段龍帆，盧會(huì)湘,2，劉 瑤,3，嚴(yán)英占

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081；2.中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司河北分公司，石家莊 050081；3.河北諾亞人力資源開發(fā)有限公司，石家莊 050035）

1 引言

低溫共燒陶瓷(LTCC)作為一種新型電子封裝材料，因其高集成度、優(yōu)良的高頻性能、較低的損耗以及可內(nèi)置無(wú)源器件等特點(diǎn)，被廣泛用于微波通信、航空航天以及軍事電子等領(lǐng)域[1-2]。近年來(lái)為了適應(yīng)系統(tǒng)小型化以及高密度化的發(fā)展需求，LTCC基板的互連通孔和線條需要由原來(lái)的100μm縮小至50μm。而目前國(guó)內(nèi)常規(guī)LTCC絲網(wǎng)印刷生產(chǎn)過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)的最細(xì)線條寬度一般在100μm。當(dāng)線寬小于100μm時(shí)，隨著印刷線條寬度的減小，線條發(fā)生陰滲、斷路的概率更高，加工難度更大。如何在保證線條高精度的同時(shí)又不影響線條質(zhì)量，成為工藝加工需要迫切解決的問(wèn)題。

LTCC表面電路制備的關(guān)鍵工藝步驟為填孔、印刷以及燒結(jié)等。對(duì)于50μm高精細(xì)電路，目前業(yè)內(nèi)有使用激光對(duì)印刷或燒結(jié)后的電路圖形進(jìn)行后處理的方式[3-4]。該方法有一定可行性，但是步驟較為繁瑣，效率慢，不適于大規(guī)模生產(chǎn)加工。本文從印刷工藝出發(fā)，選取高精度印刷網(wǎng)版，通過(guò)對(duì)印刷關(guān)鍵影響參數(shù)印刷壓力、印刷速度以及離網(wǎng)間距開展正交試驗(yàn)，獲得最優(yōu)參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)50μm精細(xì)線條的印刷制作，對(duì)于LTCC高精細(xì)線條的制造工藝具有一定的指導(dǎo)意義。

2 絲網(wǎng)印刷原理及主要影響因素

絲網(wǎng)印刷技術(shù)是LTCC產(chǎn)品制作中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，它對(duì)LTCC基板的膜層厚度、印刷精度、傳輸及導(dǎo)電性能都有很大的影響。絲網(wǎng)印刷的原理如圖1所示，印刷之前網(wǎng)版和生瓷片之間存在一定的離網(wǎng)間距，當(dāng)刮刀壓過(guò)網(wǎng)版時(shí)，漿料被擠壓至絲網(wǎng)的孔口處，絲網(wǎng)與瓷片有短時(shí)間的接觸，然后通過(guò)刮刀施加的壓力將漿料印在生瓷片上；同時(shí)絲網(wǎng)釋放，脫離與漿料的接觸，由于絲網(wǎng)本身的張力使其恢復(fù)原狀。因此，如何控制刮刀通過(guò)網(wǎng)版時(shí)網(wǎng)版的變形量以及通過(guò)漿料的量是保證印刷質(zhì)量的關(guān)鍵。

圖1 絲網(wǎng)印刷過(guò)程示意

影響印刷線條精度的因素眾多，離網(wǎng)間距、絲網(wǎng)張力、刮板壓力、印刷速度、印刷生瓷材料等因素對(duì)精細(xì)線條的印刷偏差有著直接影響。具備優(yōu)良印刷質(zhì)量的線條要求圖形既無(wú)任何流滲，也未有模糊跡象。優(yōu)良的印刷質(zhì)量包括極高的印刷精度、適中的漿料厚度以及穩(wěn)定的印刷效果，因此為了得到高精密度的印刷線條，必須要研究上述因素對(duì)線條偏差的影響。

離網(wǎng)間距主要影響膜層厚度以及線條分辨率。當(dāng)離網(wǎng)間距過(guò)小時(shí)，絲網(wǎng)的回彈力很弱，漿料極易黏結(jié)在絲網(wǎng)上，造成線條表面模糊。而隨著距離的增大，漿料與基片接觸不充分，網(wǎng)版上的圖形不能完全轉(zhuǎn)移到基片上，容易導(dǎo)致圖形的尺寸以及相對(duì)精度變差，引起如圖2所示的線條斷路等現(xiàn)象。此外，間距過(guò)大還會(huì)降低網(wǎng)版的使用壽命，增加成本[5]。

圖2 印刷線條斷路效果

印刷速度取決于印刷時(shí)間和漿料的黏度。當(dāng)置于絲網(wǎng)上的漿料被刮刀壓入孔口時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)力施加在漿料上，促使其開始轉(zhuǎn)動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，降低速度會(huì)增加印刷時(shí)間和適印性，改善漿料的轉(zhuǎn)移質(zhì)量。然而，當(dāng)印刷速度過(guò)慢時(shí)，漿料的黏度下降，容易造成線條陰滲，線條變寬，而印刷速度過(guò)快容易導(dǎo)致漏印、短路等現(xiàn)象。

刮板壓力主要影響漿料的流動(dòng)性，取決于絲網(wǎng)本身的變形量以及絲網(wǎng)與基板之間的間隙。對(duì)絲網(wǎng)及其張力而言，變形量隨所用鋼絲直徑的變化而變化，印刷間隙也會(huì)不同，從而影響印刷線條的質(zhì)量。通常來(lái)說(shuō)，刮板壓力高，容易產(chǎn)生流滲，反之壓力低則可能會(huì)導(dǎo)致模糊，因此有必要對(duì)刮板壓力參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)探究，從而得到最優(yōu)壓力。

本文主要基于正交試驗(yàn)的方法[6]，選取對(duì)印刷線條影響較大的離網(wǎng)間距、印刷速度和刮板壓力3種參數(shù)進(jìn)行3因素3水平正交試驗(yàn)，確定較優(yōu)的工藝參數(shù)，然后分別研究這些因素對(duì)精細(xì)線條的影響，最后對(duì)不同的線條后處理方式進(jìn)行探究，最終實(shí)現(xiàn)了50μm精細(xì)線條的工藝制備。

3 試驗(yàn)分析

3.1 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)使用的生瓷片為Ferro A6M，漿料型號(hào)為CN33-398。印刷線條精度影響因素有很多，如刮板壓力、印刷速度、離網(wǎng)間距、刮刀傾斜度、壓入量等，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取刮板壓力P、印刷速度V以及離網(wǎng)間距L3個(gè)對(duì)印刷質(zhì)量影響較大的參數(shù)，每種因素選取3個(gè)水平參數(shù)，進(jìn)行3因素3水平共9組不同的試驗(yàn)，以確定各因素對(duì)印刷質(zhì)量的影響程度，如表1所示，P1V1L1的含義即為P=30 N、V=30 mm·s-1、L=1.2 mm的試驗(yàn)結(jié)果。

表1 試驗(yàn)因素水平表

3.2 評(píng)測(cè)方法

將印刷好的瓷片放至三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x下，觀察并測(cè)量線寬及偏差，并根據(jù)線條邊緣是否流滲、模糊等進(jìn)行評(píng)分：線條邊緣清晰且無(wú)鋸齒雜邊為最佳狀態(tài)，評(píng)分為1；線條邊緣模糊且存在斷路為最差，評(píng)分為5；最終取綜合評(píng)分=0.4×偏差+0.6×邊緣狀態(tài)。本次試驗(yàn)線寬設(shè)計(jì)值為50μm。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)結(jié)果見表2，其中線寬值為選取5個(gè)點(diǎn)測(cè)量的平均值。

表2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同試驗(yàn)條件下測(cè)得的線條狀態(tài)綜合評(píng)分如表2所示。其中K1行的3個(gè)值分別為P=30N、V=30mm·s-1、L=1.2 mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的3次試驗(yàn)的線條狀態(tài)評(píng)分之和；M1行的值分別為其平均值；K2、K3、M2、M3的對(duì)應(yīng)行含義類推。R為3個(gè)平均值的極差，從中可以看出各因素按極差由大到小的排序依次為RL>RV>RP，因此可知在本文所考察的影響線條質(zhì)量的3個(gè)因素中離網(wǎng)間距的影響最大。

為了更好地進(jìn)行直觀的正交分析，對(duì)上述數(shù)據(jù)作圖，其結(jié)果如圖3所示。從圖中可以很直觀地看出，6號(hào)試驗(yàn)結(jié)果最優(yōu)，其直觀最優(yōu)水平組合為P2V3L3。

圖3 直觀結(jié)果分析

將M1、M2、M3分別作圖，得到了圖4所示的理論計(jì)算結(jié)果圖，其代表在不同的P、V、L條件下的均值，從計(jì)算分析結(jié)果可以看出，正如之前分析，離網(wǎng)間距、印刷速度和印刷壓力均存在最優(yōu)值。與直觀最優(yōu)結(jié)果不同，理論最優(yōu)的組合為P2V3L2。

圖4 理論計(jì)算結(jié)果

由于計(jì)算最優(yōu)P2V3L2不在已做過(guò)的9個(gè)試驗(yàn)條件之中，因此需要進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)，同時(shí)也要對(duì)直觀最優(yōu)條件P2V3L3進(jìn)行驗(yàn)證。補(bǔ)充試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 重復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證1

從上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出，P2V3L2計(jì)算最優(yōu)組合方案稍微優(yōu)于直觀最優(yōu)組合P2V2L3的試驗(yàn)結(jié)果，因此最優(yōu)組合為P2V3L2。最后對(duì)最優(yōu)組合進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，見表4。

表4 重復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證2

重復(fù)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了最優(yōu)組合P2V3L2的穩(wěn)定性。綜上分析，在刮板壓力為50 N、印刷速度為70 mm/s、離網(wǎng)間距為1.6 mm的條件下，得到了印刷線寬為（50±3）μm、厚度為（15±3）μm的精細(xì)線條。最終得到的印刷精細(xì)線條如圖5所示。

圖5 精細(xì)線條印刷效果

3.4 試驗(yàn)推廣

采用上述優(yōu)化之后的試驗(yàn)條件進(jìn)行了產(chǎn)品制備。通過(guò)對(duì)收縮率進(jìn)行控制，最終燒結(jié)后的產(chǎn)品如圖6所示。產(chǎn)品表面關(guān)鍵線條尺寸為（50±5）μm，滿足使用要求。

圖6 產(chǎn)品表面線條印刷效果

4 結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)和分析，對(duì)LTCC工藝中印刷50μm精細(xì)線條的工藝進(jìn)行了探究。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵參數(shù)開展正交試驗(yàn)，對(duì)各影響因素進(jìn)行分析，確定了較優(yōu)的工藝參數(shù)為離網(wǎng)間距1.6 mm、印刷速度70 mm/s、刮板壓力50 N。然后將其推廣至產(chǎn)品加工，大大提高了工藝加工能力。本文對(duì)高精細(xì)LTCC基板的制造加工具有一定的借鑒意義。