LTCC技術(shù)中生瓷片的形變分析及應(yīng)用

楊 偉，馬其琪，賈少雄

(中國電子科技集團公司第二研究所,微組裝中心，山西 太原 030024)

0 引言

低溫共燒陶瓷(LTCC)有著易于與不同特性的材料相結(jié)合，有可能實現(xiàn)元件的集成和將不同特性的元件置入陶瓷基板內(nèi)部，還可以將低損耗金屬埋入低溫共燒陶瓷中作為導(dǎo)體。與其他材料如樹脂等比較，陶瓷的高頻介電損耗小，可以用來制造低損耗器件。另外，低溫共燒陶瓷的熱膨脹系數(shù)比樹脂材料和其他陶瓷材料低，對于大規(guī)模集成電路器件的高密度封裝，有著極優(yōu)良的內(nèi)連可靠性的優(yōu)點。所以，低溫共燒陶瓷技術(shù)在高頻應(yīng)用中，可以進(jìn)行器件的集成和制造基板[1]。

1 LTCC技術(shù)

LTCC技術(shù)是1982年美國休斯公司開發(fā)的一種新型材料技術(shù)。該技術(shù)是將陶瓷粉料和有機黏結(jié)劑混合制成乳狀漿料并流延成陶瓷薄片(生瓷帶)，在生瓷片上打孔、填充、印刷，然后疊壓在一起，在850 ℃～900 ℃一次性燒結(jié)，制成三維空間互不干擾的高密度電路[2]。

從工藝角度看，LTCC技術(shù)是一種多層并行加工的陶瓷技術(shù)，是將所有層單獨加工，然后共同燒制成一個陶瓷封裝的陶瓷基板。生瓷片之間的精確對位對于保證LTCC微波多層基板電氣性能是非常重要的[3]。

圖1 LTCC基本工藝流程

2 生瓷片形變數(shù)據(jù)采集

生瓷片在填孔、整平和印刷等生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生形變。當(dāng)對單張生瓷片進(jìn)行形變分析時，由于生產(chǎn)過程中眾多的偶然因素，不能準(zhǔn)確進(jìn)行形變分析。為避免偶然因素的影響，取同層多張生瓷片進(jìn)行測量，用平均值作為這層生瓷片的形變量進(jìn)行分析。

下面研究在穩(wěn)定的生產(chǎn)條件下，同產(chǎn)品不同層的生瓷片在填孔、整平、印刷過程中的形變，并分析引起形變的因素。根據(jù)所獲得的形變數(shù)據(jù)，對沖孔文件、填孔鋼版和印刷絲網(wǎng)進(jìn)行調(diào)整，以提高生瓷片之間的對位精度。

生產(chǎn)過程采用FERRO A6M的生瓷片，尺寸153 mm*153 mm，導(dǎo)電漿料是A6M生帶的配套漿料。

如圖2所示，在生瓷片上選取4個點，點編號為1、2、3、4。在每道生產(chǎn)過程前后分別測量4個點的坐標(biāo)，然后計算生產(chǎn)前后1-2、3-4、1-3、2-4邊的距離差，作為每條邊的形變量。形變量為正則說明生瓷片的這條邊在這個工序過程中伸長，為負(fù)則說明在這個工序過程中收縮。為方便后面描述，將1-2、3-4定義為刮刀方向，1-3、2-4定義為印刷方向。

圖2 生瓷片形變測量

層號填孔漿料通孔數(shù)量印刷漿料印刷面積(mm2)數(shù)據(jù)點數(shù)2CN30-0784474FX30-02551.783510CN30-07810 490CN30-080M4 200.542920CN33-40710 524CN33-3985 354.1235

在填孔、整平和印刷工序過程中分別取一組數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的分布情況來分析數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

圖3 填孔工序第2層3-4

圖4 整平工序第20層3-4

從圖3、圖4、圖5中可以看出形變量主要分布在一個相對集中的區(qū)域內(nèi)，因此可用這組數(shù)據(jù)的平均值作為這層的形變量進(jìn)行形變分析，可用標(biāo)準(zhǔn)偏差衡量形變量的分散程度。

圖5 印刷工序第10層3-4

3 工序過程質(zhì)量分析

3.1 填孔過程分析

生產(chǎn)過程與印刷相似，填孔使用的是帶框架的不銹鋼掩膜版，生產(chǎn)中的工藝參數(shù)也與印刷不同。

表2 填孔過程的形變量

從表2的數(shù)據(jù)可以看出，生瓷片1-2、3-4形變比1-3、2-4形變要大且都是收縮。結(jié)合填孔生成過程進(jìn)行分析，填孔采用的是不銹鋼掩膜印刷的方式，生瓷片在刮刀壓力作用下發(fā)生形變，但是在與刮刀接觸的方向上，鋼板與生瓷片緊密接觸，限制了在刮刀方向上的形變，形變主要發(fā)生在印刷方向上。填孔后漿料干燥時隨著溶劑的揮發(fā)，在黏結(jié)劑的作用下漿料收縮同時也給生瓷片一個收縮的力，通孔都是圓形，生瓷片均勻收縮。最終的結(jié)果是生瓷片1-2、3-4的形變量比1-3、2-4的形變要大且均為收縮。

從整體上看，在填孔過程中生瓷片形變量較小，而且生瓷片上的孔數(shù)多少和通孔漿料的種類對生瓷片形變量影響不大。

3.2 整平過程分析

整平是指將通孔凸出生瓷片的漿料去除的過程。從圖6的對比可看出整平的效果。

圖6 整平前后效果對比

從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，生瓷片所有邊都是伸長；在使用相同漿料的情況下孔數(shù)越多生瓷片的形變量越大；通孔數(shù)相近而填充漿料不同的情況下生瓷片的形變量也不相同。

表3 整平過程的形變量

結(jié)合整平過程進(jìn)行分析，整平是人工用刀片刮掉通孔漿料凸起的部分，生瓷片的形變來源于刀片對生瓷片的擾動，擾動是刀片刮通孔柱時所受的阻力。因此通孔數(shù)多的生瓷片在整平過程中受到的擾動也多，生瓷片的形變量也越大；不同的填充漿料干燥后的強度不同，因此通孔數(shù)相近填充漿料不同的生瓷片形變量也不相同。

3.3 印刷過程分析

印刷采用的是間隙絲網(wǎng)印刷技術(shù)，是將漿料通過絲網(wǎng)印刷在生瓷片上的過程。絲網(wǎng)與生瓷片之間在印刷時有一個很小的距離，刮刀下壓使絲網(wǎng)拉伸到與生瓷片接觸，印刷結(jié)束后絲網(wǎng)恢復(fù)原狀。

表4 印刷過程的形變量

101-2-1.64.512.0-9.33-418.16.828.3-1.71-34.64.315.3-4.82-41.55.112.7-15.8201-2-13.64.5-5.0-25.63-4-12.16.80.1-28.81-3-36.113.9-21.2-65.52-4-52.812.2-30.5-85.2

從表4中的數(shù)據(jù)可以看出，印刷后生瓷片各邊的形變量都不一樣，結(jié)合印刷過程進(jìn)行分析。

當(dāng)印刷面積很小時，我們可忽略印刷漿料對生瓷片的影響，生瓷片主要受到刮刀壓力發(fā)生的形變，與刮刀接觸的方向上，絲網(wǎng)與生瓷片緊密接觸，限制了在刮刀反向上的形變，形變主要發(fā)生在印刷方向上。

當(dāng)印刷面積較大時，生瓷片的形變主要由印刷漿料中溶劑對生瓷片中有機成分的溶解和漿料干燥過程中生瓷片收縮兩個因素造成的。當(dāng)導(dǎo)體漿料中的溶劑不易溶解生瓷片中的有機成分時，生瓷片主要受到漿料干燥過程中生瓷片收縮的影響；當(dāng)導(dǎo)體漿料中的溶劑能溶解生瓷片中的有機成分時，生瓷片就受到兩個因素的綜合影響。

從表4中可看出同層生瓷片4條邊形變量明顯不同，這是受到印刷圖形的影響。

3.4 補償

生瓷片在疊片時采用的是中心對位的原理。即疊片之后生瓷片在中心位置的形變量最小，四角上的形變量最大。用生瓷片在填孔之前和印刷之后的形變數(shù)據(jù)，可分別計算出4個點的實際通孔中心位置與設(shè)計通孔中心位置的平均偏差值。

表5 補償之前的平均偏差值

在生產(chǎn)過程中所用沖孔文件、填孔鋼板和印刷網(wǎng)板的刮刀方向和印刷方向上分別添加補償。在填孔前和印刷后測量生瓷片上4個點的坐標(biāo)，計算在整個生產(chǎn)過程中的形變量，再減去所添加的補償。最后分別計算4個點實際通孔中心位置與設(shè)計通孔中心位置的平均偏差值。

表5 補償之前的平均偏差值

在生產(chǎn)過程中所用沖孔文件、填孔鋼板和印刷網(wǎng)板的刮刀方向和印刷方向上分別添加補償。在填孔前和印刷后測量生瓷片上4個點的坐標(biāo)，計算在整個生產(chǎn)過程中的形變量，再減去所添加的補償。最后分別計算4個點實際通孔中心位置與設(shè)計通孔中心位置的平均偏差值。

表6 補償之后的平均偏差值

通過表5和表6的對比，可以看出通過添加補償能明顯提高生瓷片之間的對位精度。

4 結(jié)論

生瓷片填孔時形變較小，受到刮刀壓力、填孔漿料等因素的影響；整平時形變受到通孔數(shù)、填充漿料等因素的影響；印刷時形變受到刮刀壓力、印刷漿料、印刷面積、印刷圖形等因素的影響。

在LTCC基板的制造過程中，通過對沖孔文件、填孔鋼版、印刷絲網(wǎng)添加相應(yīng)的補償進(jìn)行調(diào)整，能明顯提高生瓷片之間的對位精度。