LTCC层压工艺对垂直互联柱错位的影响

罗天宏，廖志平，周德俭

（桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林 541004）

LTCC层压工艺对垂直互联柱错位的影响

罗天宏，廖志平，周德俭

（桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林 541004）

针对垂直互联柱在LTCC层压过程中产生错位的问题，采用ANSYS有限元仿真软件建立了一种LTCC微波组件的三维模型，分析了LTCC层压工艺参数与垂直互联柱错位的关系。分析结果表明：材料在层压过程中产生的粘性变形是最终导致垂直互联柱产生错位的原因，压力是导致垂直互联柱产生错位的主要因素；选用压力10MPa、温度50℃、时间6 min的层压工艺参数组合，得到的直径0.26mm的垂直互联柱错位度为1.39%。

LTCC；层压工艺；垂直互联柱；错位

随着电子信息产品向数字化、网络化、集成化、便携化方向发展，复合元件和集成无源元件已经成为电子元件发展的主要方向［1］。低温共烧陶瓷（low temperature co-fired ceramic，简称LTCC）以其优越的电气特性和先进的制作工艺在高密度和高频应用领域备受关注。为适应高互联密度电路的需要，现已开发出多种基于LTCC的精细互联技术。采用垂直互联柱进行电气互联、导热的LTCC集成系统具备集成度高、互联线短、高频性能佳等优越特性。垂直互联柱在实现系统高度集成的同时，利用其导热连接可有效地解决系统散热问题，近年来得到了快速发展与应用。然而，高密度互联封装对LTCC多层基板内部垂直互联通孔的制作工艺提出了更高要求。在制作过程中，垂直互联柱若产生错位，将使得LTCC内部电气互联系统出现断路或短路，并大大降低系统预期的导热效果。

目前对LTCC内部垂直互联柱错位的研究主要集中在LTCC生瓷带叠片工艺中对位精度不足所产生的错位。张长凤等［2］针对垂直互联柱错位失效问题，提出了容差布线设计方法，并通过增加光学对位系统对叠片工作台进行改进，获得了良好的对位效果。关志雄等［3］对生坯成型工艺进行改进，通过增加透光孔、充分排除层间空气和进行二次层压等方式，有效抑制了垂直互联柱错位的产生，提高了对位精度。

然而，即使在叠片工艺中已将垂直互联柱精确对位，但垂直互联柱在LTCC层压过程中，也容易在压力施加下产生错位。为此，通过有限元软件ANSYS，建立LTCC微波组件的三维模型，对LTCC层压工艺过程进行仿真，分析LTCC层压工艺参数对垂直互联柱错位的影响，以得到错位度较小的LTCC层压工艺参数。

1 LTCC层压工艺

LTCC层压采用温水等静压：将制作好垂直互联柱的生瓷片对齐叠放后，用真空袋包裹放入温水等静压设备中进行等静压。温水等静压是利用帕斯卡原理，将水或油加热到一定温度，并保持恒温，然后使受压工件置于液体中，使其各方向受到等值压力。采用温水等静压得到的产品密实性更好，强度也更高［4］。

本研究将层压工艺中的LTCC生瓷片材料处理为线性粘弹性材料［5］。目前的ANSYS有限元软件采用广义的Prony模型描述材料的粘弹特性，广义的Prony模型与广义的Maxwell模型具有相同的数学描述，能很好地反映材料的粘弹特性。用Prony级数表示粘弹性属性的基本形式为：

其中：G（t）为剪切松弛核函数；K（t）为体积松弛核函数；G∞为剪切模量的稳态值；Gi为第i阶Prony级数的剪切模量；K∞为体积模量的稳态值；Ki为第i阶Prony级数的体积模量；nG、nK为各Prony级数的阶数；τiG、τiK为各Prony级数分量的松弛时间；t为当前时间。

2 仿真模型

LTCC微波组件由25层单层厚度为0.127mm的LTCC生瓷片叠层制作而成，总厚度为3.175 mm，长宽为50mm×40mm，如图1所示。LTCC微波组件内含有垂直互联柱与微通道结构。垂直互联柱直径为0.22mm，共有256条导电柱和256条导热柱，导电柱将各层LTCC上的电路实现电气互联；导热柱连接大功率芯片与支流道，将芯片产生的热量导入支流道，起散热作用。微通道是液冷散热通道，含2条主流道和8条支流道。微通道内部填充牺牲材料，以防层压过程中通道变形。由于该LTCC微波组件结构对称，而层压工艺的载荷与边界条件也对称，为节约仿真计算时间，采用整体的1／2模型进行仿真分析。

图1 LTCC微波组件Fig.1 LTCC microwave component

3 仿真分析

3.1 典型LTCC层压工艺中垂直互联柱错位分析

LTCC层压工艺过程需考虑压力、温度和时间3个主要工艺参数。行业中普遍适用的典型层压工艺参数为：压力20MPa，温度70℃，时间10min［6］。层压工艺分为升温升压、保温保压、降温降压3个阶段。在典型的层压工艺下，对LTCC微波组件进行仿真，组件内部垂直互联柱错位度最大的部位如图2所示。通过计算得到典型层压工艺下垂直互联柱最大错位度为3.79%。

图2 典型层压工艺的错位最大部位Fig.2 The biggest misalignment part of typical laminating process

提取层压工艺中各载荷子步的最大错位度，得到垂直互联柱最大错位度的变化情况，如图3所示。从图3可看出，在升温升压阶段（载荷子步0～5），材料产生弹性变形和粘性变形，垂直互联柱的错位度随着温度和压力的上升而显著增大。当温度与压力上升到设定值后，进入保温保压阶段（载荷子步5～25），此时虽然温度与压力不再继续增加，但温度与压力都持续保持在最大值状态，垂直互联柱产生蠕变，使得错位度随着时间的增加而缓慢增大。最后进入降温降压阶段（载荷子步25～30），随着压力的下降，材料发生回弹现象，垂直互联柱由于弹性变形产生的错位消失，最终仅留下了因粘性变形产生的错位，这说明材料在层压过程中产生的粘性变形是导致垂直互联柱产生错位的原因。

图3 垂直互联柱错位度变化图Fig.3 Change of vertical interconnection column misalignment

3.2 正交试验优化层压工艺

正交试验设计与分析方法是目前最常用的工艺优化试验设计与分析方法，是一种高效处理多因素优化问题的科学计算方法［7］。正交表不仅能大大减少试验次数，而且还能通过试验分析找到较优的试验点（即使不包含在正交表中）［8］。

LTCC层压工艺中，压力的主要作用是提高机械啮合强度，压力太小，生瓷片压合不好，会出现分层，压力过大，则排胶时会起泡分层，故压力一般取10～30MPa。温度的主要作用是提高粘结剂的活性，温度太低，生瓷片粘结不好，会出现分层，温度过高，则生瓷片在压力下容易变形，故温度一般取50～90℃。时间的主要作用是提高层间胶结程度，时间太短，生瓷片压合程度不够，会出现分层，时间太长，生瓷片容易蠕变，故时间一般取6～14min。符合取值范围的层压工艺，层压后所得产品粘结强度较好，不易产生分层与变形。依据层压工艺参数取值范围，并增加垂直互联柱直径参数，设计的L9（34）正交试验表如表1所示。

表1 正交试验表Tab.1 Orthogonal experiment table

依据设计的正交试验，对9组试验进行仿真分析，分别提取各组试验LTCC组件中垂直互联柱最大错位度为试验结果，并对试验结果进行极差分析，结果如表2所示。表2中K1、K2、K3分别为水平1、2、3的某参数所对应的平均错位度，R为极差。

表2 正交试验仿真结果Tab.2 Simulation result of orthogonal experiment

从表2的极差分析可看出，LTCC层压工艺参数中，极差值从大到小的顺序为：压力＞直径＞温度＞时间，且压力的极差远大于时间与温度的极差，所以在LTCC层压工艺参数中，压力参数对垂直互联柱错位度的影响程度最大，且远大于时间与温度的影响程度。

LTCC层压工艺参数水平与垂直互联柱平均错位度关系如图4所示。从图4（a）可看出，垂直互联柱错位度随直径的增加而减小，表明在满足互联密度的前提下应尽量采用大直径的垂直互联柱。从图4（b）可看出，垂直互联柱错位度随层压时间的增加而增大，这是因为在保温保压阶段，层压时间的增加使得材料变形增大，因此，可适当降低层压时间来降低错位度。从图4（c）可看出，垂直互联柱错位度随层压温度的增加而有所增大，但增大的幅度很小，当温度≥70℃时，错位度几乎不再增大。从图4（d）可看出，垂直互联柱错位度与层压压力近似成正比，当压力增加到30MPa时，平均错位度为5.48%，错位较为严重，表明要降低压力以减少错位度，但压力不宜低于10MPa，因为压力过低会产生分层。

图4 LTCC层压工艺参数与垂直互联柱错位度的关系Fig.4 The relationship between LTCC lamination process parameters and vertical interconnection column misalignment

3.3 LTCC层压工艺参数优选

通过正交试验分析得到的最佳层压工艺参数组合为：时间6min，压力10MPa，温度50℃，垂直互联柱直径0.26mm。根据所得最佳LTCC层压工艺参数组合，对该LTCC微波组件进行仿真验证，结果如图5所示。

通过计算得到垂直互联柱的最大错位度为1.39%，相比典型LTCC层压工艺参数组合下3.79%的错位度，减小了2.4%，且将错位度降低到了2%以下。这表明，采用优选的工艺参数，降低了本LTCC微波组件在层压工艺后垂直互联柱产生的错位度。

图5 最佳层压工艺的错位最大部位Fig.5 The biggest misalignment part of best laminating process

4 结束语

利用ANSYS有限元仿真软件建立了一种LTCC微波组件的三维模型，分析了LTCC层压工艺参数与垂直互联柱错位度的关系，并对LTCC层压工艺进行了优化。分析结果表明，采用优化的层压工艺参数可以将垂直互联柱的错位度降低到2%以下。然而，相同层压工艺对不同材料的垂直互联柱错位度影响不同，研究未考虑材料参数对垂直互联柱错位的影响。下一步将结合垂直互联柱的材料参数对LTCC层压工艺参数作进一步优化。

［1］ 杨邦朝，胡永达.LTCC技术的现状和发展［J］.电子元件与材料，2014，33（11）：5-13.

［2］ 张长凤，郭继华，贺志新.LTCC基板垂直互连失效模式分析及应对措施［C］／／中国电子学会第十六届电子元件学术年会论文集，2010：157-161.

［3］ 关志雄，郭继华，刘晓晖.生坯成型过程对LTCC基板连通性的影响［C］／／中国电子学会第十六届电子元件学术年会论文集，2010：162-165.

［4］ 李晓燕，冯哲，张建宏.LTCC层压工艺及设备［J］.电子工业专用设备，2012，10（10）：24-26.

［5］ JONES W K，LIU Y，WANG P，et al.Chemical structural and mechanical properties of LTCC tapes［J］.Micro Electron Packaging，2000：23（4）：669-674.

［6］ MALECHA K，MAEDER T，JACQ C.Fabrication of membranes and micro channels in low-temperature cofired ceramic（LTCC）substrate using novel water-based sacrificial carbon pastes［J］.Journal of the European Ceramic Society，2012，32（12）：3277-3286.

［7］ 刘瑞江，张业旺，闻崇炜，等.正交试验设计和分析方法研究［J］.实验技术与管理，2010，27（9）：52-55.

［8］ 郭新梅.正交试验设计应用要点及其DPS实施［J］.现代农业科技，2012（3）：40-44.

编辑：张所滨

Impact of LTCC laminating process on vertical interconnection column misalignment

LUO Tianhong，LIAO Zhiping，ZHOU Dejian
（School of Mechatronic Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China）

During LTCC laminating process，the vertical interconnection column will generate misalignment.A three-dimensional model of LTCC microwave component is established by finite element software ANSYS，and the influence of LTCC laminating process on vertical interconnection column misalignment is studied.The results show that during LTCC laminating process，the viscous deformation on material eventually leads to vertical interconnection column misalignment.Pressure is the main factor that leads to the misalignment of vertical interconnection column.Laminating process parameters are combined by pressure of 10MPa，temperature of 50℃，time of 6min and diameter of 0.26mm，the vertical interconnection column misalignment is 1.39%.

LTCC；laminating process；vertical interconnection column；misalignment

TN605

：A

：1673-808X（2016）05-0421-05

2016-03-05

国防973项目“多能量＊＊＊研究”

周德俭（1954-），男，浙江金华人，教授，博士，研究方向为微电子组装与封装。E-mail：emezdj＠guet.edu.cn

罗天宏，廖志平，周德俭.LTCC层压工艺对垂直互联柱错位的影响［J］.桂林电子科技大学学报，2016，36（5）：421-425.