寇凌霄

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽11032）

低溫共燒陶瓷（LTCC）燒結(jié)收縮率的控制

寇凌霄

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽11032）

LTCC（Low Temperature co-fired Ceramic）即低溫共燒陶瓷技術(shù),是近年來興起的一種令人矚目的多學(xué)科交叉的整合組件技術(shù)，因其優(yōu)異的電子、機械、熱力特性已成為未來電子元件集成化、模組化的首選方式。LTCC基板材料研究的一個熱點問題就是LTCC基板材料與異質(zhì)材料共燒匹配性問題。一般LTCC材料的收縮率大約為12%～16%，在應(yīng)用于高性能系統(tǒng)時，必須嚴(yán)格控制其收縮行為，獲得在X-Y方向零收縮率的材料。通過介紹LTCC技術(shù)在零收縮基板及內(nèi)埋置材料方面的技術(shù)的研究，評估各種加工方法對LTCC收縮率的控制程度,為基板制備方法的選擇提供參考。

收縮率；零收縮；無壓力輔助燒結(jié)法；自約束燒結(jié)法；壓力輔助燒結(jié)法；復(fù)合材料共燒法

1 引 言

低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)，就是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉經(jīng)過流延制成厚度精確而且致密的生瓷帶。將制備的生瓷帶作為電路基板材料，采用打孔、微孔填充、印刷、疊片以及層壓等工藝制出所需要的電路圖形，并將多個無源元件埋入其中，疊壓在一起在900℃下燒結(jié)，制成三維電路網(wǎng)絡(luò)的無源集成組件或內(nèi)置無源元件的三維電路基板[1]。燒結(jié)時，不同材質(zhì)的材料由于界面、燒結(jié)溫度和收縮率等特性存在差別，基板容易出現(xiàn)分層、開裂等現(xiàn)象，必須控制好燒結(jié)工藝參數(shù)。

目前LTCC生瓷帶在燒結(jié)時存在平面尺寸的收縮率超過10%[2]，收縮率容差為±0.3%?！?.3%的容差對于邊長為50mm的基板將產(chǎn)生最大0.3mm的誤差，這種誤差對系統(tǒng)組裝及高頻信號傳輸影響很大[3]。因此，通過材料配比設(shè)計或者借用新的加工手段來實現(xiàn)平面零收縮的LTCC基板制造技術(shù)成為目前LTCC技術(shù)一個重要的發(fā)展方向。

2 平面零收縮基板制作工藝

零收縮LTCC基板的制造工藝流程與常規(guī)LTCC基板相同，關(guān)鍵工藝為層壓和共燒工藝[4]，其工藝參數(shù)、工裝夾具、壓燒環(huán)境、設(shè)備功能等都對加工得到的LTCC基板的性能與質(zhì)量有明顯影響，目前已發(fā)展了以下幾種主要方法：

2.1 無壓力輔助燒結(jié)法

常規(guī)LTCC生瓷帶疊壓過程中，在底部和頂層疊壓一定厚度的非收縮生瓷帶(犧牲層)，再送常規(guī)LTCC燒結(jié)爐中對整個組件進行非限制性燒結(jié)，如圖l所示。在不借助任何外部壓力的情況下通過利用犧牲層的摩擦力抑制LTCC生瓷帶在X、Y方向的收縮，使得收縮幾乎只發(fā)生在Z方向，燒結(jié)完成后研磨掉底部和頂層的犧牲層。采用這種方法，能夠使LTCC基板X、Y方向上的收縮率控制在0.1%之內(nèi)，收縮一致性誤差小于0.05%，也無需新增設(shè)備投資，但材料采購困難，而且去除夾持用犧牲層的工藝比較復(fù)雜。

圖1 無壓力輔助燒結(jié)法

2.2 壓力輔助燒結(jié)法

該方法的核心在于借用特殊的燒結(jié)爐，使LTCC基板在燒結(jié)過程中在Z方向受到一個持續(xù)恒定的壓力，以強制加壓的方式限制其在X、Y平面方向上的收縮，使燒結(jié)后的LTCC基板平面尺寸與燒結(jié)前生瓷塊的平面尺寸相同，從而實現(xiàn)平面零收縮或無收縮的燒結(jié)[5]，如圖2所示。

圖2 壓力輔助燒結(jié)法

壓力輔助燒結(jié)法可使LTCC基板的平面收縮率控制在0.01%±0.008%之內(nèi)，而且不受材料的限制，可以用于多品種MCM的研制。目前,僅有德國ATV Tech GmbH公司生產(chǎn)的PHP-603-LTCC型燒結(jié)爐可以實現(xiàn)壓力輔助燒結(jié),價格高達(dá)25萬歐元/臺。設(shè)備投資大，而且也不適用于有空腔結(jié)構(gòu)的基板。

2.3 自約束燒結(jié)法

自由共燒過程中，采用自身抑制平面方向收縮特性的方式制作LTCC平面零收縮生瓷帶基板[6]，使基板在常規(guī)的LTCC燒結(jié)爐中非限制性燒結(jié)，優(yōu)化燒結(jié)工藝，可以將燒成的LTCC基板平面方向收縮率不均勻性控制在±（0.03%～0.04%）。自約束燒結(jié)法常采用兩種結(jié)構(gòu)：具有三層結(jié)構(gòu)的自約束燒結(jié)法和夾心結(jié)構(gòu)的自約束燒結(jié)法。

2.3.1 具有三層結(jié)構(gòu)的自約束燒結(jié)法

該結(jié)構(gòu)由上下層玻璃與陶瓷的混合物和中間鎖緊層（氧化鋁多孔介質(zhì)）組成[7]，如圖3所示。燒結(jié)前，先將鎖緊層的多孔介質(zhì)燒結(jié)完成。燒結(jié)完的多孔介質(zhì)在高溫下可一直保持較高的機械強度，能夠抵抗上下層燒結(jié)時出現(xiàn)的收縮應(yīng)力?；鍩Y(jié)過程中，上下兩層混合物中的玻璃成分開始熔化滲透到中間多孔結(jié)構(gòu)中，即可得到致密且零收縮的LTCC基板。

圖3 三層結(jié)構(gòu)的自約束燒結(jié)法

2.3.2 夾心結(jié)構(gòu)的自約束燒結(jié)法

夾心結(jié)構(gòu)的中間層是正常溫度燒結(jié)，上下層是低溫?zé)Y(jié)層。如圖4所示，第一階段燒結(jié)過程中，溫度達(dá)到650℃時生瓷帶B開始燒結(jié)，生瓷帶A抑制了生瓷帶B的收縮；升溫至850℃后，第二階段燒結(jié)開始，已燒結(jié)完成的瓷帶B抑制了生瓷帶A的收縮（燒結(jié)后縱向的略微收縮對性能無影響）。

圖4 夾心結(jié)構(gòu)的自約束燒結(jié)法

自約束燒結(jié)法的優(yōu)點是無需新增設(shè)備，但市場上僅有德國Heraeus(賀利氏)公司的HeraLock2000型生瓷帶平面收縮率能達(dá)到（0.16%～0.24%）±0.03%，材料系統(tǒng)唯一，不能很好地滿足制造不同性能MCM產(chǎn)品的需要。

2.4 復(fù)合材料共燒法

將LTCC生瓷帶疊片為多層生瓷坯后,放在陶瓷或不銹鋼的襯墊板上共同層壓，使生瓷坯壓實為生瓷體,再一起送常規(guī)燒結(jié)爐中燒結(jié),將LTCC基板與襯墊板燒制成一體。燒結(jié)過程中，由于襯墊板的限制作用使LTCC基板在平面方向上實現(xiàn)零收縮。這種多層LTCC的復(fù)合零收縮基板具有極高的機械強度、抗沖擊能力和良好的散熱性,非常適于制作耐高過載MCM、大功率MCM，但金屬基板與生瓷帶材料匹配困難，后續(xù)工藝難度大。

3 結(jié)束語

LTCC工藝越來越多的應(yīng)用在電子行業(yè)中，未來幾年將需要大量的LTCC生產(chǎn)線來滿足日益增長的產(chǎn)量要求[8]。研究和應(yīng)用新型材料以及平面零收縮LTCC多層互連基板加工工藝，是當(dāng)前提高LTCC工藝技術(shù)水平，滿足高精度、高性能MCM研制要求的主要途徑之一。燒結(jié)收縮率是LTCC生產(chǎn)線不可忽視的問題，現(xiàn)階段通過無壓力輔助燒結(jié)法、自約束燒結(jié)法、壓力輔助燒結(jié)法、復(fù)合材料共燒法等可以實現(xiàn)平面零收縮LTCC基板的加工制造。各種解決方法的優(yōu)缺點，可參考各自產(chǎn)線的產(chǎn)品及設(shè)備能力選用合適的加工方式。

[1]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.Zhao Fei,Dang Yuanlan.The key technology of LTCC circuit processing analysis[J].Electronic technology,2013,34(1):37-39.

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Low Temperature Co-firing Ceramic(LTCC)Sintering Shrinkage Research

Kou Lingxiao
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China）

LTCC (Low Temperature co-fired Ceramic)is the low temperature co-firing ceramic technology,is a kind of remarkable in recent years the rise of the integration of multidisciplinary cross component technology,because of their excellent electronic,mechanical,thermal properties has become the future electronic component integration,the preferred way of modularization.LTCC substrate materials research is a hot issue ofLTCC substrate materials burn matching problem with heterogeneous materials.General,LTCCmaterial shrinkage is about 12%～16%，when applied to high performance system,it is necessary to strictly control the shrinkage behavior,material with zero shrinkage in the X-Y direction.By introducing LTCC technology contract in zero base board and embedded within the material method technology research,assess the degree of various processing methods of LTCC shrinkage rate control,provide reference for the choice of substrate preparation methods.

Shrinkage;Zero shrinkage;Pressure-free assisted sintering;Self-constraint sintering;Pressure assisted sintering;Composite sintering method

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.05.009

TP393

A

1002-2279-（2017）05-0032-03

寇凌霄（1985—），女，河北衡水人，工程師，主研方向：微電子封裝。