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在布線層數(shù)較多的低溫共燒陶瓷基板中，通常會(huì)存在單層瓷片的雙面均需要印刷的情況。為了解決這種雙面大面積印刷帶來(lái)的變形、對(duì)位偏移、開(kāi)裂等問(wèn)題，采用層壓后再二次印刷背面金屬層的方法，研究了二次印刷、二次等靜壓工藝對(duì)成型后瓷體和金屬層的影響，通過(guò)膜層厚度、收縮率、翹曲度、膜層附著力、可焊性等指標(biāo)對(duì)此工藝進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，改進(jìn)后的二次印刷成型工藝能有效提高此類(lèi)具有單層雙面布圖的低溫共燒陶瓷基板的成品率，制備的成品電路基板具有優(yōu)異的可裝配性和可靠性。

引言

低溫共燒陶瓷(LTCC)基板作為陶瓷封裝基板的一種，具有優(yōu)良的電學(xué)、熱學(xué)、機(jī)械和加工性能，可以滿足低頻、數(shù)字、射頻和微波器件多芯片組裝的技術(shù)要求，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)電子產(chǎn)品中[1,2]。

相對(duì)于其他類(lèi)型的互聯(lián)電路基板，LTCC基板最大的特點(diǎn)是基板布線層數(shù)多、布線設(shè)計(jì)自由度高，可在不增加工藝流程的前提下實(shí)現(xiàn)任意層的直接互聯(lián)。為充分利用LTCC基板這種高布線密度的特點(diǎn)，現(xiàn)有的LTCC電路設(shè)計(jì)中常會(huì)出現(xiàn)單層介質(zhì)正反兩面均需要印刷電路圖形的情況。

由于常用的LTCC生瓷片單層厚度僅為127 μm左右，且生瓷片由玻璃、陶瓷粉體與有機(jī)載體混合而成，其自身強(qiáng)度較低。在進(jìn)行雙面印刷后，一方面印刷導(dǎo)體漿料會(huì)部分滲透進(jìn)入瓷體，造成瓷體強(qiáng)度進(jìn)一步降低，從而導(dǎo)致瓷片開(kāi)裂、破損等問(wèn)題.

另一方面，雙面印刷后的烘干工藝中，印刷區(qū)域和空白瓷區(qū)域會(huì)由于材料物性差異導(dǎo)致出現(xiàn)瓷片變形的情況，進(jìn)而導(dǎo)致燒結(jié)時(shí)出現(xiàn)翹曲、收縮不一致等更嚴(yán)重的問(wèn)題[3,4,5,6,7,8,9,10]。特別是在微波射頻電路基板中，由于存在大面積接地印刷層和大面積焊接印刷層，印刷漿料的量更大，這種由雙面印刷帶來(lái)的缺陷更明顯。

這些缺陷將嚴(yán)重影響LTCC基板的可靠性，尤其是在LTCC基板使用過(guò)程中，由于應(yīng)力分配不均、熱膨脹系數(shù)失配等因素將造成微裂紋擴(kuò)展、焊盤(pán)脫落等更嚴(yán)重的故障，為L(zhǎng)TCC的應(yīng)用帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)[11,12,13]。

因此，如何避免單層瓷片雙面大面積印刷帶來(lái)的變形、開(kāi)裂等問(wèn)題是當(dāng)前LTCC電路基板中急需解決的問(wèn)題。本文通過(guò)改進(jìn)常規(guī)的LTCC基板工藝流程，采用層壓后再印刷背面金屬層的方法，重點(diǎn)研究了二次印刷、二次等靜壓工藝對(duì)成型后瓷體及印刷膜層的影響，并通過(guò)基板可裝配性和長(zhǎng)期可靠性指標(biāo)對(duì)此工藝進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

01工藝設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法

1.1 材料選擇

試驗(yàn)選用的LTCC材料體系為常用的Ferro A6M,內(nèi)層印刷選用FX30-025型導(dǎo)體漿料，背面二次印刷的焊接漿料選用CN36-020型導(dǎo)體漿料。

試驗(yàn)樣品設(shè)計(jì)單片電路尺寸為25 mm×35 mm, 介質(zhì)層數(shù)12層，厚度1.15 mm。在布線設(shè)計(jì)上，最后一層生瓷片(第12層)的正面使用FX30-025型導(dǎo)體漿料印刷大面積網(wǎng)格地，背面Bottom層用CN36-020型導(dǎo)體漿料印刷大面積的焊接層。

1.2 工藝設(shè)計(jì)

在常規(guī)的LTCC工藝中，先完成每層生瓷片的所有單層工藝(包括沖孔、填孔、絲印),然后將這些層堆疊起來(lái)，再經(jīng)過(guò)等靜壓即可獲得生坯料，最后通過(guò)排膠和燒結(jié)獲得成品的LTCC熟瓷基板。常規(guī)LTCC工藝流程圖如圖1所示。本文改進(jìn)的工藝方案中，單層工藝中只印刷最后一層生瓷片正面的圖形，在等靜壓之后再進(jìn)行最后一層生瓷背面(Bottom層)大面積的印刷，然后進(jìn)行二次等靜壓、燒結(jié)獲得成品基板，工藝流程圖2所示。

常規(guī)工藝流程設(shè)計(jì)圖

分別使用常規(guī)工藝和改進(jìn)工藝各制備一版LTCC基板進(jìn)行對(duì)比，其中常規(guī)工藝(圖1)記為工藝方法A,此方法第12層生瓷片正面印刷和背面印刷連續(xù)進(jìn)行，如圖1中虛線框所示；而改進(jìn)的二次印刷工藝記為工藝方法B(圖2),此方法第12層生瓷片先印刷正面，疊層等靜壓之后再進(jìn)行背面印刷。

由于改進(jìn)的工藝中需要對(duì)基板生坯進(jìn)行兩次等靜壓，而后印刷以及等靜壓工藝會(huì)直接影響到基板燒成后的膜層厚度、成膜形貌、收縮、膜層可焊性等[11,12,13,14]。因此，本文重點(diǎn)研究?jī)煞N工藝對(duì)基板成型后膜層的影響。

LTCC二次印刷工藝流程設(shè)計(jì)圖

1.3 分析方法

使用ZEISS sigma型掃描電鏡對(duì)生瓷片表面微觀形貌進(jìn)行了觀察；對(duì)燒成后的熟瓷樣品剖切制樣，使用掃描電鏡對(duì)金屬膜層厚度進(jìn)行測(cè)量；采用XP-1型臺(tái)階儀對(duì)燒結(jié)后基板的翹曲度進(jìn)行表征，對(duì)比了兩種工藝對(duì)基板翹曲的影響；采用E43-104型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)膜層附著力進(jìn)行測(cè)量；采用CT-52G型錫爐對(duì)可焊性進(jìn)行定性測(cè)量。

02結(jié)果分析

2.1 二次印刷對(duì)膜層形貌及厚度的影響

采用兩種工藝方法制備的LTCC樣品背面大面積焊接金屬層的顯微圖片如圖3所示，其中圖3a為工藝方法A獲得的樣品表面顯微圖片，圖3b為工藝方法B的樣品表面顯微圖片。對(duì)比發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的再印刷方法獲得的樣品表面孔隙率與常規(guī)方法的表面孔隙率無(wú)明顯差異，其形貌均為多孔結(jié)構(gòu)，這些孔隙是由于導(dǎo)體漿料中有機(jī)成分燒除后所形成的。

背面大面積焊接層的表面顯微圖片對(duì)比

為了進(jìn)一步對(duì)比表面膜層情況，采用剖切的方法獲得了背面大面積焊接金屬層的剖面顯微圖片，如圖4所示，其中圖4a為工藝方法A樣品剖面顯微圖片 ,圖4b為工藝方法B樣品剖面顯微圖片。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用兩種工藝方法獲得的大面積層的剖切面形貌無(wú)明顯差異，且燒成厚度測(cè)量值均大于指標(biāo)要求的15 μm, 能滿足焊接使用要求。兩種樣品的膜厚差異約為1 μm。由于兩種方法在印刷工序中使用了同樣的網(wǎng)版和印刷參數(shù)，僅在背面的導(dǎo)體層印刷順序上及等靜壓上有差別，結(jié)果表明這種工藝差別不會(huì)對(duì)膜層的形貌及厚度等特征產(chǎn)生影響，采用二次印刷方法可以獲得與常規(guī)工藝特征相同的膜層。

背面大面積焊接層的剖面顯微圖片對(duì)比

2.2 二次印刷對(duì)基板收縮率的影響

LTCC基板的收縮主要受到介質(zhì)中玻璃/陶瓷粉料特性以及生片特性的影響。而加工工藝中對(duì)基板收縮影響較大的工序包括等靜壓、燒結(jié)。如圖1、圖2所示，兩種工藝中的等靜壓工藝存在差異。

為了研究工藝變化對(duì)收縮率的影響，分別采用工藝方法A和B各制備3件樣品，編號(hào)1JHJ～6JHJ,對(duì)比了水平方向(X\\Y)和厚度方向(Z)的收縮率。其中工藝方法A采用常規(guī)等靜壓工藝參數(shù)：壓力3 000 PSI,溫度70 ℃,保壓15 min; 工藝方法B中一次等靜壓壓力1 000 PSI,溫度70 ℃,保壓8 min; 工藝方法B中二次等靜壓壓力3 000 PSI,溫度70 ℃,保壓12 min。兩種工藝方法收縮率對(duì)比見(jiàn)表1。

從表1中可以看出常規(guī)工藝方法A獲得樣品的水平方向收縮率均值分別為15.62%(X方向)、15.58%(Y方向),而工藝方法B收縮率X方向15.47%、Y方向15.53%,差異在0.2%以內(nèi)；同時(shí)，兩種工藝得到的厚度方向的收縮率分別為25.92%(方法A)、26.07%(方法B),其差值同樣在0.2%范圍以內(nèi)。

這種差異與LTCC原材料本身帶來(lái)的收縮率差異范圍相當(dāng)。兩種工藝下LTCC基板的收縮率偏差一致性滿足X/Y方向：15.5±0.3%,Z方向：26.0±0.3%的指標(biāo)要求。

因此，兩種工藝獲得的基板收縮率基本一致，二次印刷工藝不會(huì)對(duì)收縮產(chǎn)生影響。

兩種工藝方法收縮率對(duì)比情況

2.3 二次印刷對(duì)翹曲度的影響

為了研究二次印刷工藝對(duì)基板共燒結(jié)匹配性的影響，對(duì)比了兩種工藝方法制備的基板的翹曲度，如圖5所示，其中圖5a為工藝方法A樣品翹曲度曲線 ,圖5b為工藝方法B樣品翹曲度曲線。對(duì)比曲線可以看出兩種樣品的翹曲度絕對(duì)值均小于30 μm, 翹曲度值<1.5 μm/mm(0.15%),兩種基板的翹曲度無(wú)明顯差異，均滿足常規(guī)LTCC基板的翹曲度≤0.3%的指標(biāo)要求。此結(jié)果表明二次印刷并不會(huì)影響金屬導(dǎo)體與瓷體的共燒匹配性。

兩種工藝LTCC基板翹曲度曲線對(duì)比

2.4 二次印刷對(duì)膜層附著力的影響

在LTCC基板共燒時(shí)，導(dǎo)體層與介質(zhì)陶瓷間的膜層附著是由于陶瓷中的玻璃成分滲透進(jìn)導(dǎo)體形成機(jī)械錨固。通常為了提高這種錨固力，在導(dǎo)體中同步加入陶瓷粉料，以達(dá)到更好的錨固作用。為了檢驗(yàn)二次印刷后的膜層附著強(qiáng)度，參考IPC-TM-650 2.4.21.1c標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，在LTCC生坯背面同步印刷了面積2.43 mm2的焊盤(pán)進(jìn)行拉脫測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下表2所示。

從圖中可以看出兩種樣品的拉脫強(qiáng)度均大于15 MPa, 遠(yuǎn)高于裝配要求的4.6 MPa, 滿足基板附著力性能指標(biāo)要求。結(jié)果表明再印刷工藝獲得的膜層與常規(guī)工藝的附著強(qiáng)度相當(dāng)，此工藝不影響金屬膜層與瓷體之間的滲透與相互錨固，膜層可靠穩(wěn)定。

兩種工藝方法膜層附著力值

2.5 二次印刷對(duì)可焊性的影響

基板背面大面積的金屬層膜層一般用于裝配焊接，膜層的可焊性對(duì)裝配質(zhì)量的好壞至關(guān)重要，而影響膜層可焊性的因素包括膜層表面活性、表面吸濕性、污染物、玻璃相占比等。因此，為了研究再印刷對(duì)膜層的影響，參考GJB548B-2005中方法2003,對(duì)兩種工藝方法獲得的樣品進(jìn)行了可焊性浸焊測(cè)試對(duì)比，焊料溫度245±5 ℃。

圖6為兩種樣品背面大面積焊接層的焊接潤(rùn)濕性對(duì)比，其中圖6a為方法A樣品的可焊性測(cè)試圖片，圖6b為方法B樣品的可焊性測(cè)試圖片。從圖中可以看出圖6a潤(rùn)濕性良好僅有少數(shù)針孔，這些潤(rùn)濕針孔未見(jiàn)AuPtPd印刷層露出，可能是由焊料中的雜質(zhì)或污染造成；圖6b可以看到基板潤(rùn)濕性極好，僅有少量的潤(rùn)濕針孔，且上錫厚度較厚。

因此，兩種樣品的潤(rùn)濕面積滿足GJB548B對(duì)可焊性潤(rùn)濕性面積大于95%的要求，可見(jiàn)再印刷工藝未對(duì)基板可焊性產(chǎn)生影響，能滿足后續(xù)裝配工藝的需求。

背面大面積焊接層的可焊性測(cè)試圖片

2.6 二次印刷對(duì)成品率的影響

為了進(jìn)一步對(duì)比二次印刷與原有工藝在成品率上的區(qū)別，采用兩種工藝各制備兩個(gè)生產(chǎn)批次的樣品，單批次為10版，拼版數(shù)量為6塊/版。兩種工藝的缺陷情況對(duì)比情況見(jiàn)表3。

表3 兩種工藝缺陷情況對(duì)比

從表3中可以看出，此類(lèi)雙面印刷采用工藝方法A出現(xiàn)的不可修復(fù)的缺陷主要包括印刷圖形邊緣整體開(kāi)裂以及腔體拐角的延伸開(kāi)裂，其缺陷比例高達(dá)5%;而工藝方法B只印刷單面然后壓合，此時(shí)已形成具有較高強(qiáng)度的生坯，因此未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

此外，工藝方法A出現(xiàn)的可修復(fù)缺陷主要包括印刷外溢，工藝方法B等靜壓后生坯平整性相比方法A要好，因此未出現(xiàn)外溢情況。第四種缺陷是由生瓷變形造成的對(duì)位偏移，此類(lèi)缺陷在工藝方法A中出現(xiàn)比例極高。

圖7所示為兩種方法的疊層孔位剖面圖，其中圖7a為工藝方法A中出現(xiàn)的對(duì)位偏移情況，從圖中可以看出，導(dǎo)通孔從上往下剖切后，頂層孔已無(wú)法看到填孔漿料，表面頂層的通孔與下層出現(xiàn)了嚴(yán)重偏差，該偏移一般在20～40 μm, 當(dāng)偏移達(dá)到150 μm以上時(shí)將出現(xiàn)斷路造成基板報(bào)廢。

圖7b為正常對(duì)位情況，從圖中可以看到剖面孔位完整，表明疊層對(duì)位效果較好。這種缺陷主要是因?yàn)殡p面印刷需要提前去掉背膜，從而造成生瓷出現(xiàn)自由伸縮，同時(shí)由于雙面印刷的金屬漿料的含量過(guò)高，其滲透進(jìn)瓷片后同樣會(huì)造成瓷片的伸縮變形。出現(xiàn)第四種缺陷后需要采用手工對(duì)位的方式來(lái)進(jìn)行疊片，此時(shí)多層互聯(lián)導(dǎo)通孔會(huì)出現(xiàn)明顯的對(duì)位偏移，當(dāng)偏移距離超過(guò)孔徑時(shí)就會(huì)出現(xiàn)斷路；即使偏移未超過(guò)孔徑，這種局部搭接也是不可靠的連接，在使用中容易出現(xiàn)故障。

從上述兩種工藝方法的缺陷對(duì)比可以看出，采用疊壓后再二次印刷的方法，能有效避免常規(guī)工藝方法中出現(xiàn)的開(kāi)裂、外溢和對(duì)位偏移問(wèn)題，顯著提升了此類(lèi)雙面布圖LTCC基板的成品率。

兩種方法的疊層孔位剖面圖

03結(jié)論

通過(guò)低溫共燒陶瓷生坯二次印刷工藝，可以有效杜絕雙面印刷帶來(lái)的瓷片開(kāi)裂、斷路等問(wèn)題，顯著提高了此類(lèi)帶有單層雙面布圖LTCC基板的成品率，且不會(huì)影響金屬層的成膜質(zhì)量和膜層形貌。

同時(shí)，在改進(jìn)后的二次印刷成型工藝中，基板需要進(jìn)行二次印刷和等靜壓，本文通過(guò)試驗(yàn)對(duì)改進(jìn)前后兩種基板的翹曲度、膜層附著力、可焊性等指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明改進(jìn)后的二次印刷和等靜壓工藝不會(huì)對(duì)基板收縮率、翹曲度和膜層附著力產(chǎn)生影響。

同時(shí)制備的成品電路基板具有優(yōu)異的可焊性，其整體可裝配性和可靠性均滿足LTCC基板的應(yīng)用需求。