LTCC生瓷帶流延工藝研究

何中偉，周洪慶，王 會，李 冉

(1.中國北方通用電子集團有限公司 微電子部，江蘇 蘇州 215163；2.南京工業大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210009)

LTCC生瓷帶流延工藝研究

何中偉1，周洪慶2，王 會1，李 冉1

(1.中國北方通用電子集團有限公司 微電子部，江蘇 蘇州 215163；2.南京工業大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210009)

通過合理調配材料成分，有效充分地球磨混料，精確控制工藝參數，成功流延加工出一種硼硅酸鹽玻璃/氧化鋁陶瓷復合材料體系的低溫共燒陶瓷(LTCC)生瓷帶。通過對LTCC生瓷帶進行熱解質量(TG)分析，確定了LTCC基板的燒結溫度曲線，對比測試了試制LTCC生瓷帶與DuPont 951PT生瓷帶及其燒成LTCC基板的性能，考核了試制生瓷帶的LTCC加工工藝適應性。結果表明，試制LTCC生瓷帶與951PT生瓷帶相比，外觀質量、厚度、未燒與燒成體密度及燒成LTCC基板的熱學性能基本相當，介電常數和介電損耗略有差異，機械強度略大，工藝適應性滿足LTCC基板加工實用要求。

LTCC；瓷漿；生瓷帶；流延加工；TG分析；性能測試

LTCC基板是陶瓷多芯片組件(MCM-C)的基礎和重要支承，起著給IC裸芯片和外貼元器件提供安裝平臺,實現MCM-C內部元器件之間的互連，為MCM-C提供散熱通路等關鍵作用[1]，其極大地影響著電路組件的體積、質量、可靠性和電性能。LTCC基板制作的簡要工藝過程如圖1所示[2]。

圖1 LTCC基板制作簡要工藝過程示意圖

LTCC生瓷帶作為LTCC基板制造的最基本功能材料和構成部分，在很大程度上決定了MCM-C的性能、相關工藝材料的選擇以及產品的最終成本，因此對其進行科學合理地設計、制造或選用是至關重要的。LTCC生瓷帶不僅應有優良的力學、電氣、熱性能和化學穩定性及安全性，還應具有優良的可加工性，要求制造工藝簡單，原材料容易獲得，生產成本較低。

常用LTCC生瓷帶分為玻璃/陶瓷和微晶玻璃兩大主要材料體系。玻璃/陶瓷復合材料體系利用低軟化點玻璃，在低溫下實現玻璃復合陶瓷燒結，具有生瓷帶及其燒成基板的可加工性好，且性能易控制的優勢[3-5]。針對高密多層互連LTCC基板的要求，成功研制了硼硅酸鹽玻璃/氧化鋁陶瓷復合材料體系的LTCC生瓷帶，完成了試制生瓷帶與進口生瓷帶的性能測試對比。

1 LTCC生瓷帶的主要成分及流延加工

LTCC生瓷帶是由生瓷瓷漿流延加工得到的，所研究制作的LTCC生瓷瓷漿包含下述主要成分。

1) 玻璃/陶瓷混合粉料。由質量基本相等的硼硅酸鹽(CaO-Al2O3-B2O3-SiO2，簡稱CABS)玻璃粉末和氧化鋁(Al2O3)陶瓷粉末混合而成，粉料直徑D50=2～3 μm，D90=5.5～7 μm。陶瓷不與玻璃發生反應，只是均勻地散布在玻璃網格中。燒結時，玻璃軟化，包裹住陶瓷粉末，形成致密的結構。

2) 分散劑。由脂肪酸和酯混合而成的溶劑，其作用是潤濕粉料顆粒并將它們分開，使之不團聚成塊，并保持均勻懸浮的狀態。

3) 粘結劑。采用可在氧化氣氛(大氣)中充分燒除的聚乙烯醇縮丁醛(PVB)樹脂，其作為生瓷帶中唯一的連續相，使粉料顆粒相互保持在一定位置上，從而接合在一起。

4) 增塑劑。采用可以軟化粉料顆粒間粘結劑聚合物鏈的丁基苯基酞酸酯，使生瓷帶具有韌度，能夠被彎曲而不產生裂紋，或者不會斷裂。

5) 溶劑。由質量相等的丁酮(MEK)和純度95%的工業酒精混合而成。

6) 鈷藍陶瓷色料。無機玻璃/陶瓷混合粉料的成分與性能可直接影響到生瓷帶的燒結溫度和燒結后LTCC基板的電學、熱學和力學性能，有機分散劑、粘結劑、增塑劑和溶劑則主要影響生瓷瓷漿的可流延性和流延后生瓷帶的可加工性[6]。

在確定材料配方并制備CABS玻璃粉料后[7]，按下述步驟制備流延用生瓷瓷漿：1)稱量并加入分散劑、丁酮和酒精到充填有1/3滿度研磨介質(Al2O3陶瓷磨柱)的球磨罐中；2)將球磨罐放到臥式輥磨機上，以60 r/mim轉速旋輾12～24 h，直到固態分散劑完全溶解；3)稱量并加入已在90～100 ℃環境干燥了24 h的玻璃/陶瓷粉料；4)以60 r/mim轉速旋輾24 h，使粉料良好地分散；5)稱量并加入粘結劑和增塑劑溶液；6) 以60 r/mim轉速再旋輾24 h，得到均勻混合的瓷漿；7)倒出瓷漿，在1個真空腔體內以635 mm汞柱的真空度脫泡8～15 min；8) 取樣品瓷漿，用Brookfield黏度計和RV-4轉軸以20 r/min的轉速測量黏度。

在材料配方合理的基礎上，適于流延加工的生瓷瓷漿應使所有成分充分混合均勻，有效脫除內部氣泡，且黏度在1 500～2 500 MPa·s。LTCC生瓷帶流延基本原理如圖2所示，在調節好生帶流延機的刮刀間隙、流延速度、烘干溫度和抽排風量等流延工藝參數后，將混合均勻、脫泡較好、黏度合適的已備瓷漿澆注到流延機料槽中，隨著聚酯膜載帶的運行，瓷漿從料槽中經刮刀刀口流出，連續平鋪淀積在載帶表面上，經流延機干燥腔階梯烘干排除揮發性溶劑，加工出如圖3所示的結構致密、表面平整、厚度均勻的LTCC生瓷帶。

圖2 LTCC生瓷帶流延基本原理

圖3 流延加工的LTCC生瓷帶

2 LTCC性能測試

2.1 LTCC生瓷帶及基板樣品制備

采用所研制的材料配方及流延工藝，制備3批LTCC生瓷帶，編號分別為T1301、T1302和T1303。

分別采用所流延的3批LTCC生瓷帶和最常用的進口DuPont 951PT型LTCC生瓷帶制備由20層生瓷疊、壓、燒的空白LTCC基板樣品。具體步驟為：將生瓷帶切為130 mm×130 mm的生瓷片后，每種均在揭去聚酯膜后，對準層疊為20層的疏松生瓷坯；先在70 ℃溫水中將生瓷坯預熱10 min，再以21 MPa等靜壓層壓10 min，制成密實生瓷體；在臺面溫度70 ℃、刀片溫度80 ℃條件下，將生瓷體分切為50 mm×50 mm×2.2 mm的單元生瓷塊；最后，按確定的燒結曲線，在大氣氣氛箱式燒結爐中完成排膠和共燒。

2.2 LTCC基板燒結曲線的確定

采用STA409PC型熱重分析儀對所流延的LTCC生瓷帶進行熱重分析，測試以氮氣作為保護氣，升溫速率為10 ℃/min，測得的TG曲線如圖4所示。從圖4可以看出，有2個失重臺階，第1個臺階的產生是因為在室溫到250 ℃的范圍內，生瓷表面吸附水分蒸發和溶劑揮發，導致材料失重3.54%，在172 ℃時有機溶劑的脫除速率最快；第2個臺階位于250～450 ℃，主要是生瓷中各種有機添加劑(分散劑、粘結劑、增塑劑)的揮發和熱分解，失重率7.11%，添加劑揮發/分解速率在344 ℃時達到最大。450 ℃后，生瓷中的有機物全部排出，樣品質量基本不變，只發生玻璃與陶瓷的熔融結晶反應。

圖4 試驗LTCC生瓷帶的TG曲線

根據測得的TG曲線，并結合生瓷帶成分中玻璃/陶瓷粉料的致密結晶特性，及共燒電子漿料的燒結參數要求，制定該生瓷的燒結曲線(見圖5)。從圖5可以看出，室溫至250 ℃的升溫速率為3 ℃/min，在250～450 ℃的排膠保溫區以0.5 ℃/min的速率緩慢升溫，充分排除有機添加劑，然后以10 ℃/min的速率從450 ℃快速升溫到最高燒結溫度850 ℃，并在此最高溫度下保溫60 min，使無機材料致密熔合，最后隨爐自然冷卻至室溫。

圖5 LTCC生瓷燒結曲線

2.3 LTCC生瓷帶及基板的性能測試

2.3.1 LTCC生瓷帶的厚度與密度

用測微千分尺測出3批流延生瓷帶及951PT生瓷帶的厚度，用電子天平稱出各批20片(130 mm×130 mm)生瓷帶的質量，計算出LTCC生瓷帶的密度，計算結果見表1。由表1可知，各批生瓷帶厚度均勻性優于±2%。

表1 LTCC生瓷帶的厚度與密度測試結果

2.3.2 LTCC生瓷燒結收縮率

用數顯卡尺測出3批流延生瓷帶及951PT生瓷帶制作的切后單元生瓷塊及燒后LTCC基板的長度X、寬度Y和厚度Z，計算出LTCC生瓷帶在3個方向的燒結收縮率，結果見表2。由表2可知，試制生瓷帶與進口生瓷帶在每個方向上的燒結收縮率誤差均≤0.2%。

表2 LTCC生瓷的燒結收縮率測試結果

2.3.3 LTCC燒成密度

用電子天平稱出各批燒后LTCC基板的質量，并用量杯/量筒排水法測出基板的體積，計算出LTCC的燒成密度，計算結果見表3。由表3可知，試制生瓷帶與進口生瓷帶的燒成密度相差≤0.02 g/cm3。

表3 LTCC燒成密度測試結果

2.3.4 LTCC電學性能

使用Agilent HP4294A型網絡分析儀，采用諧振腔法，測試LTCC基板樣品的2項主要電學性能，即介電常數εr和介電損耗tanδ，測試頻率為1 MHz，結果見表4。試制生瓷帶與進口生瓷帶相比，燒成后εr減小4.4%，tanδ增大18.2%。這主要是由于兩者的無機材料成分與介電性能差異造成的。

表4 LTCC的電學性能測試結果

2.3.5 LTCC熱學性能

使用LFA447型導熱分析儀，按照ASTM E1461標準，測試LTCC基板樣品在主要環境溫度點下的熱導率λT，結果見表5。

表5 LTCC的熱導率測試結果

使用DIL402型膨脹系數測試儀測試LTCC基板樣品在主要環境溫度點下的熱膨脹系數TCE，結果見表6。

表6 LTCC的熱膨脹系數測試結果

可以看出，試制生瓷帶與進口生瓷帶燒成后，在各主要環境溫度下的λT和TCE基本相等。

2.3.6 LTCC力學性能

使用WT4002型萬能力學試驗機，并采用三點彎曲法測試LTCC基板樣品的2項主要力學性能，即斷裂載荷和抗彎強度，測試結果見表7。試制生瓷帶與進口生瓷帶相比，燒成后基板的機械強度略高。

表7 LTCC的力學性能測試結果

2.4 LTCC生瓷帶的工藝加工適應性

采用與所流延LTCC生瓷帶相兼容的DuPont公司LTCC用導體漿料進行填孔與印刷，生瓷填孔后、導電帶網印后均在加熱60 ℃的大氣氣氛中干燥15 min。按與上述相同的疊片、層壓、熱切和共燒條件，完成了尺寸為46.5 mm×20.8 mm×1.0 mm的10層LTCC基板的加工，樣品如圖6所示。整批60只基板，經外觀質量檢驗和電互連測試后全部合格，滿足應用要求，LTCC加工合格率達到100%。

圖6 實際產品LTCC基板

3 結語

在生瓷瓷漿合理配方研究與球磨混料制備的基礎上，流延加工出CABS玻璃/氧化鋁陶瓷復合系LTCC生瓷帶。所試制生瓷帶與國內最常用的進口DuPont 951PT型LTCC生瓷帶相比，在厚度及均勻性、密度符合度和燒結收縮率方面相當；在燒成LTCC基板的介電常數和介電損耗方面，分別最多相差4.4%和18.2%；在各主要環境溫度下的熱導率和熱膨脹系數基本相等，斷裂載荷和抗彎強度略高。試制生瓷帶的材料兼容性和工藝加工性良好，達到了高性能MCM-C用多層LTCC基板的使用要求。

[1] 楊邦朝，張經國. 多芯片組件(MCM)技術及其應用[M]. 成都：電子科技大學出版社，2001.

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[3] 楊娟，堵永國，張為軍，等. 低溫共燒基板材料研究進展[J]. 材料導報，2006(10)：12-16.

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[5] 吳錦波，孫成禮，周曉華，等. 低溫燒結CaO-B2O3-SiO2玻璃陶瓷及其性能研究[J]. 電子元件與材料，2013，32(2)：3-6.

[6] Richard E M，Eric R. Tape casting theory and practice[M]. Westerville：The American Ceramic Society，2000.

[7] 于軒，周洪慶，謝文濤，等. CABS玻璃粉對復合陶瓷生瓷帶及其燒結的影響[J]. 電子元件與材料，2014，33(3)：15-19.

責任編輯李思文

ResearchonLTCCTapeCastingProcess

HE Zhongwei1，ZHOU Hongqing2，WANG Hui1，LI Ran1

(1. Micro Electronics Institute, China North General Electronics Group Co., Ltd., Suzhou 215163, China；2. College of Material Science and Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China)

A borosilicate glass/alumina composite LTCC tape was casted successfully by proper material ingredient blending, effective and thorough ball mixing, as well as accurate process parameter controlling, the LTCC substrate co-firing temperature curve was determined by TGA (thermo-gravimetric analysis), the properties of our developed tape and DuPont 951PT tape and their co-fired LTCC substrates were tested by contrast, the LTCC manufacturing adaptability of the developed tape was checked. The results showed that the developed tape and 951PT tape had well-matched outward quality, thickness, green and fired bulk density and fired LTCC substrate thermal properties, but their dielectric constants and dielectric losses were a bit different, and the developed tape was a little stronger mechanically，its LTCC manufacturing adaptability had met the requirements of actual application quite well.

LTCC，slurry，green tape，casting，TG analysis，property test

TN 604

：A

何中偉(1962-)，男，研究員級高級工程師，主要從事混合集成電路及多芯片組件工藝技術等方面的研究。

2014-07-29