LTCC自動刮孔工藝研究

閆 瑛，王增琴

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) 是一種將未燒結的流延陶瓷材料疊層在一起而制成的多層電路，內有印制互聯導體、元件和電路，并將該結構燒結成一個集成式陶瓷多層材料。LTCC技術以其集成密度高和高頻特性好等優(yōu)異的電學、機械、熱學及工藝特性，成為目前電子元件集成化的主流方式，廣泛應用于電子、通訊、航空航天、汽車、計算機和醫(yī)療等領域[1]。

目前，LTCC基板工藝加工中多采用手工刮孔的方式將凸起的孔刮掉，這樣比較費時費力，并且效率低，產品質量一致性較差，所以為了改善這種狀況，基于手工刮孔的經驗，研制了自動刮孔機。

1 LTCC流程介紹

在LTCC生產工藝過程中，主要包括打孔、微孔填充、整平、刮孔、印刷、疊片和高溫燒結等，具體的生產工藝流程如圖1所示。

圖1 LTCC工藝流程圖

2 設備和工藝

2.1 設備介紹

圖2為自動刮孔機。

圖2 自動刮孔機

自動刮孔機是一種用于將生瓷片上填充凸起的漿料刮平的設備，主要包括以下幾個功能部件：1) 在線傳輸;2)自動上下料;3) 吸盤;4) 刮片機構;5) 激光測距部件;6) 控制系統(tǒng);7) 漿料回收部件;8) 刀清潔部件。

2.2 刮孔工藝

根據圖1 LTCC工藝流程可以看出，刮孔是介于整平和印刷之間比較關鍵的一步。在填孔過程中，通過鋼網印刷技術對生瓷片進行通孔填充，因為鋼網厚度存在的原因，填充的漿料會有凸起，如圖3所示，凸起的漿料對后續(xù)的電氣互連及LTCC基板物理特性有影響。同時，凸起的高度對后期的印刷以及多層疊壓的結果也都有一定的影響，所以需要通過一定方式將生瓷片上凸起的漿料進行去除，并且去除之后孔的高度需要達到實際工藝要求。目前研發(fā)的這臺設備基于手動刮孔經驗，使用刮刀將漿料去除。

圖3 填孔后狀態(tài)

3 工藝問題分析以及解決方案

1) 生瓷片刮破的問題

最初采用的是鎢鋼刀并且刀是90°的一個狀態(tài)，刮的過程中經常有生瓷片刮破的現象，通過調整刀的角度以及調整夾刀的方式，同時頂刀方式改用彈簧，使其保持柔性狀態(tài)，這樣既降低了生瓷片刮破的現象，同時也使刀在接觸生瓷片后成為一種自適應的狀態(tài)，降低了調整刀和平臺平行度的難度；并且將刀的角度調整到一個75°的狀態(tài)，刮破的問題也有了很大的改善。

2) 部分漿料刮一次效果不好

實驗中，一共對填有銀漿、金漿、混合漿三種漿料的生瓷片進行了實驗，過程中發(fā)現往往銀漿刮一次就可以滿足要求，而金漿和混合漿都需要刮多次才能滿足要求，通過多次實驗，發(fā)現是因為在調制三種漿料過程中加入的材料成分比例不一引起互相之間粘性有一定的差異，針對這種情況分別對不同漿料的片子制定了對應的刮孔程序，金漿和混合漿采用多次刮，下降高度逐次增加的方式有效地解決了這個問題。

3) 刮完生瓷片靜電大

對刮完的生瓷片測試發(fā)現，無論生瓷片表面還是底部都有很大的靜電，分析生瓷片表面有靜電原因是在刮孔過程中由于鎢鋼刀自身材料的問題引起的，而底部是因為在機械手抓取起來的瞬間產生了靜電。通過各種嘗試，在多孔石兩旁分別加裝了除靜電裝置，在抓取片子的過程中持續(xù)吹片，有效地緩解了這個問題。而針對生瓷片表面靜電，經過嘗試多種不同材料的刀，最后選擇用陶瓷刀來替換鎢鋼刀從根本上解決了靜電的這個問題。

4) 部分漿料刮完有拖尾現象

在刮孔的過程中發(fā)現，刮完之后生瓷片上比較臟，難清理，有比較嚴重的拖尾現象，如圖4所示。多次實驗進行對比后，發(fā)現是由兩個原因引起的：1) 多次刮孔過程中刀未及時清潔；2) 多次刮孔過程中生瓷片上未進行清潔。所以在設備原有功能基礎上增加了吸廢料和清潔刀的結構，在刮孔過程中實時地將刮下來的料吸到廢料瓶，并且在每次刮完后將刀進行清理。

圖4 初期刮完銀漿的效果

4 刮孔前后對比圖以及實驗數據

4.1 刮孔前后的對比圖

圖5 刮孔前后的對比圖

4.2 針對八寸圖形檢測的數據分析

圖6 八寸圖形示意圖

表1所示測量數據是基于圖6的四個區(qū)域，分別在每個區(qū)域隨機找了20個點用激光測厚儀進行測量。

從表1測量數據可以看出，刮孔后高度基本上在-1～-8 μm左右，而且整張生瓷片四個區(qū)域的一致性也比較好；生瓷片表面的潔凈度也有了很大的改善，基本上能夠滿足客戶的使用要求。

5 結論

本文基于新研發(fā)的自動刮孔機，就刮孔工藝過程中遇到的生瓷片破損、靜電、清潔、拖尾等問題進行了一一分析，并提出了相應的解決方案，目前設備已經處于正常運行的狀態(tài)。但是，自動刮完生瓷片的潔凈度和手動刮孔仍有一定差距，生瓷片的潔凈度對后道工序的效果會有很大的影響，所以需要進一步通過實驗，優(yōu)化設備結構來提升刮完后生瓷片的潔凈度。

[1] 王睿,悅輝,周濟，等.LTCC層壓工藝與設備[J].封裝技術與設備,2012,213(1):24-26.