刘红雨，李 俊，贾少雄

（中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024）

低温共烧陶瓷 （Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC）技术作为一种先进的无源器件集成及混合电路封装技术，是实现高度集成、高性能电子封装的先进技术之一，凭借其优良的高频和高速传输特性、高集成度、卓越的热稳定性和机械性能，广泛应用于汽车、电子、医疗、航空、航天等领域[1]。

随着LTCC组件设计使用频率的日益提高，为适应LTCC集成系统内部高互连密度电路和高频信号性能的需要，要求实现较高程度的接地效果和更高的通孔间垂直互联的精度要求，现已开发出LTCC基板涂导电胶、金属浆料包边等多种基板外边缘屏蔽技术，能够较好地屏蔽微波信号进入其他介质。

由于烧结后LTCC基板材料本身致密的特性，在激光切割后由于热效应的作用会产生大量的析晶效应和热熔渣现象，导致烧结的过程中金属浆料和陶瓷无法进一步发生致密反应，不能满足金属屏蔽层的附着力要求，因而需要进行侧面屏蔽层加工的LTCC基板烧结后的精密成形只能通过砂轮切割方式进行。受限于砂轮切割方式的加工特性，此种切割方式只能满足矩形LTCC基板的加工要求，对于有金属屏蔽层需求的异形基板的外形加工，只能采用共烧前进行腔体成型的方式完成基板异形轮廓后进行砂轮切割。

1 层压后开通腔的可行性实验

目前LTCC基板加工工艺中在共烧前常用的腔体成型方式为单层开腔模式，即在打孔同时进行机械开腔或利用紫外激光在印刷完成后、叠片和层压之前进行单层开腔，相对于机械开腔而言，紫外激光开腔的优点是不受机械打孔的冲孔单元模具的限制，其可以切割出任意形状的腔体，例如圆形、方形以及异型腔，能够有效地提升处理速度和图形精度，且加工效率较高，是常规工艺中首选的腔体成型方式。

对于排版密度和金属化程度较高、加工幅面较大的LTCC多层基板，印刷后的单层生瓷在金属浆料中有机溶剂挥发、存放和搬运过程中极易发生较大形变，在腔体成型后约束减少，难以控制层间对位精度；开腔后叠片层压过程由于温度和压力的同时作用，腔体边缘易出现开裂、形变现象，无法满足工作频率大、加工精度要求高的LTCC组件的技术需要[2]。本文拟采用层压后-共烧前开通腔的加工方案，实现有金属屏蔽层需求的异形基板的外形加工。

采用LPKF U3紫外激光加工系统进行层压后开腔，激光器功率10 W，激光波长355 nm，能进行单层生瓷的腔体成型，实验样件为FERRO A6M介质材料体系，结构为14层、烧结后产品厚度为1.4 mm的LTCC多层基板。由于层压过程中在70℃的温度下，生瓷和浆料本身都出现了变化和形变，需要对层压后开腔的加工过程和参数进行优化，满足金属化屏蔽层附着力、锥度和层间偏差的要求，LTCC基板层压后开腔的主要工艺流程见图1。

图1 LTCC基板层压后开腔工艺流程图

2 层压后开通腔实验设计

2.1 激光切割路径设计和优化

用紫外激光加工物料时，由于激光能量集中的特性，往往会改变材料表面的物理特性，在达到材料汽化温度时会伴随很多融化的废渣喷射而出。实际的激光加工生瓷片时，因能量聚集在瓷片表面的微小处，导致切割沟道热效应明显，热量传递效率较低，激光加工的熔渣和粉尘大量聚集在切割沟道表面，影响激光加工功率，出现侧壁发黑，切割不透等现象。

针对此种情况，通过模拟激光切割路径增加激光切割的沟道宽度来加快热量传递效率，减少热效应的影响，改善激光切割效果，达到切透14层生瓷的目的，通过实验对比的方法选择适宜的路径优化方式，经过对比实验分析，将切割的沟道宽度设置为300μm，光斑等比运行10次能在切割效率和质量之间达到较好平衡，优化后的光斑运行路径见图2。

图2 优化后的光斑运行路径

2.2 激光切割侧壁锥度效果改善

由于层压后的产品厚度远大于单层生瓷的厚度，开腔的深度较大，导致层压后开腔的产品侧壁锥度较大，经测量，烧结后1.4 mm厚的LTCC多层基板上表面和下表面的尺寸偏差大于80μm，无法满足装配的尺寸要求。

针对此类现象，采用了单次对位多任务的加工方式，即将原来单次切透的LTCC生坯分两次进行切割，改变第二次切割时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，将层压后开腔产品的侧壁开腔锥度减小至单一参数加工的一半以内，图3为两次激光加工的激光工作位置示意图。

图3 两次激光加工的激光工作位置示意图

将原来单次切透的LTCC生坯分两次进行切割方式改变后，层压后开腔的产品侧壁锥度改善效果明显，烧结后1.4 mm厚的LTCC多层基板上表面和下表面的尺寸偏差小于30μm，能够满足装配的尺寸要求。

2.3 设计固定夹具优化基板底面效果

在进行层压后腔体成型加工时LTCC生坯在真空吸附的作用下紧贴于工作台面，导致热效应聚集在基板下表面，基板的下半部分出现了明显的粉尘附着现象，严重影响激光作用效果，外观发黄、变黑，且由于粉尘与生坯之间无法达成紧密的关系，在共烧后容易在基板表面形成多余物，影响组件的可靠性，生坯侧壁由于激光粉尘和熔渣的影响，附着力不达标。

在分析激光工作机理后改变层压后开腔的产品在加工过程中的固定方式，由原来的真空吸附改为夹具固定的方式，制作金属夹具，将激光切割运行路径附近位置的基板底部腾空，使激光在加工过程中的热量快速传递，减小热效应，从而达到切割后侧壁底部光洁，无熔渣附着现象，图4为设计的生坯固定夹具示意图。

图4 生坯固定夹具示意图

变更加工过程中生坯的固定方式后，基板底面效果改善明显，无玻璃熔渣附着现象。

2.4 优化二次对位方式改善腔体成型精度

LTCC基板生产主工艺中生瓷片采用常规的203.2 mm（即8 in）排版，在批量生产中发现，相较于单层开腔，层压后进行腔体成型，生坯在温度和压力的多重作用下发生轻微的形变，处于排版四周边缘的二次加工定位孔的位置发生了变化。

二次加工定位孔的位置发生变化和生坯本身的轻微形变导致层压后整版开腔的腔体位置误差大于100μm，无法满足LTCC组件自动装配的位置精度要求，采用印刷时在单块产品四周同时印刷上定位孔的方式，将开腔的二次加工对位方式由一次整版对位改为单块产品进行定位，减小了二次对位标识的累计位移偏差，将开腔位置精度由100μm减少至25μm以内。

3 层压后开通腔实验结果

3.1 实验结果分析

通过将有金属屏蔽层需求的异形LTCC基板的腔体成型方式由常规的单层开腔变更为层压后的单块生坯开腔操作，并采用了优化光斑运行路径、二次切割调整激光焦距改善切割面锥度、设计产品固定夹具、单块产品对位等方式，图5为层压前后开腔效果图对比。由图5能够明显看出相对于单层开腔的腔体成型方式，层压后开腔的产品腔体无层压过程引入的形变，侧壁光洁，无层间偏差导致的参差不齐现象。

图5 层压前后开腔效果图对比

层压后开腔能够更好地控制单张生瓷由于印刷后的浆料烘干、撕膜、开腔、搬运和存放期间导致的收缩变形，将样件剖切后，能直观地看到相对于层压前开腔，层压后开腔样件层间偏差更细小，见图6。

图6 层压前后开腔层间对位精度对比

随机选取10个样本利用DAGE XD7600NT射线检测仪对工艺变更前后的对位精度进行观测，对比结果见表1。

表1 工艺变更前后的对位精度对比结果（μm）

单层开腔和层压后开腔精度对比见图7。由图7可以看出层压后开腔相较于常规的单层生瓷开腔，对于排版密度较高的产品，对位精度的改善效果较好，且偏差一致性较高，受操作过程中的人为和环境干扰因素较小。

图7 单层开腔和层压后开腔精度对比

3.2 层压后开腔工艺的适用范围

使用层压后开腔工艺进行腔体成型适用于对层间对位精度要求较高、产品应用频率段高需要在产品侧壁加工屏蔽层防止信号穿透、对装配尺寸要求严苛的LTCC异形电路基板，但该加工方式只适用于带有通腔的LTCC基板，无法对盲腔进行层压后加工，且对基板的厚度也有要求，一般只适用于基板厚度小于2 mm的产品，一般来说，加工产品越薄，激光加工侧壁聚集的热效应越小，锥度较不明显，超过2 mm的基板在进行层压后开腔时，由于LTCC生坯未进行共烧排胶，基板内部有机物含量较高，加工时产生熔渣过多，需要在加工过程中进行粉尘和残渣清理，激光参数需要经过多次调节，增加了基板污染的风险，且效率过低，因此不推荐实施该工艺。

4 结束语

通过实施层压后开腔工艺方案，较层压前单层生瓷开腔工艺提高了LTCC基板的层间对位精度，对腔体周围基板的型变量进行了有效控制，成功解决了共烧后腔体成型中出现剥离熔渣导致金属屏蔽层附着力差的问题。需要注意的是，实施该工艺后LTCC产品结构有了变化，可能由于应力变化在共烧环节引起基板平整度的变化，在实践中还需要根据具体产品的腔体结构和浆料排布进行有针对性的分析，制定适宜的加工方案。