烧结工艺对LTCC基板质量影响分析

2017-04-24马其琪贾少雄

电子与封装 2017年4期

关键词：层压通孔浆料

时璇，马其琪，李俊，贾少雄

（中国电子科技集团公司第二研究所，太原030024）

烧结工艺对LTCC基板质量影响分析

时璇，马其琪，李俊，贾少雄

（中国电子科技集团公司第二研究所，太原030024）

烧结是LTCC生产的特殊过程。烧结不仅影响着基板的外观、尺寸，还会对基板的电性能产生重要影响。烧结工序对基板质量的影响不仅要从烧结本身的参数来分析，而且也要对LTCC生产过程中的其他工序进行综合分析。这样不仅能找出基板质量问题产生的原因，同时也能防微杜渐，在生产过程中将质量隐患遏制在萌芽阶段。

LTCC基板；烧结

1 引言

在LTCC生产中，烧结既是关键工艺又是特殊工艺。烧结是LTCC由生瓷片变成基板的最后一个阶段。生瓷片在烧结过程中不仅进行着物理变化同时伴随着一系列的化学变化。烧结决定着LTCC基板的外观、密度等参数。

通常，基板质量问题往往体现在烧结工艺，包括LTCC基板的尺寸、翘曲度[1]、外观等问题。但是LTCC生产是一个由量变到质变的过程，烧结前的工序引起的质量问题起初难以发现。我们通过分析烧结原理，结合前几道工序的特点，挖掘整个LTCC生产过程中质量问题的起因，为LTCC生产提供有效的理论依据。

2 烧结工艺参数对产品的影响

烧结[2]是一种由粉状材料转变为块状材料的不可逆过程。烧结后的基板显微结构由晶体、玻璃相、气孔以及金属导体部分组成。烧结过程直接影响显微结构中的晶粒尺寸和分布、气孔尺寸和分布以及晶界体积分数等。

如图1所示，烧结过程中主要的物理变化有：（1）颗粒间接触面积扩大；（2）颗粒互相聚集；（3）颗粒中心距逼近；（4）逐渐形成晶界；（5）气孔形状变化；（6）体积缩小；（7）从连通的气孔变为各自孤立的气孔并逐渐缩小，最后大部分甚至全部气孔从晶体中排出。

LTCC烧结属于液相烧结。有液相参与的烧结过程，烧结温度超过粉料中的易熔组分或低共熔混合物的熔点，在出现一定数量液相的情况下，通过物质传递而完成体积收缩和致密化过程。固体间物质传递是烧结的关键，主要途径有扩散、粘性流动、蒸发沉积和溶解积聚。

图1 液相烧结物理变化

玻璃相在烧结中不仅是基板结构的主要组分，对LTCC基板电性能也有重要影响，还能促进导体固体颗粒之间的烧结。LTCC浆料固体颗粒系统是高度分散的粉末系统，具有很大的表面自由能。其原因是固体颗粒具有很大的比表面积，具有极不规则的复杂表面状态。粉料愈细，由曲率引起的烧结推动力愈大。实际生产过程中，粉料愈细，尺寸收缩越大。

一般的，烧结工艺参数主要是指升温速率、排胶温度、排胶时间、烧结温度、烧结时间、降温速率等。

升温速率、排胶时间、排胶温度对烧结的影响主要体现在烧结前期阶段。在这个阶段，基板内部粘结剂脱离并排出基板。升温速率直接影响着排胶速率，排胶速率过快，会因基板各部分致密化程度不同导致应力来不及消除而产生翘曲。升温速率还与基板开裂有一定关系，此时基板各部分致密化完成度不同，因此基板翘曲断裂面的特征是比较粗糙，容易观察到各层的间隙。排胶速率过快会导致基板起泡、分层，排胶速率应在0.2～2℃/min，升至2～5 h，以保证在此温度范围内烧尽有机物。

烧结温度、烧结时间、降温速率主要影响LTCC基板残余应力甚至成品率。对LTCC基板而言，基板中央由于通孔金属化和印刷浆料的原因，经过层压后的密度远大于基板四周的密度，因此收缩时相同的降温速率所引起的位移也不同，当降温速率过快时，可能会造成基板开裂。经过观察断裂面可以发现，断裂处比较平滑，看不出各层的间隙。原因应当是烧结后期晶界已形成，生瓷各层之间已融合，致密化也已完成。

3 LTCC工序对烧结工艺的影响

打孔[3]是LTCC基板生产的第一步工序。在LTCC生产过程中，生瓷片经过打孔，基板外形尺寸基本确定。通孔精度质量影响着通孔金属化的精度与质量，进而影响烧结后的产品外观（漏孔、孔凸起）以及基板互连线或通孔的通断。

图2 LTCC基板生产工序

通孔金属化应当是LTCC生产中的关键工艺之一。通孔金属化的填充质量对基板质量的影响体现在以下几方面：（1）例如浆料填偏会导致烧结后基板开路；（2）如图3所示，浆料漏填或者不饱满不仅会导致烧结后基板外观凹坑，同时也可能导致基板开路；（3）通孔金属化的填充浆料是影响基板质量的重要因素之一。填充浆料与印刷浆料和生瓷片收缩率的匹配性可能引起LTCC基板分层以及基板在后烧时孔凸起的现象。

图3 通孔金属化浆料特性与孔特征关系

通孔整平质量也是基板焊盘孔凸起的因素之一；整平后若是生瓷表面清理不干净，可能会导致基板短路。

印刷工艺与烧结工艺的关系主要体现在印刷质量将直接影响基板外观，例如焊盘、导线是否缺失。印刷导线的精度会影响导线与通孔的通断性能。

印刷浆料与生瓷片的匹配是影响基板质量的关键因素之一。基板与浆料的烧结特性不匹配会导致5种失效：垂直开裂、内部分层、翘曲变形、表面起泡、环形脱层。一般的，不同印刷浆料的收缩率差别较大的不建议同时使用。例如，金铂钯浆料与金浆的匹配一致性不好，背面印刷金铂钯浆料，腔体内部印刷金浆，烧结会导致腔体鼓包，电阻浆料的收缩率与生瓷的收缩率不匹配会导致电阻部分大面积鼓包。这种影响对于层数较少的基板尤为明显。

与基板质量息息相关的还有叠片工艺，主要体现在叠片的精度以及层压的参数设置。叠片精度差，通孔之间很可能形成断路等，造成基板开路。层压参数的设置，例如层压压力的大小会直接影响基板烧成后的尺寸。根据生产流转状况调节层压参数是改善基板烧成尺寸的重要手段。

4 产品质量问题分析

由于烧结工艺导致的基板不合格问题有翘曲、背部抓痕、分层、开裂、起泡、鼓包等。

影响基板翘曲的因素主要有排胶速率和烧结环境。排胶因素对基板翘曲度的影响主要是排胶不完全，体现在升温速率过快导致的排胶速率过快，排胶温度不足导致的排胶不完全等。烧结环境主要是指承烧板对基板的影响，如果承烧板与基板之间的摩擦力过大，会使基板收缩时底部浆料卷起形成堆积，基板软化后形成翘曲，改善的办法可以是在石英承烧板上涂抹氧化锆粉或者更换承烧板。

背部抓痕主要是由于产品质量过重以及承烧板摩擦力过大引起的。例如某产品层数多，质量大，抓痕现象比较严重；层数少质量小的产品出现的抓痕较少。改善烧结环境与上面改善翘曲的办法基本相同。

基板分层现象一般是由于生瓷浆料不匹配以及层压不实造成的。生瓷浆料的匹配性需要专门的试验来测定。080浆料和025与其他浆料的匹配性差（金浆收缩率大于生瓷和020浆料），大面积印刷导致产品内部分层。因此改善基板分层问题，需减少在内部大面积印刷080浆料、025浆料或改为398银浆或者使用全金系进行产品生产。另外由于层压不实造成的基板分层，需要定时对层压机进行维护保养及检修。

基板开裂的原因主要有升温速率和降温速率太快或者承烧板温度不均匀等。针对不同产品设置不同的烧结曲线，需要针对产品特性对曲线做出调整，达到最优烧结曲线，这也是目前烧结工艺最重要的工作之一。对烧结炉进行定期点检维护，经常检测烧结炉状态，将烧结炉环境因素对基板的影响降到最小。

电阻部分鼓包的原因也是由于电阻浆料与其他浆料不匹配造成的，电阻浆料收缩率相较于其他浆料大，因此同样的烧结环境下，电阻部分的位移比其他部分大，因此造成电阻密集部分鼓包或者翘曲。

5 结论

烧结是LTCC生产工序中最复杂的一道工序，打孔、填孔、印刷、叠片层压也会对烧结产生不同程度的影响。我们通过大量生产实践和实验分析得知，前几道工序中一旦有环境的变化，浆料匹配的变化或者层压压力的细微变化都能引起烧结的变化，从而影响基板质量。因此，严格把控各个工序质量关，才是保证生产质量的前提。

[1]郎鹏.微组装中的LTCC基板制造技术 [J].电子工艺技术，2008，29(1).

[2]宋晓岚，黄学辉.无机材料科学基础[M].北京：化学工业出版社，2010.

[3]吕琴红，李俊.低温共烧陶瓷（LTCC）工艺的研究[J].电子工业专用设备，2009，10.

Influence Analysis of Co-firing Technology on LTCC Substrates

SHI Xuan,MA Qiqi,LI Jun,JIA Shaoxiong

（China Electronics Technology Group Corporation No.2 Research Institute,Taiyuan030024,China）

Co-firing,serving as a special process in LTCC manufacturing,determines the appearance and size of LTCC substrates and influences electrical property.The influence of co-firing entails detailed analysis on curve parameter and other processes during LTCC manufacturing.Then it will be easy to locate quality problems before delivery.

LTCC substrate;co-firing