LTCC專用燒結(jié)設(shè)備研制

臧福海 邢程

摘要：本文對LTCC的生產(chǎn)工藝中基板的燒結(jié)過程進(jìn)行了分析，以此做了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究，基于研究所得到的技術(shù)結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果完成了LTCC專業(yè)燒結(jié)設(shè)備的成功研制。

關(guān)鍵詞：LTCC;燒結(jié)設(shè)備

Abstract：this paper analysis the sintering process of the substrates on the production of LTCC，a number of experimental studies have be done based on those analysis results.Based on the technology results of analysis and test results，the specialized sintering equipment for LTCC is completed successfully.

Key word：LTCC; Specialized sintering equipment

1引言

低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ce-ramic，LTCC）技術(shù)是20世紀(jì)80年代推出的集互聯(lián)、無源元件和封裝于一體的多層陶瓷基板制造技術(shù)。它是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉制成厚度精確生瓷帶薄層，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、導(dǎo)體漿料精密印刷等工藝制造出所需要的電路圖形，然后將多層生瓷帶對準(zhǔn)、疊壓，在900℃以下燒結(jié)制成無源/有源集成的功能模塊[1-3]。該技術(shù)具有集成密度高、頻率響應(yīng)高、傳輸速度快等特點(diǎn)，正逐漸取代傳統(tǒng)的PCB基板，已成為無源集成的主流和新元件產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，在軍事電子器件領(lǐng)域中有著舉足輕重的作用[4-6]。

陶瓷基板的燒結(jié)是LTCC工藝過程中的關(guān)鍵工藝。隨著LTCC市場的蓬勃發(fā)展，LTCC專用燒結(jié)設(shè)備在國外已得到了廣泛的應(yīng)用，根據(jù)陶瓷基板的特性，結(jié)合LTCC的生產(chǎn)工藝，專業(yè)燒成設(shè)備實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化非常必要且經(jīng)濟(jì)效益前景良好。

2 LTCC工藝簡介及主要技術(shù)參數(shù)

2.1 LTCC工藝簡介

圖2-1為LTCC基板的制作流程。排膠、燒結(jié)作為LTCC基板制作過程中最重要的一個環(huán)節(jié)，對排膠、燒結(jié)設(shè)備提出了更高的要求。排膠的過程是否充分、且不過量和燒結(jié)過程中均勻度的高低是陶瓷基板燒結(jié)高質(zhì)量的重要指標(biāo)。

排膠不充分易變形，排膠過量基板易損壞，影響基板收縮率;均勻性不一致易導(dǎo)致基板不同層面收縮率不一致。可見，收縮率是衡量基板燒結(jié)是否合格的關(guān)鍵。所以，如何克服基板的收縮率問題，就需要首先克服LTCC燒結(jié)工藝曲線的均勻性和燒結(jié)設(shè)備的排膠精度。間歇式升降燒結(jié)爐由于其靈活的結(jié)構(gòu)比較適用于LTCC基板的燒結(jié)，且燒結(jié)過程可滿足在850℃～950℃之間。

2.2主要技術(shù)參數(shù)

最高溫度：1050℃

額定溫度：850℃

控溫點(diǎn)數(shù)：5點(diǎn)

升溫均勻度：±3℃

平臺均勻度：±2℃（850℃保溫）

氣氛控制：4路獨(dú)立加熱進(jìn)氣

3關(guān)鍵技術(shù)

LTCC專用燒結(jié)設(shè)備采用間歇升降形式，主要由升降系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、氣氛系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等部分組成。升降系統(tǒng)由電機(jī)驅(qū)動主帶輪，通過同步帶同時(shí)驅(qū)動四角四個與絲杠底部連接的同步帶輪，實(shí)現(xiàn)設(shè)備底托的上下平穩(wěn)移動。升降控制分手動、自動兩種操作模式，帶有超程保護(hù)及電機(jī)過載保護(hù)功能;爐膛采用四面加熱方式，加熱元件為特殊定制的嵌入式FEC加熱器;左右兩側(cè)內(nèi)壁設(shè)計(jì)有進(jìn)、排氣盒。進(jìn)氣盒表面均勻布置進(jìn)氣孔，保證通入氣體增壓后均勻進(jìn)入爐膛。排氣盒與外部煙囪為一體式設(shè)計(jì)，且表面設(shè)計(jì)有不同尺寸等級的腰形氣孔;電氣控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)加核心控制器及其它低壓電器共同構(gòu)成，具有報(bào)警保護(hù)功能。

3.1氣體預(yù)熱控制技術(shù)

設(shè)備燒結(jié)過程需通入潔凈、干燥、無油壓縮空氣。為保證爐膛內(nèi)溫度場分布穩(wěn)定，在爐膛進(jìn)氣口前段設(shè)計(jì)氣體預(yù)熱器，提前將進(jìn)入爐膛內(nèi)的氣體快速預(yù)熱（最高可預(yù)熱至500℃）。

通過在預(yù)熱器出氣口處加裝控制熱偶，由熱偶將檢測數(shù)據(jù)傳遞給核心控制器，核心控制器控制預(yù)熱器的輸出功率，保證預(yù)熱器出口氣體溫度。

3.2氣體閉環(huán)控制技術(shù)

陶瓷基板的燒結(jié)過程中，不同的溫度段爐膛的壓力會有所不同，壓力過高、過低都會對陶瓷基板的燒結(jié)質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，進(jìn)氣控制必須保證燒結(jié)過程中不同溫度段的爐膛壓力穩(wěn)定;此外，進(jìn)氣輔助排膠也是一個重要的過程，如何順利的排膠并且保證壓力的穩(wěn)定成為關(guān)鍵。

氣體閉環(huán)技術(shù)前提是保證爐膛壓力。設(shè)備通過微壓表測量爐膛內(nèi)壓力值并與實(shí)時(shí)大氣壓進(jìn)行比較，保證爐膛壓力處于微正壓狀態(tài)。當(dāng)溫度逐漸升高，爐膛壓力變大時(shí)，微壓表將信號傳輸給PLC，PLC經(jīng)過PID運(yùn)算得到結(jié)果，并將信號傳輸給比例閥，通過控制比例閥來控制排氣量，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制爐膛壓力的功能。圖3-2為氣體閉環(huán)控制圖。

3.3溫度穩(wěn)定控制技術(shù)

設(shè)備的溫度控制由熱偶、溫控器件和加熱器共同組成。爐體采用為立方體結(jié)構(gòu)，加熱器采用均勻布置方式，四面加熱，實(shí)現(xiàn)各層各面爐膛內(nèi)熱場的分布。熱偶的擺放位置直接決定了爐膛控溫的優(yōu)劣。對此，采用多點(diǎn)分層控溫方式，實(shí)現(xiàn)不同層面溫度控制，且每溫區(qū)四面可實(shí)現(xiàn)不同輸出功率，結(jié)合不同的現(xiàn)場及爐膛環(huán)境，實(shí)現(xiàn)爐膛內(nèi)熱量的均勻分布。同時(shí)，溫控器件摒棄單一的儀表控制，通過軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)控溫，適用于不同的使用環(huán)境。

3.4多段式PID控制技術(shù)

如圖3-3所示為LTCC燒結(jié)曲線。對于不同溫度段的升溫曲線，單一的P.I.D值并不能滿足工藝曲線的均勻度要求。因此，采用軟件編程方式的控溫方式，對于不同的溫度段都預(yù)設(shè)不同的P.I.D值，當(dāng)溫度處于某個溫度段時(shí)，系統(tǒng)會自動調(diào)取該段的P.I.D參數(shù);溫度改變時(shí)，系統(tǒng)也會自動切換P.I.D值，從而保證爐膛內(nèi)溫度的均勻性。該控制方式靈活方便，對于不同的溫度均可實(shí)現(xiàn)爐膛不同點(diǎn)位的高均勻性。

4總結(jié)與展望

通過多次試驗(yàn)，包括升溫、降溫、加熱進(jìn)氣，不同位置均勻性測試、燒結(jié)產(chǎn)品測試，陶瓷基板的燒結(jié)收縮率、平整度等結(jié)果良好，符合LTCC工藝基板的燒制流程。

燒結(jié)作為LTCC制作工藝流程的重要環(huán)節(jié)，本文所述設(shè)備設(shè)備成為LTCC基板制造的關(guān)鍵。我司結(jié)合現(xiàn)有國外設(shè)備的技術(shù)并基于國內(nèi)LTCC專用燒結(jié)設(shè)備的尖端技術(shù)，攻克各個技術(shù)難點(diǎn)，成功研制出性能達(dá)到國外先進(jìn)水平的專用設(shè)備，為國內(nèi)用戶大幅降低了使用成本，為LTCC制作工藝的燒結(jié)環(huán)節(jié)提供了良好的平臺。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：臧福海（1984-），安徽合肥人，碩士，合肥工業(yè)大學(xué)，機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)，研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)及現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論。