详解LTCC基板电路

樱桃海弥 · 发表于 2016-7-22 16:47

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本帖最后由 alexwang 于 2018-7-2 15:23 编辑

详解LTCC基板电路

1 LTCC基板电路概述

　　低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC）技术是20世纪80年代中期美国首先推出的集互联、无源元件和封装于一体的多层陶瓷制造技术[1]。随着科学技术的不断进步，目前电子产品外形可变得更小型和更薄但功能却更强大。以一个移动电话的无线通信产业为例[2]，手机的尺寸减少，早期的移动电话的功能是从最简单的音频传输的数据开始，目前已经发展到掌上网络电脑。若能将部分无源元件集成到基板中，则不仅有利于系统的小型化，提高电路的组装密度，还有利于提高系统的可靠性。

目前的集成封装技术主要有薄膜技术、硅片半导体技术、多层电路板技术以及LTCC技术。LTCC技术是一种低成本封装的解决方法，具有研制周期短的特点。低温共烧陶瓷技术可满足后者轻，薄，短，小的需求。然而，低温共烧陶瓷基板具有高硬度和易碎的特性。因此，当切割机切割硬基板，在基板和切割刀片之间会产生一个较大的摩擦力，该摩擦产生的应力转移到切割刀片。这会导致以LTCC为基板的电子产品合格率和产量的下降。因此，当陶瓷基板被切割加工时如何提高产品的得率是一个重要的课题。图1为典型的LTCC基板示意图[3]，由此可知，采用LTCC工艺制作的基板具有可实现集成电路芯片封装、内埋置无源元件及高密度电路组装的功能。

图 1 LTCC基板

2 LTCC基板加工工艺

　　图2为LTCC基板制造的工艺流程图[4]，主要有混料、流延、打孔、填孔、丝网印刷、叠片、等静压、排胶烧结等主要工序，下面简单介绍各个工序工艺。

图2 LTCC制造的工艺流程图

　　混料与流延：将有机物（主要由聚合物粘结剂和溶解于溶液的增塑剂组成）和无机物（由陶瓷和玻璃组成）成分按一定比例混合，用球磨的方法进行碾磨和均匀化，然后浇注在一个移动的载带上（通常为聚酯膜），通过一个干燥区，去除所有的溶剂，通过控制刮刀间隙，流延成所需要的厚度。此工艺的一般厚度容差是±6％。

　　打孔：利用机械冲压、钻孔或激光打孔技术形成通孔。通孔是在生瓷片上打出的小孔（直径通常为0.1-0.2mm），用在不同层上以互连电路。在此阶段还要冲制模具孔，帮助叠片时的对准；对准孔用于印刷导体和介质时自动对位。

　　印刷：利用标准的厚膜印刷技术对导体浆料进行印刷和烘干。通孔填充和导体图形在箱式或链式炉中按相关工艺温度和时间进行烘干。根据需要，所有电阻器、电容器和电感器在此阶段印刷和烘干。

通孔填充：利用传统的厚膜丝网印刷或模板挤压把特殊配方的高固体颗粒含量的导体浆料填充到通孔。

　　排胶与烧结：200-500℃之间的区域被称为有机排胶区（建议在此区域叠层保温最少60min）。然后在5-15min 将叠层共烧至峰值温度（通常为850℃）。气氛烧成金属化的典型排胶和烧成曲线会用上2-10h。烧成的部件准备好后烧工艺，如在顶面上印刷导体和精密电阻器，然后在空气中烧成。如果Cu用于金属化，烧结必须在N2链式炉中进行。

　　检验：然后对电路进行激光调阻（如果需要）、测试、切片和检验，LTCC 封装中可用硬钎焊引线或散热片(如果需要)。

　　3 LTCC基板电路加工案例

　　3.1 LTCC基板微通孔的形成技术[5]

　　微通孔形成是低温共烧陶瓷多层基板高密度互连中极为关键的工艺，因为孔径大小、位置精度均将直接影响布线密度与基板质量。为了实现超高密度化，通孔孔径应小于100μm。LTCC 生瓷带的微孔制作方法有: 机械冲孔和激光打孔。

　　3.1.1 机械冲孔

　　数控冲床冲孔是对生瓷带打孔的一种较好方法，特别对定型产品来说，冲孔更为有利。用冲床模具可一次冲出上千个孔，其最小孔径可达50μm，打孔速度快、精度较高、适合于批量生产。在生瓷带上做出微通孔时，需要一个与微通孔尺寸一致的冲头和一个冲模，冲模的开口一般比冲头的直径大12.5μm，图3 所示为冲孔示意图。

图3 冲孔示意图图 4 机械冲孔形成的微通孔

制作微通孔的技术要点是: 安装及操作微小冲头。当冲头直径小于100μm 后，由于坚固度下降，安装和操作冲头将越来越难。多数冲孔缺陷不图2冲孔示意图是在冲孔过程中形成的，而是操作不当引起的。因此需专用工具来安装微小冲头，并在安装和操作时要避免冲头碰撞受损。对准冲头与冲模。欲使机械冲孔制作出高质量的通孔，很大程度上依赖于冲头与冲模之间的对准。如果这两个装置没有对准，通孔质量将会下降，且冲模会受损，冲头也可能折断。确保微通孔制作质量。微通孔质量包括微通孔形状、大小和内部贯穿状况。

如图4所示，机械冲孔形成的微通孔冲孔形成的微通孔孔径和孔距的一致性较好，顶部边缘比较平滑，但底部边缘较粗糙，内壁比较平直，顶部和底部开口大小相接近。不同厚度的LTCC 瓷带所制作的微通孔大小也是一致的，即瓷带厚度与通孔大小的比率对通孔质量不会有影响。使用机械冲孔的方法，在厚度为50-254μm的不同LTCC 瓷带上形成的50， 75 和100μm 的微通孔表明，不同尺寸的微通孔在LTCC 瓷带正面和背面的开口直径大小都在测量误差允许的范围之内，但是在瓷带背面通孔开口的偏差更大。在显微镜下检查冲孔后冲模开口的变化，比原来的开口尺寸都有所增加，这是冲模开口的磨损引起的。不同微通孔的分析数据表明，冲头的尺寸决定了通孔正面的开口大小，背面通孔直径受冲模开口大小的影响。

因此，当冲模开口因磨损超过某一值时，微通孔背面的开口就会增加很大，此时应该更换冲模。影响微通孔质量的另一因素是通孔内的残余物，它是残留在通孔开口中的一小片LTCC 瓷带残余，在冲孔时没有完全除去。些残余物主要在LTCC 生瓷带层的背面，与通孔边缘相连，一般为10-25μm。含有残余物的通孔数量随着通孔尺寸的增大而减少，而残余物的含量与瓷带厚度无关。

3.1.2 激光打孔

在生瓷带上用激光打孔的原理是: 聚焦的激光束沿着通孔边缘将连续的光脉冲发射到生瓷带上，激光能量将陶瓷材料逐层蒸发掉，最终形成一个通孔。其是生瓷带的理想打孔方法。目前常用CO2 激光器作为生瓷带打孔机的光源。CO2 激光器功率大，生瓷带内的有机粘合剂容易被CO2 激光所汽化，打孔过程中对生瓷带的影响小，最小孔径可达50μm。图5 是激光打孔形成的75μm 微通孔放大后的图4 激光打孔形成的微通孔情况。

LTCC 瓷带正面的通孔开口大小与瓷带厚度无关，瓷带背面的通孔尺寸随着厚度的增加而减小。这是因为激光束的精度不够，形成的通孔呈现出圆锥形。对于一定尺寸的通孔，瓷带层越厚，通孔正面和背面的开口偏差越大，如果超过某一值将很难形成通孔。所以为了在较厚的LTCC 瓷带层上形成较小的通孔，必须要把激光束调得很精细，以使通孔的内壁更平直，而不会出现圆锥形。用激光打孔技术形成的50μm 以下通孔贯通性较差，形成的75μm 通孔在显微镜下观察到残留物，这会影响通孔质量。

图5 激光打孔形成的微通孔

　　3.2 LTCC电路基板微通孔填充方法[5]

　　3.2.1 掩模印刷法

　　对于高密度布线的LTCC 基板，采用掩模印刷法比较合适。掩模版材料通常采用0.03-0.05 mm厚的黄铜、不锈钢或聚酯膜制作，在上面刻成通孔。通孔浆料被装在一个球囊里。填充通孔时，使用将生瓷片定位到真空平台上的同一组定位销将掩模校准定位到部件上，通过球囊后面的气压力将浆料挤压通过掩模，浆料连续的流过掩模，直到所有通孔都被完全填充为止。因浆料是被直接挤压入孔，所以可以实现微通孔的填充，且效果较好。同时控制浆料流变性、黏度和印刷参数，通过精心操作可获得100 %通孔盲孔率，提高基板成品率[ 8-9] 。由掩模版印刷法能很容易实现150μm 以上通孔的填充。

但是当所需填充的通孔为100μm 或要求更高时，用于标准通孔的掩模印刷设置是不够的。填充标准通孔典型的印刷设置是单次印刷，中等速度( 10-20 mm/ s ) 和中等压力，为了对100μm及以下的通孔进行高质量的填充，需要进行多重印刷，提高压力并改善其他设置。为了满足75-150μm 通孔无缺陷的填充，还需对印刷浆料量进行校正，根据通孔的尺寸改变模版孔的开口。如100μm 的通孔需要稍大的模版开口，以使垂直方向的填充最大。该方法也改善了在印刷期间模版与瓷带间的对准情况。150μm 的通孔所需的模版开口稍有减小，以消除浆料污点。

　　3.2.2 微孔注入法

　　通常微孔注入法效果最好，但需要专门设备。在微通孔注入系统中，影响通孔填充质量的主要因素包括注入压力、注入时间、填充浆料黏度和LTCC 瓷带和通孔填充掩模版之间的对准情况。一旦确定了适合整个制作过程的参数，就可以在几秒钟之内在LTCC 生瓷带层上填充几千个通孔。关注微孔金属化的未填、过填和少填。未填是没有填入浆料的通孔，或只填了部分导体浆料。未填孔可以通过逆光看到，且有时不需显微镜的帮助。过填指通孔周围的浆料超出了通孔范围。浆料的超出量取决于孔径和孔距。少填指通孔中虽无空隙但未填满浆料，少填的通孔不能通过逆光发现。

图5 是填充了银浆料的75μm 微通孔。图6( a) 中填满浆料的通孔具有所期望的尺寸和满意的填充质量。图6 ( b) 显示了LTCC 瓷带背面过填的缺陷，这是由于在真空卡盘和LTCC 瓷带间使用了不合适的多孔渗水衬纸。在填充通孔期间当掩模版和LTCC 瓷带间存在未对准状况时，与掩模版接触的LTCC 生瓷带通孔正面会出现过填的缺陷。图6( c) 所示为75μm 孔距的顶部通孔，由于过填而使孔距变短。如果在通孔之间出现过填，则须增加孔距，以避免因过填的额外浆料而引起短路，但这样却使内部互连密度有所降低。

图6 填充银浆料的微通孔

　　3.3 LTCC基板排胶与烧结[6]

　　烧结的技术要点是控制烧结收缩率和基板的总体变化，控制两种材料的烧结收缩性能以免产生微观和宏观的缺陷，以及实现导体材料的抗氧化作用和在烧结过程中去除粘结剂。普通LTCC 基板的烧结收缩主要是通过控制粉体的颗粒度、流延粘合剂的比例、热压叠片的压力、烧结曲线等手段实现。但一般LTCC 共烧体系沿X-Y 方向的收缩仍为12-16%，借助无压烧结或助压烧结等技术，可以获得沿X-Y 方向零收缩的材料。

　　实现零收缩的工艺有：自约束烧结，基板在自由共烧过程中呈现出自身抑制平面方向收缩的特性，该方法无需增设新设备，但材料系统唯一，不能很好地满足制造不同性能产品的需要；压力辅助烧结，通过在Z 轴方向加压烧结，抑制X-Y 平面上的收缩；无压力辅助烧结，在叠层体材料间加入夹层（如在LTCC 烧结温度下不烧结的氧化铝），约束X 和Y 轴方向的移动，烧成后研磨掉上下面夹持用的氧化铝层；复合板共同压烧法，将生坯黏附于一金属板（如高机械强度的钼或钨等）进行烧结，以金属片的束缚作用降低生坯片X-Y 方向的收缩；陶瓷薄板与生坯片堆栈共同烧结法，陶瓷薄板作为基板的一部分，烧成后不必去除，也不存在抑制残留的隐忧。

　　3.4 LTCC电路基板大面积接地钎焊

　　解启林，等[7]（2009）报道了LTCC电路基板大面积接地钎焊工艺设计，提出了一种提高LTCC电路基板大面积接地钎焊的钎着率及可靠性的钎焊工艺设计。在LTCC电路基板接地面设置(Ni+M)复合金属膜层，根据试验测试比较，其耐焊性(>600s)明显优于常规金属化接地层(常规要求>50s)；在LTCC电路基板的接地面的一端预置“凸点”，通过x射线扫描图对比分析，增加“凸点”的设计提高了大面积接地钎焊的钎着率。研究表明：新的钎焊工艺设计保证了LTCC电路基板大面积接地的钎焊可靠性和一致性。

　　3.4.1 试验材料与设备

　　LTCC电路基板：Ferro A6-S 生瓷片烧结而成的多层电路基板，尺寸为80mm x30mm×1.2mm，组件壳体材料为Kovar合金，盒体壁厚1.0mm，底部尺寸为80mm x30mm，底部厚2.0mm，焊料为北京有色金属加工厂的0.1mm厚的Sn63Pb37焊片。

试验设备：自制的充氮气手套箱，内有加热台，加热台的额定工作温度为450℃。

X射线检测设备：MACROSCIENCE MXR-160。

数码照相设备：OLYMPUS MODEL NO。C5060。

　　3.4.2 LTCC电路基板表面金属化方法

　　LTCC电路基板表面金属化方法的目前大致有两种：厚膜烧结法和溅射薄膜再电镀加厚法。溅射薄膜再电镀加厚法虽然在单层陶瓷基板的薄膜电路加工过程中已广泛采用。但是在LTCC电路基板上还只是处于探索阶段，目前提高LT℃C电路基板耐焊性通用的方法是烧结一层钯银层。

　　3.4.3 耐焊性试验方法

　　选取3种试样进行耐焊性试验对比：(1)号厚膜钯银层(12μm左右)试样；(2)号厚膜金层(37μm左右)试样；(3)号设置含Ni阻挡层哺3的(Nj+M)复合金属膜层(10μm左右)试样，M为金属代号。

　　参照GJB548A-96（微电子器件试验方法和程序）：将基板垂直浸入，放在(215±5)℃熔融焊料的锡槽中，每次58，总计10次(焊料成分为63Sn37Pb的共晶焊料，焊剂为25％的松香酒精溶液)清洗，涂焊剂，被检图形应无翘皮、脱落、断裂、被熔蚀的面积不大于20％。上述3种试样均能通过耐焊性的试验检测标准，且未见被熔蚀的地方，随后将上述3种试样(新的试样)金属化层表面上放置涂有焊剂的焊片，在氮气保护下，240℃(设置值)的热台上加热保持，观察焊料对相应试样金属化层表面的熔蚀情况。

　　3.4.4 LTCC电路基板与盒体的气体保护焊接方法

　　能够实现LTCC电路基板与盒体底部大面积钎焊的方法有：气体保护钎焊、真空钎焊、空气中热板钎焊。在空气中相应的软钎焊料处于液态时更容易与空气中的氧发生化学反应，因此气体保护钎焊与空气中热板钎焊相比，具有明显的优势。而气体保护钎焊、真空钎焊这两种方法则各有利弊。真空中热量的传导主要靠辐射，遮蔽效应比较明显，由于微波组件尺寸较小，各工件上的温度不均匀，造成有的工件温度高，钎料流淌过多，有的工件温度不足，钎料还未完全熔化铺展，钎焊质量一致性差，而且加热周期长，效率低。

气体保护钎焊热传导的3种方式并存、操作方便、效率高，但是钎着率由于气体的存在而受到限制，一艘隋况下可达到75％以上，呈随机分布，对于微波电路来说，带来了很大的不确定性。为了提高钎着率，报告者采取了预先设置“凸点”的方法。凸点的材料与大面积钎焊的焊片材料相同，凸点的制作方法如图7，在相应的位置放置适量的焊膏，经过热风回流成凸点，凸点大小随基板长度而作相应变化。凸点制成以后，在盒体底部预置已清除氧化皮且与凸点成分相同的焊片，如图8 那样放置，在有气体保护下的热板上加热来实现LTCC与盒体底部的大面积接地焊。

(上为钎焊前的状态，下为钎焊后的状态)

图7 凸点制作过程示意图图8 设置凸点的焊接示意图

　　 3.4.5 钎着率的检测

　　大面积钎焊以后，从理论上讲，焊料利用毛细现象的原理，会尽可能填充LTCC与盒体底部之问的间隙，但是由于保护气氛的存在，熔化的焊料会随机形成多个包围圈，将气体包裹在其中。钎焊界面内部如有空洞或者焊料合金在凝固时组织疏松，x射线就容易穿过，这样成像的图片中就产生了白色或灰白色的亮点，如图5(a)：为未设置“凸点”焊接工艺的x射线扫描图，箭头所制为明显焊接缺陷，钎着率大约75％，如图5 (b)：为设置“凸点”焊接工艺的X射线扫描图，箭头所指为轻微缺陷，钎着率为98％以上。由于“凸点”的存在，加热时人为造成LTCC基板两端的温度存在差异，随着“凸点”的缓缓坍塌，有利于盒体底部焊料与LTCC基板之间夹杂气体排除。x射线检测图片证明了气体保护下，在基板的焊接面上设计“凸点”能够提高钎着率。

(a) 新工艺实施前大面积接地焊接后X射线扫擒图 (b) 新工艺实施前大面积接地焊接后X射线扫擒图

图9 新工艺实施前后大面积接地焊接后X射线扫描图对比

　　3.4.6 LTCC电路基板大面积接地钎焊结论

　　(1)设置(Ni+M)复合金属膜层，大大提高LTCC基板大面积的金属化层对于Sn63Pb37 的焊料的耐焊性，保证LTCC基板与盒体的可靠钎焊；

　　(2)利用气体保护，在LTCC基板的焊接面上设计“凸点”在提高LTCC电路基板与盒体之问的钎焊钎着率方面，作用十分有效。

　　3.5 LTCC电路检测

　　对排胶、烧结、焊接完成后的LTCC元件还须进行多方面的检测，以保证其性能的可靠性。这些检测包括外观、尺寸、强度、电性能等方面。

参考文献
[1] 王睿, 王悦辉, 周济, 等. 低温共烧陶瓷技术及其应用[J]. 硅酸盐学报, 2009, 35(S1): 125-130.
[2] Shin, Hyun-Ok, Paju-Si K R, et al. MANUFACTURING METHOD OF LOW TEMPERATURE CO-FIRED CERAMICS SUBSTRATE[P]. 2009, USP20090126857.
[3] 王悦辉,杨正文,王婷,等. 低温共烧陶瓷（LTCC）技术新进展[J].
[4] 曾志毅，王浩勤，尉旭波. 低温共烧陶瓷（LTCC）技术应用进展 [J]. 磁性材料及器件, 2007, 38(2): 7-11.
[5] 徐志春, 成立, 李俊，等. 低温共烧陶瓷多层基板精细互连技术[J]. 半导体技术，2007，32（7）:629-633.
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[7] 解启林，朱启政，林伟成，等. LTCC电路基板大面积接地钎焊工艺设计[J].应用基础与工程科学学报，2007, 15（3）: 358-362.