LTCC基板層壓后開通腔工藝研究

劉紅雨，李 俊，賈少雄

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024）

低溫共燒陶瓷 （Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC）技術作為一種先進的無源器件集成及混合電路封裝技術，是實現(xiàn)高度集成、高性能電子封裝的先進技術之一，憑借其優(yōu)良的高頻和高速傳輸特性、高集成度、卓越的熱穩(wěn)定性和機械性能，廣泛應用于汽車、電子、醫(yī)療、航空、航天等領域[1]。

隨著LTCC組件設計使用頻率的日益提高，為適應LTCC集成系統(tǒng)內部高互連密度電路和高頻信號性能的需要，要求實現(xiàn)較高程度的接地效果和更高的通孔間垂直互聯(lián)的精度要求，現(xiàn)已開發(fā)出LTCC基板涂導電膠、金屬漿料包邊等多種基板外邊緣屏蔽技術，能夠較好地屏蔽微波信號進入其他介質。

由于燒結后LTCC基板材料本身致密的特性，在激光切割后由于熱效應的作用會產(chǎn)生大量的析晶效應和熱熔渣現(xiàn)象，導致燒結的過程中金屬漿料和陶瓷無法進一步發(fā)生致密反應，不能滿足金屬屏蔽層的附著力要求，因而需要進行側面屏蔽層加工的LTCC基板燒結后的精密成形只能通過砂輪切割方式進行。受限于砂輪切割方式的加工特性，此種切割方式只能滿足矩形LTCC基板的加工要求，對于有金屬屏蔽層需求的異形基板的外形加工，只能采用共燒前進行腔體成型的方式完成基板異形輪廓后進行砂輪切割。

1 層壓后開通腔的可行性實驗

目前LTCC基板加工工藝中在共燒前常用的腔體成型方式為單層開腔模式，即在打孔同時進行機械開腔或利用紫外激光在印刷完成后、疊片和層壓之前進行單層開腔，相對于機械開腔而言，紫外激光開腔的優(yōu)點是不受機械打孔的沖孔單元模具的限制，其可以切割出任意形狀的腔體，例如圓形、方形以及異型腔，能夠有效地提升處理速度和圖形精度，且加工效率較高，是常規(guī)工藝中首選的腔體成型方式。

對于排版密度和金屬化程度較高、加工幅面較大的LTCC多層基板，印刷后的單層生瓷在金屬漿料中有機溶劑揮發(fā)、存放和搬運過程中極易發(fā)生較大形變，在腔體成型后約束減少，難以控制層間對位精度；開腔后疊片層壓過程由于溫度和壓力的同時作用，腔體邊緣易出現(xiàn)開裂、形變現(xiàn)象，無法滿足工作頻率大、加工精度要求高的LTCC組件的技術需要[2]。本文擬采用層壓后-共燒前開通腔的加工方案，實現(xiàn)有金屬屏蔽層需求的異形基板的外形加工。

采用LPKF U3紫外激光加工系統(tǒng)進行層壓后開腔，激光器功率10 W，激光波長355 nm，能進行單層生瓷的腔體成型，實驗樣件為FERRO A6M介質材料體系，結構為14層、燒結后產(chǎn)品厚度為1.4 mm的LTCC多層基板。由于層壓過程中在70℃的溫度下，生瓷和漿料本身都出現(xiàn)了變化和形變，需要對層壓后開腔的加工過程和參數(shù)進行優(yōu)化，滿足金屬化屏蔽層附著力、錐度和層間偏差的要求，LTCC基板層壓后開腔的主要工藝流程見圖1。

圖1 LTCC基板層壓后開腔工藝流程圖

2 層壓后開通腔實驗設計

2.1 激光切割路徑設計和優(yōu)化

用紫外激光加工物料時，由于激光能量集中的特性，往往會改變材料表面的物理特性，在達到材料汽化溫度時會伴隨很多融化的廢渣噴射而出。實際的激光加工生瓷片時，因能量聚集在瓷片表面的微小處，導致切割溝道熱效應明顯，熱量傳遞效率較低，激光加工的熔渣和粉塵大量聚集在切割溝道表面，影響激光加工功率，出現(xiàn)側壁發(fā)黑，切割不透等現(xiàn)象。

針對此種情況，通過模擬激光切割路徑增加激光切割的溝道寬度來加快熱量傳遞效率，減少熱效應的影響，改善激光切割效果，達到切透14層生瓷的目的，通過實驗對比的方法選擇適宜的路徑優(yōu)化方式，經(jīng)過對比實驗分析，將切割的溝道寬度設置為300μm，光斑等比運行10次能在切割效率和質量之間達到較好平衡，優(yōu)化后的光斑運行路徑見圖2。

圖2 優(yōu)化后的光斑運行路徑

2.2 激光切割側壁錐度效果改善

由于層壓后的產(chǎn)品厚度遠大于單層生瓷的厚度，開腔的深度較大，導致層壓后開腔的產(chǎn)品側壁錐度較大，經(jīng)測量，燒結后1.4 mm厚的LTCC多層基板上表面和下表面的尺寸偏差大于80μm，無法滿足裝配的尺寸要求。

針對此類現(xiàn)象，采用了單次對位多任務的加工方式，即將原來單次切透的LTCC生坯分兩次進行切割，改變第二次切割時的焦距位置至基板厚度的一半，使激光的有效功率直接作用于二次激光加工的位置，將層壓后開腔產(chǎn)品的側壁開腔錐度減小至單一參數(shù)加工的一半以內，圖3為兩次激光加工的激光工作位置示意圖。

圖3 兩次激光加工的激光工作位置示意圖

將原來單次切透的LTCC生坯分兩次進行切割方式改變后，層壓后開腔的產(chǎn)品側壁錐度改善效果明顯，燒結后1.4 mm厚的LTCC多層基板上表面和下表面的尺寸偏差小于30μm，能夠滿足裝配的尺寸要求。

2.3 設計固定夾具優(yōu)化基板底面效果

在進行層壓后腔體成型加工時LTCC生坯在真空吸附的作用下緊貼于工作臺面，導致熱效應聚集在基板下表面，基板的下半部分出現(xiàn)了明顯的粉塵附著現(xiàn)象，嚴重影響激光作用效果，外觀發(fā)黃、變黑，且由于粉塵與生坯之間無法達成緊密的關系，在共燒后容易在基板表面形成多余物，影響組件的可靠性，生坯側壁由于激光粉塵和熔渣的影響，附著力不達標。

在分析激光工作機理后改變層壓后開腔的產(chǎn)品在加工過程中的固定方式，由原來的真空吸附改為夾具固定的方式，制作金屬夾具，將激光切割運行路徑附近位置的基板底部騰空，使激光在加工過程中的熱量快速傳遞，減小熱效應，從而達到切割后側壁底部光潔，無熔渣附著現(xiàn)象，圖4為設計的生坯固定夾具示意圖。

圖4 生坯固定夾具示意圖

變更加工過程中生坯的固定方式后，基板底面效果改善明顯，無玻璃熔渣附著現(xiàn)象。

2.4 優(yōu)化二次對位方式改善腔體成型精度

LTCC基板生產(chǎn)主工藝中生瓷片采用常規(guī)的203.2 mm（即8 in）排版，在批量生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，相較于單層開腔，層壓后進行腔體成型，生坯在溫度和壓力的多重作用下發(fā)生輕微的形變，處于排版四周邊緣的二次加工定位孔的位置發(fā)生了變化。

二次加工定位孔的位置發(fā)生變化和生坯本身的輕微形變導致層壓后整版開腔的腔體位置誤差大于100μm，無法滿足LTCC組件自動裝配的位置精度要求，采用印刷時在單塊產(chǎn)品四周同時印刷上定位孔的方式，將開腔的二次加工對位方式由一次整版對位改為單塊產(chǎn)品進行定位，減小了二次對位標識的累計位移偏差，將開腔位置精度由100μm減少至25μm以內。

3 層壓后開通腔實驗結果

3.1 實驗結果分析

通過將有金屬屏蔽層需求的異形LTCC基板的腔體成型方式由常規(guī)的單層開腔變更為層壓后的單塊生坯開腔操作，并采用了優(yōu)化光斑運行路徑、二次切割調整激光焦距改善切割面錐度、設計產(chǎn)品固定夾具、單塊產(chǎn)品對位等方式，圖5為層壓前后開腔效果圖對比。由圖5能夠明顯看出相對于單層開腔的腔體成型方式，層壓后開腔的產(chǎn)品腔體無層壓過程引入的形變，側壁光潔，無層間偏差導致的參差不齊現(xiàn)象。

圖5 層壓前后開腔效果圖對比

層壓后開腔能夠更好地控制單張生瓷由于印刷后的漿料烘干、撕膜、開腔、搬運和存放期間導致的收縮變形，將樣件剖切后，能直觀地看到相對于層壓前開腔，層壓后開腔樣件層間偏差更細小，見圖6。

圖6 層壓前后開腔層間對位精度對比

隨機選取10個樣本利用DAGE XD7600NT射線檢測儀對工藝變更前后的對位精度進行觀測，對比結果見表1。

表1 工藝變更前后的對位精度對比結果（μm）

單層開腔和層壓后開腔精度對比見圖7。由圖7可以看出層壓后開腔相較于常規(guī)的單層生瓷開腔，對于排版密度較高的產(chǎn)品，對位精度的改善效果較好，且偏差一致性較高，受操作過程中的人為和環(huán)境干擾因素較小。

圖7 單層開腔和層壓后開腔精度對比

3.2 層壓后開腔工藝的適用范圍

使用層壓后開腔工藝進行腔體成型適用于對層間對位精度要求較高、產(chǎn)品應用頻率段高需要在產(chǎn)品側壁加工屏蔽層防止信號穿透、對裝配尺寸要求嚴苛的LTCC異形電路基板，但該加工方式只適用于帶有通腔的LTCC基板，無法對盲腔進行層壓后加工，且對基板的厚度也有要求，一般只適用于基板厚度小于2 mm的產(chǎn)品，一般來說，加工產(chǎn)品越薄，激光加工側壁聚集的熱效應越小，錐度較不明顯，超過2 mm的基板在進行層壓后開腔時，由于LTCC生坯未進行共燒排膠，基板內部有機物含量較高，加工時產(chǎn)生熔渣過多，需要在加工過程中進行粉塵和殘渣清理，激光參數(shù)需要經(jīng)過多次調節(jié)，增加了基板污染的風險，且效率過低，因此不推薦實施該工藝。

4 結束語

通過實施層壓后開腔工藝方案，較層壓前單層生瓷開腔工藝提高了LTCC基板的層間對位精度，對腔體周圍基板的型變量進行了有效控制，成功解決了共燒后腔體成型中出現(xiàn)剝離熔渣導致金屬屏蔽層附著力差的問題。需要注意的是，實施該工藝后LTCC產(chǎn)品結構有了變化，可能由于應力變化在共燒環(huán)節(jié)引起基板平整度的變化，在實踐中還需要根據(jù)具體產(chǎn)品的腔體結構和漿料排布進行有針對性的分析，制定適宜的加工方案。