浅谈LTCC工艺及设备的发展

吕琴红，乔海灵

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

浅谈LTCC工艺及设备的发展

吕琴红，乔海灵

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

低温共烧陶瓷(LTCC)技术作为一种新兴的集成封装技术，已成为无源集成的主流技术，在微电子封装陶瓷基板领域得到非常广泛的应用，并随着陶瓷基板集成度的不断提高，对工艺和设备的要求也在发生变化。本文就多个关键工序中工艺和设备的发展趋势进行了研究，并提出了一些工艺难点的解决办法。

低温共烧陶瓷；LTCC工艺；LTCC设备

近年来，LTCC作为一种先进的集成技术，在军用和民用领域逐渐得到广泛应用，随着LTCC功能模块的集成度越来越高，LTCC工艺也在逐步的改进。国内多家研究所设备不同，采用的工艺各不相同，如图1所示，三种不同的工艺流程，与之对应的是三种不同的工艺设备。

图1 LTCC工艺流程

LTCC技术在国内经过了十几年的发展，早期从实验室开始，多个工艺手工完成，逐步发展为半自动设备，部分手工操作由设备代替；目前各个工艺开始向自动化操作转移，由于人工成本的不断增加，而且手工操作对生瓷片的精度有影响、一致性差，越来越多的公司院所开始向全自动生产线发展，同时由于产能的扩大，设备也逐渐向高精度、高效率、多功能、自动化方向发展。

本文将主要介绍LTCC工艺线上主要工艺及相应设备的发展。

1 切片

国内早期的LTCC工艺线上，切片机不是必需的设备，切片主要由操作工手工完成，或者直接买来对应尺寸生瓷片。近几年，切片机不断成为各条生产线不可或缺的设备，主要原因为：产能的不断扩大；全自动冲孔机要求生瓷片的一致性越来越高；配套流延设备的用户越来越多。

切片工艺需要注意的几点：送料过程中除静电；切片后的生瓷片边缘碎屑的清理。

2 冲孔

冲孔是LTCC生产线上最关键的工艺，对应设备冲孔机也是最重要的设备。目前有两种冲孔方式，机械冲孔原理如图2所示，激光冲孔原理如图3所示，两种模式的具体区别如表1，虽然机械冲孔相对激光冲孔速度慢，但由于机械冲孔后孔的形状好并且更适应后道填孔印刷工序，所以机械冲孔是各用户主要采用的冲孔方式。上世纪90年代国内各军工院所第一代的冲孔机均是带框冲孔，即生瓷片通过胶带固定在一个金属框上冲孔，而且这种方式一直沿至今。本世纪初，第二代LTCC工艺设备出现，主要表现为冲孔机的冲孔方式的改变，由过去的带金属框改为了直接真空吸附生瓷片冲孔，省去了贴金属框和取金属框的工序。

近两年，随着无源集成组件的集成度增加，结构更加小型化复杂化，LTCC基板中腔体密度越来越大，腔体形状发展到包括通腔、盲腔和阶梯腔等不同类型，一种新的工艺方式应运而生—无框无膜工艺，以Ferro公司A6-M系生瓷片制做的组件为例，该型号生瓷片冲孔前先撕掉PET膜，让生瓷片的变形量自然释放，冲孔时机械手直接吸附生瓷片，冲孔机完成定位孔、工艺孔、导电孔以及各种腔体的冲制，冲孔后再贴一层PET膜，所贴的PET膜粘性小于撕掉PET膜的粘性，方便在叠片时再次撕膜。这种工艺的优越性：冲孔前撕膜，变形提前完成，收缩率容易控制；可一次性将所有孔及腔体冲制完成，孔位置精度高；冲孔后贴膜填孔效果好；冲孔后贴膜印刷，避免多腔体生瓷片印刷后粘在网版上。

图2 机械冲孔 图3 激光冲孔

表1 冲孔方式对比

无框无膜工艺的发展，使撕膜机和贴膜机成为LTCC工艺线上不可或缺的设备。为了适应这种工艺，冲孔机也在局部结构上有所变化，在自动上下料的过程中，为方便不带PET膜的生瓷片的取放，在上料盒中，相邻两层生瓷片中均由一张白纸隔开，并由不同的光电开关检测纸与生瓷片，这种方法同时避免了真空吸附机械手一次吸两片生瓷片的可能。

在LTCC工艺中，由于目前主要采用的生瓷片均为进口的Dupont公司的PT951或Ferro公司A6-M，两种生瓷片的厚度均在0.1 mm～0.2 mm之间，带框和无框工艺相比差别甚微。值得一提的是，在HTCC工艺中，由于一些用户的生瓷片较厚或太薄，如有的厚度达到0.7 mm(可由两层叠压到一起)，有的厚度薄到0.01 mm，这两种情况下，均需采用带框工艺冲孔，如采用无框工艺，厚的生瓷片因太重会在冲孔过程中掉下来，薄的生瓷片则由于易变形导致冲孔精度低。

3 填孔和印刷

填孔工艺目前有两种设备：填孔机和印刷机。目前各家用户所用到的填孔机均为手动或半自动设备，生产效率低，在量产生产线中一般用印刷方式完成填孔，印刷原理如图4所示。

图4 印刷原理图

印刷机做填孔和印刷工艺时，生瓷片的离网距离和刮刀速度均不相同，具体参考如表2所示。普通产品印刷后需静置5～10分钟，目的是为了让浆料充分流动，然后再进行烘干，大面积的叠层印刷后需静置1～2小时，再进行干燥。如果一层生瓷片需印刷两次以上，为了保证印刷精度，建议印刷几次，冲孔时就完成相应数量的定位孔，每次印刷使用其中一组定位孔。

表2 印刷填孔工艺条件

丝网是印刷的基础。选择适当的丝网是一个不可缺少的环节。由于丝网印刷的适用范围非常广泛，所以与之有关的因素也就是多方面的。在选用丝网时，就要根据具体情况以及印刷要求，来选用不同的丝网，通常在选用丝网时可以从以下不同的角度去考虑。

1) 根据承印物的种类选用丝网。

2) 根据油墨性质选用丝网，不同油墨有不同的适应特性。

3) 根据丝网材质和性能选用丝网，选用时要考虑丝网本身的材质和物理性能，根据不同的性能选择相应的丝网。

4) 根据印刷要标选用丝网，选用时要考虑印刷速度，印刷压力，印版的耐印力，承印物吸收能力。

尼龙丝网是由化学合成纤维制作而成，属于聚酰胺系。尼龙丝网具有很高的强度，耐磨性、耐化学药品性、耐水性、弹性都比较好，由于丝径均匀，表面光滑，故浆料的通过性也极好。其不足是尼龙丝网的拉伸性较大。这种丝网在绷网后的一段时间内，张力有所降低，使丝网印版松弛，精度下降。因此，不适宜印制尺寸精度要求很高的线路板等。

不锈钢丝网是由不锈钢材料制作而成。不锈钢丝网的特点是耐磨性好、强度高，技伸性小；由于丝径精细，浆料的通过性能稳定，尺寸精度稳定。其不足是弹性小，价格较贵，丝网伸张后，不能恢复原状。不锈钢丝网适于高精细的印刷。

印刷网版与生瓷片之间要留一定的间隙是由印刷所具有的特点决定的。印刷网版是以丝网为版基的，丝网被绷在网框上，当丝网处在水平状态时由于自重会出现一定的下垂。特别是在刮印过程中，下垂量还会增大，为了使生瓷片在刮印时不粘浆料从而保证印刷质量，印刷网版的最低部分必须离开生瓷片。在印刷中，刮板与印刷网版是移动性线接触，印刷网版与刮刀在刮印前和刮印后不能与生瓷片接触，特别是印刷网版随刮刀移动而离开承印物，如果印刷网版在印刷前始终不离开印刷部分，就会出现浆料继续渗透并扩散造成图形线条尺寸扩大，使得印刷尺寸精度下降，印刷图形失真。

4 叠片

针对目前各用户常用的Dupont公司的PT951或Ferro公司A6-M的生瓷片，对应了两种叠片机，BICINNI公司的叠片机采用了点加热和点加压的方式使相邻两层生瓷片叠在一起，但这种叠片原理不能满足Ferro公司A6-M的生瓷片的要求。对于目前大量应用A6-M生瓷片的用户，除使用机械定位叠片外，多采用日本NIKKISO公司的叠片机，这种叠片机通过点胶使两层生瓷片连接在一起。两家公司设备价格都很昂贵，以下介绍一种简单的手工叠片方式，可作为实验型或者产量不大的情况使用。

以6英寸陶瓷基板为例，可用一块厚度为10 mm的不锈钢板，如图5所示，不锈钢板上配套有对应的定位销孔，如图6所示，在冲孔时，每层生瓷片均要冲出和不锈钢板对应位置的孔，叠片机先将定位销插入不锈钢板，然后依次小心将生瓷片按顺序叠放在不锈钢板上，生瓷片上的孔与定位销稳合，叠片后状态示意如图7所示。

图5 不锈钢板 图6 定位销 图7 叠片后状态示意

手动叠片仅实现生瓷片的对位，真正叠到一起需和温等静压相结合，通过层压使生瓷片叠成一个完整的坯体。

5 层压

对于层压工序而言，由于基板设计的层数、腔体的深度和种类逐渐增加，更重要的工作是腔体的填充和层压前的包封，深腔和浅腔、通腔和盲腔以及阶梯腔，填充方式各不相同，深腔可用道康宁胶或金属填充物填充，浅腔基板可直接用一种硅胶皮包裹再用包封袋真空包装。腔体种类形状不一，具体填充还需根据实际情况来定。Dupont公司的PT951或Ferro公司A6-M的生瓷片层压参数不同，可按表3参考。

表3 层压参数参考

6 关键设备的发展

工艺的发展带动设备的发展，目前国内用户LTCC生产线的设备选型趋于多元化，尤其近两年，德国设备的进入以及国产设备的发展，打破了日系设备占主导地位的局面。目前主要的几大设备商见表4所示，用户可按不同的工艺选择不同的设备。

7 结束语

无论在军用还是民用方面，LTCC技术正在以飞快的速度应用在许多领域，在未来几年中将需要大量的LTCC 生产线来满足日益增长的产量要求，LTCC工艺也将不断改进以适应无源模块高密度集成和小型化的需求，同时工艺的变化也在促进设备的日新月异。未来将会出现更先进的工艺、更先进的设备来满足市场。

表4 关键设备厂商

[1] 钟慧，张怀武.低温共烧结陶瓷(LTCC)特点应用及问题[J].磁性材料及器件,2003,34(4):33-35.

[2] 何中伟，王守政.LTCC基板与封装的一体化制造[J].电子与封装，2004,4(4):20-23.

Development of LTCC Technology and Equipment

Lv Qinhong, Qiao Hailing

(The2ndResearchInstituteofCETC，TaiyuanShanxi030024,China)

Low-temperature co-fired ceramic (LTCC) which is taken as a kind of integrated packaging technology has become the mainstream technology of passive integration and is widely used in the field of microelectronic packaging ceramic substrate, also with the constant improving of ceramic substrate integration, requirements for processes and equipment are also changing. The paper makes some research on the development trend of techniques and equipment in multiple key processes, and some solutions are put forward on the technological difficulties.

LTCC; LTCC process; LTCC equipment

2017-05-10

吕琴红(1976- )，女，高级工程师，主要从事微组装和LTCC工艺设备的研发。

1674- 4578(2017)03- 0094- 03

TN405

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