LTCC 高精密封裝基板工藝技術(shù)研究

岳帥旗，楊 宇，劉 港，周 義，王春富，王貴華

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，成都 610036)

1 引言

低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-Fired Ceramic,LTCC）技術(shù)因其高集成密度、優(yōu)異的高頻性能、良好的可組裝性和可靠性，在微波組件領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-5]，LTCC 基板制作的工藝技術(shù)[6-11]和裝配技術(shù)[12-14]也被廣泛研究，較好地提升了常規(guī)LTCC 基板產(chǎn)品的質(zhì)量和應(yīng)用的穩(wěn)定性。

但是，隨著射頻微系統(tǒng)體積小型化、裝配方式簡潔化要求的日益提升，傳統(tǒng)的LTCC 基板制作工藝在線條細(xì)度、圖形位置精度、導(dǎo)體膜層焊接性能、微小阻焊結(jié)構(gòu)等方面已無法滿足芯片級(jí)高精密裝配的需求，因此急需引入新的工藝手段，實(shí)現(xiàn)LTCC 基板表面布線精密程度和焊接性能的大幅提升。

在LTCC 基板表面精細(xì)布線方面，目前常用的方法是采用薄膜工藝在基板表面布置微細(xì)線條[15-17]，但這種方法需要經(jīng)歷整個(gè)薄膜金屬化布線的工藝制程，加工周期長，成本高，且對(duì)LTCC 表面微缺陷和基板燒結(jié)收縮率誤差有著極高的要求，工藝實(shí)現(xiàn)難度大。

在改善LTCC 基板表面膜層焊接性能方面，目前常用的方法是在基板表面燒結(jié)Ag 導(dǎo)體，然后再通過電鍍/化學(xué)鍍的方式在表面制作可焊/耐焊鍍層[18-19]，該技術(shù)在降低成本和提升膜層焊接性能方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，但是需要針對(duì)不同材料體系，綜合考慮鍍層致密性、焊接強(qiáng)度、金絲鍵合強(qiáng)度等多項(xiàng)指標(biāo)，針對(duì)性地開發(fā)電鍍/化學(xué)鍍工藝。

本文針對(duì)LTCC 基板表面高密度射頻芯片倒扣裝配的需求，將激光修調(diào)技術(shù)應(yīng)用于基板表面高精密微細(xì)線條的制作，提升線條的細(xì)度和精度；利用化學(xué)鍍技術(shù)制備Ni/Pd/Au 鍍層，提升基板表面導(dǎo)體膜層的焊接性能；應(yīng)用光刻工藝制作聚酰亞胺（Polyimide，PI）阻焊層，提升基板表面的精密阻焊制作能力；最終開發(fā)出一套與傳統(tǒng)LTCC 基板工藝良好兼容的高精密封裝基板工藝技術(shù)，并成功地實(shí)現(xiàn)了LTCC 高精密基板與高密度射頻芯片的倒扣裝配。

2 試驗(yàn)

2.1 激光修調(diào)表面微細(xì)線條

利用單層厚度0.127 mm 的9K7 生瓷材料和配套共燒布線銀漿LL612 制作用于激光修調(diào)工藝試驗(yàn)的大面積導(dǎo)體層樣件，生瓷燒結(jié)后單層介質(zhì)厚度為0.11 mm 左右，樣件的介質(zhì)總厚度為0.66 mm 左右，表面Ag 導(dǎo)體層厚度為6～8 μm，樣件尺寸為30 mm×30 mm，樣件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 大面積導(dǎo)體層工藝樣件

利用德國LPKF 公司的U3 激光設(shè)備對(duì)大面積工藝樣件的導(dǎo)體圖形進(jìn)行蝕刻，將局部的導(dǎo)體層去除，保留下來的Ag 導(dǎo)體層形成精細(xì)線條，激光修調(diào)制作精細(xì)線條如圖2 所示。在1～4 W 功率區(qū)間嘗試不同的加工功率，確定最佳加工條件。設(shè)計(jì)目標(biāo)寬度為50 μm的線條和目標(biāo)位置距離30 mm 的圖形，激光修調(diào)后利用Nikon MM-800 測量顯微鏡對(duì)線條加工的寬度、精度和位置精度進(jìn)行測試。

圖2 激光修調(diào)制作精細(xì)線條

2.2 化學(xué)鍍工藝優(yōu)化

利用單層厚度0.127 mm 的9K7 生瓷材料和配套共燒布線銀漿LL612 制作焊接工藝樣件。生瓷燒結(jié)后單層介質(zhì)厚度為0.11 mm 左右，樣件的介質(zhì)總厚度為1.1 mm 左右，表面制作Ag 導(dǎo)體焊盤，焊盤Ag 導(dǎo)體層厚度6～8 μm，尺寸為1 mm×1 mm 和2 mm×2 mm，分別用于可焊性/耐焊性和焊接拉力強(qiáng)度測試，樣件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 焊接工藝樣件

樣件共燒完成后，通過文獻(xiàn)[18]中化學(xué)鍍的方法制作Ni/Pd/Au 鍍層，制作完成后利用Nikon MM-800測量顯微鏡，在500 倍倍率下對(duì)鍍層致密性進(jìn)行檢查。按照GB/T 17473.7-2008 標(biāo)準(zhǔn)，在錫鍋溫度（235±5）℃下侵入10 s 進(jìn)行可焊性測試，錫鍋溫度（265±5）℃下侵入10 s 進(jìn)行耐焊性測試。參照GB/T 17473.4-2008，對(duì)焊盤進(jìn)行0.8 mm 鍍銀線的焊接，并利用ASIDA-BL12 拉力測試儀，對(duì)錫鉛焊接拉力強(qiáng)度進(jìn)行測試。利用Wset Bond 7476E 金絲鍵合機(jī)在2 mm×2 mm 焊盤上進(jìn)行金絲鍵合，并參考GJB 548B-2005，利用Dage4000 拉力測試儀對(duì)金絲鍵合強(qiáng)度進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)5 min、10 min 的表面玻璃去除時(shí)間，綜合對(duì)比鍍層質(zhì)量，確定優(yōu)化工藝條件。

2.3 表面精密阻焊制作

利用單層厚度0.127 mm 的9K7 生瓷材料和配套共燒布線銀漿LL612 制作PI 阻焊工藝樣件。生瓷燒結(jié)后單層介質(zhì)厚度為0.11 mm 左右，樣件的介質(zhì)總厚度為1.1 mm 左右，表面制作Ag 導(dǎo)體焊盤，并通過化學(xué)鍍制作Ni/Pd/Au 鍍層，焊盤直徑為0.3 mm。選取可耐溫320 ℃的PI 材質(zhì)，通過RC8 勻膠機(jī)先后將PI 膠和光刻膠先后涂覆在基板表面，然后通過MJB4 曝光機(jī)對(duì)光刻膠對(duì)位進(jìn)行曝光，并通過1%NaOH 溶液進(jìn)行顯影，最后利用丙酮將光刻膠去除，并在200 ℃溫度下對(duì)PI 固化1 h，獲得阻焊工藝樣件，截面結(jié)構(gòu)如圖4所示。制作80 μm 開口的阻焊層，測試阻焊制作精度。制作0.18 mm 開口的阻焊層，利用BTU 公司的PYRAMAX125N 回流爐，在210 ℃溫度下，利用直徑為0.2 mm 的Sn63/Pb37 焊球?qū)τ跇蛹M(jìn)行植球測試，判定阻焊效果，植球示意圖如圖5 所示。

圖4 PI 阻焊工藝樣件

圖5 植球示意圖

2.4 LTCC 精密基板加工、裝配、測試

設(shè)計(jì)LTCC 精密基板，材料體系為9K7，介質(zhì)層數(shù)為9 層，燒結(jié)后單層介質(zhì)厚度為0.11 mm 左右，布線漿料選用銀漿LL612，填孔漿料選用銀漿LL601，表面最細(xì)線條50 μm，最小焊盤尺寸120 μm×120 μm，焊盤之間最小縫隙80 μm，阻焊開口直徑為80 μm，阻焊與焊盤精確對(duì)準(zhǔn)。對(duì)加工好的基板進(jìn)行BGA 植球，然后通過回流的方式將射頻芯片倒扣裝配在基板上，最后進(jìn)行射頻性能測試，總體工藝流程如圖6 所示。

圖6 精密基板加工、裝配、測試流程

3 結(jié)果與討論

3.1 激光修調(diào)表面微細(xì)線條

設(shè)置激光頻率為45 kHz，激光掃描速度為500 mm/s，對(duì)激光修調(diào)的加工功率進(jìn)行調(diào)控，分別以1.5 W、2 W、3 W 功率對(duì)Ag 導(dǎo)體層進(jìn)行蝕刻，蝕刻效果如圖7 所示。從圖中可以看出，當(dāng)激光功率較小時(shí)，雖然能夠?qū)⒕€條形狀蝕刻出來，但是在去除區(qū)域仍有大量金屬導(dǎo)體的殘留，這種情況極易導(dǎo)致線條之間短路，當(dāng)激光功率達(dá)到3 W 時(shí)，能夠蝕刻出清晰的線條，且去除區(qū)域?qū)w膜層剝離較為干凈，達(dá)到應(yīng)用狀態(tài)。

圖7 不同激光功率線條修調(diào)質(zhì)量對(duì)比

對(duì)50 μm 目標(biāo)寬度的精細(xì)線條進(jìn)行測試，隨機(jī)抽測結(jié)果為47 μm、45 μm、48 μm、47 μm、53 μm、47 μm、53 μm、53 μm、48 μm，線條精度達(dá)到±5 μm 以內(nèi)。對(duì)目標(biāo)距離為30 mm 的導(dǎo)體圖形距離進(jìn)行測試，隨機(jī)抽測結(jié)果為30.005 mm、30.008 mm、29.995 mm、29.993 mm、29.996 mm、29.994 mm、30.003 mm、29.995 mm，激光修調(diào)的位置精度達(dá)到±10 μm 以內(nèi)。

3.2 化學(xué)鍍工藝優(yōu)化

表面玻璃去除時(shí)間為5 min 和10 min 的Ag 導(dǎo)體表面狀態(tài)和化學(xué)鍍層致密性如圖8 所示。從圖中可以看出，去除玻璃5 min 的樣件表面局部區(qū)域玻璃殘留量大，導(dǎo)致化學(xué)鍍以后鍍層致密性差，這是因?yàn)椴Ａ酂o法被活化，也無法進(jìn)一步與鍍液產(chǎn)生粒子交換，不能促使膜層生長。將去除玻璃時(shí)間提升至10 min，去除玻璃的效果明顯改善，更多的Ag 顆粒暴露于表面，與鍍液發(fā)生反應(yīng)，鍍層致密性明顯提升。

圖8 Ag 膜層表面狀態(tài)對(duì)鍍層質(zhì)量的影響

可焊性、耐焊性測試結(jié)果如圖9 所示，測試焊盤均實(shí)現(xiàn)焊料的均勻鋪展，且焊盤形狀保持良好，滿足GB/T 17473.7-2008 標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖9 可焊性、耐焊性測試結(jié)果

錫鉛焊接拉力測試強(qiáng)度為2.84 kg、3.87 kg、4.01 kg、3.91 kg、4.45 kg、2.82 kg、3.56 kg、3.86 kg、3.56 kg、3.82 kg，拉力強(qiáng)度達(dá)到2.80 kg 以上，破壞模式均為焊盤與陶瓷破裂，錫鉛焊接拉力破壞形式如圖10 所示，說明化學(xué)鍍過程中未破壞共燒Ag 導(dǎo)體層與陶瓷基底的有效附著，同時(shí)，Ni/Pd/Au 鍍層與Ag 導(dǎo)體層具有良好的附著力。

圖10 錫鉛焊接拉力破壞形式

25 μm 金絲鍵合拉力測試結(jié)果為12.18 g、10.93 g、10.95 g、11.78 g、11.87 g、12.27 g、11.74 g、11.53 g、12.75 g、12.94 g，拉力值均達(dá)到10 g 以上，破壞模式均為金絲斷裂，說明化學(xué)鍍Ni/Pd/Au 鍍層可以實(shí)現(xiàn)良好的金絲鍵合效果。

3.3 表面精密阻焊制作

通過對(duì)比不同勻膠轉(zhuǎn)速和勻膠時(shí)間的PI 厚度和均勻性，確定3000 r/min 的勻膠速度和30 s 的勻膠時(shí)間，能夠獲得厚度5～10 μm 的PI 膜層，在NaOH 中的顯影效果良好，PI 阻焊實(shí)物如圖11 所示。在對(duì)PI 層200 ℃下固化后，對(duì)于目標(biāo)值為80 μm 的阻焊開口樣件進(jìn)行測試，隨機(jī)抽測結(jié)果為80.005 μm、80.006 μm、79.996 μm、79.996 μm、79.994 μm、80.005 μm、80.003 μm、80.007 μm，尺寸誤差在±10 μm 以內(nèi)。

圖11 PI 阻焊實(shí)物

通過回流焊植球以后，焊球能夠在阻焊開口區(qū)域牢固焊接，植球效果如圖12(a)所示，將焊球推開后，焊料僅在阻焊開口區(qū)域以內(nèi)分布，形狀圓潤，阻焊效果如圖12(b)所示，說明布置PI 阻焊層以后，開口區(qū)域的焊盤保持了良好的焊接潤濕性，同時(shí)PI 膜層能夠?qū)附舆^程中焊料的流淌起到良好的阻止作用。

圖12 PI 阻焊結(jié)構(gòu)的植球及阻焊效果

3.4 LTCC 精密基板加工、裝配、測試

利用高精密基板工藝制作的LTCC 基板如圖13所示，在12 mm×13 mm 的區(qū)域上實(shí)現(xiàn)16 元天線陣列的集成，表面細(xì)線50 μm，最小焊盤120 μm，最小焊盤間距80 μm，最小PI 阻焊開口80 μm。

圖13 LTCC 高精密基板

基板表面膜層具有良好的焊接性能，在基板上進(jìn)行BGA 植球，然后將4 顆射頻芯片成功地倒扣裝配到基板表面（見圖14）。對(duì)裝配好的射頻封裝模塊進(jìn)行指標(biāo)測試，工作頻率為93～105 GHz，工作帶寬大于20%，天線陣面規(guī)模4×4，單元間距0.59 λ，陣面剖面厚度2.2 mm，單通道發(fā)射功率大于20 mW。

圖14 芯片倒扣裝配

4 結(jié)論

本文將激光修調(diào)、化學(xué)鍍、光刻等技術(shù)與傳統(tǒng)LTCC 基板技術(shù)相結(jié)合，通過工藝優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了基板表面高精度微細(xì)線條制作、表面膜層焊接性能提升和精密阻焊制作，形成了一套LTCC 高精密封裝基板工藝技術(shù)，加工的LTCC 基板成功地與多顆射頻芯片實(shí)現(xiàn)倒扣裝配，在W 波段實(shí)現(xiàn)良好性能。

采用的激光修調(diào)細(xì)線制作技術(shù)工藝制程短，加工靈活性高，與LTCC 基板兼容性好。采用的化學(xué)鍍工藝技術(shù)能夠在全銀系基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)Ni/Pd/Au 鍍層制備，組裝特性優(yōu)良，亦可大幅降低LTCC 基板成本。采用的光刻PI 阻焊層制備技術(shù)，使用業(yè)內(nèi)成熟材料和成熟工藝，加工精度高、穩(wěn)定性高，可以看出，基于9K7 材料體系的LTCC 高精密封裝基板技術(shù)在超高頻段、芯片倒扣精密裝配等方面具有較強(qiáng)的應(yīng)用潛力。