多层共烧陶瓷孔壁金属化工艺常见缺陷分析

李 伟，王元仕，郭婷婷

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

近年来，多层共烧陶瓷技术（Multilayer Co-fired Ceramic Technology）越来越广泛地应用于电子封装管壳或陶瓷基板的制造，以氧化铝或氮化铝等材料为基础制造的陶瓷管壳或基板在通信、工业控制、汽车电子等重要领域发挥了重要的作用。该技术是近年发展起来的令人瞩目的整合组件技术，已经成为无源元件领域的发展方向和新的元件产业的经济增长点。

多层共烧陶瓷技术就是将待烧结的陶瓷粉制成厚度精确且致密的生瓷带，并在生瓷带上利用冲孔、微孔注浆和精密导体浆料印刷等工艺制造所需要的电路图形，并将多个无源元件埋入其中，然后叠压在一起，在一定温度下烧结，从而制成陶瓷封装用零部件或三维电路网络的无源集成组件，也可制成内置无源元件的三维电路基板，在其表面可以贴装IC和有源器件，制成无源/有源集成的功能模块。近几年，我国共烧陶瓷领域发展迅速，迫切需要适应高速信号传输、高密度布线和高频电路要求[1，2]。

在多层共烧陶瓷制造工艺流程中，孔壁金属化是其中的重要环节之一。孔壁金属化是指利用负压气流，将金属导体浆料附着在陶瓷坯体通孔孔壁之上。在高温烧结后，孔壁上的浆料形成稳定的金属化结构。随后，陶瓷坯体经化学镀镍进入钎焊工艺。钎焊过程中液态焊料随着外置引脚和陶瓷孔壁金属层流淌，在四分之一圆孔或半圆孔孔壁上形成焊料堆积。由于焊料堆积面积大，使得陶瓷零部件在后续组装过程中的引线牢固性得到大幅度提高。

孔壁金属化后的金属层应保持均匀，任何缺陷（堵孔、浆料缺损、金属层薄厚不均匀等）都将导致后续组装工艺失效，产品报废。因此，对孔壁金属化工艺过程中的常见缺陷进行分析十分必要[3]。

目前，在孔壁金属化工艺设备开发方面，尚无针对此道工序的专业化设备。多数元器件生产厂家利用印刷工艺进行替代生产，效率不高。基于此，需要在原印刷设备基础之上，开发了适用于共烧陶瓷孔壁金属化过程的专用工装设备。目前国产设备已应用于实际生产，并取得了良好的效果。

1 孔壁金属化工装及其技术难点

1.1 机械机构及工作流程

孔壁金属化设备的主要工装为挂孔抽真空单元，包括空腔工作台板、气路板、支撑板、整流板、空腔盖板、汇流板等部件。各层板之间分布有复杂的气路管道，对负压气流进行整流，如图1所示。

图1 抽真空单元三维结构示意图

在孔壁金属化过程中，较稀的金属浆料基于丝网印刷原理，在刮胶的挤压作用下，通过丝网板或钢制网板覆盖在生瓷片的小孔之上。由于金属浆料具有一定黏度，且小孔孔径多数在0.2～0.5 mm，导致浆料无法靠重力作用向下流过通孔。因此，在生瓷片下方设计了用于抽吸浆料的专用工装。该工装连接一抽真空源，当真空源启动时，台板内部空腔气体被持续抽出，空腔内部形成一定的真空度，同时小孔孔壁处形成持续的负压气流。金属浆料在负压气流的作用下，缓缓流过孔壁，使得孔壁上被覆盖一层金属浆料层，实现金属化作用，详见图2。

图2 覆膜机工作流程示意图

1.2 工艺技术难点分析

1.2.1 浆料黏稠度

在涉及金属浆料的工序段中，通常来讲，填孔及印刷用的浆料黏稠度较高。而在孔壁金属化工序阶段，由于要求金属浆料可在较小的负压下通过微小孔径，因此对浆料的流动性有一定要求。浆料太黏稠，则不具有流动性，容易造成堵孔现象。浆料太稀，则后续形成的金属化层太薄，导致后续镀层不合格。因此需要合理调配浆料的黏稠度，使其符合工艺要求。

1.2.2 层间对齐精度

孔壁金属化工艺过程中，浆料主要流经网板、生瓷片小孔和掩模板。其需要金属化的孔径范围大多处于0.2～0.5 mm，这就要求层间、各结构之间有较高的对齐精度。孔壁金属化工装在设计过程中结合了销钉定位和视觉对位技术，保证各层位置精度在±10μm范围。

1.2.3 空腔真空度

为了使金属浆料顺利流过各个层间小孔结构，需要在生瓷片小孔上下方形成压力差。金属浆料在压差作用下，受迫向下流淌，并悬挂在生瓷孔壁上。小孔上方压力为大气压力，下方由抽真空源作用，持续将生瓷片下方空腔及管道内的气体抽出，使得小孔上下表面形成14～15 kPa的压差，从而保证浆料顺利落下。

在此过程中，需要尽可能提高空腔内的负压真空度，因此对抽真空源及管道分布具有一定的设计要求。另外，抽真空时间太短会导致浆料流淌不充分，时间太长则影响效率，或导致孔壁浆料过度向小孔下方堆积，因此需要合理控制时间。

2 孔壁金属化过程缺陷分析

采用自主开发的孔壁金属化设备，进行了大量的生瓷挂孔工艺实验。现就实验过程中出现的各种缺陷进行原因分析。

2.1 环边缺失

对于多层共烧陶瓷技术，显然需要不同层数的生瓷片堆叠成坯。而金属化的小孔层不只是单层，也需要多层堆叠，实现层间导通。在生瓷堆叠过程中，层与层之间并非绝对齐平，受生瓷收缩、对位精度等影响，存在一定程度的错位。这就要求在生瓷小孔上下表面留有一定的环形浆料边缘，提高层间连接的可靠性，如图3所示。图4为实验过程中单侧环边缺失实物图。

图3 孔面环边示意图

图4 单侧环边缺失效果

为获得合适的环边效果，在设计工艺结构过程中，需要注意掩模板和支撑板对应孔径相比于生瓷片孔径应适当增大，使得金属浆料在流淌过程中可以在孔面留存，干燥后形成环边。而环边大小应由元器件设计者在设计初期予以考虑。

2.2 浆料堆积

由1.1工作流程可知，金属浆料在小孔负压气流的作用下受迫流动。而浆料流到生瓷片下表面时，会产生一定程度的堆积悬挂。图5所示为生瓷小孔下方浆料堆积过多的结果。在干燥后进行叠片时，过厚的浆料产生了多余的不需要的浆料高度或突起，使得周围空间难以贴合压实。

图5 浆料堆积效果

导致该缺陷的原因为浆料下降太多或者抽真空保持时间太长。过多的浆料原本附着在小孔孔壁上，在长时间的向下气流影响下，过度向小孔下方流淌，造成堆积。为避免浆料堆积缺陷，需要合理控制浆料下降用量，并缩短抽真空时间。

2.3 孔面污染

在孔壁金属化过程中，如果掩模板和生瓷片之间间隙控制不当，会导致浆料渗透，对小孔周边造成过度污染，如图6所示。

图6 孔面污染

导致该结果的原因是由于生瓷片和掩模板之间未能有效贴合，金属浆料在流淌过程中渗入其间隙，从而影响最终效果。因此，在操作过程中，一方面需要保证网板与生瓷片间隙为0，另一方面生瓷片与支撑板在负压吸附作用下能够紧密贴合。

2.4 固定失效

生瓷片若固定不当产生偏移，会造成孔位不齐，浆料图形错位。图7所示为小孔边缘环形浆料明显错位，一侧过多，一侧缺失。

图7 生瓷片固定失效

造成此缺陷的可能为刮胶压力过大或是生瓷片固定吸附力太小，导致生瓷片在工艺过程中受横向挤压力产生位移。因此，需要适当减小刮胶压力，并在生瓷片下方增加吸附孔的数量，提高负压对料片的吸附固定能力。

3 结果与讨论

在对各种缺陷形式观察和分析的基础上，对孔壁金属化工艺过程进行了一定的优化。针对0.4 mm孔径的氧化铝生瓷片，控制抽真空时间为20 s，抽真空流量为177 m3/h，得到了如图8所示的孔壁金属化理想效果。

图8 理想效果

由图8可以看出，孔壁金属化层挂浆饱满，小孔表面环边均匀，为后续叠片、电镀等工序提供了可靠保证。

在通常的孔壁金属化工艺中，通常采用手动或半自动操作予以实现。而在今后的工艺研究中，如何实现该步工序的自动化过程将是下一步研究的难点与重点。