無可替代的封裝技術LTCC——工藝及設備篇

首先，LTCC工藝對瓷料性能的要求主要有：第一，加入適當有機材料后可流延成均勻、光滑、有一定強度的生帶；第二，能在900℃以下燒結(jié)成具有致密、無氣孔顯微結(jié)構(gòu)的材料；第三，致密化溫度不能太低，以免阻止生帶中有機物的排出。

（圖片來源：中電科四十三所）

LTCC工藝流程大致步驟為：粉料制備—漿料配制—流延—切片—通孔成型—通孔填充—印刷—疊層—層壓—排膠—燒結(jié)—檢測。其詳細工藝流程圖如下：

（來源：5G濾波器天線等通信設備無源器件）

微晶玻璃粉體制備

1、工藝

通常制備微晶玻璃的方法有高溫熔融法、燒結(jié)法和化學法等。

熔融法是最傳統(tǒng)的制備微晶玻璃的方法。將混合均勻的原料在高溫下熔成液態(tài)，澄清均化后成型，經(jīng)退火后在一定的溫度下進行核化和晶化，以獲得晶粒細小均勻的微晶玻璃。用這種方法制備的LTCC粉體介電性能穩(wěn)定，但燒結(jié)溫度偏高，制備成本相對較高。

燒結(jié)法是用傳統(tǒng)的陶瓷工藝來實現(xiàn)玻璃晶化過程的方法。將玻璃熔體水淬得到玻璃碎片，再將磨細后的玻璃粉末成型，熱處理使得玻璃析晶。和一般的工藝相比，燒結(jié)法的玻璃熔制溫度較低，熔化時間較短，其采用的陶瓷工藝成型方法，可用于干壓成型，也可用于注漿或流延成型，適于制備形狀復雜的制品，尺寸也能控制得較為精確，更具實用性。

溶膠-凝膠法是將原料分散在溶劑中，加入穩(wěn)定劑等，再混合反應形成溶膠，將溶膠烘干制得干凝膠，然后預燒形成玻璃體，通過研磨制得可在較低溫度下燒結(jié)的玻璃陶瓷粉末。用此等化學法制得的LTCC粉體材料具有表面活性高，燒結(jié)溫度低，收縮率較大，均勻性高，可達納米級甚至分子級的優(yōu)點，但其效率低，成本高。

2、主要設備

球磨機、燒結(jié)爐。

漿料制備、流延

1、漿料制備

在流延漿料的制備過程中，經(jīng)常加入一些功能性的有機物添加劑，如分散劑、粘結(jié)劑、增塑劑、消泡劑和成膜助劑等，產(chǎn)生一些特殊的漿料性質(zhì)或理想的干帶性質(zhì)。有機添加劑是所有中間產(chǎn)品的添加物，是影響中間產(chǎn)品性能好壞的重要因素，但是，由于它們必須在最終燒結(jié)時完全排除，因此希望每一種添加劑的用量都能夠最小。將陶瓷粉料和有機添加劑以及溶劑一起經(jīng)過球磨混合后，再經(jīng)過過濾、真空攪拌除泡后即成為供流延的漿料。

2、流延

漿料通過脫泡、消泡等，再將漿料通過流延成型制成生瓷帶。對生瓷帶的要求是：致密、厚度均勻和具有一定的機械強度。

3、主要設備

流延機。主要由載體膜、流延口、漿料分注器、干燥區(qū)和生帶卷帶裝置組成。輸送帶把塑料膜承載的生帶從滾軸運送到流延頭，在流延口處，陶瓷漿料被分注到載體膜上，漿料分注機把漿料定量喂入流延口以便穩(wěn)定持續(xù)地流延成生帶，通過干燥區(qū)將流延陶瓷漿料中的溶劑蒸發(fā)形成干生帶，干燥一般采用紅外加熱或者熱空氣。生帶收集裝置將干燥后的生帶卷帶收集，流延后的生帶厚度一般為10μm～1mm。

主要生產(chǎn)廠家有：中國電科二所、西安鑫乙電子、橫山Y(jié)okoyama、KEKOE、武漢坤元流延科技、東方泰陽科技、德龍科技、肇慶華鑫隆、韓國PNT等。

切片

1、工藝

將卷帶生瓷帶按照一定的尺寸進行裁切，裁切的尺寸要比所需要的尺寸略大，以便滿足后面的加工。

2、主要設備

切片機。國內(nèi)早期的LTCC工藝線上，切片機不是必需的設備，切片主要由操作工手工完成，或者直接買來對應尺寸生瓷片。近幾年，切片機不斷成為各條生產(chǎn)線不可或缺的設備，主要原因為：產(chǎn)能的不斷擴大；全自動沖孔機要求生瓷片的一致性越來越高；配套流延設備的用戶越來越多。切片工藝需要注意的幾點：送料過程中除靜電；切片后的生瓷片邊緣碎屑的清理。

打孔

1、工藝

沖孔是LTCC生產(chǎn)線上最關鍵的工藝，對應設備沖孔機也是最重要的設備。目前有兩種沖孔方式，機械沖孔和激光沖孔。雖然機械沖孔相對激光沖孔速度慢，但由于機械沖孔后孔的形狀好并且更適應后道填孔印刷工序，所以機械沖孔是各用戶主要采用的沖孔方式。

機械沖孔和激光沖孔

表：兩種沖孔方式對比

2、主要設備

打孔機。主要設備廠商有中國電科二所、日本UHT、HaikuTech、意大利Bacin、韓國PNT、KEKOE、美國PTC、上海住榮等。

激光設備。主要設備廠商有LPKF、Coherent（相干）激光、德中激光、中電45所、光道激光、首鐳激光、德龍激光、Rofin等。

印刷

1、工藝

導帶印刷的方法有厚膜絲網(wǎng)印刷，計算機直接描繪法和厚膜網(wǎng)印后蝕刻法。印刷要求導體漿料與生帶有良好的附著力和兼容性，疊層時具有彈性和熱塑性，且粘結(jié)質(zhì)不再發(fā)生不必要的扭曲變形。

絲網(wǎng)是印刷的基礎。選擇適當?shù)慕z網(wǎng)是一個不可缺少的環(huán)節(jié)。由于絲網(wǎng)印刷的適用范圍非常廣泛，所以與之有關的因素也就是多方面的。在選用絲網(wǎng)時，就要根據(jù)具體情況以及印刷要求，來選用不同的絲網(wǎng)，通常在選用絲網(wǎng)時可以從以下不同的角度去考慮：

1）根據(jù)承印物的種類選用絲網(wǎng)；

2）根據(jù)油墨性質(zhì)選用絲網(wǎng)，不同油墨有不同的適應特性；

3）根據(jù)絲網(wǎng)材質(zhì)和性能選用絲網(wǎng)，選用時要考慮絲網(wǎng)本身的材質(zhì)和物理性能，根據(jù)不同的性能選擇相應的絲網(wǎng)；

4）根據(jù)印刷要標選用絲網(wǎng)，選用時要考慮印刷速度，印刷壓力，印版的耐印力，承印物吸收能力。

尼龍絲網(wǎng)是由化學合成纖維制作而成，屬于聚酰胺系。尼龍絲網(wǎng)具有很高的強度，耐磨性、耐化學藥品性、耐水性、彈性都比較好，由于絲徑均勻，表面光滑，故漿料的通過性也極好。其不足是尼龍絲網(wǎng)的拉伸性較大。這種絲網(wǎng)在繃網(wǎng)后的一段時間內(nèi)，張力有所降低，使絲網(wǎng)印版松弛，精度下降。因此，不適宜印制尺寸精度要求很高的線路板等。

不銹鋼絲網(wǎng)是由不銹鋼材料制作而成。不銹鋼絲網(wǎng)的特點是耐磨性好、強度高，技伸性??；由于絲徑精細，漿料的通過性能穩(wěn)定，尺寸精度穩(wěn)定。其不足是彈性小，價格較貴，絲網(wǎng)伸張后，不能恢復原狀。不銹鋼絲網(wǎng)適于高精細的印刷。

2、主要設備

印刷機。主要設備廠商有中電二所、中電45所、KEKO、微格能、上海網(wǎng)誼、上海煊廷、Microtec、建宇網(wǎng)印、BACCNINI、newlong等。

通孔填充

金屬漿料通孔填充的方法有絲網(wǎng)印刷，掩模印刷和通孔注漿。其中，通孔注漿的效果最好，但由于需要專門的設備，成本高，比較難以應用；絲網(wǎng)印刷是最簡單的方法，但印刷質(zhì)量較差；掩模印刷是目前最常用的方法，成品率較高。

疊片

1、工藝

將已印刷電路圖形的生瓷片按預先設計的層數(shù)和次序，依次放入緊密疊片模具中，模具上設計有與生瓷片對位孔一致的對位柱，保證對位精度。

2、主要設備

疊片機。主要設備廠商有KEKOE、日本日機裝、北京東方泰陽、Micro-tec等。

等靜壓

1、工藝

為使疊層后的生瓷體在排膠燒結(jié)時不起泡分層，對生瓷體進行熱壓。采用等靜壓工藝，在一定的溫度和壓力下，使它們緊密粘接，形成一個完整的多層基板坯體。等靜壓可使層壓壓力均勻分布到生瓷體上，確保基板燒結(jié)收縮一致。

2、主要設備

等靜壓機。主要設備廠商有KEKO、日新、武漢坤元流延、上海思恩裝備等。

切割

1、工藝

將較大面積的生瓷基板，按照各元件、模塊的切割邊界進行切割分離，便于進行燒結(jié)。

2、主要設備

切割機。主要設備廠商有中電二所、Microtec、KEKO、日本UTH、日本三星MDI、太平洋科技、ACCRETECH、Dastech等。

排膠共燒

1、工藝

共燒的技術要點是控制燒結(jié)收縮率和基板的總體變化，控制兩種材料的燒結(jié)收縮性能以免產(chǎn)生微觀和宏觀的缺陷，以及實現(xiàn)導體材料的抗氧化作用和在燒結(jié)過程中去除粘結(jié)劑，即排膠，排膠燒結(jié)關系到瓷體中氣體多少、顆粒之間的結(jié)合程度以及基板的機械強度的高低。

200-500℃之間的區(qū)域被稱為有機排膠區(qū)（建議在此區(qū)域疊層保溫最少60min）。然后在5-15min將疊層共燒至峰值溫度（通常為850℃）。氣氛燒成金屬化的典型排膠和燒成曲線會用上2-10h。燒成的部件準備好后燒工藝，如在頂面上印刷導體和精密電阻器，然后在空氣中燒成。如果Cu用于金屬化，燒結(jié)必須在N2鏈式爐中進行。

2、主要設備

排膠燒結(jié)設備。主要設備廠商有合肥恒力、合肥費舍羅、合肥高歌、合肥真萍電子、喜而諾盛、泰絡電子、臺技工業(yè)設備、Nabertherm等；

釬焊

將表面清洗好的工件以搭接形式裝配在一起，把釬料放在接頭間隙附近或接頭間隙之間。加熱使釬料熔化，液態(tài)釬料與工件金屬相互擴散溶解，冷凝后即形成釬焊接頭。

檢驗測試

1、工藝

對燒結(jié)好的低溫共燒陶瓷多層基板進行檢測，以驗證多層布線的連接性，這些檢測包括外觀、尺寸、強度、電性能等方面。主要使用探針測試儀進行檢測，如有需要對電路進行激光調(diào)阻。

（飛針測試：進行電氣特性判定）

（X光檢測：檢測LTCC基板內(nèi)部電層的不可見缺陷）

2、主要設備

外觀檢測設備。主要設備廠商有東莞西尼、臺達、賽昌隆、中圖儀器、易泛特、星河泰視特、三姆光電、康克思、長沙視浪、成都思壯等。

網(wǎng)絡分析儀。主要設備廠商有德科技、羅德與施瓦茨、極致匯儀、思儀、安立、廣州科欣、成都天大儀器、賽昌隆等。

結(jié)束語

無論在軍用還是民用方面，LTCC技術正在以飛快的速度應用在許多領域，在未來幾年中將需要大量的LTCC生產(chǎn)線來滿足日益增長的產(chǎn)量要求，LTCC工藝也將不斷改進以適應無源模塊高密度集成和小型化的需求，同時工藝的變化也在促進設備的日新月異。未來將會出現(xiàn)更先進的工藝、更先進的設備來滿足市場。

審核編輯 ：李倩