LTCC印刷工藝研究

郝鵬飛，景 灝

(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(jié)的流延陶瓷材料疊層在一起而制成的多層電路，內(nèi)有印制互聯(lián)導(dǎo)體、元件和電路，并將該結(jié)構(gòu)燒結(jié)成一個集成式陶瓷多層材料。LTCC技術(shù)以其集成密度高和高頻特性好等優(yōu)異的電學(xué)、機械、熱學(xué)及工藝特性，成為目前電子元件集成化的主流方式，廣泛應(yīng)用于電子、通訊、航空航天、汽車、計算機和醫(yī)療等領(lǐng)域[1]。

印刷工藝作為LTCC技術(shù)環(huán)節(jié)中的重要一環(huán)，最終的印刷效果直接決定了后續(xù)工藝的可行性及難易度?；谔岣哂∷⑿Ч囊?，研制了半自動對位印刷機。

1 LTCC流程介紹

在LTCC生產(chǎn)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?zé)Y(jié)等，具體的生產(chǎn)工藝流程如下圖1 所示。

圖1 LTCC工藝流程

2 設(shè)備和工藝

2.1 設(shè)備介紹

圖2為半自動印刷機。

圖2 半自動印刷機

半自動印刷機是一種用來往干燥后的生瓷片上印刷電路的設(shè)備，可以印刷線條，獨立模塊(電阻，電感)等電路元器件。設(shè)備主要包括以下幾個功能部件：1) 印刷機構(gòu)；2) CCD定位系統(tǒng)； 3) 工作臺機構(gòu)；4) UVW定位平臺機構(gòu)；5) 控制系統(tǒng)。

2.2 印刷工藝

LTCC基板每層上的電路圖形(包括導(dǎo)帶，電阻，電容，電感等無源器件)是通過印刷工藝來實現(xiàn)的。影響印刷圖形質(zhì)量的關(guān)鍵因素眾多，具體包括：絲網(wǎng)類型和目數(shù)、乳膠類型、印刷速率、刮板或輾輥的硬度和接觸角度、印刷壓力和絲網(wǎng)的變形量等，必須在生產(chǎn)過程中嚴加控制，才能達到印刷精度要求。

印刷工藝是LTCC整線環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵一步。印刷質(zhì)量的好壞直接決定了生瓷片是否可以使用。如果調(diào)不出合適的工藝參數(shù)就印刷，會導(dǎo)致印刷圖形不均勻，損壞網(wǎng)版等情況發(fā)生。所以，調(diào)出合適的印刷工藝參數(shù)至關(guān)重要。

由于影響印刷效果的因素眾多，本文在做印刷工藝實驗時主要針對漿料，網(wǎng)間距以及印刷壓力等參數(shù)來對比分析。

3 工藝問題分析以及解決方案

3.1 印刷劃破生瓷片的問題

實驗中使用特制的電阻漿料來印刷電阻，粘稠度、流動性良好。印刷時最初采用的是德國硬質(zhì)刮條并且刮條與印刷平臺呈90度關(guān)系，如圖3所示，在印刷的過程中經(jīng)常有生瓷片刮破的現(xiàn)象，通過調(diào)整刮條的角度以及調(diào)整夾具的方式，使其保持柔性狀態(tài)，這樣既降低了生瓷片刮破的現(xiàn)象，同時也使刮條在接觸生瓷片后成為一種自適應(yīng)的狀態(tài)，降低了調(diào)整刮條和平臺平行度的難度；并且將刮條的角度調(diào)整到一個75°的狀態(tài)，刮破生瓷片的問題也有了很大的改善。

圖3 刮條90度

3.2 漿料粘稠度不合適的問題

分別使用不同粘稠度的電阻漿料進行了印刷實驗，過程中發(fā)現(xiàn)：1) 當漿料粘稠度過于稀時，生瓷片上的孔無法被漿料填滿，孔周圍漿料的過稀導(dǎo)致了印刷缺失，印不上電阻，如圖4(a)；2) 當漿料粘稠度過于稠時，即使把印刷壓力調(diào)到最大300N，網(wǎng)間距調(diào)到合適的位置，也無法將漿料印刷到生瓷片上，并且漿料粘稠容易堵塞印刷網(wǎng)版；3) 當漿料粘稠度適中時，印刷在生瓷片上的電阻不會缺失，并且漿料也不會堵塞網(wǎng)版，這時候的漿料粘稠度就是合適的,如圖4(b)。通過以上對比發(fā)現(xiàn)，在生瓷片上印刷電阻時，漿料的粘稠度對印刷效果的影響很大，需要通過配比調(diào)出合適的粘稠度。

圖4 粘稠度對比結(jié)果

3.3 網(wǎng)間距不合適的問題

在刮條角度以及漿料粘稠度合適的情況下，印刷工藝的好壞主要由可量化的工藝參數(shù)決定，其中，網(wǎng)版下平面到印刷平臺的距離(網(wǎng)間距)對印刷質(zhì)量的好壞起到了決定性的作用。在具體印刷過程中發(fā)現(xiàn)：在保證印刷壓力不變的情況下，網(wǎng)間距過大時(>3 mm)，網(wǎng)版承受的張力會變大，存在撕裂的風(fēng)險；網(wǎng)間距過小時(<0.5 mm)，會出現(xiàn)生瓷片上漿料外溢的情況，如圖5(a)所示。通過實驗，調(diào)整到合適的印刷網(wǎng)間距工藝參數(shù)(1 mm)，印刷效果如圖5(b)所示。

圖5 網(wǎng)間距對比結(jié)果

3.4 印刷壓力不合適的問題

在印刷實驗過程中發(fā)現(xiàn)，印刷壓力的大小也會對印刷效果產(chǎn)生影響。當印刷壓力過大(>250N)時，生瓷片上的印刷電阻會出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象，產(chǎn)生距離偏差，如圖6(a)所示；當印刷壓力過小(<50N)時，印刷的電阻不清晰；只有設(shè)置好合適的印刷壓力(實驗中設(shè)置的180N)，生瓷片上才會印刷上完整清晰的電阻。實驗對比如圖6(b)所示。

圖6 印刷壓力對比結(jié)果

4 調(diào)整參數(shù)后印刷效果以及實驗數(shù)據(jù)

4.1 印刷效果

當刮條角度合適，電阻漿料粘稠度合適時，設(shè)置好合適的網(wǎng)間距參數(shù)，以及印刷壓力參數(shù)，印刷效果如圖7所示。

可以看出，印刷的電阻清晰，線條完整，沒有缺失，驗證了印刷電阻工藝的可行性。

圖7 高分辨率顯微鏡下局部印刷電阻

4.2 印刷電阻的數(shù)據(jù)分析

表1所示測量數(shù)據(jù)是基于圖8的四個區(qū)域，分別在每個區(qū)域隨機找了10個點用激光測厚儀進行測量。

圖8 生瓷片圖形示意圖

從表1測量數(shù)據(jù)可以看出，電阻厚度基本上在-20～-80μm左右，而且整張生瓷片四個區(qū)域的一致性也比較好。

表1 測量數(shù)據(jù)(單位：μm)

由此得出結(jié)論，在調(diào)整出合適的印刷參數(shù)的情況下，印刷電阻效果良好。

5 結(jié)論

本文基于新研發(fā)的半自動印刷機，就印刷工藝過程中遇到的生瓷片破損、漿料粘稠度、印刷溢出、印刷拖尾等問題進行了一一分析，并提出了相應(yīng)的解決方案，目前設(shè)備已經(jīng)處于正常運行的狀態(tài)。但是，半自動印刷機印刷出的電阻厚度浮動范圍還是比較大，需要進一步通過實驗來優(yōu)化合格率。