LTCC電路基板金層表面斑點(diǎn)問(wèn)題研究

陳曉勇，王 亮，王穎麟，賈少雄，李 俊

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，太原 030024）

封裝、組裝與測(cè)試

LTCC電路基板金層表面斑點(diǎn)問(wèn)題研究

陳曉勇，王 亮，王穎麟，賈少雄，李 俊

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，太原 030024）

針對(duì)LTCC電路基板金層表面斑點(diǎn)問(wèn)題開(kāi)展研究，觀察了LTCC電路基板表面斑點(diǎn)顯微形貌，對(duì)斑點(diǎn)組成成分進(jìn)行定性分析，推斷出LTCC電路基板表面斑點(diǎn)形成的原因。分別采用化學(xué)清洗和重?zé)ㄈコ灞砻姘唿c(diǎn)，對(duì)比了兩種方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定了一種去除斑點(diǎn)的有效方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：LTCC電路基板金層表面紅色斑點(diǎn)組成成分為Ag2S，采用重?zé)梢韵砻姘唿c(diǎn)，不損害基板性能，斑點(diǎn)消除區(qū)金層金絲鍵合強(qiáng)度沒(méi)有減弱并滿足國(guó)軍標(biāo)使用要求。建議通過(guò)加強(qiáng)印刷、燒結(jié)環(huán)節(jié)過(guò)程把控，以及采用真空或氮?dú)饷芊釲TCC基板的方式，有效減少金層斑點(diǎn)的形成。

LTCC基板；表面斑點(diǎn)；重?zé)?/p>

1 引言

LTCC技術(shù)作為一種先進(jìn)的微組裝技術(shù)，在航天、電子對(duì)抗、機(jī)載/艦載雷達(dá)、汽車?yán)走_(dá)等軍工和民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化、集成化、多功能以及高可靠性目標(biāo)較為理想的解決方案之一[1]。

LTCC電路基板是一類重要的封裝載體，可以利用LTCC3D-MCM=垂直互連實(shí)現(xiàn)微波模塊/組件的一體化封裝[2,3]。與局部混壓技術(shù)的微波印制線路板相比，LTCC電路基板具有明顯的優(yōu)勢(shì)。首先，LTCC電路基板高頻損耗相對(duì)穩(wěn)定，可以滿足K、Ka甚至更高頻段的使用需求，適合應(yīng)用于高頻段微波模塊領(lǐng)域；其次，LTCC材料導(dǎo)熱系數(shù)較高，再加上基板內(nèi)布滿Au、Ag等具有優(yōu)良導(dǎo)熱性能的實(shí)心金屬導(dǎo)熱孔，能夠滿足大功率器件對(duì)封裝基板導(dǎo)熱性能的嚴(yán)苛要求；再次，LTCC電路基板熱膨脹系數(shù)與Si、GaN 等半導(dǎo)體材料相匹配，有效避免因熱膨脹不匹配而引起的互連失效，提升模塊整體可靠性；不僅如此，LTCC電路基板可以最大限度地滿足電阻、電容、電感等無(wú)源器件的內(nèi)埋，靈活的加工方式為研制外形或腔體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的電路基板提供了更大的選擇空間，模塊/組件的封裝密度有了大幅度的提升。

在LTCC電路基板的生產(chǎn)研制過(guò)程中，特別是貯存一段時(shí)間后，基板表面常會(huì)出現(xiàn)紅色斑點(diǎn)等缺陷。除了暴露在外部的銀層存在這一現(xiàn)象，裸露在外表面的金層同樣會(huì)出現(xiàn)類似的情況。存在的紅色斑點(diǎn)會(huì)對(duì)后道組裝可靠性方面帶來(lái)潛在的質(zhì)量隱患。本文主要圍繞金層表面斑點(diǎn)展開(kāi)研究，分析表面斑點(diǎn)組成成分和形成原因，采用不同方法嘗試去除表面斑點(diǎn)，并對(duì)金層修復(fù)區(qū)域進(jìn)行金絲鍵合強(qiáng)度測(cè)試，確定一種有效去除表面斑點(diǎn)的方法。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 樣品制備

本試驗(yàn)采用FerroA6M型生瓷作為原料，選擇絲網(wǎng)印刷的方式在表層生瓷印刷金漿，內(nèi)層印刷銀漿，經(jīng)過(guò)LTCC基板加工工藝處理后得到一批試驗(yàn)樣品，LTCC加工工藝流程如圖1所示。

圖1 LTCC基板加工工藝流程

最后將檢測(cè)合格的樣品直接裝入樣品盒中，貯存一段時(shí)間后打開(kāi)包裝發(fā)現(xiàn)部分樣品表面存在紅色斑點(diǎn)。

2.2 測(cè)試及分析儀器

使用 Nikon SMZ-18型高倍顯微鏡觀察樣品表面斑點(diǎn)。采用日本電子公司JSM-7500型掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)表面斑點(diǎn)微觀形貌進(jìn)行表征，同時(shí)借助Oxford Instruments X-max 型X射線能譜儀 （EDS）對(duì)樣品表面微區(qū)進(jìn)行組成成分定性分析。使用中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所RSH-101型熱聲焊機(jī)完成樣品表面金層金絲鍵合，采用英國(guó)Dage公司series4000型拉力剪切力測(cè)試儀對(duì)金絲進(jìn)行破壞性鍵合拉力測(cè)試以檢驗(yàn)金層金絲鍵合性能。

3 結(jié)果與分析

3.1 形貌及成分表征

從表面帶有紅色斑點(diǎn)的樣品中隨機(jī)選取一件在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)表面斑點(diǎn)多數(shù)呈現(xiàn)淺紅色，部分區(qū)域?yàn)榘导t色，甚至出現(xiàn)深褐色，顏色從斑點(diǎn)中心向四周逐漸變淺，斑點(diǎn)形狀接近圓形，表面斑點(diǎn)在光學(xué)顯微鏡下的形貌如圖2（a）所示。

圖2 表面斑點(diǎn)在光學(xué)顯微鏡（a）和 SEM（b）下的形貌圖

采用SEM在500倍下對(duì)待測(cè)樣品表面微觀形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)樣品表面金層顆粒間存在大量孔洞，孔洞形狀以圓形為主，孔徑集中分布于3～10μm之間。表面大量孔洞的形成主要是由于在燒結(jié)排膠階段，生瓷與金屬漿料中有機(jī)添加劑發(fā)生分解在表面留下孔洞；在致密化階段，利用玻璃相的流動(dòng)性實(shí)現(xiàn)金屬顆粒與陶瓷顆粒之間的粘接，同時(shí)孔洞不斷縮小，待燒結(jié)階段結(jié)束后呈現(xiàn)如圖2（b）所示的微觀形貌。對(duì)斑點(diǎn)區(qū)域微觀形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域與周圍存在較大顏色差異，如圖3（a）所示。

圖3 斑點(diǎn)區(qū)域（a）和表面金層（b）微區(qū)EDS分析

為確定斑點(diǎn)組成成分，對(duì)斑點(diǎn)區(qū)域和正常金層區(qū)域分別進(jìn)行EDS微區(qū)成分掃描，掃描區(qū)域如圖3 （a）和 3（b）中矩形區(qū)域所示。圖4為微區(qū)EDS測(cè)試曲線，各組成元素及含量如表1所示。從EDS檢測(cè)結(jié)果可以得出，斑點(diǎn)區(qū)域除了金之外，還檢測(cè)到微量的S和Ag元素。在正常金層的檢測(cè)結(jié)果中，除檢測(cè)到金，還有LTCC陶瓷功能相元素Ca、Si、O，同時(shí)檢測(cè)到了微量的Ag和Fe。

圖4 斑點(diǎn)區(qū)域（a）和表面金層（b）微區(qū)DS能譜圖

通過(guò)多次對(duì)其他樣品表面斑點(diǎn)和金層進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果表明：斑點(diǎn)區(qū)域均有S和Ag元素的存在，而在正常金層上未檢測(cè)到S和Ag兩種元素同時(shí)存在的證據(jù)。Fe元素的存在很可能是由于砂輪切割環(huán)節(jié)冷卻水過(guò)濾不足引入的。所以，金層表面存在紅色斑點(diǎn)是由于表面殘留有微量的Ag和S元素，這兩種元素通過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成Ag2S紅色斑點(diǎn)，化學(xué)反應(yīng)方程式如式（1）所示。

表1 EDS組成元素分析

LTCC基板金層表面含有微量的 Ag元素很可能是在印刷環(huán)節(jié)引入的。比如絲網(wǎng)印刷時(shí)金層與銀層共用同一塊刮刀，交替印刷時(shí)刮刀未清洗干凈，使刮刀表面殘留銀粉隨金漿一起附著到生瓷表面；或者金、銀層印刷網(wǎng)版共用同一臺(tái)自動(dòng)化網(wǎng)版清洗機(jī)，溶液中的銀顆粒附著在網(wǎng)版表面，在隨后的印刷中金層漿料引入銀元素。在LTCC基板燒結(jié)排膠階段，生瓷當(dāng)中的大量有機(jī)物分解產(chǎn)生 H2S等氣體。由于燒結(jié)爐廢氣通過(guò)非密封管道抽走，所以有少量的 H2S等廢氣進(jìn)入到空氣當(dāng)中。燒結(jié)爐等其他大功率設(shè)備內(nèi)橡膠受熱發(fā)生硫化也會(huì)釋放出 H2S氣體。H2S氣體可以很容易接觸到未經(jīng)密封的LTCC基板表面，被表面殘留的銀吸附發(fā)生銀的硫化反應(yīng)，形成Ag2S紅色斑點(diǎn)。與此同時(shí)，基板表面印刷層的大量孔洞會(huì)促進(jìn) H2S的吸附，加速硫化反應(yīng)的進(jìn)程，使斑點(diǎn)面積擴(kuò)大、顏色加深。

3.2 解決措施

3.2.1 化學(xué)清洗法

為了去除金層表面的Ag2S，分別嘗試化學(xué)試劑清洗和重?zé)齼煞N方法。由于Ag2S化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于鹽酸，與稀硝酸發(fā)生反應(yīng)生成 AgNO3，所以很難選擇一種有效的化學(xué)試劑。本實(shí)驗(yàn)采用商業(yè)化貴金屬清洗劑（麥利魯?shù)禄瘜W(xué)有限公司生產(chǎn)）去除LTCC電路基板金層斑點(diǎn)。具體方法如下，用棉簽蘸取少量清洗劑反復(fù)擦拭斑點(diǎn)區(qū)域，待斑點(diǎn)顏色消失后用大量去離子水沖洗基板。該清洗劑的作用原理是通過(guò)發(fā)生氧化還原反應(yīng)將Ag2S還原為單質(zhì)銀。圖5為斑點(diǎn)區(qū)域經(jīng)清洗劑處理后的照片，左下角插圖為斑點(diǎn)清洗前的狀態(tài)，紅色橢圓標(biāo)識(shí)區(qū)域?yàn)榘唿c(diǎn)清洗后的照片，經(jīng)清洗劑處理后斑點(diǎn)顏色消失，呈現(xiàn)金層顏色。但與正常的生瓷表面相比，生瓷介質(zhì)表面存在白色顆粒狀粉末，用雕刻刀輕微按壓生瓷，表面留有清晰劃痕。這一現(xiàn)象表明，在清洗過(guò)程中，生瓷表面受到一定程度的腐蝕，特別是清洗不規(guī)則形狀腔體和深腔底部斑點(diǎn)時(shí)，棉棒擦拭較為困難，通過(guò)延長(zhǎng)清洗時(shí)間的方法會(huì)對(duì)生瓷造成進(jìn)一步的損傷，所以不建議采用化學(xué)清洗劑處理金層表面的斑點(diǎn)。

圖5 表面斑點(diǎn)經(jīng)清洗劑處理后的照片

3.2.2 重?zé)?/p>

與化學(xué)清洗相比，重?zé)ú僮鬏^為簡(jiǎn)單、方便，它是將帶有斑點(diǎn)的LTCC基板經(jīng)鏈?zhǔn)胶鬅隣t在 850℃下保溫 10min，完成Ag2S的高溫分解。圖6為斑點(diǎn)重?zé)昂蠊鈱W(xué)顯微鏡下的外觀對(duì)比圖。從圖中可以看出，LTCC基板在經(jīng)過(guò)高溫處理后，紅色斑點(diǎn)消失，恢復(fù)金層顏色。董兆文[4]等人研究了重?zé)龑?duì)LTCC基板性能的影響，結(jié)果表明，在850℃保溫10min的條件下，重?zé)龑?duì)Ferro A6M型LTCC基板性能影響較小，證明重?zé)ú粫?huì)對(duì)電路基板造成損害。圖7為重?zé)蟀唿c(diǎn)消失區(qū)域EDS能譜圖，檢測(cè)結(jié)果表明，Ag元素仍然存在，但未檢測(cè)到S元素，所以經(jīng)過(guò)重?zé)幕灞仨氝M(jìn)行真空密封或者放入氮?dú)夤裰斜４?，避免二次污染。由于電路基板在裝配調(diào)試后會(huì)進(jìn)行外殼真空密封，所以金層表面殘留的微量Ag元素不會(huì)影響電路基板的正常使用。

圖6 表面斑點(diǎn)處理前（a）、后（b）光學(xué)顯微鏡下的照片

圖7 重?zé)蟀唿c(diǎn)消失區(qū)域 EDS能譜圖

在正常金層和經(jīng)重?zé)幚淼陌唿c(diǎn)修復(fù)區(qū)域分別進(jìn)行金絲鍵合拉力試驗(yàn)，檢測(cè)金層金絲鍵合強(qiáng)度。金絲鍵合參數(shù)為，跨距（600±25）μm，弧高（200±25）μm。表2列出破壞性金絲鍵合拉力測(cè)試對(duì)比結(jié)果，兩組實(shí)驗(yàn)失效模式均為焊點(diǎn)1或焊點(diǎn)2頸部斷裂，未出現(xiàn)脫鍵情況。從測(cè)試數(shù)據(jù)可以得出，重?zé)蠼饘咏鸾z鍵合強(qiáng)度并沒(méi)有減弱，與正常金層情況接近，鍵合強(qiáng)度能夠滿足GJB548B-2005中 φ25μm金絲最小鍵合強(qiáng)度0.03N 的要求。

表2 φ25μm 金絲鍵合拉力測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)LTCC基板樣品金層表面斑點(diǎn)進(jìn)行顯微形貌觀察與成分測(cè)試，確定了斑點(diǎn)成分為Ag2S，并對(duì)Ag2S的形成原因進(jìn)行分析。對(duì)比化學(xué)清洗和重?zé)齼煞N實(shí)驗(yàn)方案結(jié)果后得出，化學(xué)清洗液會(huì)腐蝕生瓷介質(zhì)層，而重?zé)ú粫?huì)對(duì)LTCC電路基板造成損害，同時(shí)實(shí)現(xiàn)有效去除表層斑點(diǎn)的目的。通過(guò)對(duì)重?zé)蟀唿c(diǎn)消失區(qū)域進(jìn)行金絲鍵合拉力試驗(yàn)，拉力測(cè)試結(jié)果與正常金層相接近，均滿足GJB 548B-2005中的技術(shù)要求。對(duì)于LTCC電路基板，尤其是重?zé)幚磉^(guò)斑點(diǎn)的基板，建議進(jìn)行真空或氮?dú)饷芊獗４?。在LTCC絲網(wǎng)印刷環(huán)節(jié)，加強(qiáng)刮刀和網(wǎng)版的清洗工作，避免將銀顆粒引入到金層當(dāng)中。對(duì)燒結(jié)爐進(jìn)行隔離處理，防止燒結(jié)階段釋放出的有害氣體與基板直接接觸。通過(guò)采取上述3種措施可以有效防止LTCC電路基板表面斑點(diǎn)的形成。

[1]M T Sebastian,H Jantunen.Low lossdielectricmaterials forLTCCapplications:a review [J].International M aterials Reviews,2008,53(2)：57-90.

[2]董兆文,李建輝,沐方清.LTCC微波一體化封裝[J].電子與封裝,2010,10(5):1-6.

[3]李建輝,秦先海,董兆文,等.LTCC三維 MCM 技術(shù)研究[C].第十四屆全國(guó)混合集成電路學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2005：172-177.

[4]董兆文,李建輝.重?zé)龑?duì)LTCC基板性能的影響[C].中國(guó)電子學(xué)會(huì)第十五屆電子元件學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2008：127-133.

Research on the Surface Spots on the Gold Layer ofLTCCCircuit Substrates

CHEN Xiaoyong,WANG Liang,WANG Yinglin,JIA Shaoxiong,LIJun
（China Electronics Technology Group Corporation No.2 Research Institute,Taiyuan 030024,China）

In the paper,the surface spots on the gold layer ofLTCCsubstrates were studied deeply.The m icrotopography and composition of the surface spots was analyzed by scanning electron m icroscope and energy dispersive spectrom eter respectively.The reason why the surface spotswere formed on the gold layer ofLTCCsubstrateswas concluded reasonably.Both of chem ical reagents and refiringmethod were employed to elim inate the surface spots so as to find out the effective solution.The resultwas shown that the red color spotswere composed ofAg2Swhich can bew iped outeffectively by refiring rather than chemicalmethod.The gold bond strength of the cleaned areawasn'tweakened andmet the requirementsof themilitary standard.In order to avoid the formation of spots,itwasadvised to strengthen the controlof printing and sintering process and protect theLTCCsubstratesby vacuum ornitrogen seal.

LTCCsubstrates;the surfacespots;refiring

TN305.94

A

1681-1070 （2017） 03-0001-04

陳曉勇（1988—），男，山西呂梁人，碩士研究生，畢業(yè)于電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，現(xiàn)在中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所從事LTCC工藝技術(shù)研究。

2016-12-9