工藝過程中生瓷帶收縮問題研究

胡 進(jìn)，司建文，李華新

（中國電子科技集團(tuán)公司第55研究所，南京 210016）

工藝過程中生瓷帶收縮問題研究

胡 進(jìn)，司建文，李華新

（中國電子科技集團(tuán)公司第55研究所，南京 210016）

HTCC/LTCC的工藝過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)生瓷帶收縮現(xiàn)象，由此現(xiàn)象引起的系列工藝問題眾多，尤其對于多層互連結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品影響很大，而一些工藝環(huán)節(jié)會(huì)加重生瓷帶收縮現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率、收縮的程度。文章對于生瓷帶收縮現(xiàn)象的產(chǎn)生原因進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析與闡述，同時(shí)針對生瓷帶收縮問題采用生瓷帶預(yù)處理工藝，并著重對不同的預(yù)處理工藝進(jìn)行試驗(yàn)對比。不同的生瓷帶預(yù)處理工藝各有利弊，可以根據(jù)產(chǎn)品的各自特點(diǎn)綜合考慮，采用合適的工藝方法對生瓷帶收縮問題加以解決。

生瓷帶；收縮；預(yù)處理；試驗(yàn)對比

1 前言

HTCC/LTCC多層陶瓷產(chǎn)品的生瓷加工階段，生瓷帶出現(xiàn)收縮是一個(gè)比較常見的現(xiàn)象，但是由于收縮產(chǎn)生的工藝問題相當(dāng)棘手，輕則影響產(chǎn)品的一致性程度，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致填孔、印刷、疊片等工序難以進(jìn)行。這類問題在LTCC類產(chǎn)品中影響更為廣泛，我們知道微波通訊元件對LTCC內(nèi)部各通孔及圖形尺寸的要求極為苛刻，根據(jù)計(jì)算，當(dāng)制作一個(gè)10GHz的微波無源元件時(shí)，在203mm×203mm的生瓷上，通孔及圖形位置的偏差不得超過±5 μm。LTCC產(chǎn)品的工藝流程如圖1所示。

2 生瓷帶收縮原因分析

生瓷帶經(jīng)過流延成型后，瓷帶中的有機(jī)溶劑會(huì)繼續(xù)揮發(fā)，不斷揮發(fā)有機(jī)溶劑的過程也是生瓷帶不斷收縮的過程，有機(jī)溶劑劇烈揮發(fā)直接導(dǎo)致生瓷帶的快速收縮。在自然放置的情況下，揮發(fā)的速率較為緩慢，放置在合適溫度、濕度條件的通風(fēng)柜中，有機(jī)溶劑會(huì)加速從生瓷片中揮發(fā)出來。這樣放置一段時(shí)間后再把瓷帶用于生產(chǎn)。實(shí)際上用于生產(chǎn)的生瓷帶仍然處于有機(jī)溶劑的小劑量揮發(fā)狀態(tài)，收縮沒有完全停止，對于精度要求較高的產(chǎn)品很容易出現(xiàn)填孔、印刷偏移（如圖2所示）、疊片錯(cuò)位（如圖3所示）等工藝問題。但從批生產(chǎn)的角度而言，流延生瓷帶長期放置根本不現(xiàn)實(shí)，如何有效控制這樣的后期收縮關(guān)系到高精度要求的產(chǎn)品研制的成敗。

3 試驗(yàn)思路與方案

一般情況下，生瓷帶經(jīng)過流延、落料后進(jìn)行放置，當(dāng)放置時(shí)間達(dá)到要求后，使用者就可以正常取用了。但是，我們考慮在使用前引入某些預(yù)處理的手段，力求在生瓷帶的加工周期內(nèi)使收縮程度明顯減輕，甚至在加工周期內(nèi)收縮基本停止。

考慮采用的預(yù)處理手段有兩個(gè)，一是烘烤，二為預(yù)壓。經(jīng)過預(yù)處理后，在生瓷帶的四個(gè)邊角位置分別打一個(gè)標(biāo)記孔，再將生瓷帶正常放置在工作間內(nèi)，根據(jù)時(shí)間的不斷推移，使用X-Y測量儀器檢測孔與孔之間的位置關(guān)系的變化程度，以此來判斷預(yù)處理工藝對控制生瓷帶收縮的效果。

4 試驗(yàn)過程

4.1 未做預(yù)處理的生瓷帶

某批次生瓷帶（試驗(yàn)選用批次號為091003的氧化鋁黑瓷為原料，以下皆同），流延、落料后放置30天，取1#～4#四張生瓷帶，大小為203mm×203mm，用激光設(shè)備在生瓷帶的四個(gè)邊角位置分別打一個(gè)Φ 0.20 mm的標(biāo)記孔，X方向距離為170.798 mm，Y方向距離為189.057 mm，X-Y方向（對角線）距離為254.773 mm，每天監(jiān)測相關(guān)距離。其中1#生瓷帶試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1和圖4所示。

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，2#～4#生瓷帶收縮程度與1#基本一致，在此就不列表顯示了。同時(shí)，由于生瓷漿料的流延方向與X方向一致，Y方向與流延方向垂直，所以從表中可以看出Y方向的收縮程度明顯小于X方向的收縮程度，之后的試驗(yàn)也存在這樣的特點(diǎn)，所以X方向的收縮程度是我們關(guān)注的重點(diǎn)。圖4中生瓷帶X方向的收縮尺寸在10天之內(nèi)收縮了接近80 μm，如果孔徑按照200 μm加工，可以想象，填孔工藝中必然要出現(xiàn)嚴(yán)重的偏移問題，在印刷、疊片工藝中也會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重問題。

4.2 烘烤預(yù)處理的生瓷帶

某批次生瓷帶，流延、落料后放置30天，取1#～4#四張生瓷帶，大小為203mm×203mm，烘烤（烘烤條件為50℃，1h），放置24h后，用激光設(shè)備在生瓷帶的四個(gè)邊角位置分別打一個(gè)Φ0.20 mm的標(biāo)記孔，X方向距離為170.798 mm，Y方向距離為189.057 mm，X-Y方向距離為254.773 mm，每天監(jiān)測相關(guān)距離。其中1#生瓷帶試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2和圖5所示。

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，2#～4#生瓷帶收縮程度與1#基本一致，在此就不列表顯示了。圖5中生瓷帶X方向的收縮尺寸在10天之內(nèi)收縮了接近30 μm，明顯小于試驗(yàn)一的收縮量，如果孔徑按照200 μm加工，這樣的收縮量在填孔工藝中完全在誤差可接受范圍以內(nèi)，也可以滿足印刷和疊片工藝的精度要求。

4.3 預(yù)壓預(yù)處理的生瓷帶

某批次生瓷帶，流延、落料后放置30天，取1#～4#四張生瓷帶，大小為203mm×203mm，進(jìn)行預(yù)壓（預(yù)壓條件為100psi，60s），放置24h后用激光設(shè)備在生瓷帶的四個(gè)邊角位置分別打一個(gè)Φ 0.20 mm的標(biāo)記孔，X方向距離為170.798 mm，Y方向距離為189.057 mm，X-Y方向距離為254.773 mm，每天監(jiān)測相關(guān)距離。其中1#生瓷帶試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3和圖6所示。

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，2#～4#生瓷帶收縮程度與1#基本一致，在此就不列表顯示了。圖6中生瓷帶X方向的收縮尺寸在10天之內(nèi)收縮了接近30 μm，明顯小于試驗(yàn)一的收縮量，如果孔徑按照200 μm加工，這樣的收縮量在填孔工藝中完全在誤差可接受范圍以內(nèi)，也可以滿足印刷和疊片工藝的精度要求。

表3 預(yù)壓預(yù)處理1#生瓷帶試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 試驗(yàn)總結(jié)

綜合以上三次試驗(yàn)，我們能夠知道生瓷帶在流延放置一段時(shí)間后，收縮依然存在，如果時(shí)間足夠長收縮會(huì)逐漸停止。為了兼顧批量生產(chǎn)和高精度加工的需要，試驗(yàn)二、三采用的預(yù)烘烤工藝和預(yù)壓工藝都能顯著減小生瓷帶的收縮量，對解決工藝中出現(xiàn)的眾多偏移問題行之有效。

同時(shí)，對預(yù)烘烤工藝和預(yù)壓工藝進(jìn)行優(yōu)化，可以得到更加穩(wěn)定的生瓷帶。圖7是提高預(yù)烘烤溫度和時(shí)間的效果，圖8是提高預(yù)壓壓力和時(shí)間的效果。

6 結(jié)束語

采用各種有效的工藝方法，最大限度減小生瓷帶的收縮是我們追求的目標(biāo)。但是，在實(shí)施某些手段進(jìn)行收縮控制的同時(shí)，必須要注意這些工藝方法是不是會(huì)帶來一些新的工藝問題。比如說，采用預(yù)烘烤工藝，其烘烤時(shí)間、溫度、烘烤方式要控制適度，否則在控制收縮的同時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)生瓷層間難以結(jié)合、生瓷表面變脆打孔崩缺等問題；采用預(yù)壓工藝，其預(yù)壓的壓力、時(shí)間需要控制到位，否則在控制收縮的同時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)生瓷層間難以結(jié)合、收縮率變化大等問題。

另外，即使生瓷帶進(jìn)行了預(yù)處理，在工藝過程中還有很多環(huán)節(jié)會(huì)造成生瓷帶的變形，這一點(diǎn)也需要在工藝中加以關(guān)注，例如打孔、打腔等。

圍繞著生瓷帶變形控制還有大量的研究需要開展，國內(nèi)同行已經(jīng)開展了很多卓有成效的工作，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，鑒于本人學(xué)識所限，文中不當(dāng)之處在所難免，敬請大家不吝指正。

［1］田民波.電子封裝工程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

Drop Research of Constringency Problem in the Green Tape Craft Process

HU Jin, SI Jian-wen, LI Hua-xin
（China Electronic Technology Group Corporation No.55Research Institute,Nanjing210016,China）

During HTCC/LTCC craft process, shrinking of green tapes always takes place and arouses of the series craft problems. Many processes of multilayer structure products will aggravate the phenomenon of shrinking by frequency and range of constriction. The reason of the shrinking was analyzed deeply and detailed step by step in this paper, and serieses of pretreatments for green tape were put forward to deal with this shrinking problem. From the experiments data of the different pretreatments, advantages and disadventages of these pretreatments were gived in this paper and the selecting a suitable pretreatment must base on the different characters of products.

green tape; constriction; pretreatment; experiment contrast

TN305

A

1681-1070（2010）09-0034-04

2010-05-12

胡 進(jìn)（1981-），男，大學(xué)本科，中國電子科技集團(tuán)公司第55研究所工程師，主要從事外殼的設(shè)計(jì)與工藝研究工作。