LTCC基板关键工艺问题解决方案
LTCC基板关键工艺问题解决方案
摘要：TCC技术以其特有的技术特点广泛应用于射频电路系统，针对LTCC工艺中关键工艺问题开展研究，详细分析了影响LTCC基板收缩率、翘曲度和层间对位偏差的工艺因素，并阐述了如何优化工艺参数以解决上述问题。通过大量的工艺试验和数据测试，结果表明，新的工艺方案可有效解决这些工艺问题。
LTCC技术是诞生于上世纪80年代的多层电路技术，其首先采用生瓷粉料通过流延形成生瓷带，然后在各层生瓷带进行冲孔、通孔金属浆料填充、电路图形印刷、电阻印刷，最后将各层生瓷片对位叠层、压合后在850℃～900℃的温度下烧结为一体，形成多层陶瓷电路。LTCC以其低介电常数，多层任意布线等技术优势广泛应用于高密度及高频电子产品，是高密度封装的有效技术手段。
LTCC多层电路基板制造工艺流程较长，工艺复杂，基板收缩率、翘曲度、层间对位精度等都是影响产品性能的重要因素，目前这些都是LTCC基板制造工艺中控制的难点，需要不断进行研究，改进优化LTCC制造工艺。
1，影响因素分析
1.1 收缩率偏差原因分析
LTCC收缩率与其密度有直接关系，密度越大收缩率越小，密度越小收缩率越大，反应到工艺参数上来，密度与层压压力相对应，因此可以通过调控层压压力来改变LTCC产品的收缩率，使之达到设计要求，如下图1所示是LTCC材料厂商提供的本批次材料"层压压力-密度-收缩率"关系曲线。
但是上述厂家给出的"等静压压力-收缩率"曲线是基于白瓷进行烧结后测量的，而实际LTCC基板由于存在金属通孔、印刷金属导线，这些金属的收缩率不同于白瓷收缩率，因此相同层压压力下LTCC产品的收缩率与白瓷的收缩率有一定差异，需要进一步研究其规律，积累工艺数据，进行层压压力相应的调整。
1.2 基板翘曲原因分析
LTCC基板烧结收缩率及翘曲度是LTCC基板的重要工艺指标之一。其不仅与烧结工艺有关，还与基板对称性设计、电路布局、浆料选用关系密切。
1）烧结原因：烧结工艺与基板翘曲度、收缩率有直接关系，LTCC基板的烧结过程实际是一个放热吸热反应的过程。排胶阶段（室温至500℃左右）基板中有机物分解挥发，质量减轻；烧结阶段（700℃～850℃左右）基板发生结晶和析晶反应，伴随反应的进行，基板收缩。因此低温阶段、高温阶段的烧结时间，升温速率与基板收缩程度、翘曲程度关系密切，需要优化烧结曲线，通过试验调整排胶阶段升温速率、时间，烧结阶段升温速率、时间，各阶段空气流量等重要工艺参数。
2）基板结构及金属分布问题：LTCC基板的结构也是决定LTCC基板烧结翘曲度的关键因素，当LTCC基板上存在多种规格的空腔结构时，其结构难以均衡对称，同时由于LTCC基板上含有大量通孔及密集金属导线，这些都难以均匀分布，这样就容易导致其翘曲度超差。
图1 LTCC"层压压力-密度-收缩率"关系曲线
表1 带膜工艺LTCC通孔错位原因分析表（单位：μm)
表2 层压压力与收缩率关系试验
3）浆料选用问题：不同银浆、金浆与生瓷带热膨胀系数匹配性不同，因此大面积印刷层选用不同浆料时对基板翘曲度的影响尤为明显。
1.3 通孔层间对位偏差原因分析
LTCC基板层间对位偏差与打孔精度、生瓷片自身收缩情况、各层印刷导体情况，叠层对位精度等众多因素相关，是控制的难点，因此需要对整个工艺流程进行监控，找出主要影响因素，进行优化控制。按照带膜工艺流程进行LTCC制造，对全过程进行错位监控，具体如表1所示：
本轮试验通过全流程跟踪监测，由表1数据可知，带膜生瓷片在撕膜后会有一个应力的释放，导致较大变形，其中主要形变方向为生瓷流延方向，表现为放大，范围约为40μm～70μm，垂直于流延方向则表现为收缩，范围约为10μm～20μm，是带膜工艺通孔错位的主要原因。
二，工艺方案及试验结果
2.1 收缩率偏差控制工艺方案
开展试验研究，寻求实际收缩率与曲线上收缩率的误差，以此进行调整。如下所示是开展了多批次不同层压压力下实际收缩率测试实验。
如上表2所示，通过多轮的层压试验，实测LTCC收缩率与LTCC"层压压力-密度-收缩率"关系曲线上收缩率误差约为0.2%～0.3%，依此指导实际生产。在武协LTCC制造中，工艺设计收缩率15.8%，为达到次收缩率，因为上述试验证明实测LTCC收缩率与曲线上收缩率误差约为0.2%～0.3%，因此要到达15.8%的收缩率，应选用16%收缩率所对应的层压压力，即力3000psi。实际效果表明效果较好，达到了设计收缩率。
2.2 基板翘曲度控制工艺方案
1）烧结工艺优化：降低排胶阶段升温速率，优化各阶段气流量，缓解不同材料热膨胀系数不匹配的应力。
2）布版设计优化：对于单块基板内部无法满足金属化平衡分布的情况，拟在版图布局时进行对称性布局，使其在整版中形成金属化平衡分布，烧结时再进行整版烧结，这样就可以有效的改善基板平整度。
3）浆料选用优化：在混合浆料体系中，大面积底层尽量选用同种材质的浆料，对于LTCC背面焊接层，确需选择不同浆料时，可尽量选择后烧型浆料，以此可降低烧结难度，改善基板翘曲度。
表5 无膜工艺LTCC生瓷形变统计表（单位：μm)
图2 单块LTCC的孔分布及金属导线分布的不对称性
图3 布版设计后整版LTCC的孔分布及金属导线分布的对称性
按照上述方案进行工艺优化后，将生产的LTCC基板在广州五所赛宝试验室进行了基板外形尺寸及翘曲度测试，测试表明，通过上述改进，基板外形尺寸精度及翘曲度指标完全满足过艺要求，改进效果明显，基板本身及空腔底面平整度均达到了较好效果，基板均达到小于2‰的翘曲度。
2.3 通孔层间对位偏差控制
带膜工艺，在叠片前撕膜，生瓷片在流延是积累的应力在撕膜时集中释放，造成生瓷片无规律性变形，引起生瓷片上通孔及导线位置偏移。改为无膜工艺，在打孔前对生瓷片进行撕膜、自然放置老化处理，以释放应力；更改后工艺流程如下图4所示，该此工艺流程瓷片叠片前形变如表5所示。
通过上述分析可知，生瓷片脱膜后通过老化工序，加速生瓷片老化释放压力，减小生瓷片在其后加工过程中的形变量，然后再进行生瓷片加工，从而有效地改善了LTCC基板层间对位偏差，因此老化效果将对后续LTCC基板层间对位偏差有重要影响，老化不充分，脱膜生瓷片在后续加工中仍将有较大形变，为此需要对老化工艺开展研究，较好的老化的方法通常是对生瓷片脱膜后进行常温下自然晾置，其关键工艺参数时晾置时间，下面对该工艺参数进行试验研究。试验方法是在脱膜后的生瓷片上冲孔，通过测量X、Y方向通孔间距以判断生瓷片是否老化充分了，试验情况如下：
表4 无膜生瓷片老化工艺试验（单位：mm)
上述试验表明生瓷片脱膜后自然晾置24h后老化充分，后续生瓷片形变量不大，因此无膜工艺老化时间可设置为自然晾置不低于24h即可。
表5测试数据表明，无膜工艺流程下打孔后至叠片前，打孔、填孔、印刷、浆料干燥等工序操作造成的生瓷片形变约在+15μm左右，完全满足过艺要求，该工艺流程下填孔层间对位偏差将得以改善。
采用上述方案后，改进后通孔对位精度明显提高，达到≤40μm水平，表5所示。
结语：从上述试验可知，实际LTCC基板由于存在金属通孔、印刷金属导线，这些金属的收缩率不同于白瓷收缩率，因此相同层压压力下LTCC产品的收缩率与白瓷的收缩率有一定差异，可通过积累工艺数据，进行层压压力相应的调整来解决收缩率偏差问题。对于LTCC基板烧结收缩率，其不仅与烧结工艺有关，还与基板对称性设计、电路布局、浆料选用关系密切；带膜工艺较无膜工艺在通孔层间对位精度控制上难度更大，撕膜时应力释放是导致层间通孔对位偏差的主要原因，无膜工艺更适合层间对位精度要求较高的应用。
内容来源：先进陶瓷材料
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