一文看懂低溫共燒陶瓷(LTCC)基板電路加工技術

01

LTCC基板電路概述

低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC）技術是20世紀80年代中期美國首先推出的集互聯、無源元件和封裝於一體的多層陶瓷製造技術[1]。隨著科學技術的不斷進步，目前電子產品外形可變得更小型和更薄但功能卻更強大。以一個移動電話的無線通信產業為例[2]，手機的尺寸減少，早期的移動電話的功能是從最簡單的音頻傳輸的數據開始，目前已經發展到掌上網絡電腦。若能將部分無源元件集成到基板中，則不僅有利於系統的小型化，提高電路的組裝密度，還有利於提高系統的可靠性。

目前的集成封裝技術主要有薄膜技術、硅片半導體技術、多層電路板技術以及LTCC技術。LTCC技術是一種低成本封裝的解決方法，具有研製週期短的特點。低溫共燒陶瓷技術可滿足後者輕，薄，短，小的需求。然而，低溫共燒陶瓷基板具有高硬度和易碎的特性。因此，當切割機切割硬基板，在基板和切割刀片之間會產生一個較大的摩擦力，該摩擦產生的應力轉移到切割刀片。這會導致以LTCC為基板的電子產品合格率和產量的下降。因此，當陶瓷基板被切割加工時如何提高產品的得率是一個重要的課題。 圖1為典型的LTCC基板示意圖[3]，由此可知，採用LTCC工藝製作的基板具有可實現集成電路芯片封裝、內埋置無源元件及高密度電路組裝的功能。

圖 1 LTCC基板

02

LTCC基板加工工藝

圖2為LTCC基板製造的工藝流程圖[4]，主要有混料、流延、打孔、填孔、絲網印刷、疊片、等靜壓、排膠燒結等主要工序，下面簡單介紹各個工序工藝。

圖2 LTCC製造的工藝流程圖

混料與流延：將有機物（主要由聚合物粘結劑和溶解於溶液的增塑劑組成）和無機物（由陶瓷和玻璃組成）成分按一定比例混合，用球磨的方法進行碾磨和均勻化，然後澆注在一個移動的載帶上（通常為聚酯膜），通過一個乾燥區，去除所有的溶劑，通過控制刮刀間隙，流延成所需要的厚度。此工藝的一般厚度容差是±6％。

打孔：利用機械衝壓、鑽孔或激光打孔技術形成通孔。通孔是在生瓷片上打出的小孔（直徑通常為0.1-0.2mm），用在不同層上以互連電路。在此階段還要衝制模具孔，幫助疊片時的對準；對準孔用於印刷導體和介質時自動對位。

印刷：利用標準的厚膜印刷技術對導體漿料進行印刷和烘乾。通孔填充和導體圖形在箱式或鏈式爐中按相關工藝溫度和時間進行烘乾。根據需要，所有電阻器、電容器和電感器在此階段印刷和烘乾。

排膠與燒結：200-500℃之間的區域被稱為有機排膠區（建議在此區域疊層保溫最少60min）。然後在5-15min 將疊層共燒至峰值溫度（通常為850℃）。氣氛燒成金屬化的典型排膠和燒成曲線會用上2-10h。燒成的部件準備好後燒工藝，如在頂面上印刷導體和精密電阻器，然後在空氣中燒成。如果Cu用於金屬化，燒結必須在N2鏈式爐中進行。

檢驗：然後對電路進行激光調阻（如果需要）、測試、切片和檢驗，LTCC 封裝中可用硬釺焊引線或散熱片(如果需要)。

03

LTCC基板電路加工案例

3.1 LTCC基板微通孔的形成技術[5]

微通孔形成是低溫共燒陶瓷多層基板高密度互連中極為關鍵的工藝， 因為孔徑大小、位置精度均將直接影響佈線密度與基板質量。為了實現超高密度化， 通孔孔徑應小於100μm。LTCC 生瓷帶的微孔製作方法有: 機械衝孔和激光打孔。

3.1.1 機械衝孔

數控衝床衝孔是對生瓷帶打孔的一種較好方法， 特別對定型產品來說， 衝孔更為有利。用衝床模具可一次衝出上千個孔， 其最小孔徑可達50μm，打孔速度快、精度較高、適合於批量生產。在生瓷帶上做出微通孔時， 需要一個與微通孔尺寸一致的衝頭和一個沖模， 沖模的開口一般比衝頭的直徑大12.5μm， 圖3 所示為衝孔示意圖。

圖3 衝孔示意圖

圖4 機械衝孔形成的微通孔

製作微通孔的技術要點是: 安裝及操作微小衝頭。當衝頭直徑小於100μm 後， 由於堅固度下降， 安裝和操作衝頭將越來越難。多數衝孔缺陷不圖2衝孔示意圖是在衝孔過程中形成的， 而是操作不當引起的。因此需專用工具來安裝微小衝頭， 並在安裝和操作時要避免衝頭碰撞受損。對準衝頭與沖模。欲使機械衝孔製作出高質量的通孔， 很大程度上依賴於衝頭與沖模之間的對準。如果這兩個裝置沒有對準，通孔質量將會下降， 且沖模會受損， 衝頭也可能折斷。確保微通孔製作質量。微通孔質量包括微通孔形狀、大小和內部貫穿狀況。

如圖4所示， 機械衝孔形成的微通孔衝孔形成的微通孔孔徑和孔距的一致性較好， 頂部邊緣比較平滑， 但底部邊緣較粗糙， 內壁比較平直， 頂部和底部開口大小相接近。不同厚度的LTCC 瓷帶所製作的微通孔大小也是一致的， 即瓷帶厚度與通孔大小的比率對通孔質量不會有影響。使用機械衝孔的方法， 在厚度為50-254μm的不同LTCC 瓷帶上形成的50， 75 和100μm 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口直徑大小都在測量誤差允許的範圍之內， 但是在瓷帶背面通孔開口的偏差更大。在顯微鏡下檢查衝孔後沖模開口的變化，比原來的開口尺寸都有所增加， 這是沖模開口的磨損引起的。不同微通孔的分析數據表明， 衝頭的尺寸決定了通孔正面的開口大小， 背面通孔直徑受沖模開口大小的影響。

因此， 當沖模開口因磨損超過某一值時， 微通孔背面的開口就會增加很大， 此時應該更換沖模。影響微通孔質量的另一因素是通孔內的殘餘物， 它是殘留在通孔開口中的一小片LTCC 瓷帶殘餘， 在衝孔時沒有完全除去。些殘餘物主要在LTCC 生瓷帶層的背面， 與通孔邊緣相連， 一般為10-25μm。含有殘餘物的通孔數量隨著通孔尺寸的增大而減少，而殘餘物的含量與瓷帶厚度無關。

3.1.2 激光打孔

在生瓷帶上用激光打孔的原理是: 聚焦的激光束沿著通孔邊緣將連續的光脈衝發射到生瓷帶上，激光能量將陶瓷材料逐層蒸發掉， 最終形成一個通孔。其是生瓷帶的理想打孔方法。目前常用CO2 激光器作為生瓷帶打孔機的光源。CO2 激光器功率大， 生瓷帶內的有機粘合劑容易被CO2 激光所汽化， 打孔過程中對生瓷帶的影響小， 最小孔徑可達50μm。圖5 是激光打孔形成的75μm 微通孔放大後的圖4 激光打孔形成的微通孔情況。

LTCC 瓷帶正面的通孔開口大小與瓷帶厚度無關， 瓷帶背面的通孔尺寸隨著厚度的增加而減小。這是因為激光束的精度不夠， 形成的通孔呈現出圓錐形。對於一定尺寸的通孔， 瓷帶層越厚， 通孔正面和背面的開口偏差越大， 如果超過某一值將很難形成通孔。所以為了在較厚的LTCC 瓷帶層上形成較小的通孔， 必須要把激光束調得很精細， 以使通孔的內壁更平直， 而不會出現圓錐形。用激光打孔技術形成的50μm 以下通孔貫通性較差， 形成的75μm 通孔在顯微鏡下觀察到殘留物， 這會影響通孔質量。

圖5 激光打孔形成的微通孔

3.2 LTCC電路基板微通孔填充方法[5]

3.2.1 掩模印刷法

對於高密度佈線的LTCC 基板， 採用掩模印刷法比較合適。掩模版材料通常採用0.03-0.05 mm厚的黃銅、不鏽鋼或聚酯膜製作， 在上面刻成通孔。通孔漿料被裝在一個球囊裡。填充通孔時， 使用將生瓷片定位到真空平臺上的同一組定位銷將掩模校準定位到部件上， 通過球囊後面的氣壓力將漿料擠壓通過掩模， 漿料連續的流過掩模， 直到所有通孔都被完全填充為止。因漿料是被直接擠壓入孔， 所以可以實現微通孔的填充， 且效果較好。同時控制漿料流變性、黏度和印刷參數， 通過精心操作可獲得100 %通孔盲孔率， 提高基板成品率[ 8-9] 。由掩模版印刷法能很容易實現150μm 以上通孔的填充。

但是當所需填充的通孔為100μm 或要求更高時， 用於標準通孔的掩模印刷設置是不夠的。填充標準通孔典型的印刷設置是單次印刷， 中等速度( 10-20 mm/ s ) 和中等壓力， 為了對100μm及以下的通孔進行高質量的填充， 需要進行多重印刷， 提高壓力並改善其他設置。為了滿足75-150μm 通孔無缺陷的填充， 還需對印刷漿料量進行校正， 根據通孔的尺寸改變模版孔的開口。如100μm 的通孔需要稍大的模版開口， 以使垂直方向的填充最大。該方法也改善了在印刷期間模版與瓷帶間的對準情況。150μm 的通孔所需的模版開口稍有減小， 以消除漿料汙點。

3.2.2 微孔注入法

通常微孔注入法效果最好， 但需要專門設備。在微通孔注入系統中， 影響通孔填充質量的主要因素包括注入壓力、注入時間、填充漿料黏度和LTCC 瓷帶和通孔填充掩模版之間的對準情況。一旦確定了適合整個製作過程的參數， 就可以在幾秒鐘之內在LTCC 生瓷帶層上填充幾千個通孔。關注微孔金屬化的未填、過填和少填。未填是沒有填入漿料的通孔， 或只填了部分導體漿料。未填孔可以通過逆光看到， 且有時不需顯微鏡的幫助。過填指通孔周圍的漿料超出了通孔範圍。漿料的超出量取決於孔徑和孔距。少填指通孔中雖無空隙但未填滿漿料， 少填的通孔不能通過逆光發現。

圖5 是填充了銀漿料的75μm 微通孔。圖6( a) 中填滿漿料的通孔具有所期望的尺寸和滿意的填充質量。圖6 ( b) 顯示了LTCC 瓷帶背面過填的缺陷， 這是由於在真空卡盤和LTCC 瓷帶間使用了不合適的多孔滲水襯紙。在填充通孔期間當掩模版和LTCC 瓷帶間存在未對準狀況時， 與掩模版接觸的LTCC 生瓷帶通孔正面會出現過填的缺陷。圖6( c) 所示為75μm 孔距的頂部通孔， 由於過填而使孔距變短。如果在通孔之間出現過填， 則須增加孔距， 以避免因過填的額外漿料而引起短路， 但這樣卻使內部互連密度有所降低。

圖6 填充銀漿料的微通孔

3.3 LTCC基板排膠與燒結[6]

燒結的技術要點是控制燒結收縮率和基板的總體變化，控制兩種材料的燒結收縮性能以免產生微觀和宏觀的缺陷，以及實現導體材料的抗氧化作用和在燒結過程中去除粘結劑。普通LTCC 基板的燒結收縮主要是通過控制粉體的顆粒度、流延粘合劑的比例、熱壓疊片的壓力、燒結曲線等手段實現。但一般LTCC 共燒體系沿X-Y 方向的收縮仍為12-16%，藉助無壓燒結或助壓燒結等技術，可以獲得沿X-Y 方向零收縮的材料。

實現零收縮的工藝有：自約束燒結，基板在自由共燒過程中呈現出自身抑制平面方向收縮的特性，該方法無需增設新設備，但材料系統唯一，不能很好地滿足製造不同性能產品的需要；壓力輔助燒結，通過在Z 軸方向加壓燒結，抑制X-Y 平面上的收縮；無壓力輔助燒結，在疊層體材料間加入夾層（如在LTCC 燒結溫度下不燒結的氧化鋁），約束X 和Y 軸方向的移動，燒成後研磨掉上下面夾持用的氧化鋁層；複合板共同壓燒法，將生坯黏附於一金屬板（如高機械強度的鉬或鎢等）進行燒結，以金屬片的束縛作用降低生坯片X-Y 方向的收縮；陶瓷薄板與生坯片堆棧共同燒結法，陶瓷薄板作為基板的一部分，燒成後不必去除，也不存在抑制殘留的隱憂。

3.4 LTCC電路基板大面積接地釺焊

解啟林，等[7]（2009）報道了LTCC電路基板大面積接地釺焊工藝設計，提出了一種提高LTCC電路基板大面積接地釺焊的釺著率及可靠性的釺焊工藝設計。在LTCC電路基板接地面設置(Ni+M)複合金屬膜層，根據試驗測試比較，其耐焊性(>600s)明顯優於常規金屬化接地層(常規要求>50s)；在LTCC電路基板的接地面的一端預置“凸點”，通過x射線掃描圖對比分析，增加“凸點”的設計提高了大面積接地釺焊的釺著率。研究表明：新的釺焊工藝設計保證了LTCC電路基板大面積接地的釺焊可靠性和一致性。

3.4.1 試驗材料與設備

LTCC電路基板：Ferro A6-S 生瓷片燒結而成的多層電路基板，尺寸為80mm x30mm×1.2mm，組件殼體材料為Kovar合金，盒體壁厚1.0mm，底部尺寸為80mm x30mm，底部厚2.0mm，焊料為北京有色金屬加工廠的0.1mm厚的Sn63Pb37焊片。

試驗設備：自制的充氮氣手套箱，內有加熱臺，加熱臺的額定工作溫度為450℃。

X射線檢測設備：MACROSCIENCE MXR-160。

數碼照相設備：OLYMPUS MODEL NO。C5060。

3.4.2 LTCC電路基板表面金屬化方法

LTCC電路基板表面金屬化方法的目前大致有兩種：厚膜燒結法和濺射薄膜再電鍍加厚法。濺射薄膜再電鍍加厚法雖然在單層陶瓷基板的薄膜電路加工過程中已廣泛採用。但是在LTCC電路基板上還只是處於探索階段，目前提高LT℃C電路基板耐焊性通用的方法是燒結一層鈀銀層。

3.4.3 耐焊性試驗方法

選取3種試樣進行耐焊性試驗對比：(1)號厚膜鈀銀層(12μm左右)試樣；(2)號厚膜金層(37μm左右)試樣；(3)號設置含Ni阻擋層哺3的(Nj+M)複合金屬膜層(10μm左右)試樣，M為金屬代號。

參照GJB548A-96（微電子器件試驗方法和程序）：將基板垂直浸入，放在(215±5)℃熔融焊料的錫槽中，每次58，總計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，塗焊劑，被檢圖形應無翹皮、脫落、斷裂、被熔蝕的面積不大於20％。上述3種試樣均能通過耐焊性的試驗檢測標準，且未見被熔蝕的地方，隨後將上述3種試樣(新的試樣)金屬化層表面上放置塗有焊劑的焊片，在氮氣保護下，240℃(設置值)的熱臺上加熱保持，觀察焊料對相應試樣金屬化層表面的熔蝕情況。

3.4.4 LTCC電路基板與盒體的氣體保護焊接方法

能夠實現LTCC電路基板與盒體底部大面積釺焊的方法有：氣體保護釺焊、真空釺焊、空氣中熱板釺焊。在空氣中相應的軟釺焊料處於液態時更容易與空氣中的氧發生化學反應，因此氣體保護釺焊與空氣中熱板釺焊相比，具有明顯的優勢。而氣體保護釺焊、真空釺焊這兩種方法則各有利弊。真空中熱量的傳導主要靠輻射，遮蔽效應比較明顯，由於微波組件尺寸較小，各工件上的溫度不均勻，造成有的工件溫度高，釺料流淌過多，有的工件溫度不足，釺料還未完全熔化鋪展，釺焊質量一致性差，而且加熱週期長，效率低。

氣體保護釺焊熱傳導的3種方式並存、操作方便、效率高，但是釺著率由於氣體的存在而受到限制，一艘隋況下可達到75％以上，呈隨機分佈，對於微波電路來說，帶來了很大的不確定性。為了提高釺著率，報告者採取了預先設置“凸點”的方法。凸點的材料與大面積釺焊的焊片材料相同，凸點的製作方法如圖7，在相應的位置放置適量的焊膏，經過熱風迴流成凸點，凸點大小隨基板長度而作相應變化。凸點製成以後，在盒體底部預置已清除氧化皮且與凸點成分相同的焊片，如圖8 那樣放置，在有氣體保護下的熱板上加熱來實現LTCC與盒體底部的大面積接地焊。

(上為釺焊前的狀態，下為釺焊後的狀態)

圖7 凸點製作過程示意圖 圖8 設置凸點的焊接示意圖

3.4.5 釺著率的檢測

大面積釺焊以後，從理論上講，焊料利用毛細現象的原理，會盡可能填充LTCC與盒體底部之問的間隙，但是由於保護氣氛的存在，熔化的焊料會隨機形成多個包圍圈，將氣體包裹在其中。釺焊界面內部如有空洞或者焊料合金在凝固時組織疏鬆，x射線就容易穿過，這樣成像的圖片中就產生了白色或灰白色的亮點，如圖5(a)：為未設置“凸點”焊接工藝的x射線掃描圖，箭頭所製為明顯焊接缺陷，釺著率大約75％，如圖5 (b)：為設置“凸點”焊接工藝的X射線掃描圖，箭頭所指為輕微缺陷，釺著率為98％以上。由於“凸點”的存在，加熱時人為造成LTCC基板兩端的溫度存在差異，隨著“凸點”的緩緩坍塌，有利於盒體底部焊料與LTCC基板之間夾雜氣體排除。x射線檢測圖片證明了氣體保護下，在基板的焊接面上設計“凸點”能夠提高釺著率。

(a) 新工藝實施前大面積接地焊接後X射線掃擒圖 (b) 新工藝實施前大面積接地焊接後X射線掃擒圖

圖9 新工藝實施前後大面積接地焊接後X射線掃描圖對比

3.4.6 LTCC電路基板大面積接地釺焊結論

(1)設置(Ni+M)複合金屬膜層，大大提高LTCC基板大面積的金屬化層對於Sn63Pb37 的焊料的耐焊性，保證LTCC基板與盒體的可靠釺焊；

(2)利用氣體保護，在LTCC基板的焊接面上設計“凸點”在提高LTCC電路基板與盒體之問的釺焊釺著率方面，作用十分有效。

3.5 LTCC電路檢測

對排膠、燒結、焊接完成後的LTCC元件還須進行多方面的檢測，以保證其性能的可靠性。這些檢測包括外觀、尺寸、強度、電性能等方面。

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