燒陶瓷生坯二次印刷工藝，可以有效杜絕雙面印刷帶來的瓷片開裂、斷路等問題，顯著提高了此類帶有單層雙面布圖LTCC基板的成品率，且不會影響金屬層的成膜質(zhì)量和膜層形貌。

同時，在改進后的二次印刷成型工藝中，基板需要進行二次印刷和等靜壓，本文通過試驗對改進前后兩種基板的翹曲度、膜層附著力、可焊性等指標進行了對比，結(jié)果表明改進后的二次印刷和等靜壓工藝不會對基板收縮率、翹曲度和膜層附著力產(chǎn)生影響。

同時制備的成品電路基板具有優(yōu)異的可焊性，其整體可裝配性和可靠性均滿足LTCC基板的應(yīng)用需求。金瑞欣特種電路可以加工LTCC陶瓷基板，品質(zhì)可靠，值得信賴！

內(nèi)容來源：

[1] 今中佳彥.多層低溫共燒陶瓷技術(shù)[M].詹欣祥，等譯.北京：科學出版社，2010.

[2] 周德儉.電子制造中的電氣互聯(lián)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3] LITUNOV S N,YURKOV V Y.Research of paste transition to substrate in LTCC-technology[J].Journal of Physics:Conference Series,2018,944(1):012075.

[4] 郝鵬飛，景灝.LTCC印刷工藝研究[J].山西電子技術(shù)，2020(3):82-84.

[5] JASINSKA L,MALECHA K,SZOSTAK K,etal.Impact of process parameters on printing resolution and dielectric properties of LTCC substrate[J].Microelectronics International 2019,36(3):114-119.  

[6] 卓良明.LTCC基板缺陷分析及改善對策[J].電子元件與材料，2019,38(6):107-110.

[7] 徐美娟，馮曉晶，賈旭洲，等.LTCC基板鉑鈀金膜層鉛錫焊接可靠性分析[J].電子工藝技術(shù)，2021,42(5):289-291,298.   

[8] KO M,LYOO S,CHOI Y,et al.Effect of crystallization on Adhesion Strength of External Electrode in LTCC.MRS Online Proceedings Library Archive,2006,968(1):11.

[9] 寇凌霄.低溫共燒陶瓷(LTCC)燒結(jié)收縮率的控制[J].微處理機，2017,38(5):32-34;

[10] 賈耀平.LTCC基板關(guān)鍵工藝問題解決方案.中國科技信息，2019,(15):84-86.

[11] KHOONG L E,TAN Y M,LAM Y C.Overview on fabrication of three-dimensional structures in multi-layer ceramic substrate[J].Journal of the European Ceramic Society.2010,30(10):1973-1987. 

[12] HORVATH E,HENA P G.Mechanical characterization of glass-ceramics substrate with embedded microstructure[J].Journal of Materials Science:Materials in Electronics,2012,23,(12):2123-2129. 

[13] QIAN S,LIV F,MA M,etal.Mechanical strength enhancement of low temperature co-fired multilayer ceramic substrates by introducing residual stress[J].Ceramics International.2019,45(8):10982-10990.

[14] 陳寧.LTCC絲網(wǎng)印刷細微線條技術(shù)研究.電子工藝技術(shù)，2019,40(2):89-93.

[15] 張孔.LTCC高精度共燒電阻的制備工藝研究.電子工藝技術(shù)，2017,38(2):84-88. 

[16] 崔魯婧，張兆華.基于LTCC厚薄膜混合基板的Ka波段T/R組件封裝技術(shù)[J].現(xiàn)代雷達，2017,39(9):86-89. 

[17] 張婷.基于LTCC的微波多芯片組件立體組裝工藝技術(shù)[J].空間電子技術(shù)，2015,12(4):75-79.