LTCC基板三大關鍵工藝問題的優(yōu)化方案

現代LTCC技術是將低溫燒結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、微孔注漿和精密導體漿料印刷等工藝制出所設計的電路版圖，并將多個元器件埋入多層陶瓷基板中，然后疊壓在一起，內外電極可選用Ag、Cu和Au等金屬材料，在小于1000°C的溫度條件下燒結，最終制成3D的高密度集成電路，也可制成內置無源元件的3D電路基板，也可以在其表面貼裝IC和有源器件制成無源/有源集成的功能模塊。目前來看，LTCC技術是解決電子產品"90%問題”的主流技術，是實現電子整機或系統小型化、高性能化與高密度化的首選方案，被廣泛應用于射頻電路系統。但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。本文將根據上述技術難點，對如何優(yōu)化工藝參數及解決上述問題展開論述分析。三大影響因素分析收縮率偏差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。且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?；迓N曲?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°C左右）基板中有機物分解揮發(fā)，質量減輕；燒結階段（700C?850C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。?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。?漿料選用問題：不同銀漿、金漿與生瓷帶熱膨脹系數匹配性不同，因此大面積印刷層選用不同漿料時對基板翹曲度的影響尤為明顯。通孔層間對位偏差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。帶膜工藝LTCC通孔錯位原因分析表（單位：pm）時冋L11?L1QL13盂耀片向垂直方向盂延冇向蔬延方向垂亙古向孟延冇向垂套方向訂孔后15^.996159.^9216O.G19他伽160J014填孔千烽后1W.0OD1冊如I6D.HK1l6CL0ni4160.01116C.017I^D.0151M-02416OJ011I59.W5)60.0121^X015160.013160.016160X)1$胃股后04小時160-07816Q-W81創(chuàng)咖160,07516C.009UQ.066160J1J傭曲的變愍矍+67-24+61-9創(chuàng)一4+50-6160-082leouosa150.997160,075159J94HO,077160-W9審和?薄半巾時后159.W4160.DBI134M2160.065通扎家毒10h后160.0B416a.0E-B159.W3-16O.DE61逼如216OW16005；+2一1545_A+112+10-4通過全流程跟蹤監(jiān)測，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40ym?70ym，垂直于流延方向則表現為收縮，范圍約為10ym?20ym，是帶膜工藝通孔錯位的主要原因。工藝方案及試驗結果收縮率偏差控制工藝方案為了尋求實際收縮率與曲線上收縮率的誤差，通過多輪的層壓試驗，實測LTCC收縮率與LTCC"層壓壓力一密度一收縮率”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?；迓N曲度控制工藝方案?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。?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，這樣就可以有效地改善基板平整度。?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基板進行了基板外形尺寸及翹曲度測試，結果表明，通過上述改進后，基板外形尺寸精度及翹曲度指標完全滿足工藝要求，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。通孔層間對位偏差控制帶膜工藝，在疊片前撕膜，生瓷片在流延時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。

4.無膜工藝流程通過上述分析可知，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。無膜生瓷片老化工藝實驗（單位：mm）間距放置時向、L1L2L3L4160.006160.012159.985160.0075h159.993159.998160.002159.99510h159.989159.993160.012159.99015h159.983159.990160.016159.98320h159.978159.986160.022159.98024h159.972159.982160.027159.97230h159.970159.983160.026159.975凈化間溫度為：24匚濕度：46%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，因此無膜工藝老化時間可設置為自然晾置不低于24h即可。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+15ym左右，完全滿足工藝要求，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，通孔對位精度明顯提高，達到<40^m水平。5.結論綜上可知，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