LTCC基板激光外形切割研究

喬 璐，李 俊，楊興宇

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所 微組裝中心,山西 太原 030024)

0 前言

低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics，LTCC)是首先進(jìn)行對(duì)生瓷進(jìn)行沖孔，然后將層間互連金屬化，并在生瓷表面印刷導(dǎo)體漿料、電阻漿料的電路圖形，通過疊片以及等靜壓的方式壓成陶瓷生坯后，在最高溫度為800 ℃～950 ℃的低溫環(huán)境中共同燒結(jié)，形成內(nèi)部多層互連陶瓷基板的一種技術(shù)。與其他材料如FR-4等制作的PCB電路板比較，陶瓷基板具有介電常數(shù)K較小的優(yōu)點(diǎn)，在0～100 GHz的范圍內(nèi)介電常數(shù)的波動(dòng)不會(huì)超過±0.2，穩(wěn)定性優(yōu)異的高頻特性，使信號(hào)傳輸損耗低、速度快。另外，LTCC具有優(yōu)良的熱膨脹系數(shù)，接近硅和砷化鎵；LTCC技術(shù)還可以高密度集成，通過內(nèi)置無源器件，外面在腔體內(nèi)貼裝芯片，提高器件的組裝密度[1]。

圖1 LTCC基板生產(chǎn)基本流程

目前LTCC技術(shù)已被普遍應(yīng)用于雷達(dá)探測(cè)、航電系統(tǒng)、武器導(dǎo)引頭、衛(wèi)星空間站等領(lǐng)域。通常情況下，LTCC是在尺寸為203mm生瓷上同時(shí)生產(chǎn)若干個(gè)相同的電路單元，所以基板完成燒結(jié)后需要進(jìn)行外形切割。外形切割基本上是LTCC生產(chǎn)流程的最后工序，其切割質(zhì)量和效率直接決定著LTCC基板的成品率和產(chǎn)量。

由于LTCC基板材料是由共價(jià)鍵、離子鍵或兩種化學(xué)鍵結(jié)合的物質(zhì)。在常溫下，對(duì)外界剪切力的應(yīng)變很小，且相對(duì)于其他材料，LTCC基板材料硬度比較高；并且LTCC晶體離子間由化學(xué)鍵結(jié)合而成，化學(xué)鍵具有方向性，原子堆積密度低，原子間距離大，抗拉力或沖擊力的能力很低，脆性較大。因此，LTCC基板材料的高硬度及脆性使其可加工性很差，難以抵抗比較集中的應(yīng)力。容易造成碎裂或者崩邊等現(xiàn)象[2]。

LTCC基板切割一般有機(jī)械砂輪切割和激光切割兩種。機(jī)械砂輪切割采用高速轉(zhuǎn)動(dòng)的樹脂刀片對(duì)基板進(jìn)行切割加工。砂輪切割的優(yōu)點(diǎn)在于切割邊緣外觀良好，無殘余應(yīng)力，且切割精度相對(duì)較高。但是由于基板硬度高，樹脂刀片轉(zhuǎn)速高，刀片磨損較快，零備件消耗比較大；再者由于是接觸加工，LTCC基板在切割過程中邊緣很容易破裂，致使合格率降低。另外，砂輪切割只能進(jìn)行直線劃切，異型基板加工較為受限，加工靈活性較差，影響了切割效率。激光切割具有的單色性好、方向性好、相干性好和高亮度的特征，理論上可以加工任何高硬度高致密的物質(zhì)。并且加工過程中采用非接觸式的切割方式，不存在刀具磨損，可以進(jìn)行任意形狀的異性切割。但激光加工過程十分復(fù)雜，激光功率小，切割效率很低；大功率激光加工的熱效應(yīng)明顯，存在著崩邊裂紋和玻璃熔渣附著的問題。

本文中的切割試驗(yàn)采用的是大族激光的150W的CO2激光切割設(shè)備，針對(duì)Ferro A6M LTCC基板進(jìn)行激光切割工藝研究，通過調(diào)整激光工藝參數(shù)，分析工藝參數(shù)對(duì)LTCC基板切割寬度、裂紋以及玻璃熔渣的影響規(guī)律，對(duì)LTCC基板外形切割質(zhì)量的提升具有一定的幫助作用。

1 基板切割質(zhì)量分析

1.1 裂紋

一般在進(jìn)行激光切割時(shí)，激光能量施加在材料表面使其發(fā)生氣化或熔化并被去除形成切縫，完成切割。然而由于陶瓷材料自身較高的熱膨脹系數(shù)與相對(duì)較低的熱導(dǎo)率等特點(diǎn)，使其內(nèi)部化學(xué)鍵斷裂。因此在使用激光對(duì)陶瓷基板進(jìn)行加工時(shí)，會(huì)由于材料局部區(qū)域較大的熱應(yīng)力導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，影響切割質(zhì)量。

1.2 玻璃熔渣

在對(duì)陶瓷基板的激光切割中，陶瓷基板被激光加熱至熔融狀態(tài)，然后在輔吹氣體的作用下，熔融態(tài)的材料就很容易在基片下表面冷卻并且黏附凝固形成熔渣。在進(jìn)行邊緣玻璃熔渣清理過程中，銼刀剪切力會(huì)對(duì)基板結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，形成崩邊。如何有效去除玻璃熔渣，成為切割質(zhì)量的一個(gè)難點(diǎn)。

2 切割實(shí)驗(yàn)

影響激光切割質(zhì)量的主要有切割速度、脈沖頻率、空占比等工藝參數(shù)。通過研究激光切割理論，參考以往切割經(jīng)驗(yàn)，本文運(yùn)用控制變量法，設(shè)計(jì)了一系列切割實(shí)驗(yàn)。通過理論分析與切割效果比對(duì)，得到最優(yōu)的切割參數(shù)。

2.1 切割速度影響

切割速度決定著激光對(duì)陶瓷基板表面作用的時(shí)間變化，在單位面積上施加的激光能量發(fā)生改變。單位時(shí)間內(nèi)，激光能量作用時(shí)間減少，基板獲得能量密度減少導(dǎo)致材料受熱后氣化或者融化物質(zhì)減少，切縫變窄。減小切割速度，會(huì)導(dǎo)致激光能量在材料表面停留時(shí)間過長，單位時(shí)間內(nèi)獲得的能量增加，熱效應(yīng)變大，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。

圖2 空占比30%，頻率10 kHz，速度分別為1 mm/s(上左)，2 mm/s(上右)，3 mm/s(下左)和4 mm/s(下右)效果對(duì)比

通過實(shí)際切割效果比對(duì)可以看出，保持空占比和重復(fù)頻率參數(shù)不變，切割速度越大，切割面的粗糙程度越低，當(dāng)切割速度為4mm/s時(shí)，裂紋發(fā)生較少，且向內(nèi)延伸較小，切割效果相對(duì)較好。

2.2 重復(fù)頻率影響

激光是切割加工能量的主要來源，功率大小將直接影響切割時(shí)的能量密度。在脈寬和頻率一定時(shí)，提高輸出功率能增大激光束功率密度，較高的功率密度能使加工過程中的切割縫寬及深度增大。

隨著脈沖頻率的增加，切縫寬度與表面粗糙度值均呈減小的趨勢(shì)。由單脈沖能量E與輸出功率P、脈沖頻率f的關(guān)系(E=P/f)可知，隨著脈沖頻率的增加，單脈沖能量減小，光斑重疊度將增大，這對(duì)切割表面質(zhì)量的提高和裂紋的減少起著關(guān)鍵作用。

圖3 空占比30%，速度4 mm/s，頻率分別為20 kHz(上左)，25 kHz(上右)，30 kHz(下左)，35 kHz(下右)時(shí)的效果對(duì)比

通過調(diào)整脈沖頻率，多次試切效果對(duì)比，可以看出，當(dāng)脈沖頻率較低時(shí)，切縫寬度增加，而且切縫邊緣平整度較差;當(dāng)脈沖頻率較高時(shí)，切縫邊緣的裂紋延伸效果較差。綜合上述，選取30 kHz時(shí)，切割效果相對(duì)較好。

2.3 激光空占比影響

空占比指的是激光一個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間與激光脈沖周期的比值?？照急鹊拇笮∮绊懠す庾饔眠^程中的平均功率。

圖4 空占比分別為20%(上左)，30%(上右)，40%(下左)，50%(下右)，頻率10 kHz，速度4 mm/s效果對(duì)比

通過調(diào)整脈沖空占比，多次試切效果對(duì)比，可以看出，隨著空占比的增加，劃線寬度是一個(gè)先增大、后減小又增大的過程，而劃線深度則是一個(gè)增大又減小的過程。綜合上述，選取30 kHz時(shí)，切割效果相對(duì)較好。

3 熔渣去除

玻璃熔渣去除一直是影響激光切割質(zhì)量的一個(gè)重要因素。一般的熔渣去除采用的是銼刀手工打磨的辦法。但是手工辦法的缺點(diǎn)就是對(duì)銼刀打磨角度和力度的要求較高，而且當(dāng)遇到較大的玻璃熔渣時(shí)，去除附著熔渣的剪切力較大，由于此時(shí)基板周邊陶瓷的化學(xué)鍵可能已經(jīng)斷裂，打磨時(shí)很可能造成崩邊。

通過觀察發(fā)現(xiàn)，玻璃熔渣一般都附著在基板的下表面，如圖5所示。因此想到采用在待切割基板下面附加陶瓷基板來實(shí)現(xiàn)玻璃熔渣的轉(zhuǎn)移。

和陶瓷基板材料完全相同的材料，熱性能完全相同，可以保證熔渣凝固在附層上，因?yàn)槭峭|(zhì)材料，也不用擔(dān)心會(huì)污染基板。

圖5 熔渣引起的崩邊(左)以及有效去除后基板外觀(右)

4 結(jié)論

通過實(shí)際生產(chǎn)試切，對(duì)比切割效果，可以得出當(dāng)激光參數(shù)設(shè)置為空占比30%，頻率10 kHz，速度4 mm/s，裂紋控制效果相對(duì)好一些，基本符合交付要求。切割后基板背面熔渣去除可以在下切面貼同質(zhì)基板做保護(hù)，可以有效降低玻璃熔渣在背面附著。