低溫共燒陶瓷多層基板界面缺陷與抑制

王 巖，王多笑，董兆文，沐方清

（中國電子科技集團公司第四十三研究所微系統(tǒng)安徽省重點實驗室，合肥 230088）

1 引言

低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-Fired Ceramic,LTCC）多層基板是將含有金屬布線導體和金屬通孔的多層生瓷片經疊壓、燒結而形成的一種互連結構。該技術不僅可以在基板內埋置無源元件，還可以在基板上制作空腔結構以組裝有源器件等，從而提高模塊組件、微系統(tǒng)封裝密度和信號傳輸速度。該技術是高密度、系統(tǒng)級電子封裝較理想的平臺之一。LTCC基板廣泛應用于星載、機載以及彈載雷達T/R組件等領域[1-3]。

對于低溫共燒陶瓷多層基板，基板的空腔界面和金屬通孔的層間界面是兩種典型界面。良好的材料界面結合對基板電氣互連性能具有決定性的影響，也是基板制造工藝中的難點。低溫共燒陶瓷多層基板界面研究涉及材料學、力學、熱學、化學以及基板加工工藝等領域。在應力分析和工藝改進方面，楊邦朝等[4]開展過低溫共燒陶瓷多層基板熱應力的有限元模擬與分析，該分析模型由陶瓷基板、金屬通孔和金屬布線組成，模型中不含空腔結構；譚繼勇等[5]針對低溫共燒陶瓷多層基板在與硅鋁基板焊接時出現(xiàn)裂紋的問題，進行了仿真分析與工藝優(yōu)化，沒有涉及基板制造過程中出現(xiàn)裂紋的問題；鄧超等[6]對基板中臺階空腔倒圓角處進行了125℃溫度載荷下的熱應力分析。在金屬通孔制備方面，王志勤、王會等[7-8]針對影響通孔填充質量的因素和工藝優(yōu)化進行了研究；何小琦等[9]研究了通孔與導帶間開路失效的原因。目前針對LTCC基板界面缺陷方面的研究并不多見。本文就基板制造過程中出現(xiàn)的空腔界面微裂紋以及金屬通孔層間界面微空洞形成原因進行探討，并有針對性地提出了工藝改進措施。

2 空腔界面微裂紋缺陷及抑制

2.1 微裂紋缺陷

某型號LTCC基板采用Ferro公司A6M型生瓷帶和金（Au）系列布線和通孔導體材料制備。該基板外形尺寸為70.00 mm×36.00 mm，厚度大約1.90 mm，生瓷介質片層數(shù)共21層?；鍍瓤涨婚L寬為14.00 mm×14.00 mm，深度為1.50 mm。按照該基板制造工藝流程設計，生瓷片疊壓后要經過以下兩個燒結過程：先在箱式爐內進行陶瓷與導體材料共燒（以下簡稱共燒過程），然后在鏈式爐內進行基板表面金屬化區(qū)燒結（以下簡稱后燒過程）。當后燒過程完成后，在20倍顯微鏡下發(fā)現(xiàn)基板空腔底部界面處出現(xiàn)貫穿性微裂紋，裂紋深度大約0.40 mm。LTCC多層基板結構及空腔界面微裂紋位置剖面示意圖見圖1。

圖1 LTCC多層基板結構及空腔界面微裂紋位置剖面示意圖

2.2 微裂紋形成原因討論

在共燒過程中，溫度的變化主要分為3個階段：從室溫開始的升溫階段、峰值溫度下（約850℃）保溫階段以及降至室溫的降溫階段。升溫階段和保溫階段的主要作用是排膠和基板液相燒結。在保溫階段之后，隨著溫度降低，LTCC基板進一步致密化并有收縮，共燒后成為陶瓷基板。在降溫冷卻過程中基板表面和內部溫度分布不均勻會產生殘余熱應力。在隨后的后燒過程中，陶瓷基板經歷升溫、保溫（約850℃）以及降溫三個階段。從室溫進料口到850℃峰值溫度的加熱過程中，基板表面溫度高于其內部溫度，高溫側的熱膨脹大于低溫側的熱膨脹從而產生熱應力，基板表面產生壓應力，內部產生拉應力；從850℃峰值溫度到出料口的過程中，采用風冷降溫，基板表面溫度低于其內部溫度，基板表面受到拉應力，內部產生壓應力[10]。

A6M型LTCC材料與常規(guī)Al2O3陶瓷基板材料的熱力學特性如表1所示[11]。從表中數(shù)據(jù)對比可以看出，A6M型LTCC陶瓷材料的熱傳導性、抗折強度都相對較低，因此，當加熱和冷卻材料時，熱應力更容易導致裂紋的產生。有研究表明[12-15]，陶瓷材料在熱應力作用下微裂紋的形成、生長主要發(fā)生在冷卻過程中，當高溫下的陶瓷材料突然處于低溫環(huán)境時，裂紋就從拉伸應力存在區(qū)域的最薄弱部位開始產生和發(fā)展?？涨唤缑媸腔宓谋∪醪课弧?/p>

表1 幾種陶瓷基板材料的熱力學特性

2.3 工藝改進措施

根據(jù)以上分析，共燒過程產生的殘余熱應力和后燒過程產生的熱應力對陶瓷基板裂紋的形成具有疊加效應，因此需從兩個方面進行工藝改進。一是降低共燒過程產生的殘余應力，二是降低后燒過程出現(xiàn)的熱應力。

促使殘余應力松弛的外界因素主要是溫度和載荷，最常用的方法是退火[10]。本文將共燒后的基板在后燒前增加退火處理的步驟[16]，將基板退火處理后，再進行后燒過程。通過試驗，退火工藝溫度曲線為：升溫階段，從進料口到峰值溫度，升溫速率為10～15℃/min；峰值溫度保溫階段，溫度500～550℃，時間25～35 min；降溫階段，從峰值溫度到出料口，降溫速率為7～10℃/min。

在后燒過程中，原有工藝（稱為工藝1，基板有裂紋產生）與優(yōu)化后的工藝（稱為工藝2）參數(shù)如表2所示。與工藝1相比，工藝2在基板冷卻過程中，溫度下降比較慢。采用退火處理和減緩后燒降溫速率的組合工藝，有效解決了該型號基板空腔微裂紋問題。

表2 兩種不同降溫速率的工藝參數(shù)

2.4 微裂紋仿真分析

利用有限元仿真分析，通過對比仿真結果以進一步理解不同燒結工藝參數(shù)對空腔界面熱應力的影響。在共燒過程中有材料的分解、相變和擴散等行為，過程較為復雜，仿真分析較難實現(xiàn)?；?.2和2.3節(jié)的討論和實際改進措施，本分析僅對比后燒過程中降溫階段基板降溫速率不一致引起的內部應力差異。仿真時所用的材料參數(shù)（熱膨脹系數(shù)、彈性模量等）均視為不隨溫度變化的固定值，因此仿真所得應力值均不是真實的應力值。但由于仿真采用相同的邊界條件和材料參數(shù)，應力值的相對大小具有參考價值。

2.4.1仿真分析結構模型

空腔尺寸參數(shù)如2.1節(jié)所述。仿真分析結構模型如圖2所示。建模仿真分析所用材料性能參數(shù)見表3。降溫過程陶瓷基板處于自由狀態(tài)，無外部約束條件。

圖2 LTCC多層基板仿真分析結構模型

表3 建模仿真分析所用材料性能參數(shù)

2.4.2仿真分析

工藝1和工藝2的降溫速率不同，工藝2的降溫速率比工藝1的小。兩種工藝的參數(shù)如表4所示。首先根據(jù)邊界條件分別進行降溫階段仿真熱分析，得到降溫階段出料口基板瞬態(tài)溫度分布及溫差；然后將熱分析結果導入應力分析模塊，得到溫度不均勻帶來的應力分布。以法向應力表征的不同工藝下基板應力分布仿真分析結果如圖3、4所示，其中正值為拉應力，負值為壓應力。

表4 兩種不同降溫速率的工藝參數(shù)

圖3 工藝1基板應力分布

圖4 工藝2基板應力分布

從基板應力分布仿真分析結果可以看出：兩種不同工藝參數(shù)條件下的拉應力極大區(qū)均位于空腔底部位置，壓應力極大區(qū)位于空腔邊角位置；隨著降溫速率的減小，拉應力從3.6032 MPa降低到1.5675 MPa。再從表1數(shù)據(jù)可以看出，A6M型LTCC陶瓷材料抗折強度相對較低，熱應力更容易導致A6M型LTCC陶瓷材料裂紋的產生。因此，減小降溫速率，可以降低A6M型LTCC基板空腔界面處的拉應力，從而有益于抑制微裂紋的產生。

3 通孔層間界面微空洞缺陷及抑制

3.1 微空洞缺陷

某型號LTCC基板采用Ferro公司A6M型生瓷帶和金（Au）系列布線和通孔導體材料制備，共含19層電路布線層。該基板外形尺寸為30.02 mm×29.90 mm，通孔直徑為0.20 mm。在對共燒后的基板進行破壞性物理分析時，發(fā)現(xiàn)在通孔層間界面處存在微空洞現(xiàn)象。微空洞剖面形貌如圖5所示。微空洞將使通孔導通電阻增大。通孔孔內漿料填充致密性以及通孔層間界面結合致密程度對LTCC多層基板電氣互連可靠性方面有著重要影響。

圖5 LTCC多層基板通孔層間界面微空洞剖面圖

3.2 微空洞分析評價方法

對于高可靠T/R組件用LTCC多層基板，需要采用有效的分析評價方法以揭示基板內部通孔界面存在的缺陷、設計水平并評價其工藝。以X射線顯微透視檢查、掃描聲學顯微鏡（SAM）檢查等為代表的無損顯微結構探測技術，可以在不破壞樣品的情況下獲取元器件的內部結構，探測可能存在的缺陷，例如空洞、斷線、界面分層、材料裂紋等。由于多層基板中通孔互相疊加，以上技術檢查結果的分辨率不理想，最好采用剖面制樣技術，將內部結構暴露出來，直接觀察基板內部形貌。本文采用破壞性物理分析，即采用金相切片制樣方法對通孔層間界面結合情況進行分析。具體操作是把通孔部位制成剖面制樣[17-18]，用金腐蝕液腐蝕暴露在外的通孔金屬表面，去離子水清洗后，再用濾紙按一定方向擦拭干，使其露出清晰的剖面表面；將剖面制樣置于放大倍數(shù)在200～500倍之間的顯微鏡下觀察其通孔界面形貌。

3.3 工藝改進措施

對于高密度布線LTCC多層基板，每層都含有很多通孔，不僅要求單個通孔孔內漿料填充致密性良好，而且要求通孔層間界面結合致密性良好。一般采用絲網印刷法把漿料擠壓進通孔，并在印刷時采用負壓抽吸。擠壓過程中，漿料主要受到剪切作用，填孔漿料的黏度和流變性直接影響通孔填充質量。在填孔操作過程中，隨著填孔漿料中有機載體的揮發(fā)，漿料黏度會逐漸變大，漿料流變性變弱。實際生產中漿料黏度隨時間的變化情況如表5所示。如果漿料的黏度很高時，則會造成漿料流動和成型困難，致使通孔填充不飽滿欠料，通孔內的漿料表面會出現(xiàn)輕微凹陷，將會造成通孔層間搭接處出現(xiàn)微空洞。如果漿料的黏度過低，雖然漿料有良好的流動性，但保形能力較差，容易流淌至周邊通孔導致短路。通過試驗，將漿料實際使用時的黏度控制在5100～7300 Pa·s范圍內流動性最佳。

在控制填孔漿料黏度范圍的基礎上，采用熱壓的方法再對通孔漿料填充后的形貌進行修飾。與常規(guī)工藝相比，將通孔漿料表面形貌進行修飾后，通孔漿料填充密實，有利于后續(xù)疊片熱壓時通孔漿料的層間界面緊密接觸，改善通孔層間界面處漿料的擴散程度。在多層基板排膠、燒結（約850℃）過程中，層間界面處金導體材料互相擴散，在通孔界面形成致密結合。LTCC多層基板中通孔層間界面良好接觸剖面圖見圖6。

圖6 LTCC多層基板通孔層間界面良好接觸剖面圖

上述通孔漿料形貌修飾方法的步驟是[19]：（1）裝片。依次將mylar膜、單張已經填孔的生瓷片以及另一片mylar膜置于兩片不銹鋼板之間，對齊，不銹鋼板厚度為0.20～0.25 mm。以上操作為一個循環(huán)單元，根據(jù)布線基板層數(shù)，按上述步驟依次進行，每1～60張生瓷片作為一個工件。（2）包封。將上述工件用真空橡皮完全包裹后放入真空包封袋中，用真空包封機包封。（3）熱壓。將包封件置于等靜壓機工作缸中，等靜壓工藝參數(shù)設置為溫度30～50℃，壓力為0.7～2.8 MPa，保壓時間為1～15 s。熱壓完成后取出包封件，待包封件冷卻后取出各張生瓷片。

4 結論

通過有限元仿真分析、破壞性物理分析分別對空腔界面微裂紋、金屬通孔層間界面微空洞的形成原因進行了探討，并有針對性地采取工藝改進措施。結果表明，采用退火處理和減緩后燒降溫速率（低于30℃/min）的組合工藝，可以有效解決基板空腔微裂紋問題；采用控制填孔漿料黏度范圍以及熱壓法修飾通孔漿料形貌，黏度在5100～7300 Pa·s范圍內，熱壓法的熱壓溫度為30～50℃，熱壓壓力為0.7～2.8 MPa，保壓時間為1～15 s，解決了共燒后的微空洞問題。上述研究成果為類似低溫共燒陶瓷多層基板的制造工藝改進提供了借鑒。