低温共烧陶瓷 LTCC工艺的技术及发展

1、低温共烧陶瓷 LTCC工艺的技术及发展 作者：陕西国防工艺职业技术学院 电子信息学院 西安市户县 摘 要 ：低 温共烧陶瓷( L TCC) 技术是近年发展起来的令人瞩目的整合组件技术 ， 已经成为无源集成的主流技术 ， 成为无源元件领域的发展方向和新的元件产业的经济增长点。 叙述了低温共烧陶瓷技术(LTCC) N制备工艺以及未来应用前景。 关键词 ： 低温共烧陶瓷 ； LTCC工艺 ； 基板引言：低温共烧陶瓷 ( Low Temperatue cofired ceramics ，LTCC ) 技术， 就是将低温烧结陶瓷粉经过流延制成厚度精确而且致密的生瓷带， 作为电路基板材 料， 在生瓷带上打

2、孔、 微孔填充、 精密导体浆料印刷、叠片以及层压等工艺制出所需要的电路图形， 并将多个无源元件埋入其中，然后叠压在一起， 在900下烧结，制成三维电路网络的无源集成组件， 也可制成内置无源元件的三维电路基板， 在其表面可以贴装 I C和有源器件，制成无源 有源集成的功能模块 。 随着微电子信息技术的迅猛发展， 电子整机在小型化、 便携式、 多功能、 数字化及高可靠性、 高性能方面的需求， 对元器件的小型化、 集成化以至模块化要求愈来愈迫切。LTCC是 1982年由休斯公司开发的新型材料技术。它采用厚膜材料， 根据预先设计的结构， 将电极材料、 基板、 电子器件等一次性烧成， 是一种用于实现高集

3、成度、 高性能的电子封装技术。LTCC技术集中了厚膜技术和高温共烧陶 瓷 技 术 ( High Temp eraure Co fired Ceramic HTCC ) 的优点， 有更广阔的应用前景。目前， LTCC 普遍应用于多层芯片线路模块化设计中， 它除了在成本和集成封装方面的优势外， 在布线线宽和线间距、 低阻抗金属化、 设计的多样性及优良的高频性能等方面有更广阔的发展前景。1 LTCC工艺技术 以来料为Dupont pt 951 生瓷片做实验， 环境温度(20 5 ) ， 湿度40 6 5 ， 流程工艺如图 1 所示。 图 1 L T CC 工 艺 流 程 图流延片的制备： 采用不同的

4、材料配比， 可以制备出各种性能的流延片生瓷带，目前世界上提供LTCC流延片生瓷带的生产厂家有 Dupont 、 Ferro 、 Heraeus 、 Northrop Swedish Ceramic Institute1 Kyocera、 Sarnoff National Semiconductor 、 NI KKO、 Ni p pen Electric Glass 、 Samsung以及中国台湾碌德 电子股份有限公司， 实验采用的是200mm DuPont 生瓷片， 所以工艺不包括流延和切片。 1.1烘干 即用烘干炉对生瓷片进行预处理， 作用是使生瓷片在流片前先进行片子的排胶收缩， 以避免在后

5、道工序中有较大的变形， 从而影响打孔、 印刷等关键工艺的精度， 烘干的条件在生瓷片销售商提供的基础上， 再根据整条生产线的环境来确定， 在十万级的净化间和 22的条件下进行， 烘干条件是100时烘20 min ，这个条件是在和80时烘30 min以及 120时烘20 min两种情况对比下得出的结论 。 1.1.1 打孔 即在生瓷片上按设计的图形打孔， 生瓷片上打孔是 LTCC多层基板制造中极为关键的工艺技术， 孔径大小、 位置精度均直接影响布线密度与基板质量。 在生瓷片上打孔就是要求在生瓷片上形成(0.10.5) 1TI1TI 的通孔， 或生成方孔和异型孔。打孔分无框和带框两种工艺方式， 无框

6、是指在打孔过程中只是吸附生瓷片打孔， 而带框是指在打孔时， 生瓷片固定在料框上， 机械手吸附料框后打孔。 在对Dupont 生瓷片打孔过程中，出现了小孔打不透现象， 如图所示， 对于如 0.1mm和0.15 mm的小孔，如果按正常膜在下面打孔， 则出现碎屑不能完全从孔中吸走的现象， 下一工序填充无法完成。解决办法： 打孔时生瓷片膜在上面， 如图孔打透示意图。 ( a ) 孔打不透情况示意图 ( b ) 孔打透示意图1.1.2填充即互联通孔金属化 ，LTCC层间电气连接依赖生瓷片上的互联通孔，在通孔内填充上金属浆料， 通过烘干烧结实现金属化， 达到电气导通的目的。通常采用微孔填充机来实现这 一功

7、能。LTCC基板通孔填充方法有两种， 通常采用丝网印刷法，但当通孔直径低于0.3 mm时， 丝网印刷则无法很好地满足要求，这时就需要采用微孔填充机来完成通孔填充。采用负压抽吸的方法， 可使孔的周围均匀印有导体浆料 ， 填充通孔的导体浆料与形成导电带的导体浆料的组成成份不同， 其黏度应加以控制， 充分使其凝胶化， 使通孔填充饱满。填充后的生瓷片需要烘干处理，使孔内金属固化， 烘干条件为 6 O时烘 15 rain。烘干后再用压平机压平。如填充不好会出现两种状态， 如图3 所示 。 图 3 填充状 态图1.1.3 印刷 通过精密丝网印刷使每层生瓷片形成电路图形， 包括导带、 电阻、 电容、 电感等

8、无源器件。使用设备精度丝网印刷机。厚膜浆料应有良好的触变性和流动性， 触变性可使浆料易于通过丝网掩膜的开区， 在基底上得到分辨率较高的厚膜图案。 影响厚膜图形质量的关键因素众多，包括： 丝网类型和目数 、 乳胶类型、 浆料黏度 、 印刷速率 ， 刮板或辗辊的硬度和接触角度、 压力和丝网的变形量等， 必须严加控制。生瓷片上印刷导体的厚度比一般厚膜工艺要求的厚度薄一些， 各层生瓷片之间的对位精度要高。 1.1.4 叠片 即把印刷好金属化 图形和形成互连通孔的生瓷片， 按照预先设计的层数和次序叠到一起， 在一定温度和压力下， 使它们紧密粘接， 形成一个完整的多层基板坯体。使用设备为叠片机。叠片时除严

9、格按照设计顺序外，还要求精确定位， 以确保各层之间图形的精度。 叠片工艺参数包括定位基准、 压力、 温度、 生瓷带厚度等。 检验叠片的精度， 可将层压后的坯体用热切机沿印刷的线条切开， 图4所示是在显微镜下观察到的15层生瓷片的叠片效果。 图 4 沿 印刷线条 热切后坯体侧 面图1.1.5 层压 是利用生瓷片的热塑性进行热压， 热压温度、 压力根据基板面积和层数确定。使用设备为层压机。为了避免在烧结过程中产生分层、 起泡、 开裂等现象， 生坯热压过程应该在真空环境 中进行 ， 有利于排除气体和提 高粘 附强度 。 热压压力应均匀一致，热压压力对坯体烧结时的收缩率有很大影响。压力越大， 收缩率越

10、小。 压力太小， 坯体压合不好， 会出现分层， 并且收缩率较大， 收缩率一致性差； 如果热压力过大， 则排胶时会起泡分层 。 特别提出一点，层压前的包封过程必须做好， 除保证包封不漏气之外， 还要保证层压板四个边上有销子定位， 这样做是为了避免在层压过程中出现生瓷片错位， 进而导致层间电路不通。 1.1.6热切 烧结后的陶瓷基片切割起来很困难， 所以 LTCC通常在烧结前切割， 对层压后的多层生瓷片进行切割以形成单体基片。 使用设备热切机， 操作时刀片和工作台均加热， 使生瓷体粘合剂软化， 切割出来的基片或划出的线槽边缘光滑陡直而没有碎片碎渣。 切割时须严格控制刀温和工作台温度， 避免温度剧烈

11、变化， 以保证材料的切割精度。由于多层陶瓷基板的材料性质， 要求刀具有高质量超微部件切削加工的能力 ，切削加工阻力小， 以及具有高度的耐久性即长期工作下刀具要具有优良的热平衡和动态性能。 热切标识有两种： 线条和孔。在图形设计时就要考虑是印刷线条还是打孔来作标识。 1.1.7烧结 将热切后的陶瓷生坯放入炉中排胶， 烧结的目的是完善固相反应， 使磁体有高的致密性和完整的单畴晶粒。排胶工艺对LTCC基板的质量有着严重的影响， 排胶不充分， 烧结后基板会起泡、 变形或分层 ； 排胶过量 ， 又可能使金属化图形脱落或基板碎裂。低温共烧技术的关键是 烧结曲线和炉膛温度的均匀性。烧结时升温速度过快， 会导

12、致基板的平整度差和收缩率大。 炉膛温度的均匀性差， 烧结后基板收缩率的一致性也差。 烧结温度一般在800950之间。导体浆料使用最多的是金、 银、 钯银、 铜等电阻率低的材料。 目前使用最多的是金、 银浆料， 其可在空气中进行烧结。 烧结后的坯体要进行测试， 即用飞针测试设备对烧结好的低温共烧陶瓷多层基板进行检测， 以验证多层布线的连接性。 主要是使用探针测试仪进行检测， 可对基板进行开路、 短路和高阻失效测试。 飞针测试是根据基板的网络逻辑关系， 利用4根可以在基板正反面上任意移动的探针来进行测试。 探针在程序的指导下插入并接触到基板上待测两端， 在探针上施加电压、 测量电流， 从而判断基板

13、的通断情况 。 为了保证产品的功能，必须对诸如开路、 短路、 潜在开路和潜在短路等缺陷进行探查、 检测并加以修复。在工艺进程中， 要进行基板测试， 常用是探测埋在基板内的互连开路、 短路、 潜在开路和潜在短路。还要进行参数测量以保证互连满足一系列的设计规范， 如绝缘电阻、 导体电阻和线电容等。 这样就能实现基板具有小差异， 以保证成功的高速应用 。 2 LTCC的发展无论在军用还是民用方面，LTCC正在以飞快的速度应用在许多领域， 在未来几年中将需要大量的 LTCC生产线来满足日益增长的产量要求， 特别是中国大陆市场将成为 LTCC生产的原发地， 大量外国企业和国内具有实力的企业均设法计划在此领域投资以获得较高的效益。 而