淺談LTCC工藝及設(shè)備的發(fā)展

呂琴紅，喬海靈

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

淺談LTCC工藝及設(shè)備的發(fā)展

呂琴紅，喬海靈

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)作為一種新興的集成封裝技術(shù)，已成為無源集成的主流技術(shù)，在微電子封裝陶瓷基板領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)用，并隨著陶瓷基板集成度的不斷提高，對工藝和設(shè)備的要求也在發(fā)生變化。本文就多個關(guān)鍵工序中工藝和設(shè)備的發(fā)展趨勢進(jìn)行了研究，并提出了一些工藝難點(diǎn)的解決辦法。

低溫共燒陶瓷；LTCC工藝；LTCC設(shè)備

近年來，LTCC作為一種先進(jìn)的集成技術(shù)，在軍用和民用領(lǐng)域逐漸得到廣泛應(yīng)用，隨著LTCC功能模塊的集成度越來越高，LTCC工藝也在逐步的改進(jìn)。國內(nèi)多家研究所設(shè)備不同，采用的工藝各不相同，如圖1所示，三種不同的工藝流程，與之對應(yīng)的是三種不同的工藝設(shè)備。

圖1 LTCC工藝流程

LTCC技術(shù)在國內(nèi)經(jīng)過了十幾年的發(fā)展，早期從實(shí)驗(yàn)室開始，多個工藝手工完成，逐步發(fā)展為半自動設(shè)備，部分手工操作由設(shè)備代替；目前各個工藝開始向自動化操作轉(zhuǎn)移，由于人工成本的不斷增加，而且手工操作對生瓷片的精度有影響、一致性差，越來越多的公司院所開始向全自動生產(chǎn)線發(fā)展，同時由于產(chǎn)能的擴(kuò)大，設(shè)備也逐漸向高精度、高效率、多功能、自動化方向發(fā)展。

本文將主要介紹LTCC工藝線上主要工藝及相應(yīng)設(shè)備的發(fā)展。

1 切片

國內(nèi)早期的LTCC工藝線上，切片機(jī)不是必需的設(shè)備，切片主要由操作工手工完成，或者直接買來對應(yīng)尺寸生瓷片。近幾年，切片機(jī)不斷成為各條生產(chǎn)線不可或缺的設(shè)備，主要原因?yàn)椋寒a(chǎn)能的不斷擴(kuò)大；全自動沖孔機(jī)要求生瓷片的一致性越來越高；配套流延設(shè)備的用戶越來越多。

切片工藝需要注意的幾點(diǎn)：送料過程中除靜電；切片后的生瓷片邊緣碎屑的清理。

2 沖孔

沖孔是LTCC生產(chǎn)線上最關(guān)鍵的工藝，對應(yīng)設(shè)備沖孔機(jī)也是最重要的設(shè)備。目前有兩種沖孔方式，機(jī)械沖孔原理如圖2所示，激光沖孔原理如圖3所示，兩種模式的具體區(qū)別如表1，雖然機(jī)械沖孔相對激光沖孔速度慢，但由于機(jī)械沖孔后孔的形狀好并且更適應(yīng)后道填孔印刷工序，所以機(jī)械沖孔是各用戶主要采用的沖孔方式。上世紀(jì)90年代國內(nèi)各軍工院所第一代的沖孔機(jī)均是帶框沖孔，即生瓷片通過膠帶固定在一個金屬框上沖孔，而且這種方式一直沿至今。本世紀(jì)初，第二代LTCC工藝設(shè)備出現(xiàn)，主要表現(xiàn)為沖孔機(jī)的沖孔方式的改變，由過去的帶金屬框改為了直接真空吸附生瓷片沖孔，省去了貼金屬框和取金屬框的工序。

近兩年，隨著無源集成組件的集成度增加，結(jié)構(gòu)更加小型化復(fù)雜化，LTCC基板中腔體密度越來越大，腔體形狀發(fā)展到包括通腔、盲腔和階梯腔等不同類型，一種新的工藝方式應(yīng)運(yùn)而生—無框無膜工藝，以Ferro公司A6-M系生瓷片制做的組件為例，該型號生瓷片沖孔前先撕掉PET膜，讓生瓷片的變形量自然釋放，沖孔時機(jī)械手直接吸附生瓷片，沖孔機(jī)完成定位孔、工藝孔、導(dǎo)電孔以及各種腔體的沖制，沖孔后再貼一層PET膜，所貼的PET膜粘性小于撕掉PET膜的粘性，方便在疊片時再次撕膜。這種工藝的優(yōu)越性：沖孔前撕膜，變形提前完成，收縮率容易控制；可一次性將所有孔及腔體沖制完成，孔位置精度高；沖孔后貼膜填孔效果好；沖孔后貼膜印刷，避免多腔體生瓷片印刷后粘在網(wǎng)版上。

圖2 機(jī)械沖孔 圖3 激光沖孔

表1 沖孔方式對比

無框無膜工藝的發(fā)展，使撕膜機(jī)和貼膜機(jī)成為LTCC工藝線上不可或缺的設(shè)備。為了適應(yīng)這種工藝，沖孔機(jī)也在局部結(jié)構(gòu)上有所變化，在自動上下料的過程中，為方便不帶PET膜的生瓷片的取放，在上料盒中，相鄰兩層生瓷片中均由一張白紙隔開，并由不同的光電開關(guān)檢測紙與生瓷片，這種方法同時避免了真空吸附機(jī)械手一次吸兩片生瓷片的可能。

在LTCC工藝中，由于目前主要采用的生瓷片均為進(jìn)口的Dupont公司的PT951或Ferro公司A6-M，兩種生瓷片的厚度均在0.1 mm～0.2 mm之間，帶框和無框工藝相比差別甚微。值得一提的是，在HTCC工藝中，由于一些用戶的生瓷片較厚或太薄，如有的厚度達(dá)到0.7 mm(可由兩層疊壓到一起)，有的厚度薄到0.01 mm，這兩種情況下，均需采用帶框工藝沖孔，如采用無框工藝，厚的生瓷片因太重會在沖孔過程中掉下來，薄的生瓷片則由于易變形導(dǎo)致沖孔精度低。

3 填孔和印刷

填孔工藝目前有兩種設(shè)備：填孔機(jī)和印刷機(jī)。目前各家用戶所用到的填孔機(jī)均為手動或半自動設(shè)備，生產(chǎn)效率低，在量產(chǎn)生產(chǎn)線中一般用印刷方式完成填孔，印刷原理如圖4所示。

圖4 印刷原理圖

印刷機(jī)做填孔和印刷工藝時，生瓷片的離網(wǎng)距離和刮刀速度均不相同，具體參考如表2所示。普通產(chǎn)品印刷后需靜置5～10分鐘，目的是為了讓漿料充分流動，然后再進(jìn)行烘干，大面積的疊層印刷后需靜置1～2小時，再進(jìn)行干燥。如果一層生瓷片需印刷兩次以上，為了保證印刷精度，建議印刷幾次，沖孔時就完成相應(yīng)數(shù)量的定位孔，每次印刷使用其中一組定位孔。

表2 印刷填孔工藝條件

絲網(wǎng)是印刷的基礎(chǔ)。選擇適當(dāng)?shù)慕z網(wǎng)是一個不可缺少的環(huán)節(jié)。由于絲網(wǎng)印刷的適用范圍非常廣泛，所以與之有關(guān)的因素也就是多方面的。在選用絲網(wǎng)時，就要根據(jù)具體情況以及印刷要求，來選用不同的絲網(wǎng)，通常在選用絲網(wǎng)時可以從以下不同的角度去考慮。

1) 根據(jù)承印物的種類選用絲網(wǎng)。

2) 根據(jù)油墨性質(zhì)選用絲網(wǎng)，不同油墨有不同的適應(yīng)特性。

3) 根據(jù)絲網(wǎng)材質(zhì)和性能選用絲網(wǎng)，選用時要考慮絲網(wǎng)本身的材質(zhì)和物理性能，根據(jù)不同的性能選擇相應(yīng)的絲網(wǎng)。

4) 根據(jù)印刷要標(biāo)選用絲網(wǎng)，選用時要考慮印刷速度，印刷壓力，印版的耐印力，承印物吸收能力。

尼龍絲網(wǎng)是由化學(xué)合成纖維制作而成，屬于聚酰胺系。尼龍絲網(wǎng)具有很高的強(qiáng)度，耐磨性、耐化學(xué)藥品性、耐水性、彈性都比較好，由于絲徑均勻，表面光滑，故漿料的通過性也極好。其不足是尼龍絲網(wǎng)的拉伸性較大。這種絲網(wǎng)在繃網(wǎng)后的一段時間內(nèi)，張力有所降低，使絲網(wǎng)印版松弛，精度下降。因此，不適宜印制尺寸精度要求很高的線路板等。

不銹鋼絲網(wǎng)是由不銹鋼材料制作而成。不銹鋼絲網(wǎng)的特點(diǎn)是耐磨性好、強(qiáng)度高，技伸性?。挥捎诮z徑精細(xì)，漿料的通過性能穩(wěn)定，尺寸精度穩(wěn)定。其不足是彈性小，價格較貴，絲網(wǎng)伸張后，不能恢復(fù)原狀。不銹鋼絲網(wǎng)適于高精細(xì)的印刷。

印刷網(wǎng)版與生瓷片之間要留一定的間隙是由印刷所具有的特點(diǎn)決定的。印刷網(wǎng)版是以絲網(wǎng)為版基的，絲網(wǎng)被繃在網(wǎng)框上，當(dāng)絲網(wǎng)處在水平狀態(tài)時由于自重會出現(xiàn)一定的下垂。特別是在刮印過程中，下垂量還會增大，為了使生瓷片在刮印時不粘漿料從而保證印刷質(zhì)量，印刷網(wǎng)版的最低部分必須離開生瓷片。在印刷中，刮板與印刷網(wǎng)版是移動性線接觸，印刷網(wǎng)版與刮刀在刮印前和刮印后不能與生瓷片接觸，特別是印刷網(wǎng)版隨刮刀移動而離開承印物，如果印刷網(wǎng)版在印刷前始終不離開印刷部分，就會出現(xiàn)漿料繼續(xù)滲透并擴(kuò)散造成圖形線條尺寸擴(kuò)大，使得印刷尺寸精度下降，印刷圖形失真。

4 疊片

針對目前各用戶常用的Dupont公司的PT951或Ferro公司A6-M的生瓷片，對應(yīng)了兩種疊片機(jī)，BICINNI公司的疊片機(jī)采用了點(diǎn)加熱和點(diǎn)加壓的方式使相鄰兩層生瓷片疊在一起，但這種疊片原理不能滿足Ferro公司A6-M的生瓷片的要求。對于目前大量應(yīng)用A6-M生瓷片的用戶，除使用機(jī)械定位疊片外，多采用日本NIKKISO公司的疊片機(jī)，這種疊片機(jī)通過點(diǎn)膠使兩層生瓷片連接在一起。兩家公司設(shè)備價格都很昂貴，以下介紹一種簡單的手工疊片方式，可作為實(shí)驗(yàn)型或者產(chǎn)量不大的情況使用。

以6英寸陶瓷基板為例，可用一塊厚度為10 mm的不銹鋼板，如圖5所示，不銹鋼板上配套有對應(yīng)的定位銷孔，如圖6所示，在沖孔時，每層生瓷片均要沖出和不銹鋼板對應(yīng)位置的孔，疊片機(jī)先將定位銷插入不銹鋼板，然后依次小心將生瓷片按順序疊放在不銹鋼板上，生瓷片上的孔與定位銷穩(wěn)合，疊片后狀態(tài)示意如圖7所示。

圖5 不銹鋼板 圖6 定位銷 圖7 疊片后狀態(tài)示意

手動疊片僅實(shí)現(xiàn)生瓷片的對位，真正疊到一起需和溫等靜壓相結(jié)合，通過層壓使生瓷片疊成一個完整的坯體。

5 層壓

對于層壓工序而言，由于基板設(shè)計(jì)的層數(shù)、腔體的深度和種類逐漸增加，更重要的工作是腔體的填充和層壓前的包封，深腔和淺腔、通腔和盲腔以及階梯腔，填充方式各不相同，深腔可用道康寧膠或金屬填充物填充，淺腔基板可直接用一種硅膠皮包裹再用包封袋真空包裝。腔體種類形狀不一，具體填充還需根據(jù)實(shí)際情況來定。Dupont公司的PT951或Ferro公司A6-M的生瓷片層壓參數(shù)不同，可按表3參考。

表3 層壓參數(shù)參考

6 關(guān)鍵設(shè)備的發(fā)展

工藝的發(fā)展帶動設(shè)備的發(fā)展，目前國內(nèi)用戶LTCC生產(chǎn)線的設(shè)備選型趨于多元化，尤其近兩年，德國設(shè)備的進(jìn)入以及國產(chǎn)設(shè)備的發(fā)展，打破了日系設(shè)備占主導(dǎo)地位的局面。目前主要的幾大設(shè)備商見表4所示，用戶可按不同的工藝選擇不同的設(shè)備。

7 結(jié)束語

無論在軍用還是民用方面，LTCC技術(shù)正在以飛快的速度應(yīng)用在許多領(lǐng)域，在未來幾年中將需要大量的LTCC 生產(chǎn)線來滿足日益增長的產(chǎn)量要求，LTCC工藝也將不斷改進(jìn)以適應(yīng)無源模塊高密度集成和小型化的需求，同時工藝的變化也在促進(jìn)設(shè)備的日新月異。未來將會出現(xiàn)更先進(jìn)的工藝、更先進(jìn)的設(shè)備來滿足市場。

表4 關(guān)鍵設(shè)備廠商

[1] 鐘慧，張懷武.低溫共燒結(jié)陶瓷(LTCC)特點(diǎn)應(yīng)用及問題[J].磁性材料及器件,2003,34(4):33-35.

[2] 何中偉，王守政.LTCC基板與封裝的一體化制造[J].電子與封裝，2004,4(4):20-23.

Development of LTCC Technology and Equipment

Lv Qinhong, Qiao Hailing

(The2ndResearchInstituteofCETC，TaiyuanShanxi030024,China)

Low-temperature co-fired ceramic (LTCC) which is taken as a kind of integrated packaging technology has become the mainstream technology of passive integration and is widely used in the field of microelectronic packaging ceramic substrate, also with the constant improving of ceramic substrate integration, requirements for processes and equipment are also changing. The paper makes some research on the development trend of techniques and equipment in multiple key processes, and some solutions are put forward on the technological difficulties.

LTCC; LTCC process; LTCC equipment

2017-05-10

呂琴紅(1976- )，女，高級工程師，主要從事微組裝和LTCC工藝設(shè)備的研發(fā)。

1674- 4578(2017)03- 0094- 03

TN405

A