王志勤，張 孔

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 230088）

1 引言

近年來，隨著信息技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，電子設(shè)備的種類正日新月異，對(duì)于電子設(shè)備系統(tǒng)的小型化、輕型化、多功能化、數(shù)字化和高可靠性提出了越來越高的要求。LTCC基板正適合于制造小型化要求的系統(tǒng)設(shè)備。

LTCC低溫共燒陶瓷技術(shù)是無源集成的主流技術(shù)，LTCC材料具有優(yōu)異的電子、機(jī)械、熱力特性，廣泛用于基板、封裝及微波器件等領(lǐng)域，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)封裝的重要途徑。LTCC基板互連金屬化孔工藝技術(shù)是低溫共燒陶瓷工藝過程中的關(guān)鍵技術(shù)，它直接影響陶瓷基板的成品率和可靠性。LTCC基板互連金屬化孔從使用性方面分為3種類型：信號(hào)金屬化孔、散熱金屬化孔、微波垂直互連金屬化孔。從制作精度、工藝復(fù)雜程度等方面考慮，微波垂直互連金屬化孔的要求最高。影響互連金屬化孔的因素很多，下面就幾個(gè)主要因素加以分析。

2 金屬化通孔填充工藝及控制技術(shù)

通孔填充技術(shù)的研究目的就是提高通孔金屬化質(zhì)量，保證通孔互連導(dǎo)通率100%。填孔起到層與層之間的電路連接的作用，其有兩種方式：絲印及通孔注射填孔。絲網(wǎng)印刷法對(duì)小于0.1 mm直徑的通孔來說填充非常困難，效果較差，燒結(jié)后的基板成品率低。原因是模板孔徑較小，印刷時(shí)漏過的漿料較少，經(jīng)常有孔內(nèi)填不滿，燒結(jié)后會(huì)出現(xiàn)漿料收縮，影響層與層之間的連接。通常注射填孔效果最好，但需要專門設(shè)備，填孔時(shí)漿料是通過空氣壓力將漿料壓進(jìn)孔中，能自然排除孔內(nèi)的空氣，掩板的孔比要填充的孔小，孔的對(duì)位更準(zhǔn)確。通孔注射填孔最小孔徑可達(dá)0.05 mm。通孔注射填孔機(jī)工作臺(tái)是多孔陶瓷或金屬板，工作時(shí)使用填孔掩模版，通孔的漿料通過一個(gè)掩模直接進(jìn)入到未燒結(jié)的陶瓷帶通孔中。而漿料是受其橡膠板背面的空氣壓力被壓進(jìn)孔中，自然排除孔里的空氣并將其填滿。良好的流體動(dòng)力性能使其杜絕了絲網(wǎng)印刷時(shí)因重復(fù)印刷而滯留在通孔里的空氣。根據(jù)填孔工作臺(tái)尺寸設(shè)計(jì)填孔定位孔，經(jīng)試驗(yàn)使用紅膜制作填孔模板。采用擠壓式填孔方式效果較好。不同生瓷片填孔參數(shù)優(yōu)化對(duì)比如表1所示。

表1 不同生瓷片填孔參數(shù)實(shí)驗(yàn)表

通孔填充狀態(tài)的優(yōu)良與否是控制LTCC質(zhì)量的關(guān)鍵因素，實(shí)際生產(chǎn)中需調(diào)整填孔工藝參數(shù)控制通孔的填充量，不能過多或過少（如圖1），須實(shí)驗(yàn)綜合論證。通孔填充量過多，基板燒結(jié)后通孔會(huì)凸出，影響平整性。通孔填充過少，LTCC基板在燒結(jié)后會(huì)在堆疊通孔的層與層交疊處產(chǎn)生裂紋。通常這種情況下裂紋僅存在通孔之間，通孔與瓷帶及瓷帶與瓷帶之間均不會(huì)有裂紋，如圖2所示?？赏ㄟ^提高等靜壓壓力及時(shí)間來增強(qiáng)層與層之間的結(jié)合力；合理控制通孔填充量可有效避免上述裂紋的產(chǎn)生。

圖1 通孔不同填充數(shù)量圖

圖2 層與層交疊處裂紋圖

3 金屬化通孔材料熱應(yīng)力的影響

填孔漿料的熱應(yīng)力是影響通孔質(zhì)量的因素之一，通孔材料熱應(yīng)力來源于通孔填充材料和瓷帶的熱膨脹，控制減少通孔的熱應(yīng)力至關(guān)重要。這種熱應(yīng)力包括壓縮和拉伸兩種應(yīng)力。由于陶瓷的壓縮強(qiáng)度明顯大于拉伸強(qiáng)度，裂紋就從有拉伸應(yīng)力存在的最弱部位產(chǎn)生。耐熱沖擊系數(shù)是熱應(yīng)力和耐熱沖擊性能的一個(gè)指標(biāo)。當(dāng)陶瓷溫度變化時(shí)，起始溫度與材料開始出現(xiàn)裂紋時(shí)的溫度之間的溫度差ΔT稱為耐熱沖擊系數(shù)。此值越大耐熱沖擊能力越強(qiáng)[2]?？捎檬剑?）表示：

式中：E—彈性模量；u—泊松比；σ—抗彎曲強(qiáng)度；α—熱膨脹系數(shù)；K—熱傳導(dǎo)系數(shù)。

因此耐熱沖擊性能與抗彎曲強(qiáng)度成正比，通孔的熱應(yīng)力可通過陶瓷的最終抗彎曲強(qiáng)度來驗(yàn)證，抗彎曲強(qiáng)度越大，耐熱沖擊性能越好，通孔熱應(yīng)力越小。

填充漿料的熱膨脹系數(shù)與瓷帶的熱膨脹系數(shù)不匹配，這樣在燒結(jié)后溫度下降時(shí)陶瓷和金屬界面就可能產(chǎn)生微裂紋。加之通孔深度比導(dǎo)帶的金屬厚度大，因此熱應(yīng)力效應(yīng)更加顯著，微裂紋也就更加明顯。從圖3中可以看出在通孔金柱的周圍有明顯裂紋，圖4為通孔的縱剖面圖，可以觀察到通孔與瓷帶界面有裂紋。此試驗(yàn)結(jié)果同理論推算結(jié)果相一致。為解決此問題，可行的方法是減少通孔熱應(yīng)力即減小金屬/陶瓷界面的機(jī)械性能，具體指通過改善各層中布線及層間過孔的分布及一定角度的布線來實(shí)現(xiàn)。在低溫共燒時(shí)，陶瓷/玻璃復(fù)合材料是和各層中布線金屬及過孔導(dǎo)體共同形成的，在疊層時(shí)將各層瓷片按一定角度排列[2]，可有效改變通孔熱應(yīng)力的形成，如圖5所示。

在經(jīng)過詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)后，可利用ANSYS等軟件求解基板內(nèi)部的三維穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布、應(yīng)力分布等，通過其后處理的分析計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化基板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與熱設(shè)計(jì)。根據(jù)應(yīng)力和溫度分布結(jié)果，對(duì)LTCC各區(qū)域的圖形進(jìn)行細(xì)化處理，實(shí)現(xiàn)金屬/陶瓷界面的熱應(yīng)力最小化。

圖3 陶瓷和金屬界面裂紋

圖4 裂紋通孔的縱剖面

圖5 各層瓷片不同角度排列圖

4 金屬化通孔材料收縮率的控制

陶瓷材料的收縮率已確定，那通孔壁的收縮率也已確定，因此通常改變通孔材料的收縮率來與陶瓷材料的收縮率相匹配。如果通孔材料的收縮率大于生瓷帶的收縮率，瓷帶可能承受較大的張力，當(dāng)這張力超過一定值時(shí)就導(dǎo)致通孔界面間發(fā)生裂紋。當(dāng)通孔材料收縮率小于瓷帶收縮率時(shí)，瓷帶產(chǎn)生過大壓力可導(dǎo)致通孔凸起，內(nèi)應(yīng)力增大一定值，同時(shí)凸起通孔對(duì)多層基板來說也是不允許的。

金屬化通孔燒結(jié)收縮率的控制可以通過導(dǎo)體層的厚度、燒結(jié)曲線與基板燒結(jié)收縮率的關(guān)系、疊片熱壓的溫度和壓力等方面來實(shí)現(xiàn)。在共燒過程中，漿料中的有機(jī)載體在500 ℃左右分解完全，留下導(dǎo)體和玻璃的多孔膜。隨著溫度的升高，導(dǎo)體材料開始燒結(jié)，收縮形成多孔結(jié)構(gòu)，漿料處于低密度疏松狀態(tài)，需玻璃粉從多孔膜中熔化滲出，起到潤(rùn)濕和引導(dǎo)作用。導(dǎo)體燒結(jié)好的燒結(jié)膜結(jié)構(gòu)，表面光滑平整，浮出燒結(jié)膜的未燒結(jié)玻璃粉少，導(dǎo)體粒子之間連接緊密，可形成良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，微孔間隙少[3]。導(dǎo)體的厚度至關(guān)重要，過厚易形成孔口開裂，針對(duì)不同的導(dǎo)體厚度實(shí)驗(yàn)，結(jié)論為燒結(jié)厚度在7～12 μm為最優(yōu)導(dǎo)體厚度。如圖6所示膜厚12 μm，通孔燒結(jié)后效果很好。

圖6 膜厚及通孔剖面圖

導(dǎo)體和陶瓷的燒結(jié)收縮行為失配，可通過優(yōu)化燒結(jié)工藝，同時(shí)改變各材料的粉料參數(shù)來改進(jìn)。材料出廠定下后，改變是不可能的，通常是通過優(yōu)化燒結(jié)工藝來實(shí)現(xiàn)。從圖7導(dǎo)體與陶瓷材料燒結(jié)收縮率關(guān)系圖可知，ΔT表示兩種材料燒結(jié)收縮的開始溫差，ΔS表示燒結(jié)完成時(shí)的最終燒結(jié)收縮差。ΔT是導(dǎo)體/陶瓷界面之間附著缺陷產(chǎn)生的原因，ΔS是由于基板內(nèi)部形成類似孔穴及導(dǎo)體表面燒結(jié)密度不均產(chǎn)生的[2]。因此燒結(jié)曲線控制是關(guān)鍵，LTCC的燒結(jié)處理過程包括排膠和燒結(jié)兩個(gè)過程，其工藝參數(shù)的變化都會(huì)對(duì)收縮率產(chǎn)生較大的影響。排膠、燒結(jié)速度、升降溫速度需根據(jù)基板厚度及不同的材料而定。燒結(jié)工藝的關(guān)鍵是燒結(jié)曲線和爐膛溫度的均勻性，它對(duì)燒結(jié)后基板的平整度和收縮率有很大的影響[4]。爐膛溫度均勻性差，基板燒結(jié)收縮率的一致性就差。同時(shí)，燒結(jié)階段升溫速度過快會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)后基板的平整度差、收縮率大。

圖8 燒結(jié)后通孔剖面圖

疊片熱壓的溫度和壓力也是影響通孔金屬化質(zhì)量的關(guān)鍵工藝。隨著熱壓壓力的增大，收縮率減小，二者呈非線性關(guān)系，壓力達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，收縮率下降的趨勢(shì)減小。等靜壓工藝對(duì)LTCC收縮率及基板各種性能有著很大的影響。通過調(diào)節(jié)等靜壓的溫度、壓力、預(yù)熱時(shí)間、保壓時(shí)間等來確定最優(yōu)化的等靜壓工藝參數(shù)。表2所示為Dupont 951生瓷片的多組等靜壓工藝實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

表2 等靜壓工藝不同參數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在相同的燒結(jié)條件下，上述Dupont 951試樣收縮率結(jié)果如表3所示。

表3 X、Y、Z方向收縮率數(shù)據(jù)

從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)于DuPont 951生瓷片，當(dāng)溫度75 ℃、壓力為3 000 psi、預(yù)熱時(shí)間和加壓時(shí)間為30 min時(shí)獲得樣品的X、Y方向收縮均勻，且與試驗(yàn)前設(shè)置的縮放比例最匹配，燒結(jié)后通孔剖面圖如圖8所示，效果很好。

5 結(jié)論

通孔金屬化技術(shù)是獲得性能優(yōu)良的LTCC多層基板的關(guān)鍵技術(shù)之一。欲獲得理想的通孔金屬化效果，必須采用合適的通孔填充工藝技術(shù)和工藝參數(shù)；合理設(shè)計(jì)控制通孔漿料的收縮率和熱膨脹系數(shù)，使通孔填充漿料與生瓷帶的收縮盡量一致，以便降低材料的熱應(yīng)力；金屬化通孔燒結(jié)收縮率的控制可以通過導(dǎo)體層的厚度、燒結(jié)曲線與基板燒結(jié)收縮率的關(guān)系、疊片熱壓的溫度和壓力等方面來實(shí)現(xiàn)。通過上述三方面影響因素的研究，可獲得性能優(yōu)良的LTCC基板通孔金屬化性能。

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[2]今日佳彥.Multilayered Low Temperature Cofired Ceramics(LTCC) Technology[M].北京：科學(xué)技術(shù)出版社，2010.33-38,40,105.

[3]何建鋒.LTCC基板及制造技術(shù)[J].電子工藝技術(shù)，2005，26(2):80-82.

[4]周峻霖，夏俊生，侯育增，洪明.帶框LTCC生瓷烘干技術(shù)[J].電子與封裝，2011，11(4):6-11.