平面零收縮LTCC基板制作工藝研究

何中偉，高 鵬

（北方通用電子集團(tuán)有限公司微電子部，江蘇 蘇州 215163）

1 引言

LTCC（低溫共燒陶瓷）基板制造工藝的一大難點(diǎn)是由于常規(guī)LTCC生瓷材料經(jīng)共燒后平面尺寸的收縮量不但會(huì)超過(guò)10%[1]、而且尺寸收縮的不均勻度一般又至少要達(dá)到±0.3%～±0.4%[2]，從而造成同一產(chǎn)品的同批各塊基板及不同批次基板在相同位置上的電路圖形（互連通孔、導(dǎo)電帶等）很難準(zhǔn)確、精確地控制，使制作超高密度MCM-C（陶瓷多芯片組件）、MCM-C/D（厚薄膜混合型多芯片組件）及精密微波傳輸線異常困難。

所謂平面零收縮LTCC基板制作工藝技術(shù)，是指使LTCC生瓷基板（生瓷塊）在燒結(jié)過(guò)程中僅厚度發(fā)生改變而平面方向（X向、Y向）的尺寸不改變或只發(fā)生微小變化，特別是能使生瓷基板燒結(jié)時(shí)在平面方向的收縮不均勻度成量級(jí)地降低。

例如，以15 cm×15 cm或20 cm×20 cm的LTCC生瓷片流片生產(chǎn)LTCC多層基板但疊壓熱切后即使最大只按7.6 cm×7.6 cm面積進(jìn)行共燒時(shí)，在目前常規(guī)LTCC生瓷材料的平面尺寸燒結(jié)收縮率不均勻度為±0.3%～±0.4%的情況下，基板四角區(qū)上電路圖形的位置不準(zhǔn)確度就將達(dá)到（3×1000×1.414÷2）×（±0.3%～±0.4%）mil＝±6.363mil～±8.484mil＝±0.161 mm～±0.215 mm?？梢钥闯?，對(duì)于要制作出高密度MCM-C、MCM-C/D所需的燒后LTCC上線寬/間距為0.1 mm甚至50 μm的準(zhǔn)確位置細(xì)密線條以及互連LTCC的頂層與薄膜多層的通孔應(yīng)具有±20 μm的位置準(zhǔn)確度，如此大的圖形位置誤差是不可接受的。若將LTCC生瓷材料經(jīng)共燒后平面尺寸的收縮率控制在（0～1%）±（0.03%～0.04%），即將平面尺寸燒結(jié)收縮率不均勻度減小到±0.03%～±0.04%時(shí)，則7.6 cm×7.6 cm燒結(jié)LTCC基板上電路圖形位置的最大不準(zhǔn)確度就只有（±0.161 mm～±0.215 mm）÷10＝±16.1 μm～±21.5 μm，可以較好地滿足制作高密度MCM-C和MCM-C/D、微波MCM-C/D產(chǎn)品的需要。

研究和應(yīng)用新型材料以及平面零收縮LTCC多層互連基板加工工藝，是當(dāng)前提高LTCC工藝技術(shù)水平、滿足高精度高性能MCM（多芯片組件）研制要求的主要途徑之一。本文在介紹常見(jiàn)平面零收縮LTCC基板制作工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有條件，開(kāi)展了自約束燒結(jié)平面零收縮LTCC基板的制作工藝研究，使LTCC基板燒結(jié)前后的平面尺寸收縮率控制在（0.2%～0.4%）±0.04%，總結(jié)形成了自約束燒結(jié)平面零收縮LTCC基板制作工藝規(guī)范。

2 常見(jiàn)平面零收縮LTCC基板制作工藝

零收縮LTCC基板的制造，其工藝流程與常規(guī)LTCC基板相同，除了要對(duì)常規(guī)的打孔、填孔、印刷、疊片、切片等LTCC基本工藝進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化與改進(jìn)外，最重要和最關(guān)鍵的是需要重點(diǎn)關(guān)注層壓和共燒工藝，其工藝參數(shù)、工裝夾具、壓燒環(huán)境、設(shè)備功能等都對(duì)加工得到的LTCC基板的性能與質(zhì)量有明顯影響，目前已發(fā)展了以下幾種主要方法[3]：

（1）自約束燒結(jié)（SCS，Self-Constraint Sintering）法。采用在自由共燒過(guò)程中呈現(xiàn)出自身抑制平面方向收縮特性的所謂平面零收縮LTCC生瓷帶（如賀利氏HeraLock 2000）制作基板，使其在常規(guī)的LTCC燒結(jié)爐中外界非限制性燒結(jié)（UCS，Unconstraint Sintering），優(yōu)化層壓與燒結(jié)工藝，可以將燒成LTCC基板平面方向的尺寸收縮率不均勻度控制在±0.03%～±0.04%。

（2）壓力輔助燒結(jié)（PAS，Pressure Assistant Sintering）法。采用常規(guī)三維收縮LTCC生瓷帶（如DuPont 951PT）制作LTCC生瓷塊，送入燒結(jié)過(guò)程中在厚度方向（Z向）可施加壓力的專用LTCC燒結(jié)爐中進(jìn)行共燒，以強(qiáng)制加壓的方式限制LTCC基板在X、Y平面方向上的收縮，使燒結(jié)后LTCC基板的平面尺寸與燒結(jié)前生瓷塊的平面尺寸相同，從而實(shí)現(xiàn)平面零收縮或無(wú)收縮的燒結(jié)，可使LTCC基板的平面尺寸燒結(jié)收縮率控制在0.01%±0.008%之內(nèi)。

（3）無(wú)壓力輔助燒結(jié)（PLAS，Pressure-less Assistant Sintering）法。采用常規(guī)三維收縮LTCC生瓷帶制作生瓷塊后，再用DuPont公司擁有專利技術(shù)的配套專用氧化鋁帶作為犧牲層在上、下面夾持住生瓷塊，送常規(guī)LTCC燒結(jié)爐中UCS燒結(jié)，在不借助任何外部壓力的情況下通過(guò)犧牲層與LTCC層之間的磨擦力抑制LTCC基板的平面收縮，燒結(jié)完成后研磨掉上、下面上夾持用的氧化鋁層，得到平面零收縮的LTCC基板，可使LTCC基板的平面尺寸燒結(jié)收縮率控制在0.1%±0.05%之內(nèi)。

（4）復(fù)合板共同壓燒法。采用ESL公司專利技術(shù)的Tranfer Tape（轉(zhuǎn)移生瓷帶），疊片為多層生瓷坯后，放在陶瓷或不銹鋼的襯墊板上共同層壓使LTCC生瓷坯壓實(shí)為生瓷體，再一起送常規(guī)LTCC燒結(jié)爐中UCS燒結(jié)，LTCC基板與襯墊板燒制成一體，燒結(jié)過(guò)程中由于襯墊板的限制作用使其上的LTCC基板在平面方向上實(shí)現(xiàn)零收縮，可使LTCC的平面尺寸燒結(jié)收縮率減小到約0.1%。

3 自約束燒結(jié)平面零收縮LTCC基板制作工藝

3.1 工藝方法選擇

基于具備的工藝條件，特別是因其具有材料可獲得、無(wú)需專用燒結(jié)爐、不涉及引用專利技術(shù)、工藝方法與常規(guī)LTCC工藝完全相同從而可操作性好、平面尺寸收縮率不均勻度較小等優(yōu)點(diǎn)，我們選用“自約束燒結(jié)法”開(kāi)展平面零收縮LTCC基板的制作工藝研究。

常規(guī)三維收縮的LTCC生瓷帶是由玻璃粉料、陶瓷粉料、有機(jī)粘合劑等材料充分混合后流延制作成的組分均勻的柔軟薄帶；具有自約束特性的平面零收縮LTCC生瓷帶的構(gòu)成則有所不同，它有三層結(jié)構(gòu)，在上、下兩層組分均勻的玻璃-陶瓷生帶中間夾制了一層以陶瓷粉體為主要功能相的約束層，應(yīng)用層狀陶瓷復(fù)合材料的約束機(jī)理限制此三層結(jié)構(gòu)生瓷帶在燒結(jié)時(shí)的平面收縮。

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

3.2.1 材料選用

選用賀利氏HL2000-5.3型LTCC生瓷帶及其配套的網(wǎng)印與填孔Ag導(dǎo)體漿料設(shè)計(jì)和制作實(shí)驗(yàn)LTCC基板，該生瓷帶與制作工藝直接相關(guān)的主要性能指標(biāo)包括：

（1）生帶厚度：0.133 mm；

（2）平面（X、Y向）收縮率：（0.2%～0.4%）±0.04%；

（3）厚度（Z向）收縮率：32%；

（4）燒后密度：2.9±0.3 g/cm3。

圖1 實(shí)驗(yàn)基板單元表面圖形

3.2.2 基板設(shè)計(jì)

LTCC基板設(shè)計(jì)為10層、20層生瓷互連，由相同的4×4＝16個(gè)單元構(gòu)成。按25 mm×25 mm的面積為一個(gè)基板單元，單元表面導(dǎo)電帶圖形如圖1所示。45個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)區(qū)分為7列，其中第1列與第5列的18個(gè)節(jié)點(diǎn)屬于“互連網(wǎng)絡(luò)1”，第3列與第7列的18個(gè)節(jié)點(diǎn)屬于“互連網(wǎng)絡(luò)2”，第2、4、6列的9個(gè)節(jié)點(diǎn)屬于“互連網(wǎng)絡(luò)3”。各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的全部測(cè)試節(jié)點(diǎn)區(qū)表面導(dǎo)電帶通過(guò)基板內(nèi)層的導(dǎo)電帶及金屬化通孔互連在一起。

3.2.3 基板加工

將16個(gè)圖形單元聯(lián)片拼圖后，按我們工藝線當(dāng)前常用的130 mm×130 mm生瓷片不帶膜流片進(jìn)行LTCC基板加工，至層壓后分別熱切為1個(gè)單元25 mm×25 mm生瓷塊、4個(gè)單元50 mm×50 mm生瓷塊或16個(gè)單元101 mm×101 mm的生瓷塊，在常規(guī)LTCC共燒爐中自由地?zé)Y(jié)（外界UCS）后得到不同面積尺寸與厚度的LTCC基板。

3.2.4 性能評(píng)價(jià)

檢測(cè)LTCC基板是否達(dá)到以下指標(biāo)，評(píng)價(jià)自約束燒結(jié)平面零收縮LTCC基板制作工藝技術(shù)是否滿足要求：

（1）平面（X、Y向）燒結(jié)收縮率（ηx、ηy）：（0.2%～0.4%）±0.04%；

（2）互連網(wǎng)絡(luò)通路率：100%；

（3）燒后密度：3.0±0.3 g/cm3（考慮到內(nèi)有Ag導(dǎo)體材料，提升基板的基本密度至略大于LTCC材料）；

（4）目檢：20～30倍顯微鏡檢查，基板應(yīng)無(wú)分層、平整無(wú)變形、無(wú)凸起、無(wú)裂紋、無(wú)翹曲。

3.3 工藝實(shí)驗(yàn)

工藝實(shí)驗(yàn)每批投10層生瓷基板2塊加工，每塊基板在層壓后切片為1個(gè)單元25 mm×25 mm生瓷塊（小塊）8只、4個(gè)單元50 mm×50 mm生瓷塊（中塊）2只，每批燒結(jié)小塊10只、中塊3只。

第一批實(shí)驗(yàn)基板的加工基本參照賀利氏公司推薦的工藝參數(shù)完成關(guān)鍵的層壓與共燒工藝：

（1）等靜壓層壓：水溫70 ℃，預(yù)熱10 min，層壓10 min，壓力9 MPa（1 350 psi）～13 MPa（1950 psi）；

（2）燒結(jié)曲線：主要溫度參數(shù)見(jiàn)表1。

第一批實(shí)驗(yàn)基板的性能檢測(cè)情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

從表2可明顯看出，第一批實(shí)驗(yàn)基板的不合格主要表現(xiàn)為燒后基板普遍有邊緣分層以及多數(shù)基板變形、不平整、凸起等缺陷，基板邊緣的分層進(jìn)而造成節(jié)點(diǎn)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)不全連通。經(jīng)調(diào)研、分析，基板邊緣分層現(xiàn)象應(yīng)是由于層壓能量不足（壓力低或時(shí)限短）未將生瓷坯完全壓實(shí)為生瓷體而造成的，基板形變、不平整缺陷主要是由于燒結(jié)排膠期太短、升溫過(guò)快而使排膠過(guò)程急促、不充分造成的。

因此，第二批實(shí)驗(yàn)基板將燒結(jié)曲線參數(shù)調(diào)整如表3，等靜壓層壓則采用了如下3套參數(shù)：

（1）一步層壓：水溫70 ℃，預(yù)熱10 min，層壓10 min，壓力20 MPa（3 000 psi）；

（2）兩步層壓：水溫70 ℃，預(yù)熱10 min，先13 MPa（1950 psi）層壓10 min，再14 MPa（2100 psi）層壓10 min；

（3）一步層壓：水溫70 ℃，預(yù)熱10 min，層壓10 min，壓力30 MPa（4500 psi）。

表1 第一批實(shí)驗(yàn)基板用共燒曲線的主要溫度參數(shù)

表2 第一批實(shí)驗(yàn)基板的主要性能檢測(cè)結(jié)果

表3 第二批實(shí)驗(yàn)基板用共燒曲線的主要溫度參數(shù)

表4 第二批實(shí)驗(yàn)基板的主要性能檢測(cè)結(jié)果

第二批實(shí)驗(yàn)基板的性能檢測(cè)情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

表4表明，采用20 MPa一步層壓和先13 MPa、再14 MPa兩步層壓所加工的LTCC基板樣品的性能均達(dá)到了3.2.4中規(guī)定的指標(biāo)；而采用30 MPa一步層壓加工的基板，可能由于生瓷層與層之間壓得過(guò)于緊密，在共燒時(shí)生瓷和漿料中的有機(jī)溶劑無(wú)法順暢地排出，導(dǎo)致燒后基板不平整、有凸起，甚至在一些通孔的位置上出現(xiàn)裂紋，平面尺寸燒結(jié)收縮率及其不均勻度也偏大。

3.4 工藝規(guī)范

根據(jù)實(shí)驗(yàn)與研究結(jié)果，在達(dá)到3.2.4中規(guī)定的性能指標(biāo)時(shí)，自約束燒結(jié)平面零收縮LTCC基板與常規(guī)自由燒結(jié)自然收縮LTCC基板的制作工藝基本相同，只是在層壓與共燒的工藝參數(shù)上應(yīng)按以下要求進(jìn)行控制：

（1）等靜壓層壓：水溫70 ℃，預(yù)熱10 min；20 MPa、10 min一步層壓，或者先13 MPa、10 min再14 MPa、10 min兩步層壓；

（2）共燒曲線：主要溫度參數(shù)遵照表3設(shè)置，燒結(jié)周期約31 h，峰溫865 ℃、持續(xù)20 min，從峰溫直接快速降至室溫，特別是100～450 ℃排膠期的升溫速率應(yīng)小至0.2 ℃/min；

（3）燒結(jié)氣流：在燒結(jié)曲線緩慢升溫的排膠期與快速降溫期都需盡量加大氣流量（大于300 SCFH），在升溫?zé)Y(jié)期和峰溫?zé)Y(jié)期則應(yīng)減小氣流量（小于100 SCFH）。

3.5 工藝驗(yàn)證

按照3.4節(jié)的工藝規(guī)范（先13 MPa、10 min再14 MPa、10 min兩步層壓），用HL2000-5.3型LTCC生瓷帶及其配套厚膜電子漿料，投10層生瓷基板1塊、20層生瓷基板2塊加工，進(jìn)行零收縮LTCC基板制作工藝的驗(yàn)證。層壓后，10層、20層生瓷體各1塊分切成1個(gè)單元25 mm×25 mm生瓷塊（小塊）8只、4個(gè)單元50 mm×50 mm生瓷塊（中塊）2只，另1塊20層生瓷體則按4×4＝16單元、尺寸101 mm×101 mm沿對(duì)角線切開(kāi)為等腰三角形大塊生瓷塊2只，各種尺寸生瓷塊燒結(jié)后均得到了性能指標(biāo)達(dá)到3.2.4節(jié)規(guī)定的LTCC基板樣品，燒結(jié)前后的LTCC基板平面尺寸收縮率不均勻度均不大于±0.04%。燒結(jié)前、后的不同尺寸及層數(shù)的平面零收縮LTCC基板的樣品照片如圖2、圖3所示。

4 結(jié)論

本文通過(guò)有針對(duì)性的工藝研究與工藝實(shí)驗(yàn)，基本掌握了自約束燒結(jié)平面零收縮LTCC基板制作工藝技術(shù)，形成了工藝規(guī)范，基板平面尺寸燒結(jié)收縮率不均勻度較常規(guī)LTCC工藝大幅降低，可以控制在±0.04%以內(nèi)，為研制高密度、高性能、高可靠的MCM奠定了較好基礎(chǔ)。

零收縮LTCC基板技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為能獲得定位準(zhǔn)確、尺寸精確的膜層、通孔及空腔，是研制高密度、高頻MCM產(chǎn)品先進(jìn)、實(shí)用、有效的技術(shù)途徑之一，值得更深入地開(kāi)展相關(guān)研究，并積極應(yīng)用到產(chǎn)品研制中。

圖2 沿對(duì)角線切開(kāi)的101 mm×101 mm、20層平面零收縮LTCC基板（燒結(jié)前、后對(duì)比）

圖3 10層和20層的25 mm×25 mm、50 mm×50 mm平面零收縮LTCC基板（燒結(jié)前、后對(duì)比）

[1]楊邦朝，張經(jīng)國(guó). 多芯片組件（MCM）技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 成都：電子科技大學(xué)出版社，2001.

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