一種新型平面零收縮LTCC基板制造技術(shù)*

盧會(huì)湘，嚴(yán)英占，唐小平

(1. 河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司， 河北 石家莊 050081；2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所， 河北 石家莊 050081)

一種新型平面零收縮LTCC基板制造技術(shù)*

盧會(huì)湘1，嚴(yán)英占2，唐小平1

(1. 河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司， 河北 石家莊 050081；2. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所， 河北 石家莊 050081)

LTCC基板燒結(jié)過程中的燒結(jié)收縮率和收縮不均勻性極大地浪費(fèi)了材料的使用空間，并影響到了電路圖形的對(duì)位加工精度，限制了LTCC在高密度模塊組件中的應(yīng)用。文中介紹了目前零收縮LTCC基板制造技術(shù)的發(fā)展情況及其核心技術(shù)，并且自主開發(fā)了一種新型的平面零收縮LTCC基板制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了0.5% ± 0.05%的基板平面燒結(jié)收縮率控制，并對(duì)關(guān)鍵因素進(jìn)行了研究，最后通過實(shí)例展示了該技術(shù)的應(yīng)用情況。

低溫共燒陶瓷技術(shù)；平面零收縮；燒結(jié)；平整度

引 言

低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)技術(shù)是一種新型微電子封裝技術(shù)，它集多層互連、埋置無源元件和氣密性封裝于一體，而且高頻特性優(yōu)良，技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。因此，LTCC技術(shù)在微電子領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)和發(fā)展前景。

LTCC技術(shù)在應(yīng)用過程中一個(gè)重要的變化就是通過燒結(jié)使生瓷轉(zhuǎn)變?yōu)槭齑?，從而?shí)現(xiàn)其良好的機(jī)械性能，達(dá)到一種穩(wěn)定的狀態(tài)。然而常規(guī)LTCC生瓷材料在燒結(jié)時(shí)的收縮率一般為12%～16%，并且收縮的不均勻性一般都在±0.3%～±0.4%， 這樣就會(huì)出現(xiàn)2個(gè)問題：1)LTCC材料的浪費(fèi)。以DuPont 951PT為例，平面收縮率為12.7%，意味著尺寸8″的生瓷片燒結(jié)后會(huì)變成6.98″，無形中浪費(fèi)了LTCC瓷片的應(yīng)用空間；2)電路圖形尤其是層間互連通孔對(duì)位精度的降低。收縮的不均勻性若以±0.3%進(jìn)行計(jì)算，那么7.6 cm × 7.6 cm的生瓷塊燒結(jié)后四角上電路圖形位置的不準(zhǔn)確度就會(huì)達(dá)到±0.161 mm，這么大的不準(zhǔn)確性勢(shì)必會(huì)限制LTCC技術(shù)在高密度MCM-C、MCM-C/D中的應(yīng)用[1]。

因此，通過材料配比設(shè)計(jì)或者借用新的加工手段來實(shí)現(xiàn)平面零收縮的LTCC基板制造技術(shù)成為目前LTCC技術(shù)一個(gè)重要的發(fā)展方向。所謂零收縮LTCC基板制造技術(shù)是指LTCC基板在燒結(jié)時(shí)只是在厚度(Z)方向發(fā)生收縮，在平面(X-Y)方向上不發(fā)生收縮或者收縮非常小，特別是平面方向收縮的不均勻性成量級(jí)降低(一般低于0.1%)。目前，常用的零收縮LTCC基板制造技術(shù)主要有以下幾種[1]：

(1)自約束燒結(jié)法

該方法的核心在于從材料配比(制造)角度入手研發(fā)出一種新型瓷帶，使瓷帶具備在共燒過程中呈現(xiàn)出自身抑制平面方向收縮的特性。例如，賀利氏HL2000基板可實(shí)現(xiàn)0.3% ± 0.04%的平面收縮率。

(2)壓力輔助燒結(jié)法

該方法的核心在于借用特殊的燒結(jié)爐，使LTCC基板在燒結(jié)過程中在Z方向受到一個(gè)持續(xù)恒定的壓力，以強(qiáng)制加壓的方式抑制LTCC基板在X、Y平面方向上的收縮行為，從而實(shí)現(xiàn)平面零收縮或無收縮的燒結(jié)，該方式可將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)無壓力輔助燒結(jié)法

該方法的核心在于與LTCC瓷帶特性相匹配的零收縮限制層。應(yīng)用時(shí)，利用限制層在LTCC基板的上、下面夾持住生瓷塊，通過限制層與LTCC層之間的摩擦力實(shí)現(xiàn)LTCC基板在X、Y平面方向上的收縮抑制。例如，應(yīng)用DuPont專利限制層可將LTCC基板的平面尺寸燒結(jié)收縮率控制在0.1% ± 0.05%之內(nèi)。

此外，在某些特殊應(yīng)用中，使陶瓷或不銹鋼的限制層通過層壓與LTCC生瓷塊形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，一并燒結(jié)后使LTCC基板與限制層燒制成一體，兩者不再分開。通過限制層的作用使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0.1%左右。

本文介紹了一種新型零收縮技術(shù)-限制性壓力輔助燒結(jié)技術(shù)。在對(duì)其關(guān)鍵工藝因素進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，還通過實(shí)例介紹了該技術(shù)的應(yīng)用情況。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，該新型零收縮技術(shù)具有成本低、操作便捷、制造效果好等優(yōu)點(diǎn)。

1 新型限制性壓力輔助燒結(jié)工藝

1.1 工藝原理及流程

新型限制性壓力輔助燒結(jié)工藝綜合了壓力輔助燒結(jié)和無壓力輔助燒結(jié)的技術(shù)特點(diǎn)。首先采用常規(guī)三維收縮LTCC生瓷帶(DuPont 951PT)制作生瓷基板，然后根據(jù)基板的厚度在其上下表面制作厚度均勻的高溫夾層，將高溫夾層作為限制層放入等靜壓機(jī)進(jìn)行壓合獲得密實(shí)的“三明治”結(jié)構(gòu)試驗(yàn)樣塊，將一定重量的壓塊壓在試驗(yàn)樣塊上一起放入共燒爐進(jìn)行常規(guī)燒結(jié)，壓塊與高溫夾層的共同作用限制LTCC基板在平面方向的收縮，燒結(jié)后去除高溫夾層，最后得到零收縮的LTCC基板。通過該工藝可將LTCC基板的平面尺寸燒結(jié)收縮率控制在0.5% ± 0.05%(Z方向的收縮率約為38.5%)，其工藝流程如圖1所示。

1.2 關(guān)鍵參數(shù)對(duì)燒結(jié)效果的影響

(1)輔助壓力對(duì)燒結(jié)收縮率的影響

制作9層3 cm × 4 cm的標(biāo)準(zhǔn)樣塊，然后選用不同重量的壓塊作為重物施加壓力，進(jìn)行燒結(jié)，最后計(jì)算樣塊在X-Y和Z方向的收縮率，如圖2和圖3所示。

圖2 X-Y方向收縮率與壓強(qiáng)的關(guān)系

圖3 Z方向收縮率與壓強(qiáng)的關(guān)系

從圖2可以看出，隨著壓強(qiáng)的增大，樣塊在X-Y方向的收縮率變小，當(dāng)壓強(qiáng)為6 000～15 000 Pa時(shí)，收縮率為0.3%～0.5%，基本趨于穩(wěn)定，達(dá)到零收縮的目的，即通過高溫夾層限制了樣塊在平面方向的收縮。而Z方向的收縮率隨著壓力的增大而增大，當(dāng)壓強(qiáng)為6000～15000Pa時(shí)，Z方向的收縮率為37.62%～38.59%，并趨于穩(wěn)定，經(jīng)過計(jì)算此時(shí)樣塊的密度為3.10～3.16 g/cm3，與常規(guī)工藝下燒結(jié)樣塊的密度一致。

(2)輔助壓力對(duì)樣品表面缺陷的影響

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)時(shí)如果不施加壓力或者壓力較小時(shí)，樣塊會(huì)出現(xiàn)翹曲及裂紋等缺陷(如圖4所示)。分析認(rèn)為：燒結(jié)時(shí)樣塊在平面方向有收縮傾向，如果沒有壓力，那么高溫夾層材料對(duì)LTCC瓷片的限制就不充分，就會(huì)出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象；當(dāng)壓力小時(shí)，瓷片在平面方向的收縮受到高溫夾層的限制，但Z方向自身的收縮程度不充分，就導(dǎo)致燒結(jié)后整個(gè)瓷塊密度小，強(qiáng)度差，在內(nèi)應(yīng)力的作用下出現(xiàn)裂紋。如果施加合適的壓力促進(jìn)Z方向的收縮，提高瓷塊自身的強(qiáng)度，就可以避免出現(xiàn)裂紋等缺陷。

圖4 不同壓力條件下燒結(jié)出來的樣品

2 技術(shù)應(yīng)用

2.1 在平面零收縮LTCC基板中的應(yīng)用

用9層生瓷片制作一定尺寸的LTCC標(biāo)準(zhǔn)樣品，按照該工藝進(jìn)行限制性壓力輔助燒結(jié)，經(jīng)測(cè)試，樣品在平面方向的收縮率不均勻性不大于±0.05%。圖5和圖6為燒結(jié)前后的部分樣品。

圖5 LTCC基板燒結(jié)前后對(duì)比圖

圖6 帶有圖形的LTCC燒結(jié)前后對(duì)比圖

2.2 在高平整性LTCC基板中的應(yīng)用

LTCC工藝中金屬漿料與生瓷片的燒結(jié)收縮率存在一定的差異，因此在LTCC共燒過程中會(huì)出現(xiàn)不同程度的翹曲，對(duì)于內(nèi)部圖形分布不均勻的產(chǎn)品，此現(xiàn)象更加常見[2-3]。采用限制性壓力輔助燒結(jié)技術(shù)，由于燒結(jié)過程中樣品始終受到壓塊的壓力，樣品在平面方向沒有收縮，也就不會(huì)發(fā)生翹曲現(xiàn)象。表1是采用該項(xiàng)技術(shù)制作的不同尺寸LTCC基板的翹曲度數(shù)據(jù)。

表1 零收縮樣品翹曲度數(shù)據(jù)表

2.3 在復(fù)雜3D-LTCC基板中的應(yīng)用

隨著電子產(chǎn)品小型化、高性能化以及對(duì)高散熱性能的需求，3D結(jié)構(gòu)多功能LTCC基板制作在國(guó)內(nèi)外已開展了部分研究。以三維微通道為例，制造該LTCC基板需要采取特殊的工藝，需要在LTCC基板上制作完好的內(nèi)置流體通道。該工藝中的一大難點(diǎn)就是如何避免在燒結(jié)過程中通道頂層結(jié)構(gòu)凹陷變形甚至堵塞通道[4-5]。

采取限制性壓力輔助燒結(jié)技術(shù)后，通道底部和頂層外部各有一層高溫夾層材料，高溫夾層在低溫共燒過程中不會(huì)軟化、坍塌，可以對(duì)低溫瓷起到部分支撐保護(hù)作用，從而確保通道上下表面的平整性。圖7是采用該技術(shù)制作的帶微通道的LTCC基板截面圖。

圖7 LTCC微通道結(jié)構(gòu)截面圖

3 結(jié)束語

本文介紹了一種新型零收縮LTCC基板制造工藝，研究了影響該工藝過程的主要工藝因素。采用常規(guī)三維收縮LTCC生瓷片和普通低溫共燒結(jié)爐即可完成零收縮LTCC基板的制作，無需添置特殊設(shè)備和更換材料體系，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，應(yīng)用方便。通過該工藝方法，可以實(shí)現(xiàn)平面零收縮LTCC基板、高平整性LTCC基板等特殊樣品的加工制造。相信該工藝在高密度MCM-C、MCM-C/D、LTCC微系統(tǒng)等特殊結(jié)構(gòu)應(yīng)用中還會(huì)發(fā)揮更大作用。

[1] 何中偉，高鵬. 平面零收縮LTCC基板制作工藝研究[J].電子與封裝, 2013, 13(10): 14-18.

[2] 周峻霖，夏俊生，鄒建安，等. LTCC基板共燒平整度工藝研究[J]. 微電子學(xué), 2011, 41(5): 770-774.

[3] 周洪慶，戴斌，韋鵬飛，等. CBS系LTCC材料組分對(duì)其性能的影響及其金屬化匹配[J]. 電子元件與材料, 2011, 30(2): 18-20.

[4] BIROL H. Fabrication of low temperature co-fired ceramic (LTCC)-based sensor and micro-fluidic structures[D]. Lausanne: EPFL, 2007.

[5] 沐方清，張楊飛. 三維微流道系統(tǒng)技術(shù)研究[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào), 2011, 6(1): 20-23.

A Novel Planar Zero-shrink LTCC Substrate Manufacturing Technology

LU Hui-xiang1，YAN Ying-zhan2，TANG Xiao-ping1

(1.HebeiFar-eastCommunicationSystemEngineeringCo.,Ltd.,Shijiazhuang050081,China；2.The54thResearchInstituteofCETC,Shijiazhuang050081,China)

The shrinkage in the sintering process of low temperature co-fired ceramic (LTCC) substrate wastes the usable space of the material tremendously and the inhomogeneous shrinking influences the process precision of the circuit diagram, which limits the LTCC application in high density module. In this paper the development of planar zero-shrink LTCC substrate manufacturing technology and their core techniques are introduced. A novel planar zero-shrink LTCC substrate manufacturing technology are developed, which controls the planar shrinkage rate at 0.5% ± 0.05%. In addition, the key factors in this manufacturing technology are studied and the typical applications of this technology are illustrated.

low temperature co-fired ceramic (LTCC) technology; planar zero-shrink; sintering; flatness

2014-07-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61404119)

TN405

A

1008-5300(2014)06-0053-04

盧會(huì)湘(1982 -)， 男，碩士，主要從事LTCC產(chǎn)品的生產(chǎn)加工與工藝技術(shù)研究。