張峰，賈少雄，馬維紅

（中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，太原030024）

層壓壓強(qiáng)對(duì)LTCC基板燒結(jié)收縮率的影響研究

張峰，賈少雄，馬維紅

（中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，太原030024）

LTCC技術(shù)是高可靠性、高集成度和高性能電路基板制造技術(shù)之一。運(yùn)用實(shí)驗(yàn)的研究方法，詳細(xì)探究了層壓壓強(qiáng)對(duì)LTCC基板燒結(jié)收縮率的影響。同時(shí)從理論上分析了這一影響產(chǎn)生的機(jī)理。

LTCC；壓強(qiáng)；燒結(jié)；收縮率

1 引言

隨著集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步，高可靠性、高集成度和高性能已經(jīng)成為該領(lǐng)域的發(fā)展方向，其中高密度多層互連基板制造技術(shù)是集成電路行業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)作為一種先進(jìn)的高密度多層互連技術(shù)，有效提高了電路的封裝集成度和系統(tǒng)可靠度，其主要優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)多層互連、可內(nèi)埋無源元件、具有較好的溫度特性、較小的熱膨脹系數(shù)、可以直接作為IC的封裝基板等[1]。目前，LTCC基板已廣泛應(yīng)用于航空航天、通信、汽車電子等領(lǐng)域。在LTCC基板制造的眾多工藝操作中，燒結(jié)是關(guān)鍵且特殊的工序，是由生瓷片轉(zhuǎn)化為基板的最終階段，過程中蘊(yùn)含了復(fù)雜的材料生長的物化轉(zhuǎn)變。在轉(zhuǎn)變過程中，基板尺寸會(huì)發(fā)生明顯變化，直接決定產(chǎn)品是否合格，因此，研究LTCC基板燒結(jié)收縮率，控制產(chǎn)品尺寸尤為重要。本文選用FERRO-A6系生瓷，重點(diǎn)探究了層壓工藝中不同壓強(qiáng)大小對(duì)LTCC基板燒結(jié)收縮率的影響，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施，以及數(shù)據(jù)匯集、整理，分析不同壓強(qiáng)值與LTCC基板燒結(jié)收縮率的對(duì)應(yīng)關(guān)系與變化趨勢(shì)，旨在為實(shí)際生產(chǎn)提供依據(jù)，以實(shí)現(xiàn)LTCC基板的高質(zhì)量生產(chǎn)。

2 LTCC基板制造工藝過程

使用低溫陶瓷粉料和有機(jī)黏合劑、溶劑按一定比例混合，流延機(jī)生成流延片(生瓷帶)，金屬化后再進(jìn)行疊片、熱壓、最后燒結(jié)成多層布線基板。LTCC基板制造工藝流程如圖1、圖2所示。

圖1 LTCC基板用生瓷帶的制造工藝流程圖

圖2 LTCC基板制造工藝流程圖

3 影響LTCC基板燒結(jié)收縮率的主要因素

LTCC基板燒結(jié)收縮率的控制是基板制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，其對(duì)基板的合格率和性能都有很大的影響?；宓臒Y(jié)收縮率可通過控制影響燒結(jié)收縮率的各個(gè)因素來控制，影響燒結(jié)收縮率的因素主要分布在兩個(gè)階段過程中：一是生瓷帶形成過程，二是基板制造階段。

在生瓷帶形成階段（如圖1），影響燒結(jié)收縮率的主要因素有粉料的顆粒度、流延黏合劑比例和流延工藝參數(shù)。根據(jù)材料生長相關(guān)知識(shí)，粉料顆粒度越小，比表面積越大，活性越強(qiáng)，液相、固相反應(yīng)越充分，燒結(jié)收縮率越大；反之，粉料顆粒度越大，則燒結(jié)收縮率越小。流延黏合劑比例越大，燒結(jié)排膠階段有機(jī)物燃燒量就越大，致使燒結(jié)收縮率大[2]。另外，流延頭部的刀鋒間隙、料漿液面高度和載送帶速度等流延工藝參數(shù)的設(shè)定，直接關(guān)系著生瓷帶的密度，進(jìn)而影響所制造基板的燒結(jié)收縮率。

在基板制造階段（如圖2），影響燒結(jié)收縮率的主要因素有產(chǎn)品本身的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與尺寸、疊片層壓工序中生瓷帶等靜壓參數(shù)以及燒結(jié)工藝參數(shù)，另外，生瓷帶的干燥度和通孔金屬化及表面布線的漿料圖形尺寸也會(huì)影響基板的燒結(jié)收縮率[3]?；贔ERRO-A6系生瓷帶，重點(diǎn)探討采用等靜壓方式的層壓工序中不同層壓壓強(qiáng)大小對(duì)LTCC基板在XY方向燒結(jié)收縮率的影響。

4 等靜壓壓強(qiáng)與燒結(jié)收縮率的關(guān)系

基于FERRO-A6系生瓷帶材料，設(shè)計(jì)厚度為21層（每層厚度0.1 mm）生瓷帶的基板；每層生瓷帶做打孔處理，并用金銀混合漿料通孔金屬化處理，按照設(shè)計(jì)圖形，在通孔金屬化處理的生瓷帶表面印刷金漿料，圖形在XY軸方向的尺寸為84.8 mm×84.8 mm；生瓷帶等靜壓溫度為70℃，保壓時(shí)間10 min；燒結(jié)參數(shù)為典型LTCC燒成曲線（如圖3）。

圖3 LTCC基板典型燒成曲線

4.1 不同壓強(qiáng)下的收縮率情況

研究等靜壓壓強(qiáng)分別為4MPa、5MPa、6MPa、7MPa、8 MPa、9 MPa、10 MPa、11 MPa、12 MPa、13 MPa、14 MPa、15 MPa、16 MPa、17 MPa、18 MPa、19 MPa、20 MPa、21 MPa、22 MPa、23 MPa、24 MPa、25 MPa、26 MPa、27 MPa、28 MPa、29 MPa、30 MPa、31 MPa、32 MPa下產(chǎn)品的燒結(jié)收縮率情況，測試結(jié)果如表1所示。

表1 不同等靜壓壓強(qiáng)下燒結(jié)收縮率測試結(jié)果（XY方向）

等靜壓壓強(qiáng)為4 MPa時(shí)，層壓后的生瓷片有明顯的分層現(xiàn)象，不適宜進(jìn)行燒結(jié)等后道工序。分析表1中2#至29#的28組樣品，可以看出，隨著等靜壓壓強(qiáng)的增大，燒結(jié)收縮率逐漸減小。等靜壓壓強(qiáng)從5 MPa到32 MPa，2#樣品與29#樣品相比，燒結(jié)收縮率減小2.5936%；以實(shí)驗(yàn)樣品尺寸為例，等靜壓壓強(qiáng)為5 MPa和32 MPa的樣品燒結(jié)后尺寸在XY方向上相差近2200 μm。

4.2 燒結(jié)收縮率隨等靜壓壓強(qiáng)變化的趨勢(shì)

對(duì)表1中的數(shù)據(jù)做定性分析，探尋生瓷帶在不同等靜壓壓強(qiáng)層壓作用下基板燒結(jié)收縮率的變化趨勢(shì)，見圖4。

圖4 基板燒結(jié)收縮率（XY方向）隨壓強(qiáng)變化圖

從圖4可以明顯看出，隨著生瓷帶等靜壓壓強(qiáng)的增大，基板燒結(jié)收縮率呈減小趨勢(shì)，但在壓強(qiáng)大于28 MPa后，燒結(jié)收縮率趨于穩(wěn)定，隨等靜壓壓強(qiáng)的增大基本保持不變，對(duì)照表1數(shù)據(jù)，28 MPa至32 MPa，燒結(jié)收縮率僅變化0.0013%；以實(shí)驗(yàn)樣品尺寸為例，等靜壓壓強(qiáng)為28 MPa和32 MPa的樣品燒結(jié)后尺寸在XY方向上相差僅約1.1 μm，基本可以忽略。也就是說，大于28 MPa后，生瓷帶等靜壓壓強(qiáng)對(duì)燒結(jié)收縮率的影響不再明顯。

4.3 等靜壓壓強(qiáng)大小對(duì)燒結(jié)收縮率影響機(jī)理

生瓷帶制造過程中，流延烘干階段隨著溶劑揮發(fā)，粉料間會(huì)有間隙，且干燥的粘結(jié)劑中會(huì)有溶劑揮發(fā)后留下的微孔，生片內(nèi)的間隙和微孔會(huì)在層壓壓強(qiáng)作用下隨氣體被擠壓排出而被填充，并且隨著壓強(qiáng)增大，擠壓填充越密實(shí)，燒結(jié)收縮減小。另外，疊層體中生片的層間粘結(jié)主要靠生片內(nèi)有機(jī)黏結(jié)劑膠結(jié)和不平界面的機(jī)械膠結(jié)實(shí)現(xiàn)，而膠結(jié)強(qiáng)度取決于層壓的壓強(qiáng)和溫度。在溫度設(shè)定不變時(shí)（本文設(shè)定為70℃），壓強(qiáng)大小直接決定生瓷帶間的膠結(jié)強(qiáng)度，內(nèi)層膠結(jié)強(qiáng)度有隨著壓力增大而增高的趨勢(shì)。層壓壓強(qiáng)小于5 MPa時(shí)，生片間的膠結(jié)強(qiáng)度過低，無法實(shí)現(xiàn)粘結(jié)而出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象；隨著壓強(qiáng)的增大，一方面生片內(nèi)孔隙減少，一方面其層間膠結(jié)強(qiáng)度增高，疊層體更加密實(shí)，燒結(jié)收縮率減??；當(dāng)壓強(qiáng)大于28 MPa后，生片內(nèi)孔隙和內(nèi)層膠結(jié)強(qiáng)度恒定不變，在其他工藝條件相同的情況下，燒結(jié)收縮率趨于穩(wěn)定，基本保持不變。

5 結(jié)論

層壓壓強(qiáng)是影響疊層體燒結(jié)收縮率的主要因素之一。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸和其他工藝條件相同的情況下，隨著層壓壓強(qiáng)的增大，燒結(jié)收縮率逐漸減??；但當(dāng)壓強(qiáng)過低時(shí)（＜5 MPa），疊層體存在明顯分層而不宜進(jìn)行燒結(jié)；當(dāng)壓強(qiáng)超過某一值時(shí)（28 MPa），燒結(jié)收縮率趨于穩(wěn)定，基本保持不變。

層壓壓強(qiáng)決定生片間膠結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)而影響燒結(jié)收縮率。在層壓溫度一定的情況下，壓強(qiáng)太小無法使上下各層生片充分膠結(jié)為一體而出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象；隨著壓強(qiáng)增大，內(nèi)層膠結(jié)強(qiáng)度增加，燒結(jié)收縮率呈減小趨勢(shì)；在某一壓強(qiáng)以上，內(nèi)層膠結(jié)強(qiáng)度恒定不變，燒結(jié)收縮率也趨于穩(wěn)定，基本保持不變。

[1]楊邦朝，付賢民，胡永達(dá).低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)新進(jìn)展[J].電子元件與材料，2008，27(6)：1-5.

[2]何健鋒.LTCC基板制造及控制技術(shù)[J].電子工藝技術(shù)，2005，26(2)：75-81.

[3]許貴軍，韋朋飛，周洪慶，劉敏，朱海奎，陳棟.多層LTCC基板的匹配性調(diào)制[J].材料導(dǎo)報(bào)，2008，22(5)：422-427.

Research of Laminating Pressure Effect on Sintering Shrinkage of LTCC Substrate

ZHANG Feng,JIA Shaoxiong,MA Weihong
（China Electronics Technology Group Corporation No.2 Research Institute,Taiyuan 030024,China）

LTCC technology is an advanced circuit board manufacturing technology for high reliability,high integration and high performance IC substrates.In the paper,the effect of the la minating pressure on the sintering shrinkage of LTCC substrate is investigated in detail and the mechanism of the effect is analyzed theoretically.

LTCC;pressure;sintering;shrinkage

TN305.94

A

1681-1070（2017）07-0005-03

張峰（1982—），男，山西太原人，工程師，現(xiàn)就職于中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，主要從事電子工藝產(chǎn)品的質(zhì)量管理與優(yōu)化改進(jìn)工作。

2017-5-4