LTCC生瓷带流延工艺研究

何中伟，周洪庆，王 会，李 冉

(1.中国北方通用电子集团有限公司 微电子部，江苏 苏州 215163；2.南京工业大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210009)

LTCC生瓷带流延工艺研究

何中伟1，周洪庆2，王 会1，李 冉1

(1.中国北方通用电子集团有限公司 微电子部，江苏 苏州 215163；2.南京工业大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210009)

通过合理调配材料成分，有效充分地球磨混料，精确控制工艺参数，成功流延加工出一种硼硅酸盐玻璃/氧化铝陶瓷复合材料体系的低温共烧陶瓷(LTCC)生瓷带。通过对LTCC生瓷带进行热解质量(TG)分析，确定了LTCC基板的烧结温度曲线，对比测试了试制LTCC生瓷带与DuPont 951PT生瓷带及其烧成LTCC基板的性能，考核了试制生瓷带的LTCC加工工艺适应性。结果表明，试制LTCC生瓷带与951PT生瓷带相比，外观质量、厚度、未烧与烧成体密度及烧成LTCC基板的热学性能基本相当，介电常数和介电损耗略有差异，机械强度略大，工艺适应性满足LTCC基板加工实用要求。

LTCC；瓷浆；生瓷带；流延加工；TG分析；性能测试

LTCC基板是陶瓷多芯片组件(MCM-C)的基础和重要支承，起着给IC裸芯片和外贴元器件提供安装平台,实现MCM-C内部元器件之间的互连，为MCM-C提供散热通路等关键作用[1]，其极大地影响着电路组件的体积、质量、可靠性和电性能。LTCC基板制作的简要工艺过程如图1所示[2]。

图1 LTCC基板制作简要工艺过程示意图

LTCC生瓷带作为LTCC基板制造的最基本功能材料和构成部分，在很大程度上决定了MCM-C的性能、相关工艺材料的选择以及产品的最终成本，因此对其进行科学合理地设计、制造或选用是至关重要的。LTCC生瓷带不仅应有优良的力学、电气、热性能和化学稳定性及安全性，还应具有优良的可加工性，要求制造工艺简单，原材料容易获得，生产成本较低。

常用LTCC生瓷带分为玻璃/陶瓷和微晶玻璃两大主要材料体系。玻璃/陶瓷复合材料体系利用低软化点玻璃，在低温下实现玻璃复合陶瓷烧结，具有生瓷带及其烧成基板的可加工性好，且性能易控制的优势[3-5]。针对高密多层互连LTCC基板的要求，成功研制了硼硅酸盐玻璃/氧化铝陶瓷复合材料体系的LTCC生瓷带，完成了试制生瓷带与进口生瓷带的性能测试对比。

1 LTCC生瓷带的主要成分及流延加工

LTCC生瓷带是由生瓷瓷浆流延加工得到的，所研究制作的LTCC生瓷瓷浆包含下述主要成分。

1) 玻璃/陶瓷混合粉料。由质量基本相等的硼硅酸盐(CaO-Al2O3-B2O3-SiO2，简称CABS)玻璃粉末和氧化铝(Al2O3)陶瓷粉末混合而成，粉料直径D50=2～3 μm，D90=5.5～7 μm。陶瓷不与玻璃发生反应，只是均匀地散布在玻璃网格中。烧结时，玻璃软化，包裹住陶瓷粉末，形成致密的结构。

2) 分散剂。由脂肪酸和酯混合而成的溶剂，其作用是润湿粉料颗粒并将它们分开，使之不团聚成块，并保持均匀悬浮的状态。

3) 粘结剂。采用可在氧化气氛(大气)中充分烧除的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)树脂，其作为生瓷带中唯一的连续相，使粉料颗粒相互保持在一定位置上，从而接合在一起。

4) 增塑剂。采用可以软化粉料颗粒间粘结剂聚合物链的丁基苯基酞酸酯，使生瓷带具有韧度，能够被弯曲而不产生裂纹，或者不会断裂。

5) 溶剂。由质量相等的丁酮(MEK)和纯度95%的工业酒精混合而成。

6) 钴蓝陶瓷色料。无机玻璃/陶瓷混合粉料的成分与性能可直接影响到生瓷带的烧结温度和烧结后LTCC基板的电学、热学和力学性能，有机分散剂、粘结剂、增塑剂和溶剂则主要影响生瓷瓷浆的可流延性和流延后生瓷带的可加工性[6]。

在确定材料配方并制备CABS玻璃粉料后[7]，按下述步骤制备流延用生瓷瓷浆：1)称量并加入分散剂、丁酮和酒精到充填有1/3满度研磨介质(Al2O3陶瓷磨柱)的球磨罐中；2)将球磨罐放到卧式辊磨机上，以60 r/mim转速旋辗12～24 h，直到固态分散剂完全溶解；3)称量并加入已在90～100 ℃环境干燥了24 h的玻璃/陶瓷粉料；4)以60 r/mim转速旋辗24 h，使粉料良好地分散；5)称量并加入粘结剂和增塑剂溶液；6) 以60 r/mim转速再旋辗24 h，得到均匀混合的瓷浆；7)倒出瓷浆，在1个真空腔体内以635 mm汞柱的真空度脱泡8～15 min；8) 取样品瓷浆，用Brookfield黏度计和RV-4转轴以20 r/min的转速测量黏度。

在材料配方合理的基础上，适于流延加工的生瓷瓷浆应使所有成分充分混合均匀，有效脱除内部气泡，且黏度在1 500～2 500 MPa·s。LTCC生瓷带流延基本原理如图2所示，在调节好生带流延机的刮刀间隙、流延速度、烘干温度和抽排风量等流延工艺参数后，将混合均匀、脱泡较好、黏度合适的已备瓷浆浇注到流延机料槽中，随着聚酯膜载带的运行，瓷浆从料槽中经刮刀刀口流出，连续平铺淀积在载带表面上，经流延机干燥腔阶梯烘干排除挥发性溶剂，加工出如图3所示的结构致密、表面平整、厚度均匀的LTCC生瓷带。

图2 LTCC生瓷带流延基本原理

图3 流延加工的LTCC生瓷带

2 LTCC性能测试

2.1 LTCC生瓷带及基板样品制备

采用所研制的材料配方及流延工艺，制备3批LTCC生瓷带，编号分别为T1301、T1302和T1303。

分别采用所流延的3批LTCC生瓷带和最常用的进口DuPont 951PT型LTCC生瓷带制备由20层生瓷叠、压、烧的空白LTCC基板样品。具体步骤为：将生瓷带切为130 mm×130 mm的生瓷片后，每种均在揭去聚酯膜后，对准层叠为20层的疏松生瓷坯；先在70 ℃温水中将生瓷坯预热10 min，再以21 MPa等静压层压10 min，制成密实生瓷体；在台面温度70 ℃、刀片温度80 ℃条件下，将生瓷体分切为50 mm×50 mm×2.2 mm的单元生瓷块；最后，按确定的烧结曲线，在大气气氛箱式烧结炉中完成排胶和共烧。

2.2 LTCC基板烧结曲线的确定

采用STA409PC型热重分析仪对所流延的LTCC生瓷带进行热重分析，测试以氮气作为保护气，升温速率为10 ℃/min，测得的TG曲线如图4所示。从图4可以看出，有2个失重台阶，第1个台阶的产生是因为在室温到250 ℃的范围内，生瓷表面吸附水分蒸发和溶剂挥发，导致材料失重3.54%，在172 ℃时有机溶剂的脱除速率最快；第2个台阶位于250～450 ℃，主要是生瓷中各种有机添加剂(分散剂、粘结剂、增塑剂)的挥发和热分解，失重率7.11%，添加剂挥发/分解速率在344 ℃时达到最大。450 ℃后，生瓷中的有机物全部排出，样品质量基本不变，只发生玻璃与陶瓷的熔融结晶反应。

图4 试验LTCC生瓷带的TG曲线

根据测得的TG曲线，并结合生瓷带成分中玻璃/陶瓷粉料的致密结晶特性，及共烧电子浆料的烧结参数要求，制定该生瓷的烧结曲线(见图5)。从图5可以看出，室温至250 ℃的升温速率为3 ℃/min，在250～450 ℃的排胶保温区以0.5 ℃/min的速率缓慢升温，充分排除有机添加剂，然后以10 ℃/min的速率从450 ℃快速升温到最高烧结温度850 ℃，并在此最高温度下保温60 min，使无机材料致密熔合，最后随炉自然冷却至室温。

图5 LTCC生瓷烧结曲线

2.3 LTCC生瓷带及基板的性能测试

2.3.1 LTCC生瓷带的厚度与密度

用测微千分尺测出3批流延生瓷带及951PT生瓷带的厚度，用电子天平称出各批20片(130 mm×130 mm)生瓷带的质量，计算出LTCC生瓷带的密度，计算结果见表1。由表1可知，各批生瓷带厚度均匀性优于±2%。

表1 LTCC生瓷带的厚度与密度测试结果

2.3.2 LTCC生瓷烧结收缩率

用数显卡尺测出3批流延生瓷带及951PT生瓷带制作的切后单元生瓷块及烧后LTCC基板的长度X、宽度Y和厚度Z，计算出LTCC生瓷带在3个方向的烧结收缩率，结果见表2。由表2可知，试制生瓷带与进口生瓷带在每个方向上的烧结收缩率误差均≤0.2%。

表2 LTCC生瓷的烧结收缩率测试结果

2.3.3 LTCC烧成密度

用电子天平称出各批烧后LTCC基板的质量，并用量杯/量筒排水法测出基板的体积，计算出LTCC的烧成密度，计算结果见表3。由表3可知，试制生瓷带与进口生瓷带的烧成密度相差≤0.02 g/cm3。

表3 LTCC烧成密度测试结果

2.3.4 LTCC电学性能

使用Agilent HP4294A型网络分析仪，采用谐振腔法，测试LTCC基板样品的2项主要电学性能，即介电常数εr和介电损耗tanδ，测试频率为1 MHz，结果见表4。试制生瓷带与进口生瓷带相比，烧成后εr减小4.4%，tanδ增大18.2%。这主要是由于两者的无机材料成分与介电性能差异造成的。

表4 LTCC的电学性能测试结果

2.3.5 LTCC热学性能

使用LFA447型导热分析仪，按照ASTM E1461标准，测试LTCC基板样品在主要环境温度点下的热导率λT，结果见表5。

表5 LTCC的热导率测试结果

使用DIL402型膨胀系数测试仪测试LTCC基板样品在主要环境温度点下的热膨胀系数TCE，结果见表6。

表6 LTCC的热膨胀系数测试结果

可以看出，试制生瓷带与进口生瓷带烧成后，在各主要环境温度下的λT和TCE基本相等。

2.3.6 LTCC力学性能

使用WT4002型万能力学试验机，并采用三点弯曲法测试LTCC基板样品的2项主要力学性能，即断裂载荷和抗弯强度，测试结果见表7。试制生瓷带与进口生瓷带相比，烧成后基板的机械强度略高。

表7 LTCC的力学性能测试结果

2.4 LTCC生瓷带的工艺加工适应性

采用与所流延LTCC生瓷带相兼容的DuPont公司LTCC用导体浆料进行填孔与印刷，生瓷填孔后、导电带网印后均在加热60 ℃的大气气氛中干燥15 min。按与上述相同的叠片、层压、热切和共烧条件，完成了尺寸为46.5 mm×20.8 mm×1.0 mm的10层LTCC基板的加工，样品如图6所示。整批60只基板，经外观质量检验和电互连测试后全部合格，满足应用要求，LTCC加工合格率达到100%。

图6 实际产品LTCC基板

3 结语

在生瓷瓷浆合理配方研究与球磨混料制备的基础上，流延加工出CABS玻璃/氧化铝陶瓷复合系LTCC生瓷带。所试制生瓷带与国内最常用的进口DuPont 951PT型LTCC生瓷带相比，在厚度及均匀性、密度符合度和烧结收缩率方面相当；在烧成LTCC基板的介电常数和介电损耗方面，分别最多相差4.4%和18.2%；在各主要环境温度下的热导率和热膨胀系数基本相等，断裂载荷和抗弯强度略高。试制生瓷带的材料兼容性和工艺加工性良好，达到了高性能MCM-C用多层LTCC基板的使用要求。

[1] 杨邦朝，张经国. 多芯片组件(MCM)技术及其应用[M]. 成都：电子科技大学出版社，2001.

[2] 何中伟. 低温共烧陶瓷(LTCC)型MCM[J]. 集成电路通讯，2001，19(3)：1-10.

[3] 杨娟，堵永国，张为军，等. 低温共烧基板材料研究进展[J]. 材料导报，2006(10)：12-16.

[4] 毛兴龙，周洪庆，赵建新，等. 烧结温度对硼硅酸盐玻璃/氧化铝复相陶瓷性能的影响[J]. 电子元件与材料，2012，31(10)：9-11.

[5] 吴锦波，孙成礼，周晓华，等. 低温烧结CaO-B2O3-SiO2玻璃陶瓷及其性能研究[J]. 电子元件与材料，2013，32(2)：3-6.

[6] Richard E M，Eric R. Tape casting theory and practice[M]. Westerville：The American Ceramic Society，2000.

[7] 于轩，周洪庆，谢文涛，等. CABS玻璃粉对复合陶瓷生瓷带及其烧结的影响[J]. 电子元件与材料，2014，33(3)：15-19.

责任编辑李思文

ResearchonLTCCTapeCastingProcess

HE Zhongwei1，ZHOU Hongqing2，WANG Hui1，LI Ran1

(1. Micro Electronics Institute, China North General Electronics Group Co., Ltd., Suzhou 215163, China；2. College of Material Science and Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China)

A borosilicate glass/alumina composite LTCC tape was casted successfully by proper material ingredient blending, effective and thorough ball mixing, as well as accurate process parameter controlling, the LTCC substrate co-firing temperature curve was determined by TGA (thermo-gravimetric analysis), the properties of our developed tape and DuPont 951PT tape and their co-fired LTCC substrates were tested by contrast, the LTCC manufacturing adaptability of the developed tape was checked. The results showed that the developed tape and 951PT tape had well-matched outward quality, thickness, green and fired bulk density and fired LTCC substrate thermal properties, but their dielectric constants and dielectric losses were a bit different, and the developed tape was a little stronger mechanically，its LTCC manufacturing adaptability had met the requirements of actual application quite well.

LTCC，slurry，green tape，casting，TG analysis，property test

TN 604

：A

何中伟(1962-)，男，研究员级高级工程师，主要从事混合集成电路及多芯片组件工艺技术等方面的研究。

2014-07-29