王從香，侯清健

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

銀漿料LTCC鍍金基板工程應(yīng)用研究*

王從香，侯清健

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

提出了一種在銀漿料LTCC基板表面銀導(dǎo)體上采用化學(xué)鍍鎳鈀金工藝制造LTCC微波多層基板的新方法。不同體系的生料、漿料試驗表明選擇合適的生料和漿料配套材料，可實現(xiàn)銀漿料LTCC鍍金基板的可靠性制造。通過鍍層可鍵合性能優(yōu)化鍍層厚度參數(shù)，測試了銀漿料LTCC鍍金基板鍍層可鍵合性、可焊性、耐焊性、膜層可靠性、基板可靠性、基板環(huán)境適應(yīng)性及電性能，各項性能均能滿足微波組件的工程應(yīng)用要求，其膜層可靠性甚至優(yōu)于全金導(dǎo)體LTCC基板，為LTCC微波多層基板的低成本生產(chǎn)提供了一條有效的技術(shù)途徑。

LTCC；銀漿料；鍍金

引 言

低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)由于具有低介電常數(shù)、低介電損耗、高電阻率、合適的熱膨脹系數(shù)、低燒結(jié)溫度，能與高電導(dǎo)率的金屬共燒等綜合的物理、化學(xué)和機(jī)械性能以及適合批量制造的工藝性能，已廣泛應(yīng)用在有源相控陣?yán)走_(dá)T/R組件中，是實現(xiàn)機(jī)載、星載、艦載相控陣?yán)走_(dá)小型化、輕量化、高性能、高可靠的有效手段[1-3]。每一部相控陣?yán)走_(dá)由成千上萬個T/R組件組成，LTCC微波多層基板的性能和成本直接影響到T/R組件乃至整部雷達(dá)的性能和造價。

LTCC微波多層基板根據(jù)所選擇的導(dǎo)體漿料種類不同，可分為金漿料、銀漿料和金銀混合漿料LTCC基板，其中金漿料、銀漿料LTCC基板指所有導(dǎo)體材料全部采用金漿或銀漿的LTCC基板，金銀混合漿料LTCC基板是內(nèi)部采用銀漿料，表面采用金漿料的一類基板。金漿料LTCC基板的可靠性高，綜合性能優(yōu)異。金銀混合漿料LTCC基板可兼顧成本和微組裝工藝的需求，與金漿料體系LTCC基板相比，金銀混合漿料LTCC基板可以降低成本約35%，但金漿的消耗仍約占LTCC基板成本的60%以上。銀漿料LTCC基板可以大幅降低成本，但是在T/R組件微組裝工藝中采用裸芯片金絲鍵合和釬焊工藝，由于銀導(dǎo)體在空氣環(huán)境下易氧化、銀離子易遷移、可靠性低，不能滿足軍用雷達(dá)T/R組件微組裝工藝的要求，制約了銀漿料LTCC基板在T/R組件中的應(yīng)用。對銀漿料導(dǎo)體進(jìn)行表面改性，使其適應(yīng)微組裝工藝的要求將是突破這一制約的有效途徑。

眾所周知，金鍍層具有化學(xué)穩(wěn)定性好、接觸電阻低、導(dǎo)電性能好、易于焊接等特性，廣泛應(yīng)用于印制電路、薄膜電路及封裝殼體等電子封裝領(lǐng)域。對于銀漿料LTCC基板，表面存在大量的孤島，電鍍金層需要對這些孤島進(jìn)行電連接，基板布線復(fù)雜度增加，化學(xué)鍍金成為優(yōu)選方案。化學(xué)沉鎳金工藝(ENIG)是目前印制板生產(chǎn)領(lǐng)域普遍使用的工藝[4]，化學(xué)鍍鎳鈀金(ENEPEG)工藝在傳統(tǒng)的化學(xué)沉鎳金工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來，起源于20世紀(jì)80年代，隨著PCB產(chǎn)品向更高密度的HDI/BUM、剛-撓性板、集成(埋嵌)元件板方向發(fā)展和封裝(IC)基板向高密度系統(tǒng)封裝方向發(fā)展而得到應(yīng)用，化學(xué)鎳鈀金鍍層能夠滿足多種封裝工藝如通孔插入式封裝(THT)、表面組裝技術(shù)(SMT)、金屬絲鍵合方法、倒裝芯片焊方法等的要求，具有“萬能”鍍層的美譽[5-7]。

本文研究了化學(xué)鍍鎳鈀金鍍層的銀漿料LTCC鍍金基板的工藝可行性?；瘜W(xué)鍍鎳鈀金工藝可適用于一定的材料體系，通過鍍層可鍵合性能優(yōu)化鍍層厚度參數(shù)，對銀漿料LTCC鍍金基板的鍍層可鍵合性、可焊性、耐焊性、膜層可靠性、基板可靠性、基板環(huán)境適應(yīng)性及電性能方面進(jìn)行了研究，均能滿足X波段產(chǎn)品的工程應(yīng)用要求，為X波段LTCC微波多層基板的低成本生產(chǎn)提供了一條有效的技術(shù)途徑。

1 試驗過程

1.1 試樣制備

選擇合適的LTCC生料帶和銀漿料材料體系，按常規(guī)LTCC生產(chǎn)工藝進(jìn)行全銀漿料基板的制作，再按圖1所示的工藝流程進(jìn)行化學(xué)鍍鎳鈀金鍍層的沉積以制作鍍金基板。從化學(xué)鍍工藝流程的貫通性和鍍層的金絲鍵合拉力等方面對LTCC材料體系、化學(xué)鍍鎳鈀金的厚度參數(shù)進(jìn)行評價和工藝優(yōu)化，對優(yōu)化參數(shù)后制備的試樣進(jìn)行了鍍層可鍵合性、可焊性、耐焊性、膜層可靠性、基板可靠性、基板環(huán)境適應(yīng)性及電性能測試。

圖1 化學(xué)鍍鎳鈀金工藝流程

1.2 性能測試

采用JSM-5900型掃描電鏡(Scanning Electronic Microscope，SEM)觀察樣品形貌和測量能譜。用FISCHER XDLM-C4 X射線測厚儀測試鍍層厚度。用West Bond 7476E金絲球焊機(jī)測試金絲鍵合強(qiáng)度。用拉力機(jī)測試鍍層焊接拉脫力。用帶照相功能的高倍顯微鏡觀察導(dǎo)體圖形。用HTH-05烘箱進(jìn)行穩(wěn)定性烘焙測試。用SM5.5C高低溫循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行溫度循環(huán)試驗。用ESS-KWG6025III高低溫箱進(jìn)行恒定濕熱試驗。用Agilent 5242A型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行電性能測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 LTCC材料的選擇

在化學(xué)鍍工藝中，LTCC基板需要經(jīng)歷一系列的化學(xué)溶液的處理，考慮到LTCC基板的特性，化學(xué)鍍?nèi)芤罕M量選擇接近中性的鍍液，在此過程中，基板材料需保持相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性，相應(yīng)配套的銀漿料材料也需要具備可化學(xué)鍍處理的特性。表1列出了幾種不同體系生料和漿料化學(xué)鍍試驗結(jié)果。

表1 LTCC生料、漿料體系化學(xué)鍍試驗結(jié)果

注：材料組合中，前者代表LTCC生料類型，其中A為微晶玻璃系，B、C為玻璃/陶瓷系；后者代表配套漿料簡稱。

由表1可知，銀漿料LTCC基板化學(xué)鍍工藝能否應(yīng)用同LTCC生料及漿料材料的選擇密切相關(guān)。LTCC生料材料分為微晶玻璃系和玻璃/陶瓷系2大類，玻璃/陶瓷系材料是在晶化玻璃體系中加入各種陶瓷材料作為填充相，由于摻入的陶瓷材料不與玻璃材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，該類材料具有更高的化學(xué)穩(wěn)定性，更適合化學(xué)鍍工藝，這同試驗結(jié)果相吻合。選定LTCC生料帶后還必須有配套的致密性較好的銀漿料材料。本研究選用C+495開展化學(xué)鍍工藝應(yīng)用研究。

2.2 化學(xué)鍍鎳鈀金的厚度參數(shù)對鍍層可鍵合性能的影響

化學(xué)鍍鎳鈀金鍍層主要是為了解決銀導(dǎo)體易氧化、不易金絲鍵合的難題。研究了不同鍍鎳、鍍鈀和鍍金層厚度對金絲鍵合拉力的影響，結(jié)果見表2，其中金絲鍵合拉力共測試18個值。

表2 不同化學(xué)鍍時間即不同鍍層厚度對膜層金絲鍵合性能的影響

由表2可知，化學(xué)鍍鎳時間15～40 min，相應(yīng)鍍鎳層的厚度2.85～6.46 μm，金絲鍵合拉力均能滿足要求(金絲鍵合拉力≥7 g)，考慮到過厚的鎳層對電性能可能造成的影響以及一定的工藝控制范圍，確定化學(xué)鍍鎳層厚度3～5 μm；化學(xué)鍍鈀時間5～15 min，相應(yīng)鍍鈀層的厚度0.042～0.075 μm，金絲鍵合拉力均值雖然均能滿足要求，但鈀層較薄時出現(xiàn)拉力低于要求的情況，確定化學(xué)鍍鈀層厚度0.06～0.08 μm；化學(xué)鍍金時間5～15 min，相應(yīng)鍍金層的厚度0.045～0.125 μm，金絲鍵合拉力均能滿足要求，但金層厚度增加，金絲鍵合拉力均值及極大值均有提高，考慮到工藝穩(wěn)定性和成本因素，確定化學(xué)鍍金層厚度0.08～0.12 μm。

2.3 銀漿料LTCC鍍金基板的可焊性、耐焊性測試

銀漿料LTCC鍍金基板的可焊性、耐焊性按“GB/T 17473.7—1998厚膜微電子技術(shù)用貴金屬漿料測試方法——可焊性、耐焊性試驗”中的方法：將試樣浸助焊劑，在濾紙上貼1 s。將浸助焊劑的試樣保持固定角度90°浸入焊料槽，可焊性測試時控制熔融焊料溫度為(235±5)℃，浸入時間為(5±1)s；耐焊性測試時控制熔融焊料溫度為(260±5)℃，浸入時間為(10±1)s。將焊好的基片清洗，除去殘余的助焊劑，在放大鏡下觀察焊料潤濕基片印刷圖案導(dǎo)體膜的情況。

測試了3個樣件各20個標(biāo)準(zhǔn)焊盤的膜層可焊性，膜層接受焊錫的面積均大于95%，滿足產(chǎn)品要求。

測試了3個樣件各20個標(biāo)準(zhǔn)焊盤的膜層耐焊性，膜層接受焊錫的面積均大于95%，滿足產(chǎn)品要求。

2.4 化學(xué)鍍鎳鈀金鍍層對提高銀導(dǎo)體膜層可靠性的作用

銀導(dǎo)體在潮濕或電壓偏置等條件下，很容易發(fā)生銀離子遷移現(xiàn)象，改變介質(zhì)特性，降低絕緣電阻，進(jìn)而導(dǎo)致短路和失效[8-9]。水滴試驗?zāi)軌蚩旖葜庇^地反映驗證銀離子遷移現(xiàn)象[9]。設(shè)計了如圖2(a)所示的電極間距離分別為0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm的電路圖形，制作銀漿料(圖2(b))、金漿料(圖2(c))、銀漿料化學(xué)鍍(圖2(d))LTCC基板樣品進(jìn)行水滴試驗對比測試。對3種電極間距的樣品進(jìn)行試驗，測試時在電極兩端焊上導(dǎo)線，然后將導(dǎo)線連接電源的正負(fù)極，在電極間加一滴去離子水，施加5 V電壓。圖3為0.2 mm電極間距的試驗結(jié)果，其余兩種間距樣品的測試現(xiàn)象一致。

圖2 水滴試驗樣品

圖3 水滴試驗結(jié)果

銀電極加電壓幾秒后即開始產(chǎn)生黑色氧化銀沉淀物，5 min后非常明顯，見圖3(a)；金電極加電壓30 min后無明顯變化，24 h后發(fā)現(xiàn)有黃色物質(zhì)出現(xiàn)，證明金離子發(fā)生了遷移，見圖3(b)和(c)；化學(xué)鍍金電極加電壓30 min后無變化，24 h后也無變化，見圖3(d)和(e)。遷移的產(chǎn)生主要與材料的致密性、材料的純度、鍍層的完整性有關(guān)。上述試驗現(xiàn)象表明，化學(xué)鍍鎳鈀金鍍層對銀的包裹非常好，化學(xué)鍍基板的銀導(dǎo)體膜層的耐電遷移性甚至優(yōu)于全金漿料基板，這主要可能是因為金漿料導(dǎo)體中殘留有少量可離解的無機(jī)離子。

2.5 化學(xué)鍍鎳鈀金工藝過程對LTCC基板可靠性的影響

圖4為銀漿料LTCC基體化學(xué)鍍前后的SEM圖，從圖4(b)可以看出化學(xué)鍍過程對LTCC基體有一定的腐蝕。為了評價腐蝕對基板可靠性即致密度的影響，將基板在0.5%的品紅酒精溶液中浸泡24 h，清洗干凈后觀察品紅溶液的滲透情況。圖5為品紅浸泡24 h清洗后的LTCC基板對比，兩基板均未發(fā)現(xiàn)品紅殘留。雖然化學(xué)鍍?nèi)芤簩μ沾苫灞砻嬗幸欢ǖ母g，但由于時間短，腐蝕深度淺，對陶瓷的可靠性并沒有太大影響。

圖4 銀漿料LTCC基體SEM圖

圖5 品紅浸泡24 h清洗后的LTCC基板對比

2.6 銀漿料LTCC鍍金基板環(huán)境適應(yīng)性和可靠性評價

依據(jù)GJB 548B對化學(xué)鍍鎳鈀金LTCC銀漿料基板進(jìn)行穩(wěn)定性烘焙、溫度循環(huán)和濕熱試驗，試驗條件見表3，對試驗后的基板進(jìn)行目檢、通斷、電阻、金絲鍵合拉力和焊接拉脫力測試。

表3 環(huán)境適應(yīng)性考核條件

基板按表3要求考核后，表面鍍層沒有發(fā)生氧化現(xiàn)象，顯微鏡下觀察沒有發(fā)現(xiàn)銀遷移現(xiàn)象，通斷、電阻無變化，金絲鍵合拉力和焊接拉脫力均滿足要求。

2.7 銀漿料LTCC鍍金基板電性能測試

高頻電路趨膚深度與頻率存在一定的關(guān)系，在10 GHz時，趨膚深度為0.8 μm左右。而化學(xué)鍍時，鎳的厚度為3～5 μm，鈀的厚度為0.06～0.1 μm，金的厚度為0.1～0.15 μm，因此工作在10 GHz時，信號必定會在鎳層中傳輸，而鎳的電阻率是金的20倍以上，銀的30倍以上，并且鎳的磁性是金的600倍，因此高頻時鎳層對微波性能的影響需要分析。試驗設(shè)計了微帶傳輸線和微帶帶狀過渡線兩種結(jié)構(gòu)，分別測試了2件銀漿料LTCC基板、金漿料LTCC基板、銀漿料LTCC鍍金基板的電性能，微波性能如圖6、圖7所示。

圖6 微帶線損耗對比

圖7 帶狀線損耗對比

由圖6、圖7可見，銀漿料LTCC基板的損耗小于金漿料LTCC基板，銀漿料LTCC鍍金基板的損耗略高于銀漿料LTCC基板，但總體性能基本一致，滿足微波組件的工程應(yīng)用要求。

3 結(jié)束語

本文提出了一種新的銀漿料LTCC基板化學(xué)鍍鎳鈀金工藝方法，即在銀漿料LTCC基板表面銀導(dǎo)體上采用化學(xué)鍍鎳鈀金的鍍層結(jié)構(gòu)改善銀導(dǎo)體本身的局限性，對化學(xué)鍍鎳鈀金鍍層結(jié)構(gòu)的銀漿料LTCC基板試樣進(jìn)行了鍍層可鍵合性、可焊性、耐焊性、膜層可靠性、基板可靠性、基板環(huán)境適應(yīng)性及電性能測試，結(jié)果均能滿足微波組件的工程應(yīng)用要求，其膜層可靠性甚至優(yōu)于全金導(dǎo)體LTCC基板，為LTCC微波多層基板的低成本生產(chǎn)提供了一條有效的技術(shù)途徑。

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王從香(1971-)，女，高級工程師，主要從事厚薄膜工藝和LTCC工藝技術(shù)研究。

Research on Engineering Application of Silver Paste LTCC Gold-plating Substrate

WANG Cong-xiang，HOU Qing-jian

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

A new method of ENEPEG surface treatment is presented which is used for production of microwave LTCC substrate with silver conductor. Experiments on different green tapes and silver pastes show that ENEPEG surface treatment is feasible and reliable for special green tape and silver paste. The depth of every layer of ENEPEG is optimized with gold wire bonding force. The research shows that ENEPEG surface on silver conductor LTCC substrate has good wire bonding ability, solderability and solderelaching resistance; the metal film reliability is even better than gold paste LTCC substrate; the substrate′s reliability, adaptability for worse environment and electric performances are compatible with microwave module production engineering application. The new method provides an effective alternate route for low cost production of microwave LTCC substrate.

LTCC; silver paste; gold-plating

2015-02-18

TN41;TQ174.75+6

A

1008-5300(2015)03-0045-05