王運龍，劉建軍，柳龍華，邱穎霞，王志勤（中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，安徽合肥230088）

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LTCC生瓷層壓中腔體的形變評價及控制

王運龍，劉建軍，柳龍華，邱穎霞，王志勤
（中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，安徽合肥230088）

以含有腔體結(jié)構(gòu)的LTCC疊層生瓷為研究對象，介紹了腔體在層壓形變的評價和控制方法。分析了LTCC空腔在層壓時產(chǎn)生變形的主要影響因素。闡述了在生瓷表面上增加金屬掩模板來控制腔體形變的疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計。有限元分析結(jié)果表明不銹鋼掩模可使腔體邊緣應(yīng)變降低至無掩模時應(yīng)變的1/6，并通過工藝試驗驗證了金屬掩模板的有效性。結(jié)果表明合理的層壓結(jié)構(gòu)設(shè)計和恰當(dāng)?shù)膶訅汗に嚳梢灾谱鞒鰸M足尺寸精度的空腔結(jié)構(gòu)。

低溫共燒陶瓷；腔體形變；金屬掩模

1　背景介紹

低 溫共 燒 陶瓷 （Low Temperature Co-fired Ceramics，LTCC）是一種集層間互連、無源元件集成的三維電路基板［1］。其結(jié)合了多層陶瓷元件技術(shù)和多層電路圖形技術(shù)，將流延而成的生瓷沖孔并進(jìn)行導(dǎo)體填孔，實現(xiàn)層間互連，經(jīng)疊片和層壓實現(xiàn)多層印刷線路圖形的立體累加，利用低溫共燒結(jié)制成三維空間高密度電路基板。近年來，隨著多芯片組件的發(fā)展，LTCC基板在埋置電阻、電容和電感等無源元件的同時普遍具備腔體結(jié)構(gòu)。腔體中可以封裝芯片，提高組裝密度的同時縮短層間互連線，降低微波不連續(xù)性影響，大大提高組件可靠性［2］。

在LTCC生瓷疊層之后、燒結(jié)之前，通常進(jìn)行層壓工藝處理，使疊片坯體不再發(fā)生相對位置的變動，各層生瓷結(jié)合為一體，坯體的初始致密度在層壓過程中可以得到明顯提升。按照疊片層壓的時序，層壓可以分為一次性疊片層壓和累積法疊片層壓。一次性疊片層壓是在疊層過程中不加壓力，疊片完成后一次加壓壓實各疊層膜片。而累積法則是在生瓷逐層疊放的過程中施加壓力，疊片和層壓同時完成。但最底層的生瓷累積受壓多次，疊層的厚度方向結(jié)構(gòu)變得不均勻。按照加壓方式，層壓可以分為單軸加壓和等靜壓。使用單軸層壓工藝，LTCC疊層坯體上下層有承壓板的支撐，在腔體結(jié)構(gòu)的部分，壓力不能均等傳遞，腔體結(jié)構(gòu)在受壓過程中因收縮不一致易受損壞。而對于等靜壓工藝來說，理論上，整個坯體包括腔體結(jié)構(gòu)受到的壓力是一致的，腔體除了因瓷片收縮帶來的變化外無其他變化。

由于腔體一般在單層生瓷上制備，經(jīng)疊片和層壓后，腔體形態(tài)容易發(fā)生形變。腔體在層壓過程中的變形處理成為了LTCC的加工難題之一［3］。為確保腔體在疊片和層壓過程中的變形量最小，需要采用特定的材料對腔體內(nèi)部進(jìn)行保護(hù)［4］。通常選用硅膠為填充材料，將硅膠制備成腔體的嵌件預(yù)置于腔體中。在層壓時可以保護(hù)外力對腔體的沖擊，使腔體很好地成型。針對復(fù)雜腔體結(jié)構(gòu)（如雙面腔體）的LTCC多層基板，可以兼顧一次成型和累積法成型兩種方法，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)分割成多個簡單結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)行疊層層壓，最后將層壓好的多個坯體疊層，最后再進(jìn)行層壓合體［5］。本文針對帶有空腔的LTCC層壓工藝技術(shù)，利用白光干涉儀測量空腔在層壓過后的形態(tài)變化，分析腔體結(jié)構(gòu)對層壓形態(tài)變化的影響規(guī)律。同時，提出一種層壓形變控制工藝設(shè)計，可以有效降低腔體形態(tài)變化，提高腔體的邊緣成型質(zhì)量。

2　試驗設(shè)計及測試

2.1試驗材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計

選擇單層厚度為127滋m的Ferro A6生瓷為研究材料，利用激光對單層生瓷進(jìn)行腔體加工，單層瓷片腔體結(jié)構(gòu)設(shè)置如表1所示。腔體的形態(tài)主要考慮圓形和方形兩種基本類型，其余復(fù)雜的腔體形狀可以看作是這兩種結(jié)構(gòu)的組合。腔體的深度主要通過疊層的層數(shù)控制，對于同樣形狀、同樣大小的腔體，分別疊層5、10和15層3種，代號為N5、N10和N15。

對位疊層完成后進(jìn)行層壓。如圖1（a）所示，層壓中包封從下到上的放置順序為：金屬背板、生瓷和約1 mm厚度軟硅膠。隨后采用真空包裝袋進(jìn)行真空包裝。在80℃的水介質(zhì)中預(yù)熱10 min后在20.3 MPa（3 000 Psi）壓力下保壓10 min。腔體成型狀態(tài)如圖1（b）所示。

表1　腔體結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

圖1　層壓疊層結(jié)構(gòu)示意圖

2.2試驗測試

理論上講，LTCC生瓷在等靜壓過程中受外界介質(zhì)施加壓力是均勻的，坯體收縮一致，腔體可以完好成型，不存在邊緣塌陷現(xiàn)象。但是實際過程中，由于包裝密封材料在等靜壓過程中的變形，生瓷腔體邊緣受額外的應(yīng)力（F’），額外產(chǎn)生的應(yīng)力作用在腔體邊緣，容易導(dǎo)致腔體邊緣的變形塌縮。為了評價腔體邊緣的形態(tài)變化，采用白光干涉儀測量空腔在層壓過后的變形狀態(tài)。測量時將被測試件置于干涉顯微鏡下，由CCD接受白光干涉條紋。當(dāng)垂直掃描系統(tǒng)驅(qū)動時，干涉顯微鏡垂直移動。工件不同高度表面上的零件條紋被記錄，經(jīng)計算機(jī)處理得到三維形貌圖像。

3　試驗結(jié)果

3.1評價方法

圖2（a）給出了帶有半徑2 mm圓形腔體的10層生瓷層壓后的高度云圖。由于腔體的對稱性，沿著腔體圓心位置提取高度信息，可以得到如圖2（c）的一維高度輪廓。為了評價腔體邊緣形變，一方面可以通過形變范圍表征，即腔體的塌縮寬度，對于半徑為2 mm的圓形腔體其形變范圍約為0.75 mm。另一方面可以通過距離理論腔體邊緣一定距離（ΔL）的高度應(yīng)變量（ΔH）進(jìn)行說明。例如ΔL為0.15mm時，ΔH為142滋m，即說明在距離腔體邊緣0.15 mm處高度方向塌縮了142滋m。對于方形腔體，可以采取類似的方法進(jìn)行分析評價。圖2（b）給出了帶有邊長4 mm方形腔體的10層生瓷層壓后的高度云圖。通過沿著垂直于腔體邊緣的方向提取高度信息，可以得到如圖2（d）的一維高度輪廓。腔體邊緣形變同樣可以通過形變范圍及高度應(yīng)變量進(jìn)行表征。

圖2　10層生瓷層壓后的高度云圖及中心截面輪廓圖

3.2腔體大小的影響

在相同層壓條件和腔體厚度（10層）條件下，圖3 （a）給出了不同半徑的圓形腔體的高度輪廓圖。為了表征方便及對稱性的考慮，腔體邊緣位置及腔體底部被歸一到零的位置。從圖中可以看出，較小的腔體尺寸導(dǎo)致了較大的腔體邊緣形變，形變范圍增大。對于半徑為0.5mm和4mm的腔體，腔體的形變范圍從0.7mm增加到1.2 mm。ΔL為0.3 mm時，ΔH從45 μm增加到152 μm。

對于方形腔體，如圖3（b）所示，腔體大小的影響規(guī)律與圓形腔體類似，隨著腔體邊長的增大，腔體邊緣高度上的形變增大，范圍也增大。當(dāng)邊長從1 mm增加到8mm時，腔體形變范圍從0.65mm增加到1.2mm。ΔL為0.3 mm時，ΔH從50 μm增加到164 μm。

圖3　10層生瓷層壓的高度輪廓圖

3.3腔體深度的影響

腔體的深度是通過疊層的數(shù)量決定的。在相同層壓條件和腔體大小的條件下，圖4（a）給出了半徑為2mm的圓形腔體分別疊層5、10和15層的高度輪廓圖。為了對比輪廓，在不影響分析結(jié)果的情況下，腔體邊緣位置被歸一到零的位置，頂層的生瓷高度統(tǒng)一歸一到10層瓷片的高度。從圖中可以看出，較多的疊層數(shù)量意味著較深的腔體尺寸，越深的腔體導(dǎo)致了越大的腔體邊緣形變，形變范圍增大。疊層數(shù)量為5、10和15時，腔體的形變范圍分別為0.5 mm、0.8 mm和1.1 mm。ΔL為0.3 mm時，ΔH分別為24μm、57μm和100μm。

對于方形腔體，如圖4（b）所示，疊層數(shù)量的影響規(guī)律與圓形腔體類似。ΔL為0.3 mm時，ΔH分別為25 μm、74 μm和115 μm。

圖4　不同疊層厚度的高度輪廓圖

4　試驗分析

在LTCC生瓷層壓過程中，生瓷除了在等靜壓力之外，由于包裝密封材料在腔體上的變形，應(yīng)力（F’）不可避免地在腔體邊緣集中，導(dǎo)致腔體邊緣的變形塌縮。變形塌縮的程度直接取決于F’的大小。F’越大，導(dǎo)致腔體邊緣形變塌縮程度增大，形變影響范圍增大，即在一定的ΔL處，ΔH也越大。F’的大小與包裝材料的材質(zhì)及包裝材料在層壓過程中的形變密切相關(guān)。在一定包裝材料的條件下，F(xiàn)’的大小直接取決于包裝材料的形變。通過對比圖1（a）和（b），包裝材料的形變直接與腔體結(jié)構(gòu)相關(guān)，即與腔體半徑或邊長及深度有關(guān)。腔體深度越大，形變量越大，腔體半徑或邊長越大，與其對應(yīng)的形變量越小。

通過以上分析和試驗結(jié)果，圓形腔體和方形腔體的腔體邊緣變形的規(guī)律基本上是相同的。如圖4所示，對于半徑為2 mm的圓形腔體和邊長為4 mm的方形腔體，在相同的厚度下，腔體邊緣形變是非常接近的。由于方形腔體相較圓形腔體的面積較大，與此對應(yīng)的形變要稍小于圓形腔體。此外，對于圓形和方形腔體，腔體厚度及大小的影響規(guī)律也是基本相同的。下面就以圓形腔體為例，分析圓形腔體半徑和腔體深度對腔體邊緣形變的影響規(guī)律。

圖5給出了ΔL固定為0.3 mm時，腔體深度和圓形腔體大小對形變（ΔH）的影響規(guī)律。如圖5（a）所示，對于相同的腔體大小，ΔH與腔體深度基本呈線性關(guān)系。腔體越深，ΔH越大。此外，線性的斜率隨著腔體半徑的增大而減小。這就說明，深度對于較小的腔體影響較大，而對于較大的腔體，深度的影響作用較小。因此，隨著腔體深度的增大，腔體尺寸的差異帶來的形變差異也越來越大。如圖5（b）所示，對于相同的腔體深度，ΔH與圓形腔體半徑的倒數(shù)基本呈線性關(guān)系。腔體尺寸越大，ΔH越小。此外，直線擬合的斜率隨著腔體深度的增大而減小。腔體較小時，腔體深度的影響較大，因此，隨著腔體尺寸的增大，腔體尺寸的差異帶來的形變差異也越來越小。

綜上所述，腔體邊緣的形變直接與包裝密封材料在腔體上的變形所產(chǎn)生的應(yīng)力（F’）密切相關(guān)，腔體形變量基本與腔體的深度成正比，與腔體的大小成反比。為了降低腔體的變形量，可以通過降低腔體深度，增大腔體大小的腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行實現(xiàn)。但是一般情況下，降低腔體的深度會影響埋置芯片等元件的高度；增大腔體尺寸會影響高密度互聯(lián)。因此腔體設(shè)計必須統(tǒng)籌兼顧各個影響因素。

圖5　ΔL為0.3 mm時腔體深度和尺寸對形變的影響規(guī)律

5　形變控制

5.1層壓結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

為了提高腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計的靈活性，就必須解決LTCC腔體在層壓過程中邊緣形變的問題。即使對于較小的腔體和較大的腔體深度，也要保持良好的腔體邊緣質(zhì)量。較為常用的腔體保護(hù)技術(shù)為嵌件技術(shù)［4］，通過在腔體中填充硅膠等嵌件，將帶腔基板改善為平面結(jié)構(gòu)，降低層壓過程中實際的腔體深度，對腔體實施保護(hù)，減少了腔體形變。但是，由于制作尺寸匹配的嵌件耗時費力，嵌件填充和取出的過程中也容易破壞腔體邊緣［5］。降低了腔體成型的成品率，增加了LTCC制造的成本。本文提出一種制備高精度腔體的層壓結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖6（a）所示，在橡膠墊和瓷片之間夾上硬質(zhì)的金屬掩模板，掩模板上通腔的形狀與陶瓷基板腔體形狀對應(yīng)。腔體等靜壓過程中，如圖6（b）所示，彈性材料板會在外部壓力作用下通過金屬掩模板開口部分填充到腔體中，以保證腔體各個方向上所受壓力更加均勻，而金屬掩模板會支撐保護(hù)腔體結(jié)構(gòu)，保持腔體結(jié)構(gòu)不變形。

圖6　優(yōu)化的層壓結(jié)構(gòu)示意圖

5.2形變模擬對比

為了驗證金屬掩模板的作用，采用有限元分析方法對層壓形變進(jìn)行分析。有限元分析的材料、結(jié)構(gòu)及應(yīng)力參數(shù)如表2所示。金屬掩模板材料選擇具有代表性的結(jié)構(gòu)鋼。根據(jù)經(jīng)驗值估算得到LTCC材料參數(shù)，采用簡化的局部模型進(jìn)行仿真，分析腔體邊緣處的生瓷在包封材料帶來的額外應(yīng)力（F’）作用下引起的形變，分別對有無金屬掩模板的腔體邊緣處生瓷的應(yīng)變分布進(jìn)行模擬，分析金屬掩模板的作用。

表2　有限元分析參數(shù)設(shè)置

圖7給出了有無金屬掩模的有限元分析應(yīng)變云圖。由圖7（a）可見，LTCC應(yīng)變集中在應(yīng)力施加的區(qū)域，最大應(yīng)變?yōu)?.123，發(fā)生應(yīng)變即應(yīng)力影響的區(qū)域長度約為0.85 mm。當(dāng)存在金屬掩模時，如圖7（b）所示，LTCC應(yīng)變依然集中在應(yīng)力施加的區(qū)域，但是最大應(yīng)變降低為0.021，僅為無金屬掩模的最大應(yīng)變的1/6。此外，應(yīng)力影響區(qū)域的長度約為2.0 mm，基本上是無金屬掩模的應(yīng)力影響長度的2倍。說明金屬掩?？梢杂行г龃髴?yīng)力分布區(qū)域，降低應(yīng)力作用效果，降低最大應(yīng)變。

圖7　有限元分析應(yīng)變云圖對比

5.3試驗結(jié)果對比

為了進(jìn)一步驗證含有金屬掩模板的層壓設(shè)計，在試驗上對有無金屬掩模的層壓試樣進(jìn)行腔體邊緣形變測量和對比。圖8給出了半徑為1 mm的10層生瓷圓形腔體有無金屬掩模層壓后的高度云圖及相應(yīng)的腔體中心截面輪廓圖。從圖中可以看出，在相同的腔體結(jié)構(gòu)條件下，存在金屬掩模的試樣經(jīng)層壓后，腔體邊緣較為陡直，腔體塌縮較少。應(yīng)力導(dǎo)致的形變的影響范圍從0.65 mm降低到0.15 mm。當(dāng)ΔL固定為0.15 mm時，ΔH從135 μm降低到了30 μm，說明金屬掩模板的存在可以有效降低腔體邊緣形變，實現(xiàn)腔體的高質(zhì)量制作。

圖8　半徑為1 mm的10層生瓷圓形腔體有無金屬掩模層壓后的高度云圖及相應(yīng)腔體中心截面輪廓圖

6　結(jié)論

本文利用白光干涉儀測量LTCC空腔在采用軟硅膠等靜壓層壓過后的變形量。測試結(jié)果表明：空腔邊框的形變與生瓷腔體的大小和厚度相關(guān)。同樣的腔體大小，腔體深度越大，層壓后腔體的變形越大；同樣的腔體深度，較大的空腔對應(yīng)著較小的層壓形變。在此基礎(chǔ)上提出了一種層壓形變控制工藝設(shè)計，在LTCC生瓷和彈性材料墊片之間增加剛性金屬材料掩模板；利用有限元軟件對金屬掩模板的作用進(jìn)行分析。

以不銹鋼掩模為例，分析結(jié)果表明不銹鋼掩?？梢杂行Э刂菩巫?，存在掩模的最大形變只有無掩模的1/6；并進(jìn)行實際使用的測試，試驗結(jié)果顯示不銹鋼掩模的存在可以有效降低腔體的變形量，提高腔體的邊緣成型質(zhì)量。提出的LTCC腔體層壓工藝改進(jìn)是一種普遍性方法，對加工成型具有一定的借鑒作用。

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［2］嚴(yán)偉，孫兆鵬.基于LTCC腔體結(jié)構(gòu)的新型微波多芯片組件研究［J］.電子學(xué)報，2010，38（8）：1862-1866.

［3］趙飛，黨元蘭.LTCC電路加工中的關(guān)鍵技術(shù)分析［J］.電子工藝技術(shù)，2013，34（1）：37-39.

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Evaluation and Control Method of Cavity Deformation in LTCC Green Tape Lamination Process

WANG Yunlong，LIU Jianjun，LIU Longhua，QIU Yingxia，WANG Zhiqin
（China Electronics Technology Group Corporation No.38 Research Institute，Hefei 230088，China）

In the paper，the evaluation and control method of cavity deformation occurred during LTCC green tape lamination process is introduced.By analyzing the factors affecting the deformation in the laminating process，an architectural design is proposed to control the cavity deformation by adding the metal mask on the surface of the green tape.The finite element analysis results show that the stainless steel mask reduces the strain at the edge of the cavity to 1/6 that of the original.The method of using metal mask plate is verified by technological tests.The paper then concludes that requested LTCC cavity is obtainable through reasonable laminating structure design and appropriate technological parameter.

low temperature co-fired ceramics；cavity deformation；metal mask plate

TN305.7

A

1681-1070（2016）07-0005-05

2016-3-12

王運龍（1988—），男，安徽界首人，畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，博士，工程師，主要從事微電路電路基板及組裝工藝研究工作。