LTCC互連基板金屬化孔工藝研究*

王志勤，張 孔

（中國電子科技集團公司第38研究所，合肥 230088）

1 引言

近年來，隨著信息技術的持續(xù)發(fā)展，電子設備的種類正日新月異，對于電子設備系統(tǒng)的小型化、輕型化、多功能化、數(shù)字化和高可靠性提出了越來越高的要求。LTCC基板正適合于制造小型化要求的系統(tǒng)設備。

LTCC低溫共燒陶瓷技術是無源集成的主流技術，LTCC材料具有優(yōu)異的電子、機械、熱力特性，廣泛用于基板、封裝及微波器件等領域，是實現(xiàn)系統(tǒng)級封裝的重要途徑。LTCC基板互連金屬化孔工藝技術是低溫共燒陶瓷工藝過程中的關鍵技術，它直接影響陶瓷基板的成品率和可靠性。LTCC基板互連金屬化孔從使用性方面分為3種類型：信號金屬化孔、散熱金屬化孔、微波垂直互連金屬化孔。從制作精度、工藝復雜程度等方面考慮，微波垂直互連金屬化孔的要求最高。影響互連金屬化孔的因素很多，下面就幾個主要因素加以分析。

2 金屬化通孔填充工藝及控制技術

通孔填充技術的研究目的就是提高通孔金屬化質量，保證通孔互連導通率100%。填孔起到層與層之間的電路連接的作用，其有兩種方式：絲印及通孔注射填孔。絲網(wǎng)印刷法對小于0.1 mm直徑的通孔來說填充非常困難，效果較差，燒結后的基板成品率低。原因是模板孔徑較小，印刷時漏過的漿料較少，經(jīng)常有孔內填不滿，燒結后會出現(xiàn)漿料收縮，影響層與層之間的連接。通常注射填孔效果最好，但需要專門設備，填孔時漿料是通過空氣壓力將漿料壓進孔中，能自然排除孔內的空氣，掩板的孔比要填充的孔小，孔的對位更準確。通孔注射填孔最小孔徑可達0.05 mm。通孔注射填孔機工作臺是多孔陶瓷或金屬板，工作時使用填孔掩模版，通孔的漿料通過一個掩模直接進入到未燒結的陶瓷帶通孔中。而漿料是受其橡膠板背面的空氣壓力被壓進孔中，自然排除孔里的空氣并將其填滿。良好的流體動力性能使其杜絕了絲網(wǎng)印刷時因重復印刷而滯留在通孔里的空氣。根據(jù)填孔工作臺尺寸設計填孔定位孔，經(jīng)試驗使用紅膜制作填孔模板。采用擠壓式填孔方式效果較好。不同生瓷片填孔參數(shù)優(yōu)化對比如表1所示。

表1 不同生瓷片填孔參數(shù)實驗表

通孔填充狀態(tài)的優(yōu)良與否是控制LTCC質量的關鍵因素，實際生產(chǎn)中需調整填孔工藝參數(shù)控制通孔的填充量，不能過多或過少（如圖1），須實驗綜合論證。通孔填充量過多，基板燒結后通孔會凸出，影響平整性。通孔填充過少，LTCC基板在燒結后會在堆疊通孔的層與層交疊處產(chǎn)生裂紋。通常這種情況下裂紋僅存在通孔之間，通孔與瓷帶及瓷帶與瓷帶之間均不會有裂紋，如圖2所示?？赏ㄟ^提高等靜壓壓力及時間來增強層與層之間的結合力；合理控制通孔填充量可有效避免上述裂紋的產(chǎn)生。

圖1 通孔不同填充數(shù)量圖

圖2 層與層交疊處裂紋圖

3 金屬化通孔材料熱應力的影響

填孔漿料的熱應力是影響通孔質量的因素之一，通孔材料熱應力來源于通孔填充材料和瓷帶的熱膨脹，控制減少通孔的熱應力至關重要。這種熱應力包括壓縮和拉伸兩種應力。由于陶瓷的壓縮強度明顯大于拉伸強度，裂紋就從有拉伸應力存在的最弱部位產(chǎn)生。耐熱沖擊系數(shù)是熱應力和耐熱沖擊性能的一個指標。當陶瓷溫度變化時，起始溫度與材料開始出現(xiàn)裂紋時的溫度之間的溫度差ΔT稱為耐熱沖擊系數(shù)。此值越大耐熱沖擊能力越強[2]?？捎檬剑?）表示：

式中：E—彈性模量；u—泊松比；σ—抗彎曲強度；α—熱膨脹系數(shù)；K—熱傳導系數(shù)。

因此耐熱沖擊性能與抗彎曲強度成正比，通孔的熱應力可通過陶瓷的最終抗彎曲強度來驗證，抗彎曲強度越大，耐熱沖擊性能越好，通孔熱應力越小。

填充漿料的熱膨脹系數(shù)與瓷帶的熱膨脹系數(shù)不匹配，這樣在燒結后溫度下降時陶瓷和金屬界面就可能產(chǎn)生微裂紋。加之通孔深度比導帶的金屬厚度大，因此熱應力效應更加顯著，微裂紋也就更加明顯。從圖3中可以看出在通孔金柱的周圍有明顯裂紋，圖4為通孔的縱剖面圖，可以觀察到通孔與瓷帶界面有裂紋。此試驗結果同理論推算結果相一致。為解決此問題，可行的方法是減少通孔熱應力即減小金屬/陶瓷界面的機械性能，具體指通過改善各層中布線及層間過孔的分布及一定角度的布線來實現(xiàn)。在低溫共燒時，陶瓷/玻璃復合材料是和各層中布線金屬及過孔導體共同形成的，在疊層時將各層瓷片按一定角度排列[2]，可有效改變通孔熱應力的形成，如圖5所示。

在經(jīng)過詳細的實驗后，可利用ANSYS等軟件求解基板內部的三維穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度場分布、應力分布等，通過其后處理的分析計算結果，優(yōu)化基板結構設計與熱設計。根據(jù)應力和溫度分布結果，對LTCC各區(qū)域的圖形進行細化處理，實現(xiàn)金屬/陶瓷界面的熱應力最小化。

圖3 陶瓷和金屬界面裂紋

圖4 裂紋通孔的縱剖面

圖5 各層瓷片不同角度排列圖

4 金屬化通孔材料收縮率的控制

陶瓷材料的收縮率已確定，那通孔壁的收縮率也已確定，因此通常改變通孔材料的收縮率來與陶瓷材料的收縮率相匹配。如果通孔材料的收縮率大于生瓷帶的收縮率，瓷帶可能承受較大的張力，當這張力超過一定值時就導致通孔界面間發(fā)生裂紋。當通孔材料收縮率小于瓷帶收縮率時，瓷帶產(chǎn)生過大壓力可導致通孔凸起，內應力增大一定值，同時凸起通孔對多層基板來說也是不允許的。

金屬化通孔燒結收縮率的控制可以通過導體層的厚度、燒結曲線與基板燒結收縮率的關系、疊片熱壓的溫度和壓力等方面來實現(xiàn)。在共燒過程中，漿料中的有機載體在500 ℃左右分解完全，留下導體和玻璃的多孔膜。隨著溫度的升高，導體材料開始燒結，收縮形成多孔結構，漿料處于低密度疏松狀態(tài)，需玻璃粉從多孔膜中熔化滲出，起到潤濕和引導作用。導體燒結好的燒結膜結構，表面光滑平整，浮出燒結膜的未燒結玻璃粉少，導體粒子之間連接緊密，可形成良好的導電網(wǎng)絡，微孔間隙少[3]。導體的厚度至關重要，過厚易形成孔口開裂，針對不同的導體厚度實驗，結論為燒結厚度在7～12 μm為最優(yōu)導體厚度。如圖6所示膜厚12 μm，通孔燒結后效果很好。

圖6 膜厚及通孔剖面圖

導體和陶瓷的燒結收縮行為失配，可通過優(yōu)化燒結工藝，同時改變各材料的粉料參數(shù)來改進。材料出廠定下后，改變是不可能的，通常是通過優(yōu)化燒結工藝來實現(xiàn)。從圖7導體與陶瓷材料燒結收縮率關系圖可知，ΔT表示兩種材料燒結收縮的開始溫差，ΔS表示燒結完成時的最終燒結收縮差。ΔT是導體/陶瓷界面之間附著缺陷產(chǎn)生的原因，ΔS是由于基板內部形成類似孔穴及導體表面燒結密度不均產(chǎn)生的[2]。因此燒結曲線控制是關鍵，LTCC的燒結處理過程包括排膠和燒結兩個過程，其工藝參數(shù)的變化都會對收縮率產(chǎn)生較大的影響。排膠、燒結速度、升降溫速度需根據(jù)基板厚度及不同的材料而定。燒結工藝的關鍵是燒結曲線和爐膛溫度的均勻性，它對燒結后基板的平整度和收縮率有很大的影響[4]。爐膛溫度均勻性差，基板燒結收縮率的一致性就差。同時，燒結階段升溫速度過快會導致燒結后基板的平整度差、收縮率大。

圖8 燒結后通孔剖面圖

疊片熱壓的溫度和壓力也是影響通孔金屬化質量的關鍵工藝。隨著熱壓壓力的增大，收縮率減小，二者呈非線性關系，壓力達到某一數(shù)值時，收縮率下降的趨勢減小。等靜壓工藝對LTCC收縮率及基板各種性能有著很大的影響。通過調節(jié)等靜壓的溫度、壓力、預熱時間、保壓時間等來確定最優(yōu)化的等靜壓工藝參數(shù)。表2所示為Dupont 951生瓷片的多組等靜壓工藝實驗參數(shù)。

表2 等靜壓工藝不同參數(shù)實驗數(shù)據(jù)

在相同的燒結條件下，上述Dupont 951試樣收縮率結果如表3所示。

表3 X、Y、Z方向收縮率數(shù)據(jù)

從上述試驗結果可以看出，對于DuPont 951生瓷片，當溫度75 ℃、壓力為3 000 psi、預熱時間和加壓時間為30 min時獲得樣品的X、Y方向收縮均勻，且與試驗前設置的縮放比例最匹配，燒結后通孔剖面圖如圖8所示，效果很好。

5 結論

通孔金屬化技術是獲得性能優(yōu)良的LTCC多層基板的關鍵技術之一。欲獲得理想的通孔金屬化效果，必須采用合適的通孔填充工藝技術和工藝參數(shù)；合理設計控制通孔漿料的收縮率和熱膨脹系數(shù)，使通孔填充漿料與生瓷帶的收縮盡量一致，以便降低材料的熱應力；金屬化通孔燒結收縮率的控制可以通過導體層的厚度、燒結曲線與基板燒結收縮率的關系、疊片熱壓的溫度和壓力等方面來實現(xiàn)。通過上述三方面影響因素的研究，可獲得性能優(yōu)良的LTCC基板通孔金屬化性能。

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