王亚东，张 潇，杨兴宇，秦 超

（中国电子科技集团公司第二研究所微组装中心，山西 太原 030024）

1 LTCC基板烧结收缩率研究现状

低温共烧陶瓷 （Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC）技术是目前广泛使用的一种无源集成及混合电路封装技术，它将电阻、电容和电感集成在多层基板内部，可直接作为IC的封装基板，具有高可靠性、高集成度和高性能的突出优势[1]，为射频、微波系统的高速发展提供了一种解决方案。在LTCC基板制造过程中，烧结是一个特殊过程，是基板成型的最后一道工序，烧结过程中在进行物理变化的同时也伴随一系列的化学变化，最终使基板尺寸发生明显改变[2]，通常用烧结收缩率来表征基板尺寸的改变程度。然而，影响烧结收缩率的因素存在于LTCC基板制造的每个环节，控制难度较大，造成了在同型号产品的批量生产中，烧结收缩率相对于设计收缩率波动较大，一致性差，不利于产品的稳定生产，严重影响了后续的装配工作。

本文将对现有的层压和烧结工艺做出适当改进，以期降低收缩率的波动，提升LTCC基板烧结收缩率的一致性。

2 影响基板烧结收缩率一致性的主要因素

在整个LTCC的制造过程中，每个工序的工艺改变都可能对最终的烧结收缩率产生影响，本文从层压和烧结两个工序着手，通过设计独立的实验重点研究层压压力、烧结摆放位置、烧结曲线等因素对烧结收缩率的影响，并对现有工艺进行改进。

1）两步层压工艺。根据加压方式的不同，LTCC层压工艺分为单轴压和等静压。单轴压主要是生瓷坯体上下两面受力，其余面不受力，造成整个坯体受力不均匀，层压完成后坯体的致密性差。而等静压则利用了帕斯卡原理，利用液体作为介质，将机械压力均匀地施加在生瓷坯体的每一个表面上，使坯体成型后密度均匀。在实际生产中，根据生瓷的材料特性和工艺要求，LTCC层压工艺又可分为整体层压和累积层压。整体层压为所有层生瓷片一起叠层后，该坯体作为整体进行层压，此工艺已普遍应用于生产中。累积层压为生瓷片经多次叠层和层压后，最终形成完整坯体，此工艺多用于特殊生瓷材料和双面腔LTCC基板的制造中[3]。

在长期的生产中发现，即使采用相同的叠压方式，产品烧结后的收缩率一致性也较差。经研究，笔者对现有LTCC基板的层压方式进行了改进，提出了分步层压工艺，即采用两步层压的方式，LTCC基板预热完成后先用小压力保压5 min，再用推荐压力保压10 min。为使实验更接近实际生产，除层压外，实验采用与A型号产品相同的生产工艺。实验样品所用原料为FERRO-A6M系生瓷带及配套浆料，根据A型号产品的设计要求，对样品进行生瓷带打孔、通孔金属化及图形印刷等处理，每版21层共20版，叠层时按照从下往上的顺序放置金属背板、隔离膜、生瓷片、隔离膜、金属掩模板，然后用硅胶垫包裹放入包封袋中抽真空。设置层压机参数，水温70℃，预热完成后先用10MPa的压力压5 min，再用21 MPa的压力压10 min，压成后通过热切分切成单块烧结，烧结时采用FERRO推荐曲线，见第75页图1。

图1 FE RR O推荐烧结曲线

生产中，只需要关注A型号产品的长边即X轴方向尺寸，其烧后标准值为71.75 mm，设计收缩率为15.40%。由于原材料和生产环节各因素的作用，造成了A型号产品的烧结收缩率一致性较差，其烧结收缩率波动很难控制在±0.4%以内，甚至有的收缩率不合格造成了产品的报废。本实验采用两步层压工艺，压力为21 MPa，烧后尺寸标准为71.75 mm，共测量了20组样品的烧后尺寸，其结果见表1；对应的烧结收缩率见图2。

表1 样品烧结结果 （mm）

图2 两步层压后烧结收缩率

从图2可看出，采用两步层压工艺后，样品的最大烧结收缩率为15.68%，最小烧结收缩率为15.10%，相对于15.40%的设计收缩率，样品的烧结收缩率波动控制在了±0.3%以内，优于之前的±0.4%以上，烧结收缩率一致性得到了显著提高。LTCC层压工艺是温度、压力和时间共同对生瓷坯体作用，实验中所用温度和实际生产的温度一致，层压由单步改为两步后，时间上延长了5 min，坯体可顺利完成从局部受热到整体受热的过程，弥补了由于常温坯体的放入造成的温度扰动，充分提高了生瓷片中粘结剂的活性；而且先用小压力预压再用标准压力层压后，可使生瓷内和层间残留空气充分排出，小压力预压使得腔体在大压力作用下的变形程度减缓，提高了层间的胶粘程度，增强了坯体各处结合的紧密性，进而提高了烧结收缩率的一致性。

2）烧结摆放位置。烧结是LTCC基板的一个非常关键的过程，烧结过程的好坏直接影响烧结后产品的金丝键合性、可焊性、生瓷密度、介电常数等。LTCC烧结炉采用对流和辐射相结合的加热方式对产品进行烧结。其中，对流加热通过比例阀门对不同阶段的产品气流量进行调节。对整个炉膛而言，气体自一侧向另一侧喷射，并完成尾气的排出。而在实际产品的烧结中，为了提高产品的摆放密度或烧结产能，在炉膛内会搭接多层承烧板以提高空间利用率。承烧板之间使用承烧柱进行支撑。在气体喷射过程中，在多层承烧板和承烧柱之间会形成一些气流的死角，换言之就是指放置在不同位置的产品，经过其表面的气流呈现不一致的特性。在产品的烧结中，气流的异同会影响玻璃的流动，进而影响其浸润性和浆料的收缩。因此在摆放产品时应将产品全部摆放在无气流遮挡的位置，以改善产品的烧结收缩率。对20组样品改进摆放位置前后的烧结收缩率进行测试，结果见图3。

图3 调整位置后烧结收缩率

从图3可以看出，改进前最大烧结收缩率为15.84%，最小为14.95%，相对15.4%的设计收缩率最大波动为-0.45%。改进后最大烧结收缩率为15.70%，最小为15.09%，相对15.4%的设计收缩率的最大波动为-0.31%。改进前，由于承烧柱的影响，附近气体流通存在死角，周围的样品烧结完成后收缩率波动较大。改进后，样品摆放位置离承烧柱较远，烧结过程中样品周围气体流通均匀，烧结收缩率波动较小，一致性得到提升。

3）烧结曲线。烧结曲线是根据不同的材料体系定制的能够满足材料特性的曲线，是温度与时间的函数关系曲线。在整条烧结曲线中，最关键的要素是从排胶完成到烧结完成的快速升温阶段。升温速率是衡量这一阶段的一个关键性指标，升温速率的高低会影响玻璃的流动，进而影响浆料与陶瓷的附着力；不仅如此，升温速率还会直接影响浆料的收缩、烧结完成后基板的密度、机械强度、介电常数等。一般情况下，通过设置烧结曲线可以容易地实现升温速率的控制。然而，分析烧结完成后的烧结曲线发现，同一时刻不同温区的热电偶测量的温度差异较大（将近20℃），究其原因，发现在快速升温阶段，各个温区提高温度的能力不同。这与产品在快速升温阶段温度一致性的要求不符，且不同温区之间的温度一致性也会影响交界区域产品的性能，尤其是多个烧结批次下的收缩率一致性问题。一方面，对烧结曲线进行温区之间功率的匹配；另一方面，对不同温区和相同温区不同辐射位置之间的功率和温度进行补偿。经过反复调试，可将快速升温阶段同一温度点不同温区之间的烧结温度控制在±3℃。对调试前后温度交界区共两层20组样品的烧结收缩率进行测试，结果见图4。

从图4可以看出，调试前最大烧结收缩率为15.88%，最小值为14.91%，相对设计收缩率15.4%的最大波动为-0.49%。调试后最大烧结收缩率为15.74%，最小值为15.09%，相对设计收缩率15.4%的最大波动为+0.34%。由于调试前不同温区在快速升温阶段存在最大20℃的温差，导致温区交界处样品的收缩率波动较大。调试后，可以将不同温区在快速升温阶段的温差控制在3℃之内，显著优化了不同温区交界区域处样品的烧结收缩率，提高了产品的一致性。

图4 调节烧结曲线后烧结收缩率

3 结论

本文针对FERRO-A6M材料体系LTCC基板的烧结收缩率一致性进行了研究，重点分析了层压和烧结两道工序，对现有工艺提出了改进，并设计了相关实验。通过验证，采用两步层压工艺使产品的烧结收缩率的波动绝对值下降到0.3%以内，通过调整样品的烧结摆放位置和快速升温阶段的烧结曲线，使烧结收缩率波动的绝对值稳定控制在了0.35%以内，显著提升了LTCC基板的烧结收缩率一致性。

（责任编辑 石俊仙）