LTCC 方阻漿料后燒特性的研究與應(yīng)用

馬其琪，楊興宇，馮曉曦

（中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024）

近年來，隨著航空航天、通信技術(shù)以及人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，對電子元器件的多功能、高可靠、高集成方面的要求日益加強(qiáng)。采用低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC） 工藝制作的基板具有可實(shí)現(xiàn)芯片封裝、內(nèi)埋置無源元件及高密度電路組裝的功能，成為目前很多電子產(chǎn)品的重要制造技術(shù)[1]。

在LTCC 基板生產(chǎn)過程中，由于人為操作失誤等原因，常常會(huì)有外觀問題，例如導(dǎo)線或焊盤缺金、漏孔等問題。這些外觀問題雖然不會(huì)影響基板的電性能，但是會(huì)影響基板的焊接特性、鍵合力等性能。為此需要對這些問題進(jìn)行修補(bǔ)。但是在修補(bǔ)過程中發(fā)現(xiàn)，基板在850 ℃后燒后會(huì)出現(xiàn)諸如孔凸起、電阻變化大等現(xiàn)象。尤其是有內(nèi)阻的基板，經(jīng)過后燒以后，電阻值已經(jīng)超出容差范圍，只能報(bào)廢。為此專門設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)了解LTCC 基板的后燒特性，以尋求解決后燒帶來的外觀以及電阻變化問題的辦法。

1 方阻漿料后燒特性

電阻是LTCC 基板上重要的無源器件之一。電阻的精確度對基板的電性能有著極其重要的影響。

在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)后電阻與設(shè)計(jì)往往存在著偏差而且后燒后的電阻值變化過大。電阻值偏小的電阻可以通過激光進(jìn)行微調(diào)整，但是電阻值偏大的電阻卻沒有辦法進(jìn)行調(diào)整。如何解決電阻值偏大的問題以及后燒電阻值變化過大的問題是本研究要解決的問題。

燒結(jié)是影響電阻值的重要因素，目前使用的燒結(jié)曲線：排膠升溫速率為0~450 ℃，1 ℃/min；排膠溫度為450 ℃，保溫時(shí)間為150 min；燒結(jié)溫度為850 ℃，保溫時(shí)間為10 min。經(jīng)過大量燒結(jié)試驗(yàn)驗(yàn)證，此環(huán)境下電阻值能基本保持在穩(wěn)定的水平。

這里列舉了常用的幾種方阻漿料，例如10 Ω、100 Ω、1 kΩ、10 kΩ 等，將其分別印刷在Ferro A6M 生瓷片上，先進(jìn)行低溫共燒，測得后燒前的電阻值。將樣品分兩批利用鏈?zhǔn)綘t分別對其進(jìn)行了在750 ℃、800 ℃、850 ℃環(huán)境下后燒，保溫時(shí)間分別為5 min、10 min，記錄其變化，見表1~表4。

表1 10 Ω 方阻漿料后燒前后電阻變化

表2 100 Ω 方阻漿料后燒前后電阻變化

表4 10 kΩ 方阻漿料后燒前后電阻變化

表3 1 kΩ 方阻漿料后燒前后電阻變化

通過表1~表4 可以得知，以上幾種方阻漿料電阻值在750 ℃下后燒均不會(huì)變化。在800 ℃下后燒10 Ω、100 Ω、1 kΩ 方阻漿料，5 min 和10 min情況下電阻值均會(huì)變小，10 Ω 和100 Ω 漿料的變化率最大，達(dá)到10%左右，10 kΩ 電阻值卻會(huì)變大。在850 ℃下后燒，以上幾種方阻漿料電阻值均變小，同樣是10 Ω 和100 Ω 方阻漿料的變化率最大，可達(dá)30%左右。

通過大量后燒實(shí)驗(yàn)，了解了不同的方阻漿料、不同的后燒溫度以及不同的后燒時(shí)間引起的變化均不相同。變化規(guī)律見表5。

表5 不同方阻的后燒電阻變化規(guī)律

一般的，共燒完成后，電阻值會(huì)小于預(yù)設(shè)電阻值范圍。由于印刷參數(shù)或者燒結(jié)的影響，電阻值會(huì)偏大，影響激光調(diào)阻。通過調(diào)整后燒曲線，可以將不同電阻值的范圍調(diào)整至激光可調(diào)的范圍，對電阻值的精準(zhǔn)控制提供幫助。

2 方阻漿料后燒特性應(yīng)用

通過查閱資料可知[2]，金屬漿料的燒結(jié)完成溫度是600 ℃，而玻璃-陶瓷的燒結(jié)溫度是850 ℃。

600 ℃進(jìn)行后燒是不會(huì)引起電阻值的變化的。因此，理論上利用方阻漿料與金屬漿料的燒結(jié)溫度差可以解決后燒帶內(nèi)阻基板引起的電阻變化問題。

由表5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，電阻在750 ℃下后燒電阻值是不會(huì)變化的。結(jié)合電阻的后燒特性，遇到有內(nèi)埋電阻的基板外觀修補(bǔ)時(shí)，就可以通過控制后燒溫度來使修補(bǔ)漿料完成燒結(jié)，并且不會(huì)引起內(nèi)埋電阻的變化。

但是在此溫度下后燒后的金屬漿料是否已經(jīng)燒結(jié)完成，修補(bǔ)過的基板導(dǎo)線和焊盤是否符合組裝客戶交付要求，需要對鍵合力和膜層附著力等幾項(xiàng)指標(biāo)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

將金屬漿料均勻涂抹在要修補(bǔ)的基板焊盤和導(dǎo)帶上，在700 ℃溫度下后燒1 h，保溫時(shí)間10 min。表6 為后燒電阻變化統(tǒng)計(jì)。檢測基板上的電阻變化情況并參考GJB 548B《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》中破壞性鍵合拉力試驗(yàn)，對后燒完成后將基板修補(bǔ)部分進(jìn)行金絲鍵合并進(jìn)行拉力實(shí)驗(yàn)，測試焊盤鍵合拉力[3]。表7 為25 μm 金絲鍵合拉力測試結(jié)果。

表6 后燒電阻變化統(tǒng)計(jì)

表7 25 μm 金絲鍵合拉力測試結(jié)果

表6 中數(shù)據(jù)表明，在700 ℃下后燒的修補(bǔ)的基板上的電阻值均未發(fā)生變化；而且表7 的數(shù)據(jù)表明此后燒條件下的焊盤、導(dǎo)帶表面修補(bǔ)的金屬漿料均已完全燒結(jié)，能承受5 倍以上的單位質(zhì)量對應(yīng)鍵合拉力，滿足金絲鍵合拉力測試的合格范圍。

膜層附著力測試參照GJB 243A-2003《混合基層電路通用規(guī)范》試驗(yàn)條件，利用3M 膠帶對修補(bǔ)部分進(jìn)行膜層附著力測試，并未發(fā)現(xiàn)3M 膠帶上有脫落的金屬漿料以及膜層起皮或者脫落的情況。

以往外觀修補(bǔ)后的基板850 ℃后燒都存在著通孔突起的情況，影響基板平整度。改用新曲線后燒的基板，在顯微鏡下檢測通孔外觀，發(fā)現(xiàn)原先在850 ℃下后燒的通孔突起現(xiàn)象也改善了許多，經(jīng)過測厚儀測試，突起值均小于10 μm，見圖1。所以此條件下修補(bǔ)的基板焊盤是完全符合檢驗(yàn)要求的。

圖1 后燒完成后的基板孔突起狀況

3 結(jié)論

利用方阻漿料在不同的后燒溫度和時(shí)間下變化規(guī)律的差異，可以通過微調(diào)使其達(dá)到激光可調(diào)的范圍；利用金屬漿料與方阻漿料的后燒溫度的差異，也可以用來避免在進(jìn)行基板外觀修補(bǔ)時(shí)造成電阻的偏差，減少了廢品的產(chǎn)生，提高了生產(chǎn)合格率。