LTCC基板错层问题分析及改善对策

秦惠

摘 要：针对LTCC（低温共烧陶瓷）电路基板射频层在烧结后露出带线的问题，从打孔设备、二次开腔、印刷、叠片精度等方面寻找原因、确定造成错层问题的原因，验证错层对电路性能的影响，制定改善对策，从而提高产品成品率和产品质量。

关键词：LTCC基板;成品率;射频层错层;改善对策

1.概述

LTCC（低温共烧陶瓷）是一种在低温条件下（≤1000℃）将低电阻率的金属导体和陶瓷基体材料共同烧结而成的多层结构。LTCC（低温共烧陶瓷）技术已逐渐走上成熟，它在许多领域如通讯、数据传输与处理、汽车电子、单晶硅太阳能等方面得到广泛应用。特别是在高可靠性、高组装密度及内埋元件技术方面有着明显优势，使得LTCC技术成为国内外高频、高集成度军事电子装备的关键技术之一。

我所LTCC生产线是国内第一条面对毫米波频段的LTCC基板生产线 ，整条LTCC生产线按照毫米波频段LTCC电路基板需求进行规划建设，具有精度高、一致性好的特点，生产线设备先进、配套完善。

在基板制造过程中发现LTCC基板射频层错层，即表面接地层未完全盖住射频层电路，造成误差。LTCC 基板的生产制造工艺复杂， 影响错层的因素众多，其中主要的是打孔及开腔、印刷和叠片等工序。本文针对LTCC基板错层问题进行分析、制定改善对策以及错层对电路性能的影响验证。

2.LTCC基板错层问题分析

某型用于毫米波组件的带腔体多层 LTCC基板，采用了 Ferro 公司A6 M 生瓷带。基板集成了天线和 TR，空腔层为1-6层，射频层为第4层，再安装相应芯片，实现电路性能。该 LTCC 基板制造工艺流程下图所示。

在叠片后发现了错层现象，也就是基板开腔层和腔体底部层发生了错位现象，底层白色区域本来应被上层盖住， 但是因为发生了错位而露出。

现阶段，二次开腔为机械冲针拟合开腔，首先考虑冲孔机精度误差的影响。对冲孔机的二次开腔的定位与沖孔精度误差着手。一次打孔的定位工作方式是：首先将生瓷片吸附固定然后移动到工作台的中心，工作台中心位置就是坐标原点，以此中心为原点建立坐标。 二次打孔的定位工作方式是：定位孔坐标分别是（-85，0）（0，-85）（85，0）（0，85），机器会先识别读取这四个点的位置，然后确立中心坐标原点位置。下表为开腔精度误差和尺寸误差。

由上表可以看出，二次开腔后尺寸误差最大约80μm，存在造成错层的可能。

其次，是否由于印刷图形位置发生了偏移。对印刷网版的精度进行了测量， 同时测量相关层上印刷图形的位置精度， 结果显示其精度都在 ± 10 μm 左右， 在正常范围内。因此可以排除印刷图形精度的原因。

最后，是否因为叠片过程中发生了偏差。验证叠片精度，精度一般在10μm内，叠片精度在要求范围内。

综上所述，机械冲孔机二次开腔拟合造成二次开腔尺寸误差大，在叠片烧结后形成错层现象。

3.LTCC基板错层问题改善对策

针对目前LTCC基板生产过程中二次开腔精度误差大造成错层的问题，采用激光加工技术替代传统机械冲针加工空腔，为此需要采购紫外纳秒激光加工LTCC生瓷。

激光加工生瓷主要技术指标如下：

1.二次对位开腔位置公差≤±35μm（127μ厚Ferro A6M生瓷片不带膜）;

2.二次对位开腔尺寸公差≤±30μm（127μ厚Ferro A6M生瓷片不带膜）;

3.可加工最小孔径100μm（127μ厚Ferro A6M生瓷片不带膜）;

4.可加工最小线宽/线间距50μm/50μm（Au、Cu材质）;

5.加工导电图形线宽公差≤±10μm（Au、Cu材质）;

6.开腔效率提高≥100%（相比机械冲针开腔）。

采用紫外纳秒激光加工后，二次开腔精度如下：

由上表可以看出，紫外激光二次开腔，精度为±5μm内，并且在叠片后无错层现象。

4.LTCC基板错层对电路的影响

验证错层对电路性能的影响，将错层尺寸较大的LTCC（如：60μm、70μm、80μm），装机进行综合性能测试，以验证错层边对性能指标的影响。

装机测试情况：对不同程度错层（露白约60μm、70μm、80μm）的LTCC进行了无源测试，如图3所示，每种装机了2套TR进行测试。

仿真测试：对错层宽度>50μm的LTCC基板进行仿真，如图4所示，确定其它关键性能是否符合要求。（50～90um;和>90um）

仿真结果：

1.错层小于90μm时，对传输以及反射影响很小。

2.错层大于90μm后对传输影响小，但是反射影响大。

对位精度检测：将错层大于50μm的进行破坏切割精度检测，如图5所示，对位精度在正常范围内。

综上，错层精度小于90μm的对电路性能无影响，错层精度大于90μm的对电路性能有一定影响。

5.结束语

本文针对 LTCC 基板生产过程中遇到的错层问题， 从打孔及二次开腔误差、印刷误差、叠片误差等几个关键工序进行分析，最终找到了产生误差的根本原因，机械冲孔拟合开腔而产生的累积误差，提出了采用紫外激光开腔解决了机械冲孔开腔的缺陷， 同时验证了错层对电路性能的影响。本文的改善方法给LTCC基板和质量的提高带来了一定帮助，给相关方面的研究带来一定的参考价值。

参考文献：

[1]今日佳彦.《多层低温共烧陶瓷技术》.科学出版社.2010.

[2]卓良明.《LTCC基板缺陷分析及改善对策》.2019.

（中国电子科技集团公司第十研究所  四川  成都  610036）