LTCC 高精密封装基板工艺技术研究

岳帅旗，杨 宇，刘 港，周 义，王春富，王贵华

（中国电子科技集团公司第二十九研究所，成都 610036)

1 引言

低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-Fired Ceramic,LTCC）技术因其高集成密度、优异的高频性能、良好的可组装性和可靠性，在微波组件领域得到了广泛应用[1-5]，LTCC 基板制作的工艺技术[6-11]和装配技术[12-14]也被广泛研究，较好地提升了常规LTCC 基板产品的质量和应用的稳定性。

但是，随着射频微系统体积小型化、装配方式简洁化要求的日益提升，传统的LTCC 基板制作工艺在线条细度、图形位置精度、导体膜层焊接性能、微小阻焊结构等方面已无法满足芯片级高精密装配的需求，因此急需引入新的工艺手段，实现LTCC 基板表面布线精密程度和焊接性能的大幅提升。

在LTCC 基板表面精细布线方面，目前常用的方法是采用薄膜工艺在基板表面布置微细线条[15-17]，但这种方法需要经历整个薄膜金属化布线的工艺制程，加工周期长，成本高，且对LTCC 表面微缺陷和基板烧结收缩率误差有着极高的要求，工艺实现难度大。

在改善LTCC 基板表面膜层焊接性能方面，目前常用的方法是在基板表面烧结Ag 导体，然后再通过电镀/化学镀的方式在表面制作可焊/耐焊镀层[18-19]，该技术在降低成本和提升膜层焊接性能方面表现出明显优势，但是需要针对不同材料体系，综合考虑镀层致密性、焊接强度、金丝键合强度等多项指标，针对性地开发电镀/化学镀工艺。

本文针对LTCC 基板表面高密度射频芯片倒扣装配的需求，将激光修调技术应用于基板表面高精密微细线条的制作，提升线条的细度和精度；利用化学镀技术制备Ni/Pd/Au 镀层，提升基板表面导体膜层的焊接性能；应用光刻工艺制作聚酰亚胺（Polyimide，PI）阻焊层，提升基板表面的精密阻焊制作能力；最终开发出一套与传统LTCC 基板工艺良好兼容的高精密封装基板工艺技术，并成功地实现了LTCC 高精密基板与高密度射频芯片的倒扣装配。

2 试验

2.1 激光修调表面微细线条

利用单层厚度0.127 mm 的9K7 生瓷材料和配套共烧布线银浆LL612 制作用于激光修调工艺试验的大面积导体层样件，生瓷烧结后单层介质厚度为0.11 mm 左右，样件的介质总厚度为0.66 mm 左右，表面Ag 导体层厚度为6～8 μm，样件尺寸为30 mm×30 mm，样件结构如图1 所示。

图1 大面积导体层工艺样件

利用德国LPKF 公司的U3 激光设备对大面积工艺样件的导体图形进行蚀刻，将局部的导体层去除，保留下来的Ag 导体层形成精细线条，激光修调制作精细线条如图2 所示。在1～4 W 功率区间尝试不同的加工功率，确定最佳加工条件。设计目标宽度为50 μm的线条和目标位置距离30 mm 的图形，激光修调后利用Nikon MM-800 测量显微镜对线条加工的宽度、精度和位置精度进行测试。

图2 激光修调制作精细线条

2.2 化学镀工艺优化

利用单层厚度0.127 mm 的9K7 生瓷材料和配套共烧布线银浆LL612 制作焊接工艺样件。生瓷烧结后单层介质厚度为0.11 mm 左右，样件的介质总厚度为1.1 mm 左右，表面制作Ag 导体焊盘，焊盘Ag 导体层厚度6～8 μm，尺寸为1 mm×1 mm 和2 mm×2 mm，分别用于可焊性/耐焊性和焊接拉力强度测试，样件结构如图3 所示。

图3 焊接工艺样件

样件共烧完成后，通过文献[18]中化学镀的方法制作Ni/Pd/Au 镀层，制作完成后利用Nikon MM-800测量显微镜，在500 倍倍率下对镀层致密性进行检查。按照GB/T 17473.7-2008 标准，在锡锅温度（235±5）℃下侵入10 s 进行可焊性测试，锡锅温度（265±5）℃下侵入10 s 进行耐焊性测试。参照GB/T 17473.4-2008，对焊盘进行0.8 mm 镀银线的焊接，并利用ASIDA-BL12 拉力测试仪，对锡铅焊接拉力强度进行测试。利用Wset Bond 7476E 金丝键合机在2 mm×2 mm 焊盘上进行金丝键合，并参考GJB 548B-2005，利用Dage4000 拉力测试仪对金丝键合强度进行测试。实验中设计5 min、10 min 的表面玻璃去除时间，综合对比镀层质量，确定优化工艺条件。

2.3 表面精密阻焊制作

利用单层厚度0.127 mm 的9K7 生瓷材料和配套共烧布线银浆LL612 制作PI 阻焊工艺样件。生瓷烧结后单层介质厚度为0.11 mm 左右，样件的介质总厚度为1.1 mm 左右，表面制作Ag 导体焊盘，并通过化学镀制作Ni/Pd/Au 镀层，焊盘直径为0.3 mm。选取可耐温320 ℃的PI 材质，通过RC8 匀胶机先后将PI 胶和光刻胶先后涂覆在基板表面，然后通过MJB4 曝光机对光刻胶对位进行曝光，并通过1%NaOH 溶液进行显影，最后利用丙酮将光刻胶去除，并在200 ℃温度下对PI 固化1 h，获得阻焊工艺样件，截面结构如图4所示。制作80 μm 开口的阻焊层，测试阻焊制作精度。制作0.18 mm 开口的阻焊层，利用BTU 公司的PYRAMAX125N 回流炉，在210 ℃温度下，利用直径为0.2 mm 的Sn63/Pb37 焊球对于样件进行植球测试，判定阻焊效果，植球示意图如图5 所示。

图4 PI 阻焊工艺样件

图5 植球示意图

2.4 LTCC 精密基板加工、装配、测试

设计LTCC 精密基板，材料体系为9K7，介质层数为9 层，烧结后单层介质厚度为0.11 mm 左右，布线浆料选用银浆LL612，填孔浆料选用银浆LL601，表面最细线条50 μm，最小焊盘尺寸120 μm×120 μm，焊盘之间最小缝隙80 μm，阻焊开口直径为80 μm，阻焊与焊盘精确对准。对加工好的基板进行BGA 植球，然后通过回流的方式将射频芯片倒扣装配在基板上，最后进行射频性能测试，总体工艺流程如图6 所示。

图6 精密基板加工、装配、测试流程

3 结果与讨论

3.1 激光修调表面微细线条

设置激光频率为45 kHz，激光扫描速度为500 mm/s，对激光修调的加工功率进行调控，分别以1.5 W、2 W、3 W 功率对Ag 导体层进行蚀刻，蚀刻效果如图7 所示。从图中可以看出，当激光功率较小时，虽然能够将线条形状蚀刻出来，但是在去除区域仍有大量金属导体的残留，这种情况极易导致线条之间短路，当激光功率达到3 W 时，能够蚀刻出清晰的线条，且去除区域导体膜层剥离较为干净，达到应用状态。

图7 不同激光功率线条修调质量对比

对50 μm 目标宽度的精细线条进行测试，随机抽测结果为47 μm、45 μm、48 μm、47 μm、53 μm、47 μm、53 μm、53 μm、48 μm，线条精度达到±5 μm 以内。对目标距离为30 mm 的导体图形距离进行测试，随机抽测结果为30.005 mm、30.008 mm、29.995 mm、29.993 mm、29.996 mm、29.994 mm、30.003 mm、29.995 mm，激光修调的位置精度达到±10 μm 以内。

3.2 化学镀工艺优化

表面玻璃去除时间为5 min 和10 min 的Ag 导体表面状态和化学镀层致密性如图8 所示。从图中可以看出，去除玻璃5 min 的样件表面局部区域玻璃残留量大，导致化学镀以后镀层致密性差，这是因为玻璃相无法被活化，也无法进一步与镀液产生粒子交换，不能促使膜层生长。将去除玻璃时间提升至10 min，去除玻璃的效果明显改善，更多的Ag 颗粒暴露于表面，与镀液发生反应，镀层致密性明显提升。

图8 Ag 膜层表面状态对镀层质量的影响

可焊性、耐焊性测试结果如图9 所示，测试焊盘均实现焊料的均匀铺展，且焊盘形状保持良好，满足GB/T 17473.7-2008 标准要求。

图9 可焊性、耐焊性测试结果

锡铅焊接拉力测试强度为2.84 kg、3.87 kg、4.01 kg、3.91 kg、4.45 kg、2.82 kg、3.56 kg、3.86 kg、3.56 kg、3.82 kg，拉力强度达到2.80 kg 以上，破坏模式均为焊盘与陶瓷破裂，锡铅焊接拉力破坏形式如图10 所示，说明化学镀过程中未破坏共烧Ag 导体层与陶瓷基底的有效附着，同时，Ni/Pd/Au 镀层与Ag 导体层具有良好的附着力。

图10 锡铅焊接拉力破坏形式

25 μm 金丝键合拉力测试结果为12.18 g、10.93 g、10.95 g、11.78 g、11.87 g、12.27 g、11.74 g、11.53 g、12.75 g、12.94 g，拉力值均达到10 g 以上，破坏模式均为金丝断裂，说明化学镀Ni/Pd/Au 镀层可以实现良好的金丝键合效果。

3.3 表面精密阻焊制作

通过对比不同匀胶转速和匀胶时间的PI 厚度和均匀性，确定3000 r/min 的匀胶速度和30 s 的匀胶时间，能够获得厚度5～10 μm 的PI 膜层，在NaOH 中的显影效果良好，PI 阻焊实物如图11 所示。在对PI 层200 ℃下固化后，对于目标值为80 μm 的阻焊开口样件进行测试，随机抽测结果为80.005 μm、80.006 μm、79.996 μm、79.996 μm、79.994 μm、80.005 μm、80.003 μm、80.007 μm，尺寸误差在±10 μm 以内。

图11 PI 阻焊实物

通过回流焊植球以后，焊球能够在阻焊开口区域牢固焊接，植球效果如图12(a)所示，将焊球推开后，焊料仅在阻焊开口区域以内分布，形状圆润，阻焊效果如图12(b)所示，说明布置PI 阻焊层以后，开口区域的焊盘保持了良好的焊接润湿性，同时PI 膜层能够对焊接过程中焊料的流淌起到良好的阻止作用。

图12 PI 阻焊结构的植球及阻焊效果

3.4 LTCC 精密基板加工、装配、测试

利用高精密基板工艺制作的LTCC 基板如图13所示，在12 mm×13 mm 的区域上实现16 元天线阵列的集成，表面细线50 μm，最小焊盘120 μm，最小焊盘间距80 μm，最小PI 阻焊开口80 μm。

图13 LTCC 高精密基板

基板表面膜层具有良好的焊接性能，在基板上进行BGA 植球，然后将4 颗射频芯片成功地倒扣装配到基板表面（见图14）。对装配好的射频封装模块进行指标测试，工作频率为93～105 GHz，工作带宽大于20%，天线阵面规模4×4，单元间距0.59 λ，阵面剖面厚度2.2 mm，单通道发射功率大于20 mW。

图14 芯片倒扣装配

4 结论

本文将激光修调、化学镀、光刻等技术与传统LTCC 基板技术相结合，通过工艺优化，实现了基板表面高精度微细线条制作、表面膜层焊接性能提升和精密阻焊制作，形成了一套LTCC 高精密封装基板工艺技术，加工的LTCC 基板成功地与多颗射频芯片实现倒扣装配，在W 波段实现良好性能。

采用的激光修调细线制作技术工艺制程短，加工灵活性高，与LTCC 基板兼容性好。采用的化学镀工艺技术能够在全银系基础上实现Ni/Pd/Au 镀层制备，组装特性优良，亦可大幅降低LTCC 基板成本。采用的光刻PI 阻焊层制备技术，使用业内成熟材料和成熟工艺，加工精度高、稳定性高，可以看出，基于9K7 材料体系的LTCC 高精密封装基板技术在超高频段、芯片倒扣精密装配等方面具有较强的应用潜力。