一、LTCC基板電路概述

低溫共燒陶瓷 (LTCC) 技術(shù)是集互聯(lián)、無(wú)元件和封裝于一體的多層陶瓷制造技術(shù)。隨著科技的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在的電子產(chǎn)品的外觀可以變得更小更薄，但功能更強(qiáng)大。以手機(jī)的無(wú)線通信行業(yè)為例，手機(jī)的尺寸縮小，早期的移動(dòng)電話的功能是從最簡(jiǎn)單的音頻傳輸數(shù)據(jù)開(kāi)始，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成掌上網(wǎng)絡(luò)電腦。如果可以將部分無(wú)源元件集成到基板中，則不僅有利于系統(tǒng)的小型化，增加電路的組裝密度，還有利于提高系統(tǒng)的可靠性。目前的集成封裝技術(shù)主要包括薄膜技術(shù)、硅片半導(dǎo)體技術(shù)、多層電路板技術(shù)和LTCC技術(shù)。 LTCC技術(shù)是一種低成本封裝的解決方案，具有研制周期短的特點(diǎn)。低溫共燒陶瓷技術(shù)可以滿足后者輕、薄、短、小的需求。但是低溫共燒陶瓷基板具有高硬度、易碎的特性。因此，切割機(jī)切割硬基材時(shí)，基材與切割刀片之間會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦力，摩擦產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)傳遞到切割刀片上。

2、LTCC基板加工技術(shù)

圖2為L(zhǎng)TCC基板制造工藝流程圖，主要包括混料、流延、打孔、填孔、絲網(wǎng)印刷、層壓、等靜壓、排膠燒結(jié)等，下面簡(jiǎn)要介紹各工藝的主要工序。

混料和流延：將有機(jī)物（主要由聚合物粘合劑和溶解于溶液的增塑劑組成）和無(wú)機(jī)物（由陶瓷和玻璃組成）按一定比例混合，采用球磨法研磨均質(zhì)，然后澆注在一個(gè)移動(dòng)的載帶上（通常為聚酯薄膜），通過(guò)一個(gè)干燥區(qū)，除去所有溶劑，通過(guò)控制刀片間隙，流延成所需厚度。此工藝的一般厚度公差為±6%。

沖孔：采用機(jī)械沖孔、鉆孔或激光鉆孔技術(shù)形成通孔。通孔是在生瓷片上沖出的小孔（通常直徑為0.1-0.2mm），用于不同層間互連電路。在這個(gè)階段還要沖模孔，以幫助疊片時(shí)對(duì)準(zhǔn)；對(duì)準(zhǔn)孔用于印刷導(dǎo)體和介質(zhì)時(shí)自動(dòng)對(duì)位。

印刷：使用標(biāo)準(zhǔn)厚膜印刷技術(shù)對(duì)導(dǎo)體漿料進(jìn)行印刷和烘干。通孔填充和導(dǎo)體圖形在箱式或鏈?zhǔn)綘t中根據(jù)相關(guān)工藝溫度和時(shí)間干進(jìn)行烘干。根據(jù)需要，所有電阻器、電容器和電感器都在此階段進(jìn)行印刷和烘干。

通孔填充：采用傳統(tǒng)的厚膜絲網(wǎng)印刷或模板擠壓把特制的高固體顆粒含量的導(dǎo)體漿填充通孔。

排膠和燒結(jié)：200-500°C之間的區(qū)域稱(chēng)為有機(jī)排膠區(qū)（建議在該區(qū)域疊層保溫至少60分鐘）。然后在 5-15 分鐘將疊層共燒至峰值溫度（通常為 850°C）。燒成金屬化的典型排膠和燒成曲線需要的2-10h。燒成的部件準(zhǔn)備好后進(jìn)行燒制工藝，例如在頂面上印刷導(dǎo)體和精密電阻器，然后在空氣中燒成。如果 Cu用于金屬化，則必須在 N2 鏈?zhǔn)綘t中進(jìn)行燒結(jié)。

檢驗(yàn)：然后對(duì)線路進(jìn)行激光調(diào)阻（如果需要）、測(cè)試、切片和檢驗(yàn)、LTCC 封裝中可用釬焊引線或散熱片（如果需要）。

3、LTCC基板電路加工案例

3.1 LTCC基板微通孔形成技術(shù)

微通孔的形成是低溫共燒陶瓷多層基板高密度互連中極為關(guān)鍵的工藝，因?yàn)榭讖酱笮『臀恢镁榷紝⒅苯佑绊懖季€密度和基板質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)超高密度，通孔孔徑應(yīng)小于100μm。 LTCC生瓷帶的微孔制作方法有：機(jī)械沖孔和激光打孔。

3.1.1 機(jī)械沖孔

用數(shù)控沖床沖孔是對(duì)生瓷帶沖孔的較好方法，尤其是定型產(chǎn)品，沖孔更有優(yōu)勢(shì)。用沖床模具一次可沖出上千個(gè)孔，最小直徑可達(dá)50μm。沖孔速度快，精度高，適合大批量生產(chǎn)。在生陶瓷帶上制作微通孔時(shí)，需要一個(gè)與微通孔尺寸相同的沖頭和一個(gè)模具。模具的開(kāi)口一般比沖頭模直徑大12.5μm。

制作微通孔的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)是：安裝和操作微小沖頭。當(dāng)沖頭的直徑小于100μm后，由于堅(jiān)固度的降低，沖頭的安裝和操作會(huì)越來(lái)越困難。大多數(shù)沖壓缺陷不是在沖壓過(guò)程中形成的，而是由于操作不當(dāng)造成的。因此需要專(zhuān)用工具來(lái)安裝微型沖頭，并且在安裝和操作過(guò)程中必須避免沖頭的撞擊和損壞。對(duì)準(zhǔn)沖頭和沖模。要使機(jī)械沖孔生產(chǎn)出高質(zhì)量的通孔，很大程度上取決于沖頭和模具之間的對(duì)準(zhǔn)度。如果兩個(gè)裝置沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)，通孔質(zhì)量會(huì)下降，沖模會(huì)受損，沖頭也可能會(huì)斷裂。確保微通孔制作質(zhì)量，微通孔的質(zhì)量包括微通孔的形狀、尺寸和內(nèi)部貫穿狀況。

機(jī)械沖孔形成的微通孔的直徑和間距較好。頂部邊緣比較平滑，但底部邊緣比較粗糙，內(nèi)壁比較平直。頂部和底部開(kāi)口大小相連近。不同厚度的LTCC陶瓷帶所生產(chǎn)的微通孔尺寸也是一致的，即陶瓷帶的厚度與通孔尺寸的比率不會(huì)影響通孔的質(zhì)量。使用機(jī)械沖孔的方法，在厚度為50-254 μm的不同LTCC瓷帶上形成的50、75和100 μm的微通孔表明，不同尺寸的微通孔在LTCC瓷帶正面和背面的開(kāi)口直徑大小都在允許的測(cè)量誤差范圍內(nèi)，但在陶瓷帶背面的通孔開(kāi)口偏差更大。顯微鏡下檢查沖孔后模開(kāi)口的變化，比原來(lái)的開(kāi)口尺寸有所增加，這是沖模開(kāi)口磨損造成的。不同微通孔的分析數(shù)據(jù)表明，沖頭的尺寸決定了通孔正面開(kāi)口的大小，而背面通孔的直徑則受沖模開(kāi)口大小的影響。

因此，當(dāng)沖模開(kāi)口因磨損超過(guò)一定值時(shí)，微過(guò)孔背面的開(kāi)口會(huì)大大增加，此時(shí)應(yīng)更換沖模。另一個(gè)影響微過(guò)孔質(zhì)量的因素是過(guò)孔中的殘留物，它是殘留在通孔開(kāi)口處的一小片LTCC陶瓷帶，在沖孔時(shí)沒(méi)有完全去除。這些殘留物主要在LTCC生瓷帶層的背面，與通孔邊緣相連，一般為10-25μm。含有殘留物的通孔數(shù)量隨著通孔尺寸的增大而減少，殘留物的含量與陶瓷帶的厚度無(wú)關(guān)。

3.2微孔注入法

通常微孔注入法效果最好，但需要專(zhuān)門(mén)的設(shè)備。在微孔注射系統(tǒng)中，影響通孔填充質(zhì)量的主要因素包括注入壓力、注入時(shí)間、填充漿料粘度以及LTCC陶瓷帶與通孔填充掩模之間的對(duì)準(zhǔn)情況。一旦確定了適用于整個(gè)制造工藝的參數(shù)，就可以在幾秒鐘內(nèi)在 LTCC 生瓷帶層中填充數(shù)千個(gè)通孔。注意微孔金屬化的未填充、過(guò)填充和少填充。

填充了銀漿的 75μm 微通孔。填滿漿料的通孔具有所需的尺寸和滿意的填充質(zhì)量。 LTCC 瓷帶背面過(guò)度填充的缺陷，這是由于在真空卡盤(pán)和 LTCC 瓷帶之間使用了不合適的多孔襯紙?jiān)斐傻?。?dāng)填充通孔時(shí)，掩模版與LTCC陶瓷帶之間存在未對(duì)準(zhǔn)狀況時(shí)，與掩模版接觸的LTCC生瓷帶通孔的正面會(huì)出現(xiàn)過(guò)填充缺陷。間距為 75μm 的頂部通孔。由于過(guò)度填充而使孔距被縮短。如果通孔之間發(fā)生過(guò)填，則必須增加孔間距，以避免過(guò)填充的額外漿料導(dǎo)致短路，但這會(huì)降低內(nèi)部互連密度。

3.3 LTCC基材排膠和燒結(jié)

燒結(jié)的技術(shù)要點(diǎn)是控制燒結(jié)收縮率和基材的整體變化，控制兩種材料的燒結(jié)收縮性能，避免產(chǎn)生微觀和宏觀缺陷，以及實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體材料的抗氧化作用和在除燒結(jié)過(guò)程中去除粘合劑。普通LTCC基板的燒結(jié)收縮率主要是通過(guò)控制粉體的粒徑、流延粘結(jié)劑的配比、熱壓疊片的壓力、燒結(jié)曲線等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)的。但是一般LTCC共燒體系沿X-Y方向的收縮仍然在12-16%。借助無(wú)壓燒結(jié)或壓力輔助燒結(jié)等技術(shù)，可以獲得X-Y方向零收縮的材料。

實(shí)現(xiàn)零收縮的工藝有： 自約束燒結(jié)，基材在自由共燒過(guò)程中表現(xiàn)出自身抑制平面方向收縮的特性，這種方法不需要增加新設(shè)備，但材料體系獨(dú)特，不能滿足制造不同性能產(chǎn)品的要求。壓力輔助燒結(jié)，通過(guò)在Z軸方向加壓燒結(jié)來(lái)抑制X-Y平面上的收縮；無(wú)壓力輔助燒結(jié)，在層壓材料之間加入夾層（如在LTCC燒結(jié)溫度下不燒結(jié)的氧化鋁），以限制X和Y軸方向的移動(dòng)，燒成后研磨掉上下面夾持用的氧化鋁層；復(fù)合板共同壓燒法，將生坯體粘附在金屬板（如高機(jī)械強(qiáng)度的鉬或鎢等）進(jìn)行燒結(jié)，利用金屬片的束縛作用降低生坯體在X-Y方向的收縮。陶瓷薄板和生坯片疊層共同燒結(jié)法，陶瓷薄板作為基板的一部分，燒成后不必去除，也不存在抑制殘留的隱憂。

3.4 LTCC電路板大面積接地釬焊

LTCC電路基板大面積接地釬焊工藝設(shè)計(jì)，提高LTCC電路基板大面積接地釬焊的釬著率和可靠性的釬焊工藝。在LTCC電路基板接地面設(shè)置 (Ni+M)復(fù)合金屬膜層，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比，其耐焊性（>600s）明顯優(yōu)于常規(guī)金屬化接地層（常規(guī)要求>50s）；在LTCC電路基板的接地面一端預(yù)置一個(gè)“凸點(diǎn)”，通過(guò)X射線掃描圖的對(duì)比分析，增加“凸點(diǎn)”的設(shè)計(jì)提高了大面積接地釬焊的釬著率。研究表明：新的釬焊工藝設(shè)計(jì)保證了LTCC電路基板大面積接地的釬焊可靠性和一致性。

3.4.1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

LTCC電路板：采用Ferro A6-S生陶瓷燒結(jié)而成的多層電路板，尺寸80mm x 30mm x 1.2mm，組件殼體材料為Kovar合金，盒體壁厚1.0mm，底部尺寸80mm x 30mm，底部厚度為2.0mm，焊料為0.1mm厚的Sn63Pb37焊片。

測(cè)試設(shè)備：自制的充氮?dú)馐痔紫?，?nèi)有加熱臺(tái)，加熱臺(tái)的額定工作溫度為450℃。

X射線檢測(cè)設(shè)備：MACROSCIENCE MXR-160。

數(shù)碼相機(jī)設(shè)備：OLYMPUS MODEL NO. C5060。

3.4.2 LTCC電路板表面金屬化方法

LTCC電路基板表面金屬化的方法目前大致有兩種：厚膜燒結(jié)法和濺射薄膜電鍍?cè)龊穹āR射薄膜再電鍍?cè)龊穹m然在單層陶瓷基板的薄膜電路加工中得到了廣泛的應(yīng)用。但是在LTCC電路板仍處于探索階段。目前提高LTCC電路板耐焊性的一般方法是燒結(jié)一層鈀銀。

3.4.3 耐焊性測(cè)試方法

選擇三種試樣進(jìn)行耐焊性測(cè)試對(duì)比：（1）厚膜鈀銀層（約12μm）試樣； (2) 厚膜金層（約37μm）試樣； (3) 設(shè)置含Ni Barrier layer 3(Nj+M)復(fù)合金屬膜(約10μm)樣品，M為金屬代號(hào)。

參考GJB548A-96（微電子器件試驗(yàn)方法和程序）：將基板垂直浸入（215±5）℃熔融焊料的錫槽中，每次58，共10次（焊料成分為63Sn37Pb的共晶焊料，焊劑為25%的松香酒精溶液）清洗、涂焊劑，被檢圖形應(yīng)無(wú)翹曲、脫落、斷裂、被熔蝕不超過(guò)20%的面積。以上3種試樣均能通過(guò)耐焊性的試驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，且未見(jiàn)被熔蝕的地方，隨后將上述3種試樣（新的試樣）金屬化層表面上放置涂有焊劑的焊片，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在240℃（設(shè)定值）的熱臺(tái)上加熱保持，觀察焊料相應(yīng)試樣金屬化層表面的熔蝕情況。

3.4.4 LTCC電路板與盒體的氣保焊方法

可實(shí)現(xiàn)LTCC電路基板與箱體底部大面積釬焊的方法有：氣體保護(hù)釬焊、真空釬焊、空氣中熱板釬焊。在空氣中相應(yīng)的軟釬焊料呈液態(tài)時(shí)更容易與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此氣體保護(hù)釬焊與空氣中熱板釬焊相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但是，氣體保護(hù)釬焊和真空釬焊兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。真空中熱量的傳導(dǎo)主要靠輻射，遮蔽效應(yīng)較明顯。由于微波元件尺寸較小，每個(gè)工件上的溫度不均勻，導(dǎo)致部分工件溫度高，焊錫過(guò)度流動(dòng)，部分工件溫度不足。未完全熔化和鋪展，釬焊質(zhì)量一致性差，加熱周期長(zhǎng)，效率低。

氣體保護(hù)釬焊熱傳導(dǎo)的三種方式并存，操作方便，效率高，然而由于氣體的存在釬著率受到限制。在一般條件下可達(dá)75%以上，呈隨機(jī)分布。對(duì)于微波電路來(lái)說(shuō)，帶來(lái)了很大的不確定性。為了提高釬焊率，采用了預(yù)先設(shè)置“凸點(diǎn)”的方法。凸點(diǎn)的材料與大面積釬焊的焊片材料相同。凸點(diǎn)的制作方法，在對(duì)應(yīng)位置放置適量的錫膏，通過(guò)熱風(fēng)回流成凸點(diǎn)。凸點(diǎn)的大小隨基板的長(zhǎng)度而作相應(yīng)變化。凸點(diǎn)制作完成后，在盒體底部預(yù)先設(shè)置與已清除氧化皮且與凸點(diǎn)成分相同的焊片。在有氣體保護(hù)下的熱板上加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)LTCC與盒體底部的大面積接地焊。

3.4.5 釬焊率檢測(cè)

大面積釬焊后，理論上焊料利用毛細(xì)現(xiàn)象的原理，會(huì)盡可能地填充LTCC與箱體底部之間的空隙。但是由于保護(hù)氣氛的存在，熔化的焊料會(huì)隨機(jī)形成多個(gè)包圍圈，將氣體包裹在里面。釬焊界面內(nèi)部有空腔或凝固過(guò)程中焊料合金松動(dòng)，則X射線很容易通過(guò)，從而在成像圖像中產(chǎn)生白色或灰白色的亮點(diǎn)，未設(shè)置“凸點(diǎn)”焊接工藝的X射線掃描圖，箭頭表示明顯的焊接缺陷，釬著率在75%左右，設(shè)置“凸點(diǎn)”焊接工藝的X射線掃描圖，箭頭所指為輕微焊接缺陷，釬焊率為98%以上。由于“凸點(diǎn)”的存在，加熱過(guò)程中人為造成LTCC基板兩端的溫度存在差異。隨著“凸點(diǎn)”的緩緩坍塌，有利于盒體底部焊料與LTCC基板之間夾雜氣體排除。 X射線檢測(cè)圖片證明在氣體保護(hù)下，在基體的焊接面上設(shè)計(jì)“凸點(diǎn)”可以提高釬焊率。

3.4.6 LTCC電路板大面積接地釬焊結(jié)論

(1)設(shè)置(Ni+M)復(fù)合金屬膜層，大大提高了LTCC基板大面積金屬化層對(duì)Sn63Pb37焊料的耐焊性，保證了LTCC基板與盒體的可靠釬焊;

(2)采用氣體保護(hù)，在LTCC基板的焊接面上設(shè)計(jì)“凸點(diǎn)”在提高LTCC電路基板與盒體之間的釬焊率非常有效。

3.5 LTCC 電路檢測(cè)

對(duì)排脂、燒結(jié)、焊接后的LTCC元件必須進(jìn)行多方面的檢測(cè)，以確保其性能的可靠性。 這些檢測(cè)包括外觀、尺寸、強(qiáng)度、電氣性能等方面。