大尺寸LTCC基板高釬透率焊接工藝研究

引言

低溫共燒多層陶瓷（Low Temperature Co-fifired Ceramic, LTCC）技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的實(shí)現(xiàn)高密度多層基板互連的新興技術(shù)。LTCC基板具有布線密度高、信號(hào)傳輸速度快、高頻特性優(yōu)良、印制精度高、可多層互連、可內(nèi)埋無(wú)源元件、可一次燒結(jié)成型、適應(yīng)批量生產(chǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)。隨著國(guó)內(nèi)外LTCC生料帶和漿料的發(fā)展，目前各種材料體系的LTCC基板已在微波通訊、航空航天和軍事電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

在微波組件LTCC基板應(yīng)用過(guò)程中，基板與封裝殼體的釬透率是影響LTCC基板性能發(fā)揮的重要因素。通過(guò)前期對(duì)LTCC基板制備工藝的研究，LTCC基板已可獲得較好的成型質(zhì)量，尤其是基板平整度。

對(duì)于常規(guī)尺寸和對(duì)稱分布腔體結(jié)構(gòu)的LTCC基板，在保證基板整體平整度的前提下，通過(guò)焊接面可焊性改善和焊料流淌控制方法的運(yùn)用，采用氮?dú)獗Ｗo(hù)回流焊接工藝即可獲得較好的基板釬透率，部分焊接工藝釬透率可達(dá)90%左右。但是隨著T/R組件結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展，大尺寸、多腔體LTCC基板的應(yīng)用日益廣泛，尺寸普遍在80 mm × 60 mm以上。

對(duì)大尺寸LTCC基板平面度的控制越來(lái)越難，影響LTCC基板釬透率的因素也越來(lái)越多，常規(guī)的氮?dú)獗Ｗo(hù)焊接工藝已無(wú)法滿足大尺寸LTCC基板的焊接釬透率和成品率要求?；宓撞靠斩磿?huì)對(duì)局部接地性能造成不良影響，同時(shí)新型微波組件對(duì)接地性能敏感性的加劇也對(duì)LTCC釬透率提出了更高的要求。所有這些變化都對(duì)LTCC基板的應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)。

本文以大尺寸、多腔體LTCC基板為研究對(duì)象，系統(tǒng)研究了影響大尺寸、多腔體LTCC基板釬透率的影響因素，并提出了改進(jìn)LTCC基板釬透率的焊接工藝，使LTCC基板釬透率和一次焊接成品率均得到顯著提升，保證了大尺寸、多腔體LTCC基板在微波組件中的批量應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)方法

用100 mm × 80 mm的LTCC基板和Sn63Pb37焊料進(jìn)行焊接。首先采用回流焊工藝在基板背面預(yù)先印刷Sn63Pb37焊膏并進(jìn)行回流焊接，實(shí)現(xiàn)基板背面預(yù)上錫；然后進(jìn)行清洗，去除殘留助焊劑，在LTCC基板與封裝殼體之間放置厚度為0.05 mm的Sn63Pb37焊片并刷涂少量低殘留助焊劑；最后，通過(guò)焊接工裝固定，采用真空回流焊接設(shè)備進(jìn)行回流焊接，焊后采用 X 射線觀察焊縫釬透率。

結(jié)果分析

基板背面預(yù)上錫效果對(duì)釬透率的影響

LTCC基板背面一般燒結(jié)AuPtPd焊盤(pán)，與封裝殼體焊接實(shí)現(xiàn)大面積接地。在LTCC基板燒結(jié)過(guò)程中，若燒結(jié)氣氛保護(hù)不當(dāng)，則會(huì)發(fā)生焊盤(pán)氧化現(xiàn)象，影響基板背面焊盤(pán)的可焊性，使LTCC基板預(yù)上錫效果變差，基板背面錫鉛焊料出現(xiàn)搪錫不均勻現(xiàn)象，如圖1所示。背部高低不平的LTCC基板與封裝殼體裝配后，基板與殼體貼合不到位，在高溫和壓力作用下，焊錫偏薄的位置會(huì)產(chǎn)生大面積空洞，焊料堆積位置會(huì)有焊料大量溢出，導(dǎo)致后期LTCC基板與封裝殼體焊接釬透率不滿足要求。

為了驗(yàn)證LTCC基板預(yù)上錫對(duì)大面積焊接釬透率的影響，采用相同尺寸、基板背面預(yù)上錫效果良好和上錫效果較差2種狀態(tài)的LTCC基板進(jìn)行回流焊接實(shí)驗(yàn)。在氮?dú)獗Ｗo(hù)回流焊接工藝（無(wú)真空回流過(guò)程）的條件下，2種基板回流焊后釬透率均較差，預(yù)上錫效果良好的LTCC基板釬透率相對(duì)較高，但仍無(wú)法滿足組件焊接和電性能需求，如圖2所示。其主要原因是助焊劑在基板底部殘留，同時(shí)基板中部腔體底部不平整，焊料鋪展不均勻，易在此處形成大面積空洞。

因此，LTCC基板預(yù)上錫效果只是影響基板釬透率的因素之一，在常規(guī)工藝條件下預(yù)上錫良好的大尺寸LTCC基板也無(wú)法獲得理想的焊接成品率，造成大量的返工返修工作。

基板平面度對(duì)釬透率的影響

LTCC基板內(nèi)部金屬大面積層數(shù)多且在基板內(nèi)分布不均勻，由于金屬漿料與生料帶燒結(jié)匹配性較差，因此大尺寸、多腔體LTCC基板燒結(jié)后存在一定的變形，尤其是基板局部腔體處，形成背面凹陷，LTCC基板與封裝殼體裝配時(shí)形成四周貼合、中部空隙的狀態(tài)。

采用2種平面度狀態(tài)的LTCC基板進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示：平面度小于0.1 mm（100 mm × 100 mm范圍內(nèi)）的LTCC基板焊透率良好，焊接空洞分布比較均勻，無(wú)大面積空洞產(chǎn)生，總體釬透率達(dá)到80%左右；平面度大于0.1 mm的LTCC基板釬透率差，基板中部形成大面積空洞，尤其是在基板腔體下部，在環(huán)境試驗(yàn)應(yīng)力作用下極易造成腔體開(kāi)裂。這是因?yàn)榛灞趁嫫矫娑冗_(dá)到0.1 mm以上時(shí)，基板背面與殼體裝配時(shí)無(wú)法有效貼合，由于回流焊接高溫時(shí)間長(zhǎng)，受毛細(xì)作用影響，在焊接過(guò)程中基板背面焊料逐漸向四周流淌，造成LTCC基板背面中心部位與殼體間焊料不足，出現(xiàn)大面積空洞（如圖3所示），整體焊透率差。

通過(guò)優(yōu)化LTCC基板燒結(jié)工藝，改善LTCC基板平面度，將平面度控制在0.1 mm以內(nèi)，可以有效改善LTCC基板的釬透率，但氮?dú)獗Ｗo(hù)焊接整體釬透率仍僅有80%左右，且成品率波動(dòng)較大，需要通過(guò)返修工作來(lái)保證組件的焊接質(zhì)量。

回流焊接工藝對(duì)釬透率的影響

常規(guī)氮?dú)獗Ｗo(hù)回流焊接工藝無(wú)法有效解決大尺寸LTCC基板釬透率問(wèn)題。本文采用真空回流焊接工藝進(jìn)行LTCC基板與封裝殼體的焊接。影響LTCC基板釬透率的因素包括高溫回流時(shí)間、真空作用時(shí)間和工裝壓力等，通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)考察其對(duì)基板釬透率的影響。

高溫回流時(shí)間

實(shí)驗(yàn)采用多溫區(qū)回流焊接爐進(jìn)行焊接，為保證LTCC基板及其他連接器均一次焊接良好，需對(duì)焊接溫度曲線進(jìn)行優(yōu)化，盡量保證封裝殼體各個(gè)部位焊接溫度高于183 ℃的高溫維持時(shí)間均大于60 s。由于封裝殼體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此封裝殼體各個(gè)部位的溫度峰值和高溫回流時(shí)間均有一定差異。

結(jié)果顯示，當(dāng)焊接過(guò)程中183 ℃以上高溫回流時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，由于大尺寸LTCC基板不可避免地存在一定的變形，在長(zhǎng)時(shí)間高溫作用下焊錫逐漸向四周流淌，在基板中部形成局部空洞。一般情況下高溫回流時(shí)間在60~90 s之間最佳，隨著高溫回流時(shí)間的逐漸增長(zhǎng)，基板底部會(huì)有空洞出現(xiàn)。

真空作用時(shí)間

采用相同預(yù)上錫效果和平整度的LTCC基板開(kāi)展回流焊接實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，在無(wú)真空作用狀態(tài)下，基板底部助焊劑和氣泡無(wú)法排出，基板底面存在較多的空洞。進(jìn)行真空焊接時(shí)，真空的作用可將助焊劑和氣泡逐步抽出，使基板底部焊料均勻填充。同時(shí)焊片的加入降低了基板平面度和預(yù)上錫效果的影響。平面度不超過(guò)0.2 mm的基板釬透率可達(dá)到95%左右，相比常規(guī)氮?dú)饣亓骱附拥拟F透率和成品率皆有顯著提升。

回流焊接過(guò)程中的真空作用一般處于焊料高溫熔融階段，分為抽真空階段、真空保持階段和壓力恢復(fù)階段，其中真空保持階段對(duì)基板底部的氣泡排出起關(guān)鍵作用。在實(shí)際焊接過(guò)程中應(yīng)合理分配3個(gè)階段的時(shí)間。當(dāng)抽真空和壓力恢復(fù)階段的時(shí)間過(guò)短時(shí)，基板和焊料表面壓力變化過(guò)快，會(huì)導(dǎo)致焊料飛濺；當(dāng)抽真空和壓力恢復(fù)階段的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，雖然仍能保持高的基板釬透率，但在長(zhǎng)時(shí)間高溫作用下會(huì)導(dǎo)致焊錫流淌。各個(gè)階段的時(shí)間至少在10 s左右時(shí)，既可保證基板底面焊料的充分填充，又可保證基板表面元件焊點(diǎn)的良好成形。

基板承受壓力

LTCC基板與殼體焊接時(shí)，需對(duì)基板施加一定的壓力，以保證回流焊接過(guò)程中LTCC基板裝配位置精度。若未對(duì)LTCC基板施加壓力，靠基板自重與殼體配合，雖然在真空作用下LTCC基板與殼體之間的空洞氣體被抽出，基板與殼體可以依靠焊料的粘合作用實(shí)現(xiàn)連接，但仍會(huì)出現(xiàn)部分基板因底部貼合縫隙過(guò)大而形成大面積空洞，甚至局部翹起。

當(dāng)通過(guò)工裝對(duì)基板施加一定的彈性壓力時(shí)，在真空作用下LTCC基板與殼體之間的氣泡被逐漸排出，在壓力作用下基板與殼體有效貼合，焊料在基板與殼體之間均勻鋪展，基板底部幾乎無(wú)孔洞產(chǎn)生，釬透率最高達(dá)到98%左右，如圖4所示。

但是當(dāng)LTCC基板受力較大時(shí)，基板底部焊料在壓力作用下溢出，造成焊料在基板邊緣堆積，對(duì)殼體內(nèi)部鍍層和基板表面焊盤(pán)造成不良影響。因此，對(duì)LTCC基板表面施加的壓力需要根據(jù)基板結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。在壓力適當(dāng)?shù)那闆r下，LTCC基板的焊透率和溢錫現(xiàn)象均得到顯著改善，一次成品率接近100%，避免了返工。

LTCC 基板高釬透率焊接工藝

上述實(shí)驗(yàn)表明真空回流焊接是改善大尺寸LTCC基板釬透率的有效途徑。真空作用降低了焊接工藝對(duì)LTCC基板平面度、預(yù)上錫質(zhì)量的要求，在相同狀態(tài)下，真空回流焊接的釬透率和成品率明顯高于氮?dú)獗Ｗo(hù)焊接的釬透率和成品率。在真空焊接工藝中，真空回流時(shí)間直接決定熔融焊料中的氣體能否被有效排出，對(duì)LTCC基板釬透率至關(guān)重要。

在真空回流時(shí)間合適的情況下，LTCC基板釬透率基本可達(dá)到95%以上，其余參數(shù)的小范圍波動(dòng)對(duì)LTCC基板釬透率的影響不明顯，因此，真空回流時(shí)間是影響大尺寸LTCC基板釬透率的關(guān)鍵因素。LTCC基板的平面度和預(yù)上錫效果對(duì)真空回流焊接釬透率有一定影響。

在真空回流焊接過(guò)程中，這2個(gè)因素存在波動(dòng)時(shí)，LTCC基板釬透率也可基本滿足不低于 90%的要求。當(dāng)基板平面度和預(yù)上錫效果出現(xiàn)明顯變化時(shí)，基板底部焊料的流淌會(huì)受到影響，造成部分組件基板底部出現(xiàn)空洞，使焊接成品率下降。

高溫回流時(shí)間和基板承受的壓力對(duì)LTCC基板的釬透率影響較小。在保證焊料充分熔融的情況下，回流時(shí)間和基板所受壓力僅對(duì)焊料流淌范圍有影響，會(huì)造成部分基板底面溢錫，需通過(guò)返工消除對(duì)下道工序的影響。

因此，在真空回流焊接工藝中對(duì)LTCC基板釬透率影響最大的是真空回流時(shí)間，其次是LTCC基板平面度和預(yù)上錫質(zhì)量，最后是高溫回流時(shí)間和基板所受壓力。

優(yōu)化真空回流焊接工藝，控制合適的真空回流時(shí)間，可保證LTCC基板底部氣體被有效排出；焊片的加入可增加LTCC基板背面焊錫的厚度，降低LTCC基板變形和預(yù)上錫效果對(duì)配合間隙的影響；控制高溫回流焊接時(shí)間和基板彈性壓力，可有效抑制焊料流淌。

通過(guò)以上綜合措施，大尺寸、多腔體LTCC基板釬透率基本可達(dá)到95%以上，最高可達(dá)98%左右，基板與殼體間焊料均勻鋪展，避免了焊接空洞的形成和基板四周的焊料溢出，顯著減少了返工返修工作。

結(jié)束語(yǔ)

真空回流焊接是解決大尺寸、多腔體LTCC基板釬透率的有效途徑，通過(guò)設(shè)置合適的真空回流焊接工藝參數(shù)并加強(qiáng)對(duì)LTCC基板制備質(zhì)量的控制，既保證焊料充分熔合填充又有效控制焊料流淌，使基板釬透率和一次成品率均顯著提高，突破了對(duì)大尺寸、多腔體LTCC基板應(yīng)用條件的限制，成品率滿足工程化應(yīng)用需求，推動(dòng)了LTCC基板應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)展。

審核編輯：湯梓紅