LTCC基板三大关键工艺问题的优化方案

现代LTCC技术是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆和精密导体浆料印刷等工艺制出所设计的电路版图，并将多个元器件埋入多层陶瓷基板中，然后叠压在一起，内外电极可选用Ag、Cu和Au等金属材料，在小于1000℃的温度条件下烧结，最终制成3D的高密度集成电路，也可制成内置无源元件的3D电路基板，也可以在其表面贴装IC和有源器件制成无源/有源集成的功能模块。

目前来看，LTCC技术是解决电子产品“90%问题”的主流技术，是实现电子整机或系统小型化、高性能化与高密度化的首选方案，被广泛应用于射频电路系统。

但LTCC多层电路基板制造工艺流程较长，工艺复杂，基板收缩率、翘曲度、层间对位精度等都是影响产品性能的重要因素。本文将根据上述技术难点，对如何优化工艺参数及解决上述问题展开论述分析。

三大影响因素分析

① 收缩率偏差

LTCC收缩率与其密度有直接关系，密度越大收缩率越小，密度越小收缩率越大，反应到工艺参数上来，密度与层压压力相对应，因此可以通过调控层压压力来改变LTCC产品的收缩率，使之达到设计要求。

且LTCC基板由于存在金属通孔、印刷金属导线，这些金属的收缩率不同于白瓷收缩率，因此相同层压压力下LTCC产品的收缩率与白瓷的收缩率有一定差异，需要进一步研究其规律，积累工艺数据，进行层压压力相应的调整。

② 基板翘曲

● 烧结原因：烧结工艺与基板翘曲度、收缩率有直接关系，LTCC基板的烧结过程实际是一个放热吸热反应的过程。排胶阶段（室温至500℃左右）基板中有机物分解挥发，质量减轻；烧结阶段（700℃～850℃左右）基板发生结晶和析晶反应，伴随反应的进行，基板收缩。因此低温阶段、高温阶段的烧结时间，升温速率与基板收缩程度、翘曲程度关系密切，需要优化烧结曲线，通过试验调整排胶阶段升温速率、时间，烧结阶段升温速率、时间，各阶段空气流量等重要工艺参数。

● 基板结构及金属分布问题：LTCC基板的结构也是决定LTCC基板烧结翘曲度的关键因素，当LTCC基板上存在多种规格的空腔结构时，其结构难以均衡对称，同时由于LTCC基板上含有大量通孔及密集金属导线，这些都难以均匀分布，这样就容易导致其翘曲度超差。

● 浆料选用问题：不同银浆、金浆与生瓷带热膨胀系数匹配性不同，因此大面积印刷层选用不同浆料时对基板翘曲度的影响尤为明显。

③ 通孔层间对位偏差

LTCC基板层间对位偏差与打孔精度、生瓷片自身收缩情况、各层印刷导体情况，叠层对位精度等众多因素相关，是控制的难点，因此需要对整个工艺流程进行监控，找出主要影响因素，进行优化控制。按照带膜工艺流程进行LTCC制造，对全过程进行错位监控。

带膜工艺LTCC通孔错位原因分析表（单位：μm）

通过全流程跟踪监测，带膜生瓷片在撕膜后会有一个应力的释放，导致较大变形，其中主要形变方向为生瓷流延方向，表现为放大，范围约为40μm～70μm，垂直于流延方向则表现为收缩，范围约为10μm～20μm，是带膜工艺通孔错位的主要原因。

工艺方案及试验结果

① 收缩率偏差控制工艺方案

为了寻求实际收缩率与曲线上收缩率的误差，通过多轮的层压试验，实测LTCC收缩率与LTCC“层压压力－密度－收缩率”关系曲线上收缩率误差约为0.2%～0.3%，依此指导实际生产。在LTCC制造中，工艺设计收缩率15.8%，为达到次收缩率，因为上述试验证明实测LTCC收缩率与曲线上收缩率误差约为0.2%～0.3%，因此要到达15.8%的收缩率，应选用16%收缩率所对应的层压压力，即力3000psi。实际效果表明效果较好，达到了设计收缩率。

② 基板翘曲度控制工艺方案

● 烧结工艺优化：降低排胶阶段升温速率，优化各阶段气流量，缓解不同材料热膨胀系数不匹配的应力。

● 布版设计优化：对于单块基板内部无法满足金属化平衡分布的情况，拟在版图布局时进行对称性布局，使其在整版中形成金属化平衡分布，烧结时再进行整版烧结，这样就可以有效地改善基板平整度。

单块LTCC的孔分布及金属导线分布的不对称性

● 浆料选用优化：在混合浆料体系中，大面积底层尽量选用同种材质的浆料，对于LTCC背面焊接层，确需选择不同浆料时，可尽量选择后烧型浆料，以此可降低烧结难度，改善基板翘曲度。

按照上述方案进行工艺优化后，将生产的LTCC基板进行了基板外形尺寸及翘曲度测试，结果表明，通过上述改进后，基板外形尺寸精度及翘曲度指标完全满足工艺要求，改进效果明显，基板本身及空腔底面平整度均达到了较好效果，基板均达到小于2‰的翘曲度。

③ 通孔层间对位偏差控制

带膜工艺，在叠片前撕膜，生瓷片在流延时积累的应力在撕膜时集中释放，造成生瓷片无规律性变形，引起生瓷片上通孔及导线位置偏移。改为无膜工艺，在打孔前对生瓷片进行撕膜、自然放置老化处理，以释放应力。

无膜工艺流程

通过上述分析可知，生瓷片脱膜后通过老化工序，加速生瓷片老化释放压力，减小生瓷片在其后加工过程中的形变量，然后再进行生瓷片加工，从而有效地改善了LTCC基板层间对位偏差，因此老化效果将对后续LTCC基板层间对位偏差有重要影响，老化不充分，脱膜生瓷片在后续加工中仍将有较大形变，为此需要对老化工艺开展研究，较好的老化的方法通常是对生瓷片脱膜后进行常温下自然晾置，其关键工艺参数时晾置时间。

无膜生瓷片老化工艺实验（单位：mm）

试验方法是在脱膜后的生瓷片上冲孔，通过测量X、Y方向通孔间距以判断生瓷片是否老化充分了。试验表明，生瓷片脱膜后自然晾置24h后老化充分，后续生瓷片形变量不大，因此无膜工艺老化时间可设置为自然晾置不低于24h即可。无膜工艺流程下打孔后至叠片前，打孔、填孔、印刷、浆料干燥等工序操作造成的生瓷片形变约在+15μm左右，完全满足工艺要求，该工艺流程下填孔层间对位偏差将得以改善。采用上述方案后，通孔对位精度明显提高，达到≤40μm水平。

结 论

综上可知，实际LTCC基板由于存在金属通孔、印刷金属导线，这些金属的收缩率不同于白瓷收缩率，因此相同层压压力下LTCC产品的收缩率与白瓷的收缩率有一定差异，可通过积累工艺数据，进行层压压力相应的调整来解决收缩率偏差问题。对于LTCC基板烧结收缩率，其不仅与烧结工艺有关，还与基板对称性设计、电路布局、浆料选用关系密切；带膜工艺较无膜工艺在通孔层间对位精度控制上难度更大，撕膜时应力释放是导致层间通孔对位偏差的主要原因，无膜工艺更适合层间对位精度要求较高的应用。

审核编辑：汤梓红