LTCC生瓷帶流延工藝研究

何中偉，周洪慶，王 會(huì)，李 冉

(1.中國(guó)北方通用電子集團(tuán)有限公司 微電子部，江蘇 蘇州 215163；2.南京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210009)

LTCC生瓷帶流延工藝研究

何中偉1，周洪慶2，王 會(huì)1，李 冉1

(1.中國(guó)北方通用電子集團(tuán)有限公司 微電子部，江蘇 蘇州 215163；2.南京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210009)

通過(guò)合理調(diào)配材料成分，有效充分地球磨混料，精確控制工藝參數(shù)，成功流延加工出一種硼硅酸鹽玻璃/氧化鋁陶瓷復(fù)合材料體系的低溫共燒陶瓷(LTCC)生瓷帶。通過(guò)對(duì)LTCC生瓷帶進(jìn)行熱解質(zhì)量(TG)分析，確定了LTCC基板的燒結(jié)溫度曲線，對(duì)比測(cè)試了試制LTCC生瓷帶與DuPont 951PT生瓷帶及其燒成LTCC基板的性能，考核了試制生瓷帶的LTCC加工工藝適應(yīng)性。結(jié)果表明，試制LTCC生瓷帶與951PT生瓷帶相比，外觀質(zhì)量、厚度、未燒與燒成體密度及燒成LTCC基板的熱學(xué)性能基本相當(dāng)，介電常數(shù)和介電損耗略有差異，機(jī)械強(qiáng)度略大，工藝適應(yīng)性滿足LTCC基板加工實(shí)用要求。

LTCC；瓷漿；生瓷帶；流延加工；TG分析；性能測(cè)試

LTCC基板是陶瓷多芯片組件(MCM-C)的基礎(chǔ)和重要支承，起著給IC裸芯片和外貼元器件提供安裝平臺(tái),實(shí)現(xiàn)MCM-C內(nèi)部元器件之間的互連，為MCM-C提供散熱通路等關(guān)鍵作用[1]，其極大地影響著電路組件的體積、質(zhì)量、可靠性和電性能。LTCC基板制作的簡(jiǎn)要工藝過(guò)程如圖1所示[2]。

圖1 LTCC基板制作簡(jiǎn)要工藝過(guò)程示意圖

LTCC生瓷帶作為L(zhǎng)TCC基板制造的最基本功能材料和構(gòu)成部分，在很大程度上決定了MCM-C的性能、相關(guān)工藝材料的選擇以及產(chǎn)品的最終成本，因此對(duì)其進(jìn)行科學(xué)合理地設(shè)計(jì)、制造或選用是至關(guān)重要的。LTCC生瓷帶不僅應(yīng)有優(yōu)良的力學(xué)、電氣、熱性能和化學(xué)穩(wěn)定性及安全性，還應(yīng)具有優(yōu)良的可加工性，要求制造工藝簡(jiǎn)單，原材料容易獲得，生產(chǎn)成本較低。

常用LTCC生瓷帶分為玻璃/陶瓷和微晶玻璃兩大主要材料體系。玻璃/陶瓷復(fù)合材料體系利用低軟化點(diǎn)玻璃，在低溫下實(shí)現(xiàn)玻璃復(fù)合陶瓷燒結(jié)，具有生瓷帶及其燒成基板的可加工性好，且性能易控制的優(yōu)勢(shì)[3-5]。針對(duì)高密多層互連LTCC基板的要求，成功研制了硼硅酸鹽玻璃/氧化鋁陶瓷復(fù)合材料體系的LTCC生瓷帶，完成了試制生瓷帶與進(jìn)口生瓷帶的性能測(cè)試對(duì)比。

1 LTCC生瓷帶的主要成分及流延加工

LTCC生瓷帶是由生瓷瓷漿流延加工得到的，所研究制作的LTCC生瓷瓷漿包含下述主要成分。

1) 玻璃/陶瓷混合粉料。由質(zhì)量基本相等的硼硅酸鹽(CaO-Al2O3-B2O3-SiO2，簡(jiǎn)稱(chēng)CABS)玻璃粉末和氧化鋁(Al2O3)陶瓷粉末混合而成，粉料直徑D50=2～3 μm，D90=5.5～7 μm。陶瓷不與玻璃發(fā)生反應(yīng)，只是均勻地散布在玻璃網(wǎng)格中。燒結(jié)時(shí)，玻璃軟化，包裹住陶瓷粉末，形成致密的結(jié)構(gòu)。

2) 分散劑。由脂肪酸和酯混合而成的溶劑，其作用是潤(rùn)濕粉料顆粒并將它們分開(kāi)，使之不團(tuán)聚成塊，并保持均勻懸浮的狀態(tài)。

3) 粘結(jié)劑。采用可在氧化氣氛(大氣)中充分燒除的聚乙烯醇縮丁醛(PVB)樹(shù)脂，其作為生瓷帶中唯一的連續(xù)相，使粉料顆粒相互保持在一定位置上，從而接合在一起。

4) 增塑劑。采用可以軟化粉料顆粒間粘結(jié)劑聚合物鏈的丁基苯基酞酸酯，使生瓷帶具有韌度，能夠被彎曲而不產(chǎn)生裂紋，或者不會(huì)斷裂。

5) 溶劑。由質(zhì)量相等的丁酮(MEK)和純度95%的工業(yè)酒精混合而成。

6) 鈷藍(lán)陶瓷色料。無(wú)機(jī)玻璃/陶瓷混合粉料的成分與性能可直接影響到生瓷帶的燒結(jié)溫度和燒結(jié)后LTCC基板的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能，有機(jī)分散劑、粘結(jié)劑、增塑劑和溶劑則主要影響生瓷瓷漿的可流延性和流延后生瓷帶的可加工性[6]。

在確定材料配方并制備CABS玻璃粉料后[7]，按下述步驟制備流延用生瓷瓷漿：1)稱(chēng)量并加入分散劑、丁酮和酒精到充填有1/3滿度研磨介質(zhì)(Al2O3陶瓷磨柱)的球磨罐中；2)將球磨罐放到臥式輥磨機(jī)上，以60 r/mim轉(zhuǎn)速旋輾12～24 h，直到固態(tài)分散劑完全溶解；3)稱(chēng)量并加入已在90～100 ℃環(huán)境干燥了24 h的玻璃/陶瓷粉料；4)以60 r/mim轉(zhuǎn)速旋輾24 h，使粉料良好地分散；5)稱(chēng)量并加入粘結(jié)劑和增塑劑溶液；6) 以60 r/mim轉(zhuǎn)速再旋輾24 h，得到均勻混合的瓷漿；7)倒出瓷漿，在1個(gè)真空腔體內(nèi)以635 mm汞柱的真空度脫泡8～15 min；8) 取樣品瓷漿，用Brookfield黏度計(jì)和RV-4轉(zhuǎn)軸以20 r/min的轉(zhuǎn)速測(cè)量黏度。

在材料配方合理的基礎(chǔ)上，適于流延加工的生瓷瓷漿應(yīng)使所有成分充分混合均勻，有效脫除內(nèi)部氣泡，且黏度在1 500～2 500 MPa·s。LTCC生瓷帶流延基本原理如圖2所示，在調(diào)節(jié)好生帶流延機(jī)的刮刀間隙、流延速度、烘干溫度和抽排風(fēng)量等流延工藝參數(shù)后，將混合均勻、脫泡較好、黏度合適的已備瓷漿澆注到流延機(jī)料槽中，隨著聚酯膜載帶的運(yùn)行，瓷漿從料槽中經(jīng)刮刀刀口流出，連續(xù)平鋪淀積在載帶表面上，經(jīng)流延機(jī)干燥腔階梯烘干排除揮發(fā)性溶劑，加工出如圖3所示的結(jié)構(gòu)致密、表面平整、厚度均勻的LTCC生瓷帶。

圖2 LTCC生瓷帶流延基本原理

圖3 流延加工的LTCC生瓷帶

2 LTCC性能測(cè)試

2.1 LTCC生瓷帶及基板樣品制備

采用所研制的材料配方及流延工藝，制備3批LTCC生瓷帶，編號(hào)分別為T(mén)1301、T1302和T1303。

分別采用所流延的3批LTCC生瓷帶和最常用的進(jìn)口DuPont 951PT型LTCC生瓷帶制備由20層生瓷疊、壓、燒的空白LTCC基板樣品。具體步驟為：將生瓷帶切為130 mm×130 mm的生瓷片后，每種均在揭去聚酯膜后，對(duì)準(zhǔn)層疊為20層的疏松生瓷坯；先在70 ℃溫水中將生瓷坯預(yù)熱10 min，再以21 MPa等靜壓層壓10 min，制成密實(shí)生瓷體；在臺(tái)面溫度70 ℃、刀片溫度80 ℃條件下，將生瓷體分切為50 mm×50 mm×2.2 mm的單元生瓷塊；最后，按確定的燒結(jié)曲線，在大氣氣氛箱式燒結(jié)爐中完成排膠和共燒。

2.2 LTCC基板燒結(jié)曲線的確定

采用STA409PC型熱重分析儀對(duì)所流延的LTCC生瓷帶進(jìn)行熱重分析，測(cè)試以氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣，升溫速率為10 ℃/min，測(cè)得的TG曲線如圖4所示。從圖4可以看出，有2個(gè)失重臺(tái)階，第1個(gè)臺(tái)階的產(chǎn)生是因?yàn)樵谑覝氐?50 ℃的范圍內(nèi)，生瓷表面吸附水分蒸發(fā)和溶劑揮發(fā)，導(dǎo)致材料失重3.54%，在172 ℃時(shí)有機(jī)溶劑的脫除速率最快；第2個(gè)臺(tái)階位于250～450 ℃，主要是生瓷中各種有機(jī)添加劑(分散劑、粘結(jié)劑、增塑劑)的揮發(fā)和熱分解，失重率7.11%，添加劑揮發(fā)/分解速率在344 ℃時(shí)達(dá)到最大。450 ℃后，生瓷中的有機(jī)物全部排出，樣品質(zhì)量基本不變，只發(fā)生玻璃與陶瓷的熔融結(jié)晶反應(yīng)。

圖4 試驗(yàn)LTCC生瓷帶的TG曲線

根據(jù)測(cè)得的TG曲線，并結(jié)合生瓷帶成分中玻璃/陶瓷粉料的致密結(jié)晶特性，及共燒電子漿料的燒結(jié)參數(shù)要求，制定該生瓷的燒結(jié)曲線(見(jiàn)圖5)。從圖5可以看出，室溫至250 ℃的升溫速率為3 ℃/min，在250～450 ℃的排膠保溫區(qū)以0.5 ℃/min的速率緩慢升溫，充分排除有機(jī)添加劑，然后以10 ℃/min的速率從450 ℃快速升溫到最高燒結(jié)溫度850 ℃，并在此最高溫度下保溫60 min，使無(wú)機(jī)材料致密熔合，最后隨爐自然冷卻至室溫。

圖5 LTCC生瓷燒結(jié)曲線

2.3 LTCC生瓷帶及基板的性能測(cè)試

2.3.1 LTCC生瓷帶的厚度與密度

用測(cè)微千分尺測(cè)出3批流延生瓷帶及951PT生瓷帶的厚度，用電子天平稱(chēng)出各批20片(130 mm×130 mm)生瓷帶的質(zhì)量，計(jì)算出LTCC生瓷帶的密度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，各批生瓷帶厚度均勻性優(yōu)于±2%。

表1 LTCC生瓷帶的厚度與密度測(cè)試結(jié)果

2.3.2 LTCC生瓷燒結(jié)收縮率

用數(shù)顯卡尺測(cè)出3批流延生瓷帶及951PT生瓷帶制作的切后單元生瓷塊及燒后LTCC基板的長(zhǎng)度X、寬度Y和厚度Z，計(jì)算出LTCC生瓷帶在3個(gè)方向的燒結(jié)收縮率，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，試制生瓷帶與進(jìn)口生瓷帶在每個(gè)方向上的燒結(jié)收縮率誤差均≤0.2%。

表2 LTCC生瓷的燒結(jié)收縮率測(cè)試結(jié)果

2.3.3 LTCC燒成密度

用電子天平稱(chēng)出各批燒后LTCC基板的質(zhì)量，并用量杯/量筒排水法測(cè)出基板的體積，計(jì)算出LTCC的燒成密度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，試制生瓷帶與進(jìn)口生瓷帶的燒成密度相差≤0.02 g/cm3。

表3 LTCC燒成密度測(cè)試結(jié)果

2.3.4 LTCC電學(xué)性能

使用Agilent HP4294A型網(wǎng)絡(luò)分析儀，采用諧振腔法，測(cè)試LTCC基板樣品的2項(xiàng)主要電學(xué)性能，即介電常數(shù)εr和介電損耗tanδ，測(cè)試頻率為1 MHz，結(jié)果見(jiàn)表4。試制生瓷帶與進(jìn)口生瓷帶相比，燒成后εr減小4.4%，tanδ增大18.2%。這主要是由于兩者的無(wú)機(jī)材料成分與介電性能差異造成的。

表4 LTCC的電學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

2.3.5 LTCC熱學(xué)性能

使用LFA447型導(dǎo)熱分析儀，按照ASTM E1461標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試LTCC基板樣品在主要環(huán)境溫度點(diǎn)下的熱導(dǎo)率λT，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 LTCC的熱導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果

使用DIL402型膨脹系數(shù)測(cè)試儀測(cè)試LTCC基板樣品在主要環(huán)境溫度點(diǎn)下的熱膨脹系數(shù)TCE，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 LTCC的熱膨脹系數(shù)測(cè)試結(jié)果

可以看出，試制生瓷帶與進(jìn)口生瓷帶燒成后，在各主要環(huán)境溫度下的λT和TCE基本相等。

2.3.6 LTCC力學(xué)性能

使用WT4002型萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，并采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)試LTCC基板樣品的2項(xiàng)主要力學(xué)性能，即斷裂載荷和抗彎強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7。試制生瓷帶與進(jìn)口生瓷帶相比，燒成后基板的機(jī)械強(qiáng)度略高。

表7 LTCC的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

2.4 LTCC生瓷帶的工藝加工適應(yīng)性

采用與所流延LTCC生瓷帶相兼容的DuPont公司LTCC用導(dǎo)體漿料進(jìn)行填孔與印刷，生瓷填孔后、導(dǎo)電帶網(wǎng)印后均在加熱60 ℃的大氣氣氛中干燥15 min。按與上述相同的疊片、層壓、熱切和共燒條件，完成了尺寸為46.5 mm×20.8 mm×1.0 mm的10層LTCC基板的加工，樣品如圖6所示。整批60只基板，經(jīng)外觀質(zhì)量檢驗(yàn)和電互連測(cè)試后全部合格，滿足應(yīng)用要求，LTCC加工合格率達(dá)到100%。

圖6 實(shí)際產(chǎn)品LTCC基板

3 結(jié)語(yǔ)

在生瓷瓷漿合理配方研究與球磨混料制備的基礎(chǔ)上，流延加工出CABS玻璃/氧化鋁陶瓷復(fù)合系LTCC生瓷帶。所試制生瓷帶與國(guó)內(nèi)最常用的進(jìn)口DuPont 951PT型LTCC生瓷帶相比，在厚度及均勻性、密度符合度和燒結(jié)收縮率方面相當(dāng)；在燒成LTCC基板的介電常數(shù)和介電損耗方面，分別最多相差4.4%和18.2%；在各主要環(huán)境溫度下的熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)基本相等，斷裂載荷和抗彎強(qiáng)度略高。試制生瓷帶的材料兼容性和工藝加工性良好，達(dá)到了高性能MCM-C用多層LTCC基板的使用要求。

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責(zé)任編輯李思文

ResearchonLTCCTapeCastingProcess

HE Zhongwei1，ZHOU Hongqing2，WANG Hui1，LI Ran1

(1. Micro Electronics Institute, China North General Electronics Group Co., Ltd., Suzhou 215163, China；2. College of Material Science and Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China)

A borosilicate glass/alumina composite LTCC tape was casted successfully by proper material ingredient blending, effective and thorough ball mixing, as well as accurate process parameter controlling, the LTCC substrate co-firing temperature curve was determined by TGA (thermo-gravimetric analysis), the properties of our developed tape and DuPont 951PT tape and their co-fired LTCC substrates were tested by contrast, the LTCC manufacturing adaptability of the developed tape was checked. The results showed that the developed tape and 951PT tape had well-matched outward quality, thickness, green and fired bulk density and fired LTCC substrate thermal properties, but their dielectric constants and dielectric losses were a bit different, and the developed tape was a little stronger mechanically，its LTCC manufacturing adaptability had met the requirements of actual application quite well.

LTCC，slurry，green tape，casting，TG analysis，property test

TN 604

：A

何中偉(1962-)，男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事混合集成電路及多芯片組件工藝技術(shù)等方面的研究。

2014-07-29