LTCC層壓工藝對(duì)垂直互聯(lián)柱錯(cuò)位的影響

羅天宏，廖志平，周德儉

（桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林 541004）

LTCC層壓工藝對(duì)垂直互聯(lián)柱錯(cuò)位的影響

羅天宏，廖志平，周德儉

（桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林 541004）

針對(duì)垂直互聯(lián)柱在LTCC層壓過程中產(chǎn)生錯(cuò)位的問題，采用ANSYS有限元仿真軟件建立了一種LTCC微波組件的三維模型，分析了LTCC層壓工藝參數(shù)與垂直互聯(lián)柱錯(cuò)位的關(guān)系。分析結(jié)果表明：材料在層壓過程中產(chǎn)生的粘性變形是最終導(dǎo)致垂直互聯(lián)柱產(chǎn)生錯(cuò)位的原因，壓力是導(dǎo)致垂直互聯(lián)柱產(chǎn)生錯(cuò)位的主要因素；選用壓力10MPa、溫度50℃、時(shí)間6 min的層壓工藝參數(shù)組合，得到的直徑0.26mm的垂直互聯(lián)柱錯(cuò)位度為1.39%。

LTCC；層壓工藝；垂直互聯(lián)柱；錯(cuò)位

隨著電子信息產(chǎn)品向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化、便攜化方向發(fā)展，復(fù)合元件和集成無源元件已經(jīng)成為電子元件發(fā)展的主要方向［1］。低溫共燒陶瓷（low temperature co-fired ceramic，簡稱LTCC）以其優(yōu)越的電氣特性和先進(jìn)的制作工藝在高密度和高頻應(yīng)用領(lǐng)域備受關(guān)注。為適應(yīng)高互聯(lián)密度電路的需要，現(xiàn)已開發(fā)出多種基于LTCC的精細(xì)互聯(lián)技術(shù)。采用垂直互聯(lián)柱進(jìn)行電氣互聯(lián)、導(dǎo)熱的LTCC集成系統(tǒng)具備集成度高、互聯(lián)線短、高頻性能佳等優(yōu)越特性。垂直互聯(lián)柱在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高度集成的同時(shí)，利用其導(dǎo)熱連接可有效地解決系統(tǒng)散熱問題，近年來得到了快速發(fā)展與應(yīng)用。然而，高密度互聯(lián)封裝對(duì)LTCC多層基板內(nèi)部垂直互聯(lián)通孔的制作工藝提出了更高要求。在制作過程中，垂直互聯(lián)柱若產(chǎn)生錯(cuò)位，將使得LTCC內(nèi)部電氣互聯(lián)系統(tǒng)出現(xiàn)斷路或短路，并大大降低系統(tǒng)預(yù)期的導(dǎo)熱效果。

目前對(duì)LTCC內(nèi)部垂直互聯(lián)柱錯(cuò)位的研究主要集中在LTCC生瓷帶疊片工藝中對(duì)位精度不足所產(chǎn)生的錯(cuò)位。張長鳳等［2］針對(duì)垂直互聯(lián)柱錯(cuò)位失效問題，提出了容差布線設(shè)計(jì)方法，并通過增加光學(xué)對(duì)位系統(tǒng)對(duì)疊片工作臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)，獲得了良好的對(duì)位效果。關(guān)志雄等［3］對(duì)生坯成型工藝進(jìn)行改進(jìn)，通過增加透光孔、充分排除層間空氣和進(jìn)行二次層壓等方式，有效抑制了垂直互聯(lián)柱錯(cuò)位的產(chǎn)生，提高了對(duì)位精度。

然而，即使在疊片工藝中已將垂直互聯(lián)柱精確對(duì)位，但垂直互聯(lián)柱在LTCC層壓過程中，也容易在壓力施加下產(chǎn)生錯(cuò)位。為此，通過有限元軟件ANSYS，建立LTCC微波組件的三維模型，對(duì)LTCC層壓工藝過程進(jìn)行仿真，分析LTCC層壓工藝參數(shù)對(duì)垂直互聯(lián)柱錯(cuò)位的影響，以得到錯(cuò)位度較小的LTCC層壓工藝參數(shù)。

1 LTCC層壓工藝

LTCC層壓采用溫水等靜壓：將制作好垂直互聯(lián)柱的生瓷片對(duì)齊疊放后，用真空袋包裹放入溫水等靜壓設(shè)備中進(jìn)行等靜壓。溫水等靜壓是利用帕斯卡原理，將水或油加熱到一定溫度，并保持恒溫，然后使受壓工件置于液體中，使其各方向受到等值壓力。采用溫水等靜壓得到的產(chǎn)品密實(shí)性更好，強(qiáng)度也更高［4］。

本研究將層壓工藝中的LTCC生瓷片材料處理為線性粘彈性材料［5］。目前的ANSYS有限元軟件采用廣義的Prony模型描述材料的粘彈特性，廣義的Prony模型與廣義的Maxwell模型具有相同的數(shù)學(xué)描述，能很好地反映材料的粘彈特性。用Prony級(jí)數(shù)表示粘彈性屬性的基本形式為：

其中：G（t）為剪切松弛核函數(shù)；K（t）為體積松弛核函數(shù)；G∞為剪切模量的穩(wěn)態(tài)值；Gi為第i階Prony級(jí)數(shù)的剪切模量；K∞為體積模量的穩(wěn)態(tài)值；Ki為第i階Prony級(jí)數(shù)的體積模量；nG、nK為各Prony級(jí)數(shù)的階數(shù)；τiG、τiK為各Prony級(jí)數(shù)分量的松弛時(shí)間；t為當(dāng)前時(shí)間。

2 仿真模型

LTCC微波組件由25層單層厚度為0.127mm的LTCC生瓷片疊層制作而成，總厚度為3.175 mm，長寬為50mm×40mm，如圖1所示。LTCC微波組件內(nèi)含有垂直互聯(lián)柱與微通道結(jié)構(gòu)。垂直互聯(lián)柱直徑為0.22mm，共有256條導(dǎo)電柱和256條導(dǎo)熱柱，導(dǎo)電柱將各層LTCC上的電路實(shí)現(xiàn)電氣互聯(lián)；導(dǎo)熱柱連接大功率芯片與支流道，將芯片產(chǎn)生的熱量導(dǎo)入支流道，起散熱作用。微通道是液冷散熱通道，含2條主流道和8條支流道。微通道內(nèi)部填充犧牲材料，以防層壓過程中通道變形。由于該LTCC微波組件結(jié)構(gòu)對(duì)稱，而層壓工藝的載荷與邊界條件也對(duì)稱，為節(jié)約仿真計(jì)算時(shí)間，采用整體的1／2模型進(jìn)行仿真分析。

圖1 LTCC微波組件Fig.1 LTCC microwave component

3 仿真分析

3.1 典型LTCC層壓工藝中垂直互聯(lián)柱錯(cuò)位分析

LTCC層壓工藝過程需考慮壓力、溫度和時(shí)間3個(gè)主要工藝參數(shù)。行業(yè)中普遍適用的典型層壓工藝參數(shù)為：壓力20MPa，溫度70℃，時(shí)間10min［6］。層壓工藝分為升溫升壓、保溫保壓、降溫降壓3個(gè)階段。在典型的層壓工藝下，對(duì)LTCC微波組件進(jìn)行仿真，組件內(nèi)部垂直互聯(lián)柱錯(cuò)位度最大的部位如圖2所示。通過計(jì)算得到典型層壓工藝下垂直互聯(lián)柱最大錯(cuò)位度為3.79%。

圖2 典型層壓工藝的錯(cuò)位最大部位Fig.2 The biggest misalignment part of typical laminating process

提取層壓工藝中各載荷子步的最大錯(cuò)位度，得到垂直互聯(lián)柱最大錯(cuò)位度的變化情況，如圖3所示。從圖3可看出，在升溫升壓階段（載荷子步0～5），材料產(chǎn)生彈性變形和粘性變形，垂直互聯(lián)柱的錯(cuò)位度隨著溫度和壓力的上升而顯著增大。當(dāng)溫度與壓力上升到設(shè)定值后，進(jìn)入保溫保壓階段（載荷子步5～25），此時(shí)雖然溫度與壓力不再繼續(xù)增加，但溫度與壓力都持續(xù)保持在最大值狀態(tài)，垂直互聯(lián)柱產(chǎn)生蠕變，使得錯(cuò)位度隨著時(shí)間的增加而緩慢增大。最后進(jìn)入降溫降壓階段（載荷子步25～30），隨著壓力的下降，材料發(fā)生回彈現(xiàn)象，垂直互聯(lián)柱由于彈性變形產(chǎn)生的錯(cuò)位消失，最終僅留下了因粘性變形產(chǎn)生的錯(cuò)位，這說明材料在層壓過程中產(chǎn)生的粘性變形是導(dǎo)致垂直互聯(lián)柱產(chǎn)生錯(cuò)位的原因。

圖3 垂直互聯(lián)柱錯(cuò)位度變化圖Fig.3 Change of vertical interconnection column misalignment

3.2 正交試驗(yàn)優(yōu)化層壓工藝

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析方法是目前最常用的工藝優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析方法，是一種高效處理多因素優(yōu)化問題的科學(xué)計(jì)算方法［7］。正交表不僅能大大減少試驗(yàn)次數(shù)，而且還能通過試驗(yàn)分析找到較優(yōu)的試驗(yàn)點(diǎn)（即使不包含在正交表中）［8］。

LTCC層壓工藝中，壓力的主要作用是提高機(jī)械嚙合強(qiáng)度，壓力太小，生瓷片壓合不好，會(huì)出現(xiàn)分層，壓力過大，則排膠時(shí)會(huì)起泡分層，故壓力一般取10～30MPa。溫度的主要作用是提高粘結(jié)劑的活性，溫度太低，生瓷片粘結(jié)不好，會(huì)出現(xiàn)分層，溫度過高，則生瓷片在壓力下容易變形，故溫度一般取50～90℃。時(shí)間的主要作用是提高層間膠結(jié)程度，時(shí)間太短，生瓷片壓合程度不夠，會(huì)出現(xiàn)分層，時(shí)間太長，生瓷片容易蠕變，故時(shí)間一般取6～14min。符合取值范圍的層壓工藝，層壓后所得產(chǎn)品粘結(jié)強(qiáng)度較好，不易產(chǎn)生分層與變形。依據(jù)層壓工藝參數(shù)取值范圍，并增加垂直互聯(lián)柱直徑參數(shù)，設(shè)計(jì)的L9（34）正交試驗(yàn)表如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)表Tab.1 Orthogonal experiment table

依據(jù)設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)，對(duì)9組試驗(yàn)進(jìn)行仿真分析，分別提取各組試驗(yàn)LTCC組件中垂直互聯(lián)柱最大錯(cuò)位度為試驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表2所示。表2中K1、K2、K3分別為水平1、2、3的某參數(shù)所對(duì)應(yīng)的平均錯(cuò)位度，R為極差。

表2 正交試驗(yàn)仿真結(jié)果Tab.2 Simulation result of orthogonal experiment

從表2的極差分析可看出，LTCC層壓工藝參數(shù)中，極差值從大到小的順序?yàn)椋簤毫Γ局睆剑緶囟龋緯r(shí)間，且壓力的極差遠(yuǎn)大于時(shí)間與溫度的極差，所以在LTCC層壓工藝參數(shù)中，壓力參數(shù)對(duì)垂直互聯(lián)柱錯(cuò)位度的影響程度最大，且遠(yuǎn)大于時(shí)間與溫度的影響程度。

LTCC層壓工藝參數(shù)水平與垂直互聯(lián)柱平均錯(cuò)位度關(guān)系如圖4所示。從圖4（a）可看出，垂直互聯(lián)柱錯(cuò)位度隨直徑的增加而減小，表明在滿足互聯(lián)密度的前提下應(yīng)盡量采用大直徑的垂直互聯(lián)柱。從圖4（b）可看出，垂直互聯(lián)柱錯(cuò)位度隨層壓時(shí)間的增加而增大，這是因?yàn)樵诒乇弘A段，層壓時(shí)間的增加使得材料變形增大，因此，可適當(dāng)降低層壓時(shí)間來降低錯(cuò)位度。從圖4（c）可看出，垂直互聯(lián)柱錯(cuò)位度隨層壓溫度的增加而有所增大，但增大的幅度很小，當(dāng)溫度≥70℃時(shí)，錯(cuò)位度幾乎不再增大。從圖4（d）可看出，垂直互聯(lián)柱錯(cuò)位度與層壓壓力近似成正比，當(dāng)壓力增加到30MPa時(shí)，平均錯(cuò)位度為5.48%，錯(cuò)位較為嚴(yán)重，表明要降低壓力以減少錯(cuò)位度，但壓力不宜低于10MPa，因?yàn)閴毫^低會(huì)產(chǎn)生分層。

圖4 LTCC層壓工藝參數(shù)與垂直互聯(lián)柱錯(cuò)位度的關(guān)系Fig.4 The relationship between LTCC lamination process parameters and vertical interconnection column misalignment

3.3 LTCC層壓工藝參數(shù)優(yōu)選

通過正交試驗(yàn)分析得到的最佳層壓工藝參數(shù)組合為：時(shí)間6min，壓力10MPa，溫度50℃，垂直互聯(lián)柱直徑0.26mm。根據(jù)所得最佳LTCC層壓工藝參數(shù)組合，對(duì)該LTCC微波組件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果如圖5所示。

通過計(jì)算得到垂直互聯(lián)柱的最大錯(cuò)位度為1.39%，相比典型LTCC層壓工藝參數(shù)組合下3.79%的錯(cuò)位度，減小了2.4%，且將錯(cuò)位度降低到了2%以下。這表明，采用優(yōu)選的工藝參數(shù)，降低了本LTCC微波組件在層壓工藝后垂直互聯(lián)柱產(chǎn)生的錯(cuò)位度。

圖5 最佳層壓工藝的錯(cuò)位最大部位Fig.5 The biggest misalignment part of best laminating process

4 結(jié)束語

利用ANSYS有限元仿真軟件建立了一種LTCC微波組件的三維模型，分析了LTCC層壓工藝參數(shù)與垂直互聯(lián)柱錯(cuò)位度的關(guān)系，并對(duì)LTCC層壓工藝進(jìn)行了優(yōu)化。分析結(jié)果表明，采用優(yōu)化的層壓工藝參數(shù)可以將垂直互聯(lián)柱的錯(cuò)位度降低到2%以下。然而，相同層壓工藝對(duì)不同材料的垂直互聯(lián)柱錯(cuò)位度影響不同，研究未考慮材料參數(shù)對(duì)垂直互聯(lián)柱錯(cuò)位的影響。下一步將結(jié)合垂直互聯(lián)柱的材料參數(shù)對(duì)LTCC層壓工藝參數(shù)作進(jìn)一步優(yōu)化。

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編輯：張所濱

Impact of LTCC laminating process on vertical interconnection column misalignment

LUO Tianhong，LIAO Zhiping，ZHOU Dejian
（School of Mechatronic Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China）

During LTCC laminating process，the vertical interconnection column will generate misalignment.A three-dimensional model of LTCC microwave component is established by finite element software ANSYS，and the influence of LTCC laminating process on vertical interconnection column misalignment is studied.The results show that during LTCC laminating process，the viscous deformation on material eventually leads to vertical interconnection column misalignment.Pressure is the main factor that leads to the misalignment of vertical interconnection column.Laminating process parameters are combined by pressure of 10MPa，temperature of 50℃，time of 6min and diameter of 0.26mm，the vertical interconnection column misalignment is 1.39%.

LTCC；laminating process；vertical interconnection column；misalignment

TN605

：A

：1673-808X（2016）05-0421-05

2016-03-05

國防973項(xiàng)目“多能量＊＊＊研究”

周德儉（1954-），男，浙江金華人，教授，博士，研究方向?yàn)槲㈦娮咏M裝與封裝。E-mail：emezdj＠guet.edu.cn

羅天宏，廖志平，周德儉.LTCC層壓工藝對(duì)垂直互聯(lián)柱錯(cuò)位的影響［J］.桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36（5）：421-425.