LTCC基板錯層問題分析及改善對策

秦惠

摘 要：針對LTCC（低溫共燒陶瓷）電路基板射頻層在燒結(jié)后露出帶線的問題，從打孔設(shè)備、二次開腔、印刷、疊片精度等方面尋找原因、確定造成錯層問題的原因，驗證錯層對電路性能的影響，制定改善對策，從而提高產(chǎn)品成品率和產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：LTCC基板;成品率;射頻層錯層;改善對策

1.概述

LTCC（低溫共燒陶瓷）是一種在低溫條件下（≤1000℃）將低電阻率的金屬導體和陶瓷基體材料共同燒結(jié)而成的多層結(jié)構(gòu)。LTCC（低溫共燒陶瓷）技術(shù)已逐漸走上成熟，它在許多領(lǐng)域如通訊、數(shù)據(jù)傳輸與處理、汽車電子、單晶硅太陽能等方面得到廣泛應用。特別是在高可靠性、高組裝密度及內(nèi)埋元件技術(shù)方面有著明顯優(yōu)勢，使得LTCC技術(shù)成為國內(nèi)外高頻、高集成度軍事電子裝備的關(guān)鍵技術(shù)之一。

我所LTCC生產(chǎn)線是國內(nèi)第一條面對毫米波頻段的LTCC基板生產(chǎn)線 ，整條LTCC生產(chǎn)線按照毫米波頻段LTCC電路基板需求進行規(guī)劃建設(shè)，具有精度高、一致性好的特點，生產(chǎn)線設(shè)備先進、配套完善。

在基板制造過程中發(fā)現(xiàn)LTCC基板射頻層錯層，即表面接地層未完全蓋住射頻層電路，造成誤差。LTCC 基板的生產(chǎn)制造工藝復雜， 影響錯層的因素眾多，其中主要的是打孔及開腔、印刷和疊片等工序。本文針對LTCC基板錯層問題進行分析、制定改善對策以及錯層對電路性能的影響驗證。

2.LTCC基板錯層問題分析

某型用于毫米波組件的帶腔體多層 LTCC基板，采用了 Ferro 公司A6 M 生瓷帶。基板集成了天線和 TR，空腔層為1-6層，射頻層為第4層，再安裝相應芯片，實現(xiàn)電路性能。該 LTCC 基板制造工藝流程下圖所示。

在疊片后發(fā)現(xiàn)了錯層現(xiàn)象，也就是基板開腔層和腔體底部層發(fā)生了錯位現(xiàn)象，底層白色區(qū)域本來應被上層蓋住， 但是因為發(fā)生了錯位而露出。

現(xiàn)階段，二次開腔為機械沖針擬合開腔，首先考慮沖孔機精度誤差的影響。對沖孔機的二次開腔的定位與沖孔精度誤差著手。一次打孔的定位工作方式是：首先將生瓷片吸附固定然后移動到工作臺的中心，工作臺中心位置就是坐標原點，以此中心為原點建立坐標。 二次打孔的定位工作方式是：定位孔坐標分別是（-85，0）（0，-85）（85，0）（0，85），機器會先識別讀取這四個點的位置，然后確立中心坐標原點位置。下表為開腔精度誤差和尺寸誤差。

由上表可以看出，二次開腔后尺寸誤差最大約80μm，存在造成錯層的可能。

其次，是否由于印刷圖形位置發(fā)生了偏移。對印刷網(wǎng)版的精度進行了測量， 同時測量相關(guān)層上印刷圖形的位置精度， 結(jié)果顯示其精度都在 ± 10 μm 左右， 在正常范圍內(nèi)。因此可以排除印刷圖形精度的原因。

最后，是否因為疊片過程中發(fā)生了偏差。驗證疊片精度，精度一般在10μm內(nèi)，疊片精度在要求范圍內(nèi)。

綜上所述，機械沖孔機二次開腔擬合造成二次開腔尺寸誤差大，在疊片燒結(jié)后形成錯層現(xiàn)象。

3.LTCC基板錯層問題改善對策

針對目前LTCC基板生產(chǎn)過程中二次開腔精度誤差大造成錯層的問題，采用激光加工技術(shù)替代傳統(tǒng)機械沖針加工空腔，為此需要采購紫外納秒激光加工LTCC生瓷。

激光加工生瓷主要技術(shù)指標如下：

1.二次對位開腔位置公差≤±35μm（127μ厚Ferro A6M生瓷片不帶膜）;

2.二次對位開腔尺寸公差≤±30μm（127μ厚Ferro A6M生瓷片不帶膜）;

3.可加工最小孔徑100μm（127μ厚Ferro A6M生瓷片不帶膜）;

4.可加工最小線寬/線間距50μm/50μm（Au、Cu材質(zhì)）;

5.加工導電圖形線寬公差≤±10μm（Au、Cu材質(zhì)）;

6.開腔效率提高≥100%（相比機械沖針開腔）。

采用紫外納秒激光加工后，二次開腔精度如下：

由上表可以看出，紫外激光二次開腔，精度為±5μm內(nèi)，并且在疊片后無錯層現(xiàn)象。

4.LTCC基板錯層對電路的影響

驗證錯層對電路性能的影響，將錯層尺寸較大的LTCC（如：60μm、70μm、80μm），裝機進行綜合性能測試，以驗證錯層邊對性能指標的影響。

裝機測試情況：對不同程度錯層（露白約60μm、70μm、80μm）的LTCC進行了無源測試，如圖3所示，每種裝機了2套TR進行測試。

仿真測試：對錯層寬度>50μm的LTCC基板進行仿真，如圖4所示，確定其它關(guān)鍵性能是否符合要求。（50～90um;和>90um）

仿真結(jié)果：

1.錯層小于90μm時，對傳輸以及反射影響很小。

2.錯層大于90μm后對傳輸影響小，但是反射影響大。

對位精度檢測：將錯層大于50μm的進行破壞切割精度檢測，如圖5所示，對位精度在正常范圍內(nèi)。

綜上，錯層精度小于90μm的對電路性能無影響，錯層精度大于90μm的對電路性能有一定影響。

5.結(jié)束語

本文針對 LTCC 基板生產(chǎn)過程中遇到的錯層問題， 從打孔及二次開腔誤差、印刷誤差、疊片誤差等幾個關(guān)鍵工序進行分析，最終找到了產(chǎn)生誤差的根本原因，機械沖孔擬合開腔而產(chǎn)生的累積誤差，提出了采用紫外激光開腔解決了機械沖孔開腔的缺陷， 同時驗證了錯層對電路性能的影響。本文的改善方法給LTCC基板和質(zhì)量的提高帶來了一定幫助，給相關(guān)方面的研究帶來一定的參考價值。

參考文獻：

[1]今日佳彥.《多層低溫共燒陶瓷技術(shù)》.科學出版社.2010.

[2]卓良明.《LTCC基板缺陷分析及改善對策》.2019.

（中國電子科技集團公司第十研究所 ?四川 ?成都 ?610036）