LTCC基板三大關(guān)鍵工藝問(wèn)題的優(yōu)化方案

現(xiàn)代LTCC技術(shù)是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生瓷帶，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿和精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所設(shè)計(jì)的電路版圖，并將多個(gè)元器件埋入多層陶瓷基板中，然后疊壓在一起，內(nèi)外電極可選用Ag、Cu和Au等金屬材料，在小于1000℃的溫度條件下燒結(jié)，最終制成3D的高密度集成電路，也可制成內(nèi)置無(wú)源元件的3D電路基板，也可以在其表面貼裝IC和有源器件制成無(wú)源/有源集成的功能模塊。

目前來(lái)看，LTCC技術(shù)是解決電子產(chǎn)品“90%問(wèn)題”的主流技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)電子整機(jī)或系統(tǒng)小型化、高性能化與高密度化的首選方案，被廣泛應(yīng)用于射頻電路系統(tǒng)。

但LTCC多層電路基板制造工藝流程較長(zhǎng)，工藝復(fù)雜，基板收縮率、翹曲度、層間對(duì)位精度等都是影響產(chǎn)品性能的重要因素。本文將根據(jù)上述技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)如何優(yōu)化工藝參數(shù)及解決上述問(wèn)題展開(kāi)論述分析。

三大影響因素分析

① 收縮率偏差

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(lái)，密度與層壓壓力相對(duì)應(yīng)，因此可以通過(guò)調(diào)控層壓壓力來(lái)改變LTCC產(chǎn)品的收縮率，使之達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

且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。

② 基板翹曲

● 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(guò)程實(shí)際是一個(gè)放熱吸熱反應(yīng)的過(guò)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(shí)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(guò)試驗(yàn)調(diào)整排膠階段升溫速率、時(shí)間，燒結(jié)階段升溫速率、時(shí)間，各階段空氣流量等重要工藝參數(shù)。

● 基板結(jié)構(gòu)及金屬分布問(wèn)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(shí)，其結(jié)構(gòu)難以均衡對(duì)稱(chēng)，同時(shí)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。

● 漿料選用問(wèn)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(shí)對(duì)基板翹曲度的影響尤為明顯。

③ 通孔層間對(duì)位偏差

LTCC基板層間對(duì)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(duì)位精度等眾多因素相關(guān)，是控制的難點(diǎn)，因此需要對(duì)整個(gè)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(duì)全過(guò)程進(jìn)行錯(cuò)位監(jiān)控。

帶膜工藝LTCC通孔錯(cuò)位原因分析表（單位：μm）

通過(guò)全流程跟蹤監(jiān)測(cè)，帶膜生瓷片在撕膜后會(huì)有一個(gè)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(cuò)位的主要原因。

工藝方案及試驗(yàn)結(jié)果

① 收縮率偏差控制工藝方案

為了尋求實(shí)際收縮率與曲線上收縮率的誤差，通過(guò)多輪的層壓試驗(yàn)，實(shí)測(cè)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(cè)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(duì)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 基板翹曲度控制工藝方案

● 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。

● 布版設(shè)計(jì)優(yōu)化：對(duì)于單塊基板內(nèi)部無(wú)法滿足金屬化平衡分布的情況，擬在版圖布局時(shí)進(jìn)行對(duì)稱(chēng)性布局，使其在整版中形成金屬化平衡分布，燒結(jié)時(shí)再進(jìn)行整版燒結(jié)，這樣就可以有效地改善基板平整度。

單塊LTCC的孔分布及金屬導(dǎo)線分布的不對(duì)稱(chēng)性

● 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(duì)于LTCC背面焊接層，確需選擇不同漿料時(shí)，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。

按照上述方案進(jìn)行工藝優(yōu)化后，將生產(chǎn)的LTCC基板進(jìn)行了基板外形尺寸及翹曲度測(cè)試，結(jié)果表明，通過(guò)上述改進(jìn)后，基板外形尺寸精度及翹曲度指標(biāo)完全滿足工藝要求，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。

③ 通孔層間對(duì)位偏差控制

帶膜工藝，在疊片前撕膜，生瓷片在流延時(shí)積累的應(yīng)力在撕膜時(shí)集中釋放，造成生瓷片無(wú)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(wú)膜工藝，在打孔前對(duì)生瓷片進(jìn)行撕膜、自然放置老化處理，以釋放應(yīng)力。

無(wú)膜工藝流程

通過(guò)上述分析可知，生瓷片脫膜后通過(guò)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(guò)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(duì)位偏差，因此老化效果將對(duì)后續(xù)LTCC基板層間對(duì)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(duì)老化工藝開(kāi)展研究，較好的老化的方法通常是對(duì)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(shí)晾置時(shí)間。

無(wú)膜生瓷片老化工藝實(shí)驗(yàn)（單位：mm）

試驗(yàn)方法是在脫膜后的生瓷片上沖孔，通過(guò)測(cè)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)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(wú)膜工藝?yán)匣瘯r(shí)間可設(shè)置為自然晾置不低于24h即可。無(wú)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，完全滿足工藝要求，該工藝流程下填孔層間對(duì)位偏差將得以改善。采用上述方案后，通孔對(duì)位精度明顯提高，達(dá)到≤40μm水平。

結(jié) 論

綜上可知，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(guò)積累工藝數(shù)據(jù)，進(jìn)行層壓壓力相應(yīng)的調(diào)整來(lái)解決收縮率偏差問(wèn)題。對(duì)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(duì)稱(chēng)性設(shè)計(jì)、電路布局、漿料選用關(guān)系密切；帶膜工藝較無(wú)膜工藝在通孔層間對(duì)位精度控制上難度更大，撕膜時(shí)應(yīng)力釋放是導(dǎo)致層間通孔對(duì)位偏差的主要原因，無(wú)膜工藝更適合層間對(duì)位精度要求較高的應(yīng)用。

審核編輯：湯梓紅