LTCC工藝評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法★

董作典，文平，楊釗，華熙

（中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，陜西 西安 710100）

0 引言

低溫共燒陶瓷 （LTCC）技術(shù)是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生瓷帶，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所需電路圖形，并將多個(gè)無(wú)源組件 （如低容值電容、電阻、濾波器、阻抗轉(zhuǎn)換器、耦合器等）埋入多層陶瓷基板中，然后層壓在一起。內(nèi)外電極可分別使用銀、銅、金等金屬，在900℃下燒結(jié)，制成三維空間互不干擾的高密度電路，也可制成內(nèi)置無(wú)源元件的三維電路基板，在其表面可以貼裝IC和有源器件，制成無(wú)源/有源集成的功能模塊，可進(jìn)一步地將電路小型化與高密度化，特別適合用于高頻通訊用組件中。

但是，在LTCC生產(chǎn)工藝過(guò)程中，通孔注漿不能過(guò)滿或不夠，特別是微帶線、帶狀線之間的匹配連接孔，如果出現(xiàn)孔洞就會(huì)影響微波電路的性能[1]。而且早期LTCC基板的失效分析也發(fā)現(xiàn)通孔與導(dǎo)帶間開(kāi)路是多層基板布線互連失效的主要模式，原因是基板在共燒工藝過(guò)程中，布線金屬與陶瓷材料收縮失配產(chǎn)生的界面應(yīng)力導(dǎo)致布線開(kāi)路[2]。垂直互連主要通過(guò)疊壓對(duì)位來(lái)實(shí)現(xiàn)，但容易發(fā)生錯(cuò)位現(xiàn)象，即通孔與通孔搭接錯(cuò)位失效和通孔與導(dǎo)體搭接錯(cuò)位失效等兩種失效模式，引起垂直互連失效[3]。正是由于通孔容易出現(xiàn)開(kāi)路或錯(cuò)位而導(dǎo)致接觸電阻大等問(wèn)題，有學(xué)者通過(guò)對(duì)導(dǎo)帶形成技術(shù)、通孔柱形成技術(shù)進(jìn)行研究來(lái)解決這些工藝問(wèn)題[4]。

在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，LTCC類電子產(chǎn)品的用量逐年增加，為了對(duì)這種產(chǎn)品的工藝質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，需要對(duì)LTCC模塊器件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析 （CA）和破壞性物理分析 （DPA）。分析的第一步就是要制作高清晰度的剖面，這也直接決定了分析質(zhì)量的高低和分析結(jié)果的判定。有學(xué)者采用過(guò)濾后的氧化鉻拋光液加肥皂水對(duì)試樣進(jìn)行拋光，以減少試樣表面的變形層，提高制樣質(zhì)量和制樣速度，避免了以往試驗(yàn)的重復(fù)性[5]。但這種方法沒(méi)有從根本上解決軟金屬剖面受到力的作用發(fā)生微變形的問(wèn)題，只是改善，不能解決。

1 傳統(tǒng)的LTCC產(chǎn)品剖面制樣方法

下面以某LTCC濾波器產(chǎn)品為例來(lái)介紹傳統(tǒng)LTCC產(chǎn)品剖面制樣的制備方法，LTCC濾波器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，LTCC濾波器通孔包括：陶瓷、陶瓷間金屬化層及通孔內(nèi)的漿料等。

為了分析LTCC濾波器通孔內(nèi)部工藝質(zhì)量，需要將LTCC濾波器的通孔部位制成剖面制樣，然后在顯微鏡下觀察制樣的剖面，以分析內(nèi)部工藝及過(guò)程控制質(zhì)量?，F(xiàn)有技術(shù)中的剖面制樣制備方法的流程圖如圖2所示。

圖1 LTCC濾波器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 傳統(tǒng)剖面制樣制備方法的流程圖

以下結(jié)合圖2，以LTCC濾波器為試驗(yàn)樣品，進(jìn)行LTCC濾波器通孔剖面制樣的制作。

將通過(guò)上述方法制成的剖面制樣放在顯微鏡下觀察其制樣剖面，LTCC濾波器剖面制樣在顯微鏡下觀察到的剖面照片如圖3所示。

圖3 LTCC濾波器剖面制樣照片

從圖3中可以看出，利用現(xiàn)有技術(shù)得到的剖面制樣可以大致看到LTCC濾波器通孔多層結(jié)構(gòu)。但其缺點(diǎn)是：磨制出的剖面在顯微鏡下觀察時(shí)，由于Au金屬的延展性非常好，各層界面處已被延展的Au將缺陷覆蓋，導(dǎo)致各層的界面形貌難以觀察，各層材料的分界線不夠清晰，很難判斷LTCC層壓與漿料灌注工藝的好壞，以及過(guò)程控制質(zhì)量。

2 新的制樣方法及其試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的對(duì)LTCC濾波器通孔進(jìn)行剖面制樣分析時(shí)，由于Au的延展性導(dǎo)致缺陷被掩蓋的問(wèn)題，筆者提出一種新的制樣方法，試驗(yàn)步驟如圖4所示。

圖4 新的LTCC樣品剖面制樣制作方法的流程圖

參見(jiàn)圖4，以LTCC濾波器剖面制樣為例，新的制樣方法的試驗(yàn)步驟由樣品固定階段、試樣磨拋階段和試樣腐蝕階段配合完成。

2.1 樣品固定階段的步驟

a）步驟1：準(zhǔn)備待制樣LTCC濾波器樣品、模具 （鑲嵌樣品的容器）、脫模劑、環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑、鹽酸和硝酸、玻璃棒、酒精棉球等。

b）步驟2：將準(zhǔn)備好的脫模劑涂抹于模具內(nèi)表面。

c）步驟3：將LTCC樣品放置在模具內(nèi)，根據(jù)磨拋的位置固定樣品方向。

d）步驟4：將環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑按固定比例配置一定容量并攪拌均勻。環(huán)氧樹(shù)脂及固化劑可以選用STRUERS公司的EpoFix Kit型樹(shù)脂塑料。

e）步驟5：將環(huán)氧樹(shù)脂固化劑混合液澆注到模具內(nèi)，將LTCC樣品和模具間空隙填充。

f）步驟6：將澆注好的制樣放在真空容器內(nèi)抽真空，排除樹(shù)脂內(nèi)的氣泡。

g）步驟7：將抽完真空的試樣在室溫下放置6～8 h，使樹(shù)脂固化。

h）步驟8：將已固化的試樣從模具中取出準(zhǔn)備磨拋。

2.2 試樣磨拋階段的步驟

a）步驟1：將固化好的試樣在切割機(jī)上在其剖面制樣目標(biāo)位置附近切斷，并留一定的磨拋余量。

b）步驟2：將已切斷的試樣在磨拋機(jī)上用120號(hào)金剛砂紙加水粗磨至剖面制樣目標(biāo)位置附近。

c）步驟3：將粗磨過(guò)的試樣繼續(xù)在磨拋機(jī)上分別用 220、320、500、1000號(hào)金剛砂紙加水細(xì)磨，每號(hào)砂紙大約磨1 min。

d）步驟4：將經(jīng)過(guò)細(xì)磨的試樣放在拋光布上加適當(dāng)拋光液，對(duì)制樣剖面進(jìn)行拋光，時(shí)間約1.5 min，直至試樣剖面無(wú)劃痕，呈現(xiàn)鏡面特征，至此試樣磨拋階段結(jié)束。

2.3 試樣腐蝕階段的步驟

a）步驟1：將準(zhǔn)備的鹽酸和硝酸按照HCl：H3NO3=3：1的體積比配置成王水，并用玻璃棒攪拌均勻。

b）步驟2：用玻璃棒蘸少許腐蝕液導(dǎo)流至試樣剖面表面，腐蝕液應(yīng)覆蓋剖面金屬位置， 腐蝕 2～3 min。

c）步驟3：將腐蝕后的試樣剖面表面用去離子水清洗多次。

d）步驟4：將清洗后的試樣用酒精棉球按一定方向和力度 （擦拭方向和力度以將腐蝕產(chǎn)物擦除的同時(shí)又沒(méi)破壞剖面表面金相結(jié)構(gòu)為宜）擦拭制樣剖面的腐蝕殘留物，使其露出清晰的剖面表面，完成剖面制樣的制作。

將通過(guò)上述方法制作的剖面制樣放在顯微鏡下觀察其通孔剖面，以分析其層壓及澆注工藝及過(guò)程控制質(zhì)量。在顯微鏡下觀察時(shí)，顯微鏡的放大倍數(shù)在200～500倍之間，新舊方法分別制成的剖面制樣照片對(duì)比情況如圖5所示。

從圖5可以看出：采用新方法制作的LTCC濾波器通孔剖面制樣的界面缺陷非常清晰，采用舊方法制作的LTCC濾波器通孔剖面不夠清晰，缺陷被延展的Au覆蓋嚴(yán)重。

圖5 試驗(yàn)前后制樣照片對(duì)比圖

4 結(jié)論

新試驗(yàn)方法制作的LTCC濾波器通孔剖面制樣可以得到非常好的剖面清晰度，極大地提高了觀察和分析水平。既解決了離子束切割法成本高周期長(zhǎng)的問(wèn)題又解決了傳統(tǒng)磨拋法破壞剖面延展金屬原貌的問(wèn)題，降低了對(duì)剖面制樣精度要求很高時(shí)的試驗(yàn)成本，同時(shí)復(fù)雜度并沒(méi)有增加多少，提高了產(chǎn)品剖面清晰度并可暴露生產(chǎn)工藝缺陷，還原了產(chǎn)品工藝質(zhì)量。本方法對(duì)于LTCC產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析 （CA）和破壞性物理分析 （DPA）十分有用，可供相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員參考，而且本方法操作簡(jiǎn)捷，成本低，有很好的工程應(yīng)用推廣價(jià)值。

[1]MASLOWSKI A， SENKALSKI R， SHAHBAZI S.A new high-reliability ilver-compatible dielectric system with mixed-metalcapability[C]//Proc of the 1992 Int’1 Symp on Microelectronics.Atlanta： ISHM，1992：204-209.

[2]何小琦，馬鑫，章瑜.通過(guò)控制LTCC多層基板收縮率消除通孔與導(dǎo)帶間的開(kāi)路失效 [J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2002，20（3）：4-8.

[3]張長(zhǎng)鳳，郭繼華，賀志新.LTCC基板垂直互連失效模式分析及應(yīng)對(duì)措施 [C]//中國(guó)電子學(xué)會(huì)第十六屆電子元件學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.2010.

[4]汪繼芳，劉善喜.LTCC基板上薄膜多層布線工藝技術(shù)[J].電子與封裝，2010 （4）：28-31.

[5]衛(wèi)惠.軟金屬材料金相制樣方法 [J].理化檢驗(yàn)：物理分冊(cè)， 2002， 38 （1）： 30.