LTCC基板燒結(jié)收縮率一致性提升研究

王亞東，張 瀟，楊興宇，秦 超

（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）

1 LTCC基板燒結(jié)收縮率研究現(xiàn)狀

低溫共燒陶瓷 （Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC）技術(shù)是目前廣泛使用的一種無源集成及混合電路封裝技術(shù)，它將電阻、電容和電感集成在多層基板內(nèi)部，可直接作為IC的封裝基板，具有高可靠性、高集成度和高性能的突出優(yōu)勢[1]，為射頻、微波系統(tǒng)的高速發(fā)展提供了一種解決方案。在LTCC基板制造過程中，燒結(jié)是一個特殊過程，是基板成型的最后一道工序，燒結(jié)過程中在進(jìn)行物理變化的同時也伴隨一系列的化學(xué)變化，最終使基板尺寸發(fā)生明顯改變[2]，通常用燒結(jié)收縮率來表征基板尺寸的改變程度。然而，影響燒結(jié)收縮率的因素存在于LTCC基板制造的每個環(huán)節(jié)，控制難度較大，造成了在同型號產(chǎn)品的批量生產(chǎn)中，燒結(jié)收縮率相對于設(shè)計收縮率波動較大，一致性差，不利于產(chǎn)品的穩(wěn)定生產(chǎn)，嚴(yán)重影響了后續(xù)的裝配工作。

本文將對現(xiàn)有的層壓和燒結(jié)工藝做出適當(dāng)改進(jìn)，以期降低收縮率的波動，提升LTCC基板燒結(jié)收縮率的一致性。

2 影響基板燒結(jié)收縮率一致性的主要因素

在整個LTCC的制造過程中，每個工序的工藝改變都可能對最終的燒結(jié)收縮率產(chǎn)生影響，本文從層壓和燒結(jié)兩個工序著手，通過設(shè)計獨立的實驗重點研究層壓壓力、燒結(jié)擺放位置、燒結(jié)曲線等因素對燒結(jié)收縮率的影響，并對現(xiàn)有工藝進(jìn)行改進(jìn)。

1）兩步層壓工藝。根據(jù)加壓方式的不同，LTCC層壓工藝分為單軸壓和等靜壓。單軸壓主要是生瓷坯體上下兩面受力，其余面不受力，造成整個坯體受力不均勻，層壓完成后坯體的致密性差。而等靜壓則利用了帕斯卡原理，利用液體作為介質(zhì)，將機(jī)械壓力均勻地施加在生瓷坯體的每一個表面上，使坯體成型后密度均勻。在實際生產(chǎn)中，根據(jù)生瓷的材料特性和工藝要求，LTCC層壓工藝又可分為整體層壓和累積層壓。整體層壓為所有層生瓷片一起疊層后，該坯體作為整體進(jìn)行層壓，此工藝已普遍應(yīng)用于生產(chǎn)中。累積層壓為生瓷片經(jīng)多次疊層和層壓后，最終形成完整坯體，此工藝多用于特殊生瓷材料和雙面腔LTCC基板的制造中[3]。

在長期的生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，即使采用相同的疊壓方式，產(chǎn)品燒結(jié)后的收縮率一致性也較差。經(jīng)研究，筆者對現(xiàn)有LTCC基板的層壓方式進(jìn)行了改進(jìn)，提出了分步層壓工藝，即采用兩步層壓的方式，LTCC基板預(yù)熱完成后先用小壓力保壓5 min，再用推薦壓力保壓10 min。為使實驗更接近實際生產(chǎn)，除層壓外，實驗采用與A型號產(chǎn)品相同的生產(chǎn)工藝。實驗樣品所用原料為FERRO-A6M系生瓷帶及配套漿料，根據(jù)A型號產(chǎn)品的設(shè)計要求，對樣品進(jìn)行生瓷帶打孔、通孔金屬化及圖形印刷等處理，每版21層共20版，疊層時按照從下往上的順序放置金屬背板、隔離膜、生瓷片、隔離膜、金屬掩模板，然后用硅膠墊包裹放入包封袋中抽真空。設(shè)置層壓機(jī)參數(shù)，水溫70℃，預(yù)熱完成后先用10MPa的壓力壓5 min，再用21 MPa的壓力壓10 min，壓成后通過熱切分切成單塊燒結(jié)，燒結(jié)時采用FERRO推薦曲線，見第75頁圖1。

圖1 FE RR O推薦燒結(jié)曲線

生產(chǎn)中，只需要關(guān)注A型號產(chǎn)品的長邊即X軸方向尺寸，其燒后標(biāo)準(zhǔn)值為71.75 mm，設(shè)計收縮率為15.40%。由于原材料和生產(chǎn)環(huán)節(jié)各因素的作用，造成了A型號產(chǎn)品的燒結(jié)收縮率一致性較差，其燒結(jié)收縮率波動很難控制在±0.4%以內(nèi)，甚至有的收縮率不合格造成了產(chǎn)品的報廢。本實驗采用兩步層壓工藝，壓力為21 MPa，燒后尺寸標(biāo)準(zhǔn)為71.75 mm，共測量了20組樣品的燒后尺寸，其結(jié)果見表1；對應(yīng)的燒結(jié)收縮率見圖2。

表1 樣品燒結(jié)結(jié)果 （mm）

圖2 兩步層壓后燒結(jié)收縮率

從圖2可看出，采用兩步層壓工藝后，樣品的最大燒結(jié)收縮率為15.68%，最小燒結(jié)收縮率為15.10%，相對于15.40%的設(shè)計收縮率，樣品的燒結(jié)收縮率波動控制在了±0.3%以內(nèi)，優(yōu)于之前的±0.4%以上，燒結(jié)收縮率一致性得到了顯著提高。LTCC層壓工藝是溫度、壓力和時間共同對生瓷坯體作用，實驗中所用溫度和實際生產(chǎn)的溫度一致，層壓由單步改為兩步后，時間上延長了5 min，坯體可順利完成從局部受熱到整體受熱的過程，彌補(bǔ)了由于常溫坯體的放入造成的溫度擾動，充分提高了生瓷片中粘結(jié)劑的活性；而且先用小壓力預(yù)壓再用標(biāo)準(zhǔn)壓力層壓后，可使生瓷內(nèi)和層間殘留空氣充分排出，小壓力預(yù)壓使得腔體在大壓力作用下的變形程度減緩，提高了層間的膠粘程度，增強(qiáng)了坯體各處結(jié)合的緊密性，進(jìn)而提高了燒結(jié)收縮率的一致性。

2）燒結(jié)擺放位置。燒結(jié)是LTCC基板的一個非常關(guān)鍵的過程，燒結(jié)過程的好壞直接影響燒結(jié)后產(chǎn)品的金絲鍵合性、可焊性、生瓷密度、介電常數(shù)等。LTCC燒結(jié)爐采用對流和輻射相結(jié)合的加熱方式對產(chǎn)品進(jìn)行燒結(jié)。其中，對流加熱通過比例閥門對不同階段的產(chǎn)品氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。對整個爐膛而言，氣體自一側(cè)向另一側(cè)噴射，并完成尾氣的排出。而在實際產(chǎn)品的燒結(jié)中，為了提高產(chǎn)品的擺放密度或燒結(jié)產(chǎn)能，在爐膛內(nèi)會搭接多層承燒板以提高空間利用率。承燒板之間使用承燒柱進(jìn)行支撐。在氣體噴射過程中，在多層承燒板和承燒柱之間會形成一些氣流的死角，換言之就是指放置在不同位置的產(chǎn)品，經(jīng)過其表面的氣流呈現(xiàn)不一致的特性。在產(chǎn)品的燒結(jié)中，氣流的異同會影響玻璃的流動，進(jìn)而影響其浸潤性和漿料的收縮。因此在擺放產(chǎn)品時應(yīng)將產(chǎn)品全部擺放在無氣流遮擋的位置，以改善產(chǎn)品的燒結(jié)收縮率。對20組樣品改進(jìn)擺放位置前后的燒結(jié)收縮率進(jìn)行測試，結(jié)果見圖3。

圖3 調(diào)整位置后燒結(jié)收縮率

從圖3可以看出，改進(jìn)前最大燒結(jié)收縮率為15.84%，最小為14.95%，相對15.4%的設(shè)計收縮率最大波動為-0.45%。改進(jìn)后最大燒結(jié)收縮率為15.70%，最小為15.09%，相對15.4%的設(shè)計收縮率的最大波動為-0.31%。改進(jìn)前，由于承燒柱的影響，附近氣體流通存在死角，周圍的樣品燒結(jié)完成后收縮率波動較大。改進(jìn)后，樣品擺放位置離承燒柱較遠(yuǎn)，燒結(jié)過程中樣品周圍氣體流通均勻，燒結(jié)收縮率波動較小，一致性得到提升。

3）燒結(jié)曲線。燒結(jié)曲線是根據(jù)不同的材料體系定制的能夠滿足材料特性的曲線，是溫度與時間的函數(shù)關(guān)系曲線。在整條燒結(jié)曲線中，最關(guān)鍵的要素是從排膠完成到燒結(jié)完成的快速升溫階段。升溫速率是衡量這一階段的一個關(guān)鍵性指標(biāo)，升溫速率的高低會影響玻璃的流動，進(jìn)而影響漿料與陶瓷的附著力；不僅如此，升溫速率還會直接影響漿料的收縮、燒結(jié)完成后基板的密度、機(jī)械強(qiáng)度、介電常數(shù)等。一般情況下，通過設(shè)置燒結(jié)曲線可以容易地實現(xiàn)升溫速率的控制。然而，分析燒結(jié)完成后的燒結(jié)曲線發(fā)現(xiàn)，同一時刻不同溫區(qū)的熱電偶測量的溫度差異較大（將近20℃），究其原因，發(fā)現(xiàn)在快速升溫階段，各個溫區(qū)提高溫度的能力不同。這與產(chǎn)品在快速升溫階段溫度一致性的要求不符，且不同溫區(qū)之間的溫度一致性也會影響交界區(qū)域產(chǎn)品的性能，尤其是多個燒結(jié)批次下的收縮率一致性問題。一方面，對燒結(jié)曲線進(jìn)行溫區(qū)之間功率的匹配；另一方面，對不同溫區(qū)和相同溫區(qū)不同輻射位置之間的功率和溫度進(jìn)行補(bǔ)償。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，可將快速升溫階段同一溫度點不同溫區(qū)之間的燒結(jié)溫度控制在±3℃。對調(diào)試前后溫度交界區(qū)共兩層20組樣品的燒結(jié)收縮率進(jìn)行測試，結(jié)果見圖4。

從圖4可以看出，調(diào)試前最大燒結(jié)收縮率為15.88%，最小值為14.91%，相對設(shè)計收縮率15.4%的最大波動為-0.49%。調(diào)試后最大燒結(jié)收縮率為15.74%，最小值為15.09%，相對設(shè)計收縮率15.4%的最大波動為+0.34%。由于調(diào)試前不同溫區(qū)在快速升溫階段存在最大20℃的溫差，導(dǎo)致溫區(qū)交界處樣品的收縮率波動較大。調(diào)試后，可以將不同溫區(qū)在快速升溫階段的溫差控制在3℃之內(nèi)，顯著優(yōu)化了不同溫區(qū)交界區(qū)域處樣品的燒結(jié)收縮率，提高了產(chǎn)品的一致性。

圖4 調(diào)節(jié)燒結(jié)曲線后燒結(jié)收縮率

3 結(jié)論

本文針對FERRO-A6M材料體系LTCC基板的燒結(jié)收縮率一致性進(jìn)行了研究，重點分析了層壓和燒結(jié)兩道工序，對現(xiàn)有工藝提出了改進(jìn)，并設(shè)計了相關(guān)實驗。通過驗證，采用兩步層壓工藝使產(chǎn)品的燒結(jié)收縮率的波動絕對值下降到0.3%以內(nèi)，通過調(diào)整樣品的燒結(jié)擺放位置和快速升溫階段的燒結(jié)曲線，使燒結(jié)收縮率波動的絕對值穩(wěn)定控制在了0.35%以內(nèi)，顯著提升了LTCC基板的燒結(jié)收縮率一致性。

（責(zé)任編輯 石俊仙）