1、LTCC基板电路概述低温共烧陶瓷(LowTemperatureCo-firedCeramic，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。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，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1LTCC基板2、LTCC基板加工工艺图2为LTCC基板制造的工艺流程图，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2LTCC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：-℃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℃）。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3.1LTCC基板微通孔的形成技术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μm。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。冲孔示意图机械冲孔示意图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μm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-μm的不同LTCC瓷带上形成的50，75和μm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。3.2LTCC电路基板微通孔填充方法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0.03-0.05mm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%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μm以上通孔的填充。但是当所需填充的通孔为μm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(10-20mm/s)和中等压力，为了对μm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-μm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μm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。μm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。
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