高壓力微孔填充工藝技術研究

王 慧

( 中國電子科技集團公司第四十五研究所， 北京100176)

LTCC/HTCC 多層基板是由印有導電帶圖形和含有互連通孔的多層陶瓷片相疊燒結(jié)而成的一種互連結(jié)構(gòu)。采用LTCC/HTCC 多層基板的封裝形式，在組裝密度(封裝效率)、信號傳輸速度、電性能以及可靠性等方面獨具優(yōu)勢，是實現(xiàn)整機小型化、多功能化、高可靠、高性能的有效途徑之一。LTCC/HTCC 多層基板通孔互聯(lián)是通過微孔填充的方法形成。主要是對打孔后的生瓷帶通孔進行金屬漿料填充，達到電氣互聯(lián)導通目的。

隨著LTCC/HTCC 組件制造工藝技術的發(fā)展，在微孔填充工藝環(huán)節(jié)中，主流填充工藝表現(xiàn)在以下4個方面：

（1）填充孔徑變小。在LTCC/HTCC 基板制造工藝發(fā)展早期，主流工藝中LTCC 組件微孔填充的孔徑大小都在φ150 μm，而目前主流工藝微孔填充大小在φ100 μm 以內(nèi)，孔徑變得越來越小。

（2）空心填孔。隨著LTCC/HTCC 組件制造工藝種類的增加，空心填孔方式的出現(xiàn)，加之常規(guī)實心填充方式，使得填孔工藝更趨復雜化。

（3）填孔方式轉(zhuǎn)變。受空心孔填充、填孔質(zhì)量等影響，以往采用的擠壓填充方式已經(jīng)不適應新工藝發(fā)展需求。主流填孔工藝已經(jīng)由擠壓式填充轉(zhuǎn)變?yōu)橛∷⑻畛洹?/p>

在印刷法填充工藝中應用較多的金屬掩膜印刷填充法。采用金屬掩膜印刷方法的微孔填充工藝需要定制金屬掩膜板（不銹鋼），該工藝方法適合批量生產(chǎn)，當填充漿料黏度較大時，去膜后的通孔填充形狀如圖1 所示。

圖1 金屬掩膜板填充法示意圖

（4）高壓力填孔需求。在民用HTCC 元器件制造過程中填孔壓力根據(jù)漿料的種類和基板厚度不同，所需壓力也不相同。目前常規(guī)0.127 mm 厚度的基板在填充高黏度(銀漿黏度在2800 Pa·s 以上)漿料時，需要的填孔壓力在200 N 以下，而隨著基板厚度增加，孔深與孔徑比值不斷加大（大于1.2），漿料黏稠度變大（鎢漿黏度10000 Pa·s），就需要較高的填孔壓力，因此要兼容不同厚度基板，并適應不同黏度的填充漿料，對設備研制提出了更高的要求。

1 微孔填充設備的發(fā)展趨勢

微孔填充機是LTCC 微組裝生產(chǎn)工藝過程中的核心設備，主要用于完成LTCC 基板上通孔互聯(lián)填充。傳統(tǒng)的擠壓式填充法不能滿足φ100 μm以下孔徑的填充，填充精度不高，填孔效率低，不適用空心微孔填充，易出現(xiàn)少填或過填、漿料污點、漿料浪費等現(xiàn)象，代表性的設備是美國PTC品牌擠壓填充機。

工藝發(fā)展趨勢牽引設備研發(fā)。經(jīng)過長期的工藝驗證，絲印填充方式是目前LTCC 器件生產(chǎn)廠家更傾向于嘗試的微孔填充方式。代表性的微孔填充設備是韓國的HSAVFP200 型自動微孔填充機。該設備采用印刷填孔方式，能適應最小φ100 μm 的微孔填充，填充效率較高，可在線填孔。

2 高壓力填孔工藝設備核心部件結(jié)構(gòu)設計

在主流微孔填充工藝設備中，填孔頭結(jié)構(gòu)是整個填孔設備的核心部件。填孔頭通過金屬掩膜板將漿料擠壓填充在LTCC 基板孔位中，填孔頭的壓力參數(shù)控制直接決定了填充圖形的質(zhì)量。在設計過程中既要實現(xiàn)高壓力輸出，又要實現(xiàn)填孔壓力的高精度控制功能。

2.1 填孔頭機械結(jié)構(gòu)設計

圖2 填孔頭結(jié)構(gòu)

填孔頭機構(gòu)設計為單向填孔裝置，采用φ63 mm大缸徑氣缸作為填孔壓力輸出的驅(qū)動，為適應大壓力下的實際工藝情況，填孔頭設計為全鋼材質(zhì)的高強度、高剛性結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。填孔流程：氣缸驅(qū)動填孔刮刀升降運動，驅(qū)動氣缸為φ63 mm缸徑的低摩擦氣缸，保證填孔大壓力輸出；導向機構(gòu)為導向光杠與直線軸承組成的運動副，機構(gòu)間的配合采用小間隙配合，保證填孔方向與填孔頭底板的垂直度，從而確保填孔刮刀與工作臺的平行度；氣缸活塞與氣缸壁之間精密研磨配合，最大程度上減小了摩擦阻力對氣缸壓力控制的影響；填孔刮刀抬升時，進行網(wǎng)框更換操作；填孔頭整體可繞翻轉(zhuǎn)軸手動翻轉(zhuǎn)，通過翻轉(zhuǎn)手板實現(xiàn)，方便刮刀的更換與漿料的整理。

在安裝過程中，因為要輸出較大的填孔壓力，必須保證氣缸裝置安裝平面與填孔運動方向完全正交，即保證氣缸安裝方向與工作臺平面的垂直度，這樣氣缸在壓力輸出時不會產(chǎn)生阻力，所以在安裝填孔頭時采用杠桿百分表輔助校正，可保證氣缸能夠全效大壓力輸出。

氣缸最大壓力輸出計算：

填孔壓力輸出最大時氣缸桿處于伸出狀態(tài)，伸出時氣缸受壓面積：31.2 cm2，工作壓力：0.4 MPa，則：

為保證壓力輸出在氣缸可靠運行范圍內(nèi)，最大壓力輸出范圍設置在0～1000 N。

2.2 填孔頭氣路設計

整個氣路由調(diào)壓閥、速度控制閥、氣缸、電磁閥、電氣比例調(diào)節(jié)閥組成。調(diào)壓閥是控制標準氣壓源（例如0.6 MPa）按照系統(tǒng)設計需要輸出特定的壓力（0.4 MPa）；氣缸的速度控制是通過調(diào)節(jié)速度控制閥的節(jié)流閥的開度實現(xiàn)的；電磁閥是控制氣缸運動回路的開關量；電氣比例閥是以電控方式實現(xiàn)對流量的節(jié)流控制，與電磁閥配合使用實現(xiàn)氣缸的輸出運動控制，氣路回路如圖3 所示。

圖3 填孔頭氣路控制圖

氣路工作原理：當氣缸工作在無壓力輸出狀態(tài)時，氣缸活塞在背壓作用下處于行程初始位置。氣路初始狀態(tài)：調(diào)壓閥、速度控制閥均已打開，電磁閥、電氣比例調(diào)節(jié)閥關閉；當有壓力輸出時，電磁閥打開，電氣比例調(diào)節(jié)閥按照輸出控制量控制節(jié)流閥輸出，氣缸活塞受力向下運動壓縮空氣形成壓力輸出。

2.3 填孔頭電氣控制設計

填孔壓力的精密控制是通過模擬電壓輸出控制氣缸比例調(diào)節(jié)閥的方式實現(xiàn)壓力輸出的精密控制。

控制模塊采用模擬量輸出模塊輸出控制電壓，電氣比例閥根據(jù)電壓值控制氣壓值，從而實現(xiàn)壓力的輸出控制。采用0～10 V 模擬電壓控制電氣比例調(diào)節(jié)閥，控制器采用16 位，因此最小輸出電壓為2-16V，即0.15 mV，比例閥最小響應值為2 mV，按所選比例閥的靈敏度計算，由于填孔頭最大輸出壓力為1000 N，可計算出理論壓力最小輸出值為0.2 N，即0.02 kg，完全可滿足精密填孔需求的調(diào)節(jié)當量（常規(guī)填孔壓力最小調(diào)節(jié)當量為0.1 kg）。

3 高壓力填孔工藝試驗設計技術

在使用高壓力填孔設備過程中，為幫助工藝人員快速掌握設備操作工藝，特別針對填孔工藝技術引入了一套行之有效的試驗方法，能夠快速找到影響填孔質(zhì)量優(yōu)劣因素的主次，達到快速摸索出適應工藝需求的設備參數(shù)設置方案的目的。

3.1 正交試驗方法

試驗設計是研究如何制定適當?shù)脑囼灧桨?，以便對試驗?shù)據(jù)進行有效地統(tǒng)計分析的數(shù)學理論與方法，而正交試驗設計方法（19 世紀末日本企業(yè)研發(fā)的用于工業(yè)生產(chǎn)領域的一個試驗方法）在解決實際生產(chǎn)工藝過程中的問題方面得到了廣泛的應用。以該試驗方法為指導，確定試驗指標和試驗因素，并設置因素所處的水平，通過真實試驗數(shù)據(jù)計算并分析出影響試驗指標的關鍵因素。

3.2 試驗方法及過程描述

以實驗設計方法為指導，首先確定試驗3個試驗指標，即：質(zhì)量（K0）、高寬比（R0），確定影響填孔質(zhì)量的試驗因素4個，如表1 所示。參照常用正交表L9(34)制作試驗表頭，每個因素按照3 水平計，例如，印刷壓力因素的3個水平為：N1、N2、N3。

表1 試驗因素表

根據(jù)試驗因素，設置每個因素有3個水平，因素水平如表2 所示。

表2 試驗因素水平表

其次，分別按照每個試驗因素的水平值在設備參數(shù)界面設置工藝參數(shù)，進行試驗，并將試驗所得數(shù)據(jù)填在表3 中。

表3 試驗數(shù)據(jù)分析表(a)

表3 試驗數(shù)據(jù)分析表(b)

最后，根據(jù)每個試驗因素所得的極差判斷該因素水平變化對試驗指標影響的大小，以此確定哪個因素對填孔重量、高寬比影響較大，極差越小表明該因素水平變化對試驗指標影響較小，極差越大影響則越大。各因素對試驗指標的影響誰主誰次即可通過極差進行判斷。

每一個試驗指標都可按照極差分析的方法，分析出影響試驗指標的主次因素排序，得出綜合的實驗結(jié)論。

通過實際填孔工藝試驗表明，在刮刀硬度、角度一定的前提下，影響填孔重量、高寬比的因素主次為填孔壓力、填孔速度、脫網(wǎng)時間。

5 結(jié)束語

作為陶瓷金屬化工藝的關鍵過程，微孔填充環(huán)節(jié)是否能夠獲得高質(zhì)量的填充效果，依賴于工藝設備的先進性、可靠性，同時還要具備合格的操作技能和合理的工藝條件。