LTCC專用燒結(jié)爐的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

顏秀文 ，張建國 ，鄧斌 ，袁云華 ，潘喜成 ，楊毓彬

(1.中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙410111；2.空軍駐湖南地區(qū)軍代室，湖南長沙 410001)

低溫共燒陶瓷 (Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)技術(shù)是20世紀(jì)80年代中期美國休斯公司首先推出的集互聯(lián)、無源元件和封裝于一體的多層陶瓷基板制造技術(shù)。它是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉制成厚度精確生瓷帶薄層，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、導(dǎo)體漿料精密印刷等工藝制造出所需要的電路圖形，然后將多層生瓷帶對準(zhǔn)、疊壓，在900℃以下燒結(jié)制成無源/有源集成的功能模塊[1-3]。該技術(shù)具有集成密度高、頻率響應(yīng)高、傳輸速度快等特點，正逐漸取代傳統(tǒng)的PCB基板，已成為無源集成的主流和新元件產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟增長點，在軍事電子器件領(lǐng)域中有著舉足輕重的作用[4-6]。本文首先分析了LTCC基板燒結(jié)存在的問題，然后介紹了國內(nèi)外LTCC專用燒結(jié)設(shè)備研究成果與現(xiàn)狀，最后對LTCC基板燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用進行了展望。

1 LTCC基板燒結(jié)的問題

圖1 LTCC基板制造流程

如圖1所示，LTCC基板生產(chǎn)的基本步驟包括：生瓷帶→成型→激光打孔→填充→絲網(wǎng)印刷→印刷質(zhì)量檢測→疊層→層壓→燒結(jié)→后處理→LTCC電路檢測。燒結(jié)作為最關(guān)鍵的工序，燒結(jié)設(shè)備的先進與否對LTCC產(chǎn)品的合格率有著決定性的影響。因此，LTCC專用燒結(jié)設(shè)備是LTCC基板生產(chǎn)工藝流程中最核心的設(shè)備之一。

LTCC基板燒結(jié)指經(jīng)層壓、熱切后LTCC生瓷片模塊在800～1000℃溫度范圍內(nèi)的排膠、燒結(jié)等熱處理工藝過程。LTCC基板燒結(jié)存在的問題主要體現(xiàn)在基板與布線共燒時各層的收縮率難以控制。這也是LTCC基板技術(shù)大規(guī)模推廣的重要挑戰(zhàn)[5，6]。

LTCC燒結(jié)的收縮率問題歸結(jié)到底是基板與布線共燒時的收縮率及熱膨脹系數(shù)匹配問題[7]。如圖2所示，LTCC基板在共燒時基板與漿料的燒結(jié)特性不匹配將會導(dǎo)致5種燒結(jié)失效現(xiàn)象：①垂直開裂，②內(nèi)部分層，③翹曲變形，④表面起泡，⑤環(huán)形脫層。垂直開裂失效在垂直方向是分層的，在邊緣往基板中心方向存在裂縫，原因是層壓后的LTCC生瓷帶模塊在中心位置的密度比邊緣高，易導(dǎo)致燒結(jié)應(yīng)力集中在模塊的邊緣而導(dǎo)致開裂。內(nèi)部分層失效在內(nèi)部互聯(lián)的金屬布線層和LTCC陶瓷基板之間存在分層，原因是LTCC陶瓷基板與金屬印刷漿料的燒結(jié)收縮率不一致，兩者匹配性差。當(dāng)有幾十層一起燒結(jié)時，金屬漿料成分、生瓷帶厚度等因素不匹配時也可導(dǎo)致內(nèi)部分層失效。翹曲變形失效表現(xiàn)為燒結(jié)后LTCC基板翹曲或者邊緣存在臺階，原因是LTCC陶瓷基板與金屬漿料在燒結(jié)過程中熱膨脹吸收差異過大所致。表面起泡失效指在LTCC基板表面有微隆起，原因是LTCC基板燒結(jié)過程排膠不充分或者層壓后LTCC生瓷模塊沾染了污染物。環(huán)形脫層失效在LTCC基板的中心和邊緣存在明顯的脫層區(qū)，原因是作為互連導(dǎo)體的金屬印刷漿料主要集中在LTCC基板的中央，因基板中央與四周的應(yīng)力不均勻而產(chǎn)生環(huán)形脫層現(xiàn)象。

圖2 LTCC基板燒結(jié)過程的5種失效現(xiàn)象

可見，要克服LTCC燒結(jié)過程的收縮率問題，要從三方面著手解決：(1)整體設(shè)計要合理，包括生瓷片厚度、金屬化圖形設(shè)計、金屬化圖形厚度等參數(shù)要合理選取。(2)材料選取要恰當(dāng)，(3)燒結(jié)工藝與設(shè)備要過關(guān)。設(shè)置LTCC燒結(jié)工藝曲線要充分考慮到LTCC生瓷帶、金屬印刷漿料的熔點溫度、燒結(jié)收縮率、致密化速率等因素，合理設(shè)置燒結(jié)工藝曲線。同時，LTCC燒結(jié)設(shè)備的溫度穩(wěn)定性、均勻性要好，排膠更充分。

2 對流間歇升降式LTCC燒結(jié)爐

對流間歇升降式LTCC燒結(jié)爐具有工藝控制簡單靈活、兼容性強、燒結(jié)一致性好等特點，目前較廣泛應(yīng)用于LTCC基板燒結(jié)。美國SierraTherm、美國Wisconsin等公司都有該型設(shè)備產(chǎn)品。其中美國SierraTherm的8500系列設(shè)備[8]最為典型。國內(nèi)對流間歇升降式LTCC專用燒結(jié)設(shè)備較晚開發(fā)，2007年中國電子科技集團公司第四十八研究所開發(fā)的SJL-200型LTCC專用燒結(jié)爐填補了國內(nèi)在該領(lǐng)域的空白。見表1。

表1 國內(nèi)外對流間歇升降式LTCC燒結(jié)設(shè)備主要參數(shù)

對流間歇升降式LTCC燒結(jié)爐主要由爐體加熱系統(tǒng)、氣氛系統(tǒng)、升降裝載系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)四部分組成。爐體加熱系統(tǒng)選用WATLOW一體化陶瓷纖維加熱器為加熱元件。爐體設(shè)計成正方形，位于爐子前側(cè)上部。保溫爐襯全部采用多層輕質(zhì)陶瓷纖維絕熱板，可根據(jù)熱場均勻性需要設(shè)計成獨立控制的多個加熱分區(qū)。每個加熱分區(qū)由前后左右四面的4個發(fā)熱元件供熱。陶瓷纖維絕熱板暴露于爐膛的表面涂覆了耐高溫的玻璃涂敷材料，保持爐膛內(nèi)部的工藝環(huán)境清潔要求。氣氛系統(tǒng)主要為爐膛提供穩(wěn)定的工藝氣體。氣氛系統(tǒng)設(shè)計包括進氣、噴射器和排氣出口設(shè)計。各熱區(qū)氣源流量可由質(zhì)量流量計（流量控制閥）進行單獨控制，各自自動調(diào)整增壓噴射器提供的氣體流量。抽排氣裝置利用一個空氣動力文丘里增壓器工作，增壓器由從主氣源引出的壓縮空氣開動。排氣流量由調(diào)節(jié)比例閥位來控制。廢氣流的流速由可測量爐內(nèi)廢氣壓力與大氣壓間壓差的壓力表來監(jiān)控。爐膛內(nèi)也可引入壓縮空氣用于輔助冷卻。升降機裝載系統(tǒng)位于爐膛底部，可通過手動模式或自動模式操作。升降平臺由變頻調(diào)速器調(diào)速的交流電機驅(qū)動來實現(xiàn)升降平臺的上下移動。電氣及計算機控制系統(tǒng)采用PC+PLC控制方案。主控溫采用串級PID溫度控制，氣體預(yù)熱則采用固態(tài)繼電器通斷式控制，通過計算機自動控制完成工藝的裝載→加熱排膠→升溫→恒溫→冷卻降溫→出爐全過程。電氣控制系統(tǒng)以PLC為核心，實現(xiàn)升降機升降、溫度、壓力、工藝氣體等控制。上位機采用工業(yè)級觸摸平板PC與PLC進行實時通信，提供人機界面操作平臺。

3 網(wǎng)帶式LTCC氣氛燒結(jié)爐

網(wǎng)帶式LTCC氣氛燒結(jié)爐具有快速燒結(jié)、易于自動連線的特點，適合熱處理周期短、產(chǎn)品批量高、單種LTCC基板產(chǎn)品的快速燒結(jié)。目前，網(wǎng)帶式LTCC氣氛燒結(jié)爐也在LTCC基板行業(yè)開始應(yīng)用。美國BTU、美國MRL、日本NGK等已有商業(yè)化產(chǎn)品。見表2。

網(wǎng)帶式LTCC氣氛燒結(jié)爐主要由爐體、傳送網(wǎng)帶、保護氣體和電氣控制系統(tǒng)四部分組成[11]。爐體設(shè)計成正方形，爐體內(nèi)襯采用高效輕質(zhì)陶瓷纖維絕熱材料，降低設(shè)備能耗水平。加熱元件分布于隧道上下兩面，根據(jù)爐溫、工藝氣體等的不同要求，可選用合金電阻絲加熱或碳化硅加熱。如圖3所示上下兩面加熱的優(yōu)點在于沿傳送帶的y方向熱場均勻性更好，有利于緩解邊沿滯阻效益引起的中心溫度高，左右兩邊溫度低的問題。

表2 國外網(wǎng)帶式LTCC氣氛燒結(jié)設(shè)備主要參數(shù)

圖3 網(wǎng)帶式LTCC燒結(jié)爐剖面結(jié)構(gòu)示意圖

整個加熱區(qū)可根據(jù)工藝要求設(shè)計成多段。在加熱區(qū)域內(nèi)，通過分隔氣簾保證區(qū)域內(nèi)的溫度場、速度場和氣流場相對穩(wěn)定，既不影響前后段，也不受前后段的影響。隨著溫度的升高，在快速升溫區(qū)域會出現(xiàn)溫度波動，同時通道內(nèi)的壓力也隨著溫度的升高而不斷變化，通過壓力控制裝置可平衡溫度快速變化帶來的氣氛、壓力的影響，確保燒結(jié)工藝的一致性。傳送網(wǎng)帶常采用高溫不銹鋼制作。

4 零收縮率LTCC燒結(jié)爐

隨著LTCC基板制造技術(shù)向低成本方向發(fā)展，一方面互連材料由Au、Ag、Pt等稀貴金屬向Cu、Ni等賤金屬方向發(fā)展。另一方面要求更好地控制住LTCC基板燒結(jié)的收縮率，以提高成品率。因此LTCC燒結(jié)爐的發(fā)展趨勢是：燒結(jié)氣氛從空氣氣氛燒結(jié)向保護性氣氛或還原性氣氛發(fā)展；盡可能增大爐膛有效空間，滿足大批量生產(chǎn)需要；在z軸方向加壓燒結(jié)，實現(xiàn)x、y方向零收縮。

零收縮LTCC燒結(jié)是一種壓力輔助燒結(jié)技術(shù)，指通過強制加壓的方式對常規(guī)三維收縮LTCC生瓷塊進行共燒，限制其在x、y平面方向上的收縮率，從而實現(xiàn)LTCC模塊在平面近似零收縮或無收縮的一種燒結(jié)方法[12]。通過這種新技術(shù)可使LTCC基板的x、y平面方向收縮率控制在0.05 %±0.02%范圍內(nèi)。

圖4 ATV公司的零收縮率LTCC燒結(jié)爐

目前，德國ATV公司在零收縮燒結(jié)設(shè)備方面處于領(lǐng)先地位，已推出零收縮LTCC燒結(jié)爐產(chǎn)品（圖4）[13]。德國Heraeus公司和美國Ragan Technologies ZST公司在零收縮材料開發(fā)方面處于領(lǐng)先地位，已開發(fā)出自約束零收縮LTCC生瓷材料，實現(xiàn)不需要犧牲層的LTCC零收縮工藝。這種LTCC生瓷材料配套銀漿可完全兼容目前LTCC工藝，實現(xiàn)在x、y方向的收縮率小于0.2%，收縮變化量小于0.014%[14]。該技術(shù)的缺點在于：設(shè)備投資大；難實現(xiàn)大批量生產(chǎn)；燒結(jié)后基板表面的微粗糙度較大，需去除表面的非收縮層，增加了工序。

5 結(jié) 論

LTCC燒結(jié)設(shè)備是LTCC基板制造的關(guān)鍵設(shè)備之一。對LTCC燒結(jié)設(shè)備而言，對流間歇式、網(wǎng)帶式和零收縮燒結(jié)（壓力輔助燒結(jié)）設(shè)備已開始批量用于LTCC基板制造。其中，零收縮LTCC燒結(jié)技術(shù)實現(xiàn)了LTCC生瓷模塊在z軸方向的近似零收縮，代表了LTCC基板燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展方向。

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