無(wú)可替代的封裝技術(shù)LTCC——工藝及設(shè)備篇

首先，LTCC工藝對(duì)瓷料性能的要求主要有：第一，加入適當(dāng)有機(jī)材料后可流延成均勻、光滑、有一定強(qiáng)度的生帶；第二，能在900℃以下燒結(jié)成具有致密、無(wú)氣孔顯微結(jié)構(gòu)的材料；第三，致密化溫度不能太低，以免阻止生帶中有機(jī)物的排出。

（圖片來(lái)源：中電科四十三所）

LTCC工藝流程大致步驟為：粉料制備—漿料配制—流延—切片—通孔成型—通孔填充—印刷—疊層—層壓—排膠—燒結(jié)—檢測(cè)。其詳細(xì)工藝流程圖如下：

（來(lái)源：5G濾波器天線等通信設(shè)備無(wú)源器件）

微晶玻璃粉體制備

1、工藝

通常制備微晶玻璃的方法有高溫熔融法、燒結(jié)法和化學(xué)法等。

熔融法是最傳統(tǒng)的制備微晶玻璃的方法。將混合均勻的原料在高溫下熔成液態(tài)，澄清均化后成型，經(jīng)退火后在一定的溫度下進(jìn)行核化和晶化，以獲得晶粒細(xì)小均勻的微晶玻璃。用這種方法制備的LTCC粉體介電性能穩(wěn)定，但燒結(jié)溫度偏高，制備成本相對(duì)較高。

燒結(jié)法是用傳統(tǒng)的陶瓷工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)玻璃晶化過(guò)程的方法。將玻璃熔體水淬得到玻璃碎片，再將磨細(xì)后的玻璃粉末成型，熱處理使得玻璃析晶。和一般的工藝相比，燒結(jié)法的玻璃熔制溫度較低，熔化時(shí)間較短，其采用的陶瓷工藝成型方法，可用于干壓成型，也可用于注漿或流延成型，適于制備形狀復(fù)雜的制品，尺寸也能控制得較為精確，更具實(shí)用性。

溶膠-凝膠法是將原料分散在溶劑中，加入穩(wěn)定劑等，再混合反應(yīng)形成溶膠，將溶膠烘干制得干凝膠，然后預(yù)燒形成玻璃體，通過(guò)研磨制得可在較低溫度下燒結(jié)的玻璃陶瓷粉末。用此等化學(xué)法制得的LTCC粉體材料具有表面活性高，燒結(jié)溫度低，收縮率較大，均勻性高，可達(dá)納米級(jí)甚至分子級(jí)的優(yōu)點(diǎn)，但其效率低，成本高。

2、主要設(shè)備

球磨機(jī)、燒結(jié)爐。

漿料制備、流延

1、漿料制備

在流延漿料的制備過(guò)程中，經(jīng)常加入一些功能性的有機(jī)物添加劑，如分散劑、粘結(jié)劑、增塑劑、消泡劑和成膜助劑等，產(chǎn)生一些特殊的漿料性質(zhì)或理想的干帶性質(zhì)。有機(jī)添加劑是所有中間產(chǎn)品的添加物，是影響中間產(chǎn)品性能好壞的重要因素，但是，由于它們必須在最終燒結(jié)時(shí)完全排除，因此希望每一種添加劑的用量都能夠最小。將陶瓷粉料和有機(jī)添加劑以及溶劑一起經(jīng)過(guò)球磨混合后，再經(jīng)過(guò)過(guò)濾、真空攪拌除泡后即成為供流延的漿料。

2、流延

漿料通過(guò)脫泡、消泡等，再將漿料通過(guò)流延成型制成生瓷帶。對(duì)生瓷帶的要求是：致密、厚度均勻和具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。

3、主要設(shè)備

流延機(jī)。主要由載體膜、流延口、漿料分注器、干燥區(qū)和生帶卷帶裝置組成。輸送帶把塑料膜承載的生帶從滾軸運(yùn)送到流延頭，在流延口處，陶瓷漿料被分注到載體膜上，漿料分注機(jī)把漿料定量喂入流延口以便穩(wěn)定持續(xù)地流延成生帶，通過(guò)干燥區(qū)將流延陶瓷漿料中的溶劑蒸發(fā)形成干生帶，干燥一般采用紅外加熱或者熱空氣。生帶收集裝置將干燥后的生帶卷帶收集，流延后的生帶厚度一般為10μm～1mm。

主要生產(chǎn)廠家有：中國(guó)電科二所、西安鑫乙電子、橫山Y(jié)okoyama、KEKOE、武漢坤元流延科技、東方泰陽(yáng)科技、德龍科技、肇慶華鑫隆、韓國(guó)PNT等。

切片

1、工藝

將卷帶生瓷帶按照一定的尺寸進(jìn)行裁切，裁切的尺寸要比所需要的尺寸略大，以便滿足后面的加工。

2、主要設(shè)備

切片機(jī)。國(guó)內(nèi)早期的LTCC工藝線上，切片機(jī)不是必需的設(shè)備，切片主要由操作工手工完成，或者直接買來(lái)對(duì)應(yīng)尺寸生瓷片。近幾年，切片機(jī)不斷成為各條生產(chǎn)線不可或缺的設(shè)備，主要原因?yàn)椋寒a(chǎn)能的不斷擴(kuò)大；全自動(dòng)沖孔機(jī)要求生瓷片的一致性越來(lái)越高；配套流延設(shè)備的用戶越來(lái)越多。切片工藝需要注意的幾點(diǎn)：送料過(guò)程中除靜電；切片后的生瓷片邊緣碎屑的清理。

打孔

1、工藝

沖孔是LTCC生產(chǎn)線上最關(guān)鍵的工藝，對(duì)應(yīng)設(shè)備沖孔機(jī)也是最重要的設(shè)備。目前有兩種沖孔方式，機(jī)械沖孔和激光沖孔。雖然機(jī)械沖孔相對(duì)激光沖孔速度慢，但由于機(jī)械沖孔后孔的形狀好并且更適應(yīng)后道填孔印刷工序，所以機(jī)械沖孔是各用戶主要采用的沖孔方式。

機(jī)械沖孔和激光沖孔

表：兩種沖孔方式對(duì)比

2、主要設(shè)備

打孔機(jī)。主要設(shè)備廠商有中國(guó)電科二所、日本UHT、HaikuTech、意大利Bacin、韓國(guó)PNT、KEKOE、美國(guó)PTC、上海住榮等。

激光設(shè)備。主要設(shè)備廠商有LPKF、Coherent（相干）激光、德中激光、中電45所、光道激光、首鐳激光、德龍激光、Rofin等。

印刷

1、工藝

導(dǎo)帶印刷的方法有厚膜絲網(wǎng)印刷，計(jì)算機(jī)直接描繪法和厚膜網(wǎng)印后蝕刻法。印刷要求導(dǎo)體漿料與生帶有良好的附著力和兼容性，疊層時(shí)具有彈性和熱塑性，且粘結(jié)質(zhì)不再發(fā)生不必要的扭曲變形。

絲網(wǎng)是印刷的基礎(chǔ)。選擇適當(dāng)?shù)慕z網(wǎng)是一個(gè)不可缺少的環(huán)節(jié)。由于絲網(wǎng)印刷的適用范圍非常廣泛，所以與之有關(guān)的因素也就是多方面的。在選用絲網(wǎng)時(shí)，就要根據(jù)具體情況以及印刷要求，來(lái)選用不同的絲網(wǎng)，通常在選用絲網(wǎng)時(shí)可以從以下不同的角度去考慮：

1）根據(jù)承印物的種類選用絲網(wǎng)；

2）根據(jù)油墨性質(zhì)選用絲網(wǎng)，不同油墨有不同的適應(yīng)特性；

3）根據(jù)絲網(wǎng)材質(zhì)和性能選用絲網(wǎng)，選用時(shí)要考慮絲網(wǎng)本身的材質(zhì)和物理性能，根據(jù)不同的性能選擇相應(yīng)的絲網(wǎng)；

4）根據(jù)印刷要標(biāo)選用絲網(wǎng)，選用時(shí)要考慮印刷速度，印刷壓力，印版的耐印力，承印物吸收能力。

尼龍絲網(wǎng)是由化學(xué)合成纖維制作而成，屬于聚酰胺系。尼龍絲網(wǎng)具有很高的強(qiáng)度，耐磨性、耐化學(xué)藥品性、耐水性、彈性都比較好，由于絲徑均勻，表面光滑，故漿料的通過(guò)性也極好。其不足是尼龍絲網(wǎng)的拉伸性較大。這種絲網(wǎng)在繃網(wǎng)后的一段時(shí)間內(nèi)，張力有所降低，使絲網(wǎng)印版松弛，精度下降。因此，不適宜印制尺寸精度要求很高的線路板等。

不銹鋼絲網(wǎng)是由不銹鋼材料制作而成。不銹鋼絲網(wǎng)的特點(diǎn)是耐磨性好、強(qiáng)度高，技伸性??；由于絲徑精細(xì)，漿料的通過(guò)性能穩(wěn)定，尺寸精度穩(wěn)定。其不足是彈性小，價(jià)格較貴，絲網(wǎng)伸張后，不能恢復(fù)原狀。不銹鋼絲網(wǎng)適于高精細(xì)的印刷。

2、主要設(shè)備

印刷機(jī)。主要設(shè)備廠商有中電二所、中電45所、KEKO、微格能、上海網(wǎng)誼、上海煊廷、Microtec、建宇網(wǎng)印、BACCNINI、newlong等。

通孔填充

金屬漿料通孔填充的方法有絲網(wǎng)印刷，掩模印刷和通孔注漿。其中，通孔注漿的效果最好，但由于需要專門(mén)的設(shè)備，成本高，比較難以應(yīng)用；絲網(wǎng)印刷是最簡(jiǎn)單的方法，但印刷質(zhì)量較差；掩模印刷是目前最常用的方法，成品率較高。

疊片

1、工藝

將已印刷電路圖形的生瓷片按預(yù)先設(shè)計(jì)的層數(shù)和次序，依次放入緊密疊片模具中，模具上設(shè)計(jì)有與生瓷片對(duì)位孔一致的對(duì)位柱，保證對(duì)位精度。

2、主要設(shè)備

疊片機(jī)。主要設(shè)備廠商有KEKOE、日本日機(jī)裝、北京東方泰陽(yáng)、Micro-tec等。

等靜壓

1、工藝

為使疊層后的生瓷體在排膠燒結(jié)時(shí)不起泡分層，對(duì)生瓷體進(jìn)行熱壓。采用等靜壓工藝，在一定的溫度和壓力下，使它們緊密粘接，形成一個(gè)完整的多層基板坯體。等靜壓可使層壓壓力均勻分布到生瓷體上，確保基板燒結(jié)收縮一致。

2、主要設(shè)備

等靜壓機(jī)。主要設(shè)備廠商有KEKO、日新、武漢坤元流延、上海思恩裝備等。

切割

1、工藝

將較大面積的生瓷基板，按照各元件、模塊的切割邊界進(jìn)行切割分離，便于進(jìn)行燒結(jié)。

2、主要設(shè)備

切割機(jī)。主要設(shè)備廠商有中電二所、Microtec、KEKO、日本UTH、日本三星MDI、太平洋科技、ACCRETECH、Dastech等。

排膠共燒

1、工藝

共燒的技術(shù)要點(diǎn)是控制燒結(jié)收縮率和基板的總體變化，控制兩種材料的燒結(jié)收縮性能以免產(chǎn)生微觀和宏觀的缺陷，以及實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體材料的抗氧化作用和在燒結(jié)過(guò)程中去除粘結(jié)劑，即排膠，排膠燒結(jié)關(guān)系到瓷體中氣體多少、顆粒之間的結(jié)合程度以及基板的機(jī)械強(qiáng)度的高低。

200-500℃之間的區(qū)域被稱為有機(jī)排膠區(qū)（建議在此區(qū)域疊層保溫最少60min）。然后在5-15min將疊層共燒至峰值溫度（通常為850℃）。氣氛燒成金屬化的典型排膠和燒成曲線會(huì)用上2-10h。燒成的部件準(zhǔn)備好后燒工藝，如在頂面上印刷導(dǎo)體和精密電阻器，然后在空氣中燒成。如果Cu用于金屬化，燒結(jié)必須在N2鏈?zhǔn)綘t中進(jìn)行。

2、主要設(shè)備

排膠燒結(jié)設(shè)備。主要設(shè)備廠商有合肥恒力、合肥費(fèi)舍羅、合肥高歌、合肥真萍電子、喜而諾盛、泰絡(luò)電子、臺(tái)技工業(yè)設(shè)備、Nabertherm等；

釬焊

將表面清洗好的工件以搭接形式裝配在一起，把釬料放在接頭間隙附近或接頭間隙之間。加熱使釬料熔化，液態(tài)釬料與工件金屬相互擴(kuò)散溶解，冷凝后即形成釬焊接頭。

檢驗(yàn)測(cè)試

1、工藝

對(duì)燒結(jié)好的低溫共燒陶瓷多層基板進(jìn)行檢測(cè)，以驗(yàn)證多層布線的連接性，這些檢測(cè)包括外觀、尺寸、強(qiáng)度、電性能等方面。主要使用探針測(cè)試儀進(jìn)行檢測(cè)，如有需要對(duì)電路進(jìn)行激光調(diào)阻。

（飛針測(cè)試：進(jìn)行電氣特性判定）

（X光檢測(cè)：檢測(cè)LTCC基板內(nèi)部電層的不可見(jiàn)缺陷）

2、主要設(shè)備

外觀檢測(cè)設(shè)備。主要設(shè)備廠商有東莞西尼、臺(tái)達(dá)、賽昌隆、中圖儀器、易泛特、星河泰視特、三姆光電、康克思、長(zhǎng)沙視浪、成都思?jí)训取?/p>

網(wǎng)絡(luò)分析儀。主要設(shè)備廠商有德科技、羅德與施瓦茨、極致匯儀、思儀、安立、廣州科欣、成都天大儀器、賽昌隆等。

結(jié)束語(yǔ)

無(wú)論在軍用還是民用方面，LTCC技術(shù)正在以飛快的速度應(yīng)用在許多領(lǐng)域，在未來(lái)幾年中將需要大量的LTCC生產(chǎn)線來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的產(chǎn)量要求，LTCC工藝也將不斷改進(jìn)以適應(yīng)無(wú)源模塊高密度集成和小型化的需求，同時(shí)工藝的變化也在促進(jìn)設(shè)備的日新月異。未來(lái)將會(huì)出現(xiàn)更先進(jìn)的工藝、更先進(jìn)的設(shè)備來(lái)滿足市場(chǎng)。

審核編輯 ：李倩