一、LTCC基板電路概述

低溫共燒陶瓷 (LTCC) 技術(shù)是集互聯(lián)、無元件和封裝于一體的多層陶瓷制造技術(shù)。隨著科技的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在的電子產(chǎn)品的外觀可以變得更小更薄，但功能更強(qiáng)大。以手機(jī)的無線通信行業(yè)為例，手機(jī)的尺寸縮小，早期的移動電話的功能是從最簡單的音頻傳輸數(shù)據(jù)開始，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成掌上網(wǎng)絡(luò)電腦。如果可以將部分無源元件集成到基板中，則不僅有利于系統(tǒng)的小型化，增加電路的組裝密度，還有利于提高系統(tǒng)的可靠性。目前的集成封裝技術(shù)主要包括薄膜技術(shù)、硅片半導(dǎo)體技術(shù)、多層電路板技術(shù)和LTCC技術(shù)。 LTCC技術(shù)是一種低成本封裝的解決方案，具有研制周期短的特點(diǎn)。低溫共燒陶瓷技術(shù)可以滿足后者輕、薄、短、小的需求。但是低溫共燒陶瓷基板具有高硬度、易碎的特性。因此，切割機(jī)切割硬基材時，基材與切割刀片之間會產(chǎn)生較大的摩擦力，摩擦產(chǎn)生的應(yīng)力會傳遞到切割刀片上。

2、LTCC基板加工技術(shù)

圖2為LTCC基板制造工藝流程圖，主要包括混料、流延、打孔、填孔、絲網(wǎng)印刷、層壓、等靜壓、排膠燒結(jié)等，下面簡要介紹各工藝的主要工序。

混料和流延：將有機(jī)物（主要由聚合物粘合劑和溶解于溶液的增塑劑組成）和無機(jī)物（由陶瓷和玻璃組成）按一定比例混合，采用球磨法研磨均質(zhì)，然后澆注在一個移動的載帶上（通常為聚酯薄膜），通過一個干燥區(qū)，除去所有溶劑，通過控制刀片間隙，流延成所需厚度。此工藝的一般厚度公差為±6%。

沖孔：采用機(jī)械沖孔、鉆孔或激光鉆孔技術(shù)形成通孔。通孔是在生瓷片上沖出的小孔（通常直徑為0.1-0.2mm），用于不同層間互連電路。在這個階段還要沖模孔，以幫助疊片時對準(zhǔn)；對準(zhǔn)孔用于印刷導(dǎo)體和介質(zhì)時自動對位。

印刷：使用標(biāo)準(zhǔn)厚膜印刷技術(shù)對導(dǎo)體漿料進(jìn)行印刷和烘干。通孔填充和導(dǎo)體圖形在箱式或鏈?zhǔn)綘t中根據(jù)相關(guān)工藝溫度和時間干進(jìn)行烘干。根據(jù)需要，所有電阻器、電容器和電感器都在此階段進(jìn)行印刷和烘干。

通孔填充：采用傳統(tǒng)的厚膜絲網(wǎng)印刷或模板擠壓把特制的高固體顆粒含量的導(dǎo)體漿填充通孔。

排膠和燒結(jié)：200-500°C之間的區(qū)域稱為有機(jī)排膠區(qū)（建議在該區(qū)域疊層保溫至少60分鐘）。然后在 5-15 分鐘將疊層共燒至峰值溫度（通常為 850°C）。燒成金屬化的典型排膠和燒成曲線需要的2-10h。燒成的部件準(zhǔn)備好后進(jìn)行燒制工藝，例如在頂面上印刷導(dǎo)體和精密電阻器，然后在空氣中燒成。如果 Cu用于金屬化，則必須在 N2 鏈?zhǔn)綘t中進(jìn)行燒結(jié)。

檢驗(yàn)：然后對線路進(jìn)行激光調(diào)阻（如果需要）、測試、切片和檢驗(yàn)、LTCC 封裝中可用釬焊引線或散熱片（如果需要）。

3、LTCC基板電路加工案例

3.1 LTCC基板微通孔形成技術(shù)

微通孔的形成是低溫共燒陶瓷多層基板高密度互連中極為關(guān)鍵的工藝，因?yàn)榭讖酱笮『臀恢镁榷紝⒅苯佑绊懖季€密度和基板質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)超高密度，通孔孔徑應(yīng)小于100μm。 LTCC生瓷帶的微孔制作方法有：機(jī)械沖孔和激光打孔。

3.1.1 機(jī)械沖孔

用數(shù)控沖床沖孔是對生瓷帶沖孔的較好方法，尤其是定型產(chǎn)品，沖孔更有優(yōu)勢。用沖床模具一次可沖出上千個孔，最小直徑可達(dá)50μm。沖孔速度快，精度高，適合大批量生產(chǎn)。在生陶瓷帶上制作微通孔時，需要一個與微通孔尺寸相同的沖頭和一個模具。模具的開口一般比沖頭模直徑大12.5μm。

制作微通孔的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)是：安裝和操作微小沖頭。當(dāng)沖頭的直徑小于100μm后，由于堅(jiān)固度的降低，沖頭的安裝和操作會越來越困難。大多數(shù)沖壓缺陷不是在沖壓過程中形成的，而是由于操作不當(dāng)造成的。因此需要專用工具來安裝微型沖頭，并且在安裝和操作過程中必須避免沖頭的撞擊和損壞。對準(zhǔn)沖頭和沖模。要使機(jī)械沖孔生產(chǎn)出高質(zhì)量的通孔，很大程度上取決于沖頭和模具之間的對準(zhǔn)度。如果兩個裝置沒有對準(zhǔn)，通孔質(zhì)量會下降，沖模會受損，沖頭也可能會斷裂。確保微通孔制作質(zhì)量，微通孔的質(zhì)量包括微通孔的形狀、尺寸和內(nèi)部貫穿狀況。

機(jī)械沖孔形成的微通孔的直徑和間距較好。頂部邊緣比較平滑，但底部邊緣比較粗糙，內(nèi)壁比較平直。頂部和底部開口大小相連近。不同厚度的LTCC陶瓷帶所生產(chǎn)的微通孔尺寸也是一致的，即陶瓷帶的厚度與通孔尺寸的比率不會影響通孔的質(zhì)量。使用機(jī)械沖孔的方法，在厚度為50-254 μm的不同LTCC瓷帶上形成的50、75和100 μm的微通孔表明，不同尺寸的微通孔在LTCC瓷帶正面和背面的開口直徑大小都在允許的測量誤差范圍內(nèi)，但在陶瓷帶背面的通孔開口偏差更大。顯微鏡下檢查沖孔后模開口的變化，比原來的開口尺寸有所增加，這是沖模開口磨損造成的。不同微通孔的分析數(shù)據(jù)表明，沖頭的尺寸決定了通孔正面開口的大小，而背面通孔的直徑則受沖模開口大小的影響。

因此，當(dāng)沖模開口因磨損超過一定值時，微過孔背面的開口會大大增加，此時應(yīng)更換沖模。另一個影響微過孔質(zhì)量的因素是過孔中的殘留物，它是殘留在通孔開口處的一小片LTCC陶瓷帶，在沖孔時沒有完全去除。這些殘留物主要在LTCC生瓷帶層的背面，與通孔邊緣相連，一般為10-25μm。含有殘留物的通孔數(shù)量隨著通孔尺寸的增大而減少，殘留物的含量與陶瓷帶的厚度無關(guān)。

3.2微孔注入法

通常微孔注入法效果最好，但需要專門的設(shè)備。在微孔注射系統(tǒng)中，影響通孔填充質(zhì)量的主要因素包括注入壓力、注入時間、填充漿料粘度以及LTCC陶瓷帶與通孔填充掩模之間的對準(zhǔn)情況。一旦確定了適用于整個制造工藝的參數(shù)，就可以在幾秒鐘內(nèi)在 LTCC 生瓷帶層中填充數(shù)千個通孔。注意微孔金屬化的未填充、過填充和少填充。

填充了銀漿的 75μm 微通孔。填滿漿料的通孔具有所需的尺寸和滿意的填充質(zhì)量。 LTCC 瓷帶背面過度填充的缺陷，這是由于在真空卡盤和 LTCC 瓷帶之間使用了不合適的多孔襯紙?jiān)斐傻摹．?dāng)填充通孔時，掩模版與LTCC陶瓷帶之間存在未對準(zhǔn)狀況時，與掩模版接觸的LTCC生瓷帶通孔的正面會出現(xiàn)過填充缺陷。間距為 75μm 的頂部通孔。由于過度填充而使孔距被縮短。如果通孔之間發(fā)生過填，則必須增加孔間距，以避免過填充的額外漿料導(dǎo)致短路，但這會降低內(nèi)部互連密度。

3.3 LTCC基材排膠和燒結(jié)

燒結(jié)的技術(shù)要點(diǎn)是控制燒結(jié)收縮率和基材的整體變化，控制兩種材料的燒結(jié)收縮性能，避免產(chǎn)生微觀和宏觀缺陷，以及實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體材料的抗氧化作用和在除燒結(jié)過程中去除粘合劑。普通LTCC基板的燒結(jié)收縮率主要是通過控制粉體的粒徑、流延粘結(jié)劑的配比、熱壓疊片的壓力、燒結(jié)曲線等手段來實(shí)現(xiàn)的。但是一般LTCC共燒體系沿X-Y方向的收縮仍然在12-16%。借助無壓燒結(jié)或壓力輔助燒結(jié)等技術(shù)，可以獲得X-Y方向零收縮的材料。

實(shí)現(xiàn)零收縮的工藝有： 自約束燒結(jié)，基材在自由共燒過程中表現(xiàn)出自身抑制平面方向收縮的特性，這種方法不需要增加新設(shè)備，但材料體系獨(dú)特，不能滿足制造不同性能產(chǎn)品的要求。壓力輔助燒結(jié)，通過在Z軸方向加壓燒結(jié)來抑制X-Y平面上的收縮；無壓力輔助燒結(jié)，在層壓材料之間加入夾層（如在LTCC燒結(jié)溫度下不燒結(jié)的氧化鋁），以限制X和Y軸方向的移動，燒成后研磨掉上下面夾持用的氧化鋁層；復(fù)合板共同壓燒法，將生坯體粘附在金屬板（如高機(jī)械強(qiáng)度的鉬或鎢等）進(jìn)行燒結(jié)，利用金屬片的束縛作用降低生坯體在X-Y方向的收縮。陶瓷薄板和生坯片疊層共同燒結(jié)法，陶瓷薄板作為基板的一部分，燒成后不必去除，也不存在抑制殘留的隱憂。

3.4 LTCC電路板大面積接地釬焊

LTCC電路基板大面積接地釬焊工藝設(shè)計(jì)，提高LTCC電路基板大面積接地釬焊的釬著率和可靠性的釬焊工藝。在LTCC電路基板接地面設(shè)置 (Ni+M)復(fù)合金屬膜層，根據(jù)試驗(yàn)測試對比，其耐焊性（>600s）明顯優(yōu)于常規(guī)金屬化接地層（常規(guī)要求>50s）；在LTCC電路基板的接地面一端預(yù)置一個“凸點(diǎn)”，通過X射線掃描圖的對比分析，增加“凸點(diǎn)”的設(shè)計(jì)提高了大面積接地釬焊的釬著率。研究表明：新的釬焊工藝設(shè)計(jì)保證了LTCC電路基板大面積接地的釬焊可靠性和一致性。

3.4.1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

LTCC電路板：采用Ferro A6-S生陶瓷燒結(jié)而成的多層電路板，尺寸80mm x 30mm x 1.2mm，組件殼體材料為Kovar合金，盒體壁厚1.0mm，底部尺寸80mm x 30mm，底部厚度為2.0mm，焊料為0.1mm厚的Sn63Pb37焊片。

測試設(shè)備：自制的充氮?dú)馐痔紫?，?nèi)有加熱臺，加熱臺的額定工作溫度為450℃。

X射線檢測設(shè)備：MACROSCIENCE MXR-160。

數(shù)碼相機(jī)設(shè)備：OLYMPUS MODEL NO. C5060。

3.4.2 LTCC電路板表面金屬化方法

LTCC電路基板表面金屬化的方法目前大致有兩種：厚膜燒結(jié)法和濺射薄膜電鍍增厚法。濺射薄膜再電鍍增厚法雖然在單層陶瓷基板的薄膜電路加工中得到了廣泛的應(yīng)用。但是在LTCC電路板仍處于探索階段。目前提高LTCC電路板耐焊性的一般方法是燒結(jié)一層鈀銀。

3.4.3 耐焊性測試方法

選擇三種試樣進(jìn)行耐焊性測試對比：（1）厚膜鈀銀層（約12μm）試樣； (2) 厚膜金層（約37μm）試樣； (3) 設(shè)置含Ni Barrier layer 3(Nj+M)復(fù)合金屬膜(約10μm)樣品，M為金屬代號。

參考GJB548A-96（微電子器件試驗(yàn)方法和程序）：將基板垂直浸入（215±5）℃熔融焊料的錫槽中，每次58，共10次（焊料成分為63Sn37Pb的共晶焊料，焊劑為25%的松香酒精溶液）清洗、涂焊劑，被檢圖形應(yīng)無翹曲、脫落、斷裂、被熔蝕不超過20%的面積。以上3種試樣均能通過耐焊性的試驗(yàn)檢測標(biāo)準(zhǔn)，且未見被熔蝕的地方，隨后將上述3種試樣（新的試樣）金屬化層表面上放置涂有焊劑的焊片，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在240℃（設(shè)定值）的熱臺上加熱保持，觀察焊料相應(yīng)試樣金屬化層表面的熔蝕情況。

3.4.4 LTCC電路板與盒體的氣保焊方法

可實(shí)現(xiàn)LTCC電路基板與箱體底部大面積釬焊的方法有：氣體保護(hù)釬焊、真空釬焊、空氣中熱板釬焊。在空氣中相應(yīng)的軟釬焊料呈液態(tài)時更容易與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此氣體保護(hù)釬焊與空氣中熱板釬焊相比具有明顯的優(yōu)勢。但是，氣體保護(hù)釬焊和真空釬焊兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。真空中熱量的傳導(dǎo)主要靠輻射，遮蔽效應(yīng)較明顯。由于微波元件尺寸較小，每個工件上的溫度不均勻，導(dǎo)致部分工件溫度高，焊錫過度流動，部分工件溫度不足。未完全熔化和鋪展，釬焊質(zhì)量一致性差，加熱周期長，效率低。

氣體保護(hù)釬焊熱傳導(dǎo)的三種方式并存，操作方便，效率高，然而由于氣體的存在釬著率受到限制。在一般條件下可達(dá)75%以上，呈隨機(jī)分布。對于微波電路來說，帶來了很大的不確定性。為了提高釬焊率，采用了預(yù)先設(shè)置“凸點(diǎn)”的方法。凸點(diǎn)的材料與大面積釬焊的焊片材料相同。凸點(diǎn)的制作方法，在對應(yīng)位置放置適量的錫膏，通過熱風(fēng)回流成凸點(diǎn)。凸點(diǎn)的大小隨基板的長度而作相應(yīng)變化。凸點(diǎn)制作完成后，在盒體底部預(yù)先設(shè)置與已清除氧化皮且與凸點(diǎn)成分相同的焊片。在有氣體保護(hù)下的熱板上加熱來實(shí)現(xiàn)LTCC與盒體底部的大面積接地焊。

3.4.5 釬焊率檢測

大面積釬焊后，理論上焊料利用毛細(xì)現(xiàn)象的原理，會盡可能地填充LTCC與箱體底部之間的空隙。但是由于保護(hù)氣氛的存在，熔化的焊料會隨機(jī)形成多個包圍圈，將氣體包裹在里面。釬焊界面內(nèi)部有空腔或凝固過程中焊料合金松動，則X射線很容易通過，從而在成像圖像中產(chǎn)生白色或灰白色的亮點(diǎn)，未設(shè)置“凸點(diǎn)”焊接工藝的X射線掃描圖，箭頭表示明顯的焊接缺陷，釬著率在75%左右，設(shè)置“凸點(diǎn)”焊接工藝的X射線掃描圖，箭頭所指為輕微焊接缺陷，釬焊率為98%以上。由于“凸點(diǎn)”的存在，加熱過程中人為造成LTCC基板兩端的溫度存在差異。隨著“凸點(diǎn)”的緩緩坍塌，有利于盒體底部焊料與LTCC基板之間夾雜氣體排除。 X射線檢測圖片證明在氣體保護(hù)下，在基體的焊接面上設(shè)計(jì)“凸點(diǎn)”可以提高釬焊率。

3.4.6 LTCC電路板大面積接地釬焊結(jié)論

(1)設(shè)置(Ni+M)復(fù)合金屬膜層，大大提高了LTCC基板大面積金屬化層對Sn63Pb37焊料的耐焊性，保證了LTCC基板與盒體的可靠釬焊;

(2)采用氣體保護(hù)，在LTCC基板的焊接面上設(shè)計(jì)“凸點(diǎn)”在提高LTCC電路基板與盒體之間的釬焊率非常有效。

3.5 LTCC 電路檢測

對排脂、燒結(jié)、焊接后的LTCC元件必須進(jìn)行多方面的檢測，以確保其性能的可靠性。 這些檢測包括外觀、尺寸、強(qiáng)度、電氣性能等方面。