LTCC基板激光外形切割研究

乔 璐，李 俊，杨兴宇

(中国电子科技集团公司第二研究所 微组装中心,山西 太原 030024)

0 前言

低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics，LTCC)是首先进行对生瓷进行冲孔，然后将层间互连金属化，并在生瓷表面印刷导体浆料、电阻浆料的电路图形，通过叠片以及等静压的方式压成陶瓷生坯后，在最高温度为800 ℃～950 ℃的低温环境中共同烧结，形成内部多层互连陶瓷基板的一种技术。与其他材料如FR-4等制作的PCB电路板比较，陶瓷基板具有介电常数K较小的优点，在0～100 GHz的范围内介电常数的波动不会超过±0.2，稳定性优异的高频特性，使信号传输损耗低、速度快。另外，LTCC具有优良的热膨胀系数，接近硅和砷化镓；LTCC技术还可以高密度集成，通过内置无源器件，外面在腔体内贴装芯片，提高器件的组装密度[1]。

图1 LTCC基板生产基本流程

目前LTCC技术已被普遍应用于雷达探测、航电系统、武器导引头、卫星空间站等领域。通常情况下，LTCC是在尺寸为203mm生瓷上同时生产若干个相同的电路单元，所以基板完成烧结后需要进行外形切割。外形切割基本上是LTCC生产流程的最后工序，其切割质量和效率直接决定着LTCC基板的成品率和产量。

由于LTCC基板材料是由共价键、离子键或两种化学键结合的物质。在常温下，对外界剪切力的应变很小，且相对于其他材料，LTCC基板材料硬度比较高；并且LTCC晶体离子间由化学键结合而成，化学键具有方向性，原子堆积密度低，原子间距离大，抗拉力或冲击力的能力很低，脆性较大。因此，LTCC基板材料的高硬度及脆性使其可加工性很差，难以抵抗比较集中的应力。容易造成碎裂或者崩边等现象[2]。

LTCC基板切割一般有机械砂轮切割和激光切割两种。机械砂轮切割采用高速转动的树脂刀片对基板进行切割加工。砂轮切割的优点在于切割边缘外观良好，无残余应力，且切割精度相对较高。但是由于基板硬度高，树脂刀片转速高，刀片磨损较快，零备件消耗比较大；再者由于是接触加工，LTCC基板在切割过程中边缘很容易破裂，致使合格率降低。另外，砂轮切割只能进行直线划切，异型基板加工较为受限，加工灵活性较差，影响了切割效率。激光切割具有的单色性好、方向性好、相干性好和高亮度的特征，理论上可以加工任何高硬度高致密的物质。并且加工过程中采用非接触式的切割方式，不存在刀具磨损，可以进行任意形状的异性切割。但激光加工过程十分复杂，激光功率小，切割效率很低；大功率激光加工的热效应明显，存在着崩边裂纹和玻璃熔渣附着的问题。

本文中的切割试验采用的是大族激光的150W的CO2激光切割设备，针对Ferro A6M LTCC基板进行激光切割工艺研究，通过调整激光工艺参数，分析工艺参数对LTCC基板切割宽度、裂纹以及玻璃熔渣的影响规律，对LTCC基板外形切割质量的提升具有一定的帮助作用。

1 基板切割质量分析

1.1 裂纹

一般在进行激光切割时，激光能量施加在材料表面使其发生气化或熔化并被去除形成切缝，完成切割。然而由于陶瓷材料自身较高的热膨胀系数与相对较低的热导率等特点，使其内部化学键断裂。因此在使用激光对陶瓷基板进行加工时，会由于材料局部区域较大的热应力导致裂纹产生，影响切割质量。

1.2 玻璃熔渣

在对陶瓷基板的激光切割中，陶瓷基板被激光加热至熔融状态，然后在辅吹气体的作用下，熔融态的材料就很容易在基片下表面冷却并且黏附凝固形成熔渣。在进行边缘玻璃熔渣清理过程中，锉刀剪切力会对基板结构发生破坏，形成崩边。如何有效去除玻璃熔渣，成为切割质量的一个难点。

2 切割实验

影响激光切割质量的主要有切割速度、脉冲频率、空占比等工艺参数。通过研究激光切割理论，参考以往切割经验，本文运用控制变量法，设计了一系列切割实验。通过理论分析与切割效果比对，得到最优的切割参数。

2.1 切割速度影响

切割速度决定着激光对陶瓷基板表面作用的时间变化，在单位面积上施加的激光能量发生改变。单位时间内，激光能量作用时间减少，基板获得能量密度减少导致材料受热后气化或者融化物质减少，切缝变窄。减小切割速度，会导致激光能量在材料表面停留时间过长，单位时间内获得的能量增加，热效应变大，导致裂纹产生。

图2 空占比30%，频率10 kHz，速度分别为1 mm/s(上左)，2 mm/s(上右)，3 mm/s(下左)和4 mm/s(下右)效果对比

通过实际切割效果比对可以看出，保持空占比和重复频率参数不变，切割速度越大，切割面的粗糙程度越低，当切割速度为4mm/s时，裂纹发生较少，且向内延伸较小，切割效果相对较好。

2.2 重复频率影响

激光是切割加工能量的主要来源，功率大小将直接影响切割时的能量密度。在脉宽和频率一定时，提高输出功率能增大激光束功率密度，较高的功率密度能使加工过程中的切割缝宽及深度增大。

随着脉冲频率的增加，切缝宽度与表面粗糙度值均呈减小的趋势。由单脉冲能量E与输出功率P、脉冲频率f的关系(E=P/f)可知，随着脉冲频率的增加，单脉冲能量减小，光斑重叠度将增大，这对切割表面质量的提高和裂纹的减少起着关键作用。

图3 空占比30%，速度4 mm/s，频率分别为20 kHz(上左)，25 kHz(上右)，30 kHz(下左)，35 kHz(下右)时的效果对比

通过调整脉冲频率，多次试切效果对比，可以看出，当脉冲频率较低时，切缝宽度增加，而且切缝边缘平整度较差;当脉冲频率较高时，切缝边缘的裂纹延伸效果较差。综合上述，选取30 kHz时，切割效果相对较好。

2.3 激光空占比影响

空占比指的是激光一个脉冲的持续时间与激光脉冲周期的比值。空占比的大小影响激光作用过程中的平均功率。

图4 空占比分别为20%(上左)，30%(上右)，40%(下左)，50%(下右)，频率10 kHz，速度4 mm/s效果对比

通过调整脉冲空占比，多次试切效果对比，可以看出，随着空占比的增加，划线宽度是一个先增大、后减小又增大的过程，而划线深度则是一个增大又减小的过程。综合上述，选取30 kHz时，切割效果相对较好。

3 熔渣去除

玻璃熔渣去除一直是影响激光切割质量的一个重要因素。一般的熔渣去除采用的是锉刀手工打磨的办法。但是手工办法的缺点就是对锉刀打磨角度和力度的要求较高，而且当遇到较大的玻璃熔渣时，去除附着熔渣的剪切力较大，由于此时基板周边陶瓷的化学键可能已经断裂，打磨时很可能造成崩边。

通过观察发现，玻璃熔渣一般都附着在基板的下表面，如图5所示。因此想到采用在待切割基板下面附加陶瓷基板来实现玻璃熔渣的转移。

和陶瓷基板材料完全相同的材料，热性能完全相同，可以保证熔渣凝固在附层上，因为是同质材料，也不用担心会污染基板。

图5 熔渣引起的崩边(左)以及有效去除后基板外观(右)

4 结论

通过实际生产试切，对比切割效果，可以得出当激光参数设置为空占比30%，频率10 kHz，速度4 mm/s，裂纹控制效果相对好一些，基本符合交付要求。切割后基板背面熔渣去除可以在下切面贴同质基板做保护，可以有效降低玻璃熔渣在背面附着。