全銀體系LTCC基板工藝的三大關(guān)鍵技術(shù)

什么是LTCC？

LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic）即低溫共燒陶瓷，是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生瓷帶，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形，并將多個(gè)被動(dòng)組件（如低容值電容、電阻、濾波器、阻抗轉(zhuǎn)換 器、耦合器等）埋入多層陶瓷基板中，然后疊壓在一起，內(nèi)外電極可分別使用銀、銅、金等金屬，在 900℃以下燒結(jié)，制成三維空間互不干擾的高密度電路，也可制成內(nèi)置無源元件的三維電路基板。（更多關(guān)于多層陶瓷精彩內(nèi)容敬請(qǐng)關(guān)注7月3日艾邦第四屆多層陶瓷 LTCC HTCC MLCC 產(chǎn)業(yè)論壇）

陶瓷中加入低熔點(diǎn)的玻璃相，燒結(jié)時(shí)玻璃軟化，粘度下降，從而可以降低燒結(jié)溫度。且可以與高導(dǎo)電性能的金屬金、銀、銅等共燒。

一、LTCC分類

LTCC基板分類：根據(jù)所使用電子漿料種類的不同，一般分為全金體系、金銀混合體系和全銀體系。

▲?圖片：LTCC基板（來源：NIKKO）

LTCC器件分類：LTCC器件按其所包含的元件數(shù)量和在電路中的作用，大體可分為LTCC元件、LTCC功能器件、LTCC封裝基板和LTCC模塊基板。

二、全銀體系LTCC基板生產(chǎn)工藝流程

全銀體系LTCC基板生產(chǎn)工藝流程一般可包括生瓷切片、打孔、填孔、印刷、疊層、等靜壓-燒結(jié)、化學(xué)鍍鎳鈀金、焊接，具體工藝流程。

▲?全銀體系LTCC基板工藝流程

三、全銀體系LTCC基板生產(chǎn)工藝的三大關(guān)鍵技術(shù)

1.填孔工藝

①填孔漿料與LTCC生瓷片的Z向收縮率匹配

為了獲得穩(wěn)定性高、質(zhì)量可靠的金屬化通孔，首先需確保生瓷片的Z向收縮率與填孔漿料的收縮率相匹配。（*燒結(jié)收縮率:LTCC基板的燒結(jié)收縮率η，是指共燒后LTCC基板的線性尺寸相對(duì)于其共燒前尺寸所減少的百分比，可以分為X向(長度)收縮率ηX、Y向(寬度)收縮率ηY和Z向(厚度)收縮率ηZ）

當(dāng)收縮率不一致時(shí)，若填孔漿料的收縮率大于生瓷片的Z向收縮率，漿料收縮相對(duì)較多，極可能導(dǎo)致金屬化通孔凹陷；若填孔漿料的收縮率小于生瓷片的Z向收縮率，漿料收縮相對(duì)較少，極可能導(dǎo)致金屬化通孔凸起，而凸起超過20 μm時(shí)會(huì)影響后續(xù)的組裝。

▲絲網(wǎng)印刷填孔示意圖

填孔銀漿一般由銀粉、玻璃粉及有機(jī)載體三部分組成，金屬化通孔燒結(jié)收縮率的控制一般可以通過改變填孔漿料中的銀粉、玻璃粉的配比來實(shí)現(xiàn)。

在共燒過程中，漿料中的有機(jī)載體在450 ℃左右完全分解，留下銀粉與玻璃粉組成的多孔復(fù)合物，隨著燒結(jié)溫度的升高，銀粉先發(fā)生收縮，玻璃粉隨后從多孔復(fù)合物中熔化滲出，起到潤濕、引導(dǎo)銀粉形成表面光滑平整的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。

②填孔漿料的觸變性對(duì)填孔工藝質(zhì)量的影響

漿料的觸變性：指漿料在受到一定剪切力作用時(shí)，黏度隨時(shí)間變化的一種現(xiàn)象，它描述的是假塑性流體的一種具有時(shí)間依賴性的流變行為。

▲不同漿料的填孔狀態(tài)圖

（左) 觸變指數(shù)為3.7 (中) 觸變指數(shù)為4.8 (右) 觸變指數(shù)為6.1

當(dāng)填孔漿料的觸變指數(shù)為3.7時(shí)，漿料的觸變性較小，漿料印刷填孔后流動(dòng)性較好，通孔出現(xiàn)凹陷且有針孔狀；當(dāng)填孔漿料的觸變指數(shù)為4.8時(shí)，漿料的觸變性較適中，漿料印刷填孔后有輕微凹陷；當(dāng)填孔漿料的觸變性能為6.1時(shí)，漿料的觸變性較大，漿料印刷填孔后漿料不能流平，漿料呈現(xiàn)柱狀，燒結(jié)后通孔凸起。

③掩模版參數(shù)對(duì)填孔工藝質(zhì)量的影響

掩模版是填孔工藝中使用的一種決定生瓷印刷圖案的工具，掩模版參數(shù)的設(shè)置對(duì)LTCC填孔工藝質(zhì)量有顯著影響。

首先，掩模版的網(wǎng)孔決定了印刷圖案的大小和精度，網(wǎng)孔大小需要與設(shè)計(jì)圖案匹配，以確保印刷出的孔洞符合設(shè)計(jì)的參數(shù)，生瓷孔徑大小不同所需掩模版網(wǎng)孔增量也不同。其次，掩模版的厚度會(huì)影響印刷過程中漿料的流動(dòng)性和沉積量。較厚的掩模版致使?jié){料的流動(dòng)速度減慢，導(dǎo)致填孔不充分；而較薄的掩模版使?jié){料出現(xiàn)溢邊，造成通孔邊緣模糊。總之，掩模版厚度、掩模版網(wǎng)孔的增量（△d）影響通孔填充的狀態(tài)。

2.燒結(jié)工藝

等靜壓工藝：一種利用壓力對(duì)材料施加均勻作用力的方法，用于生瓷片的成型或燒結(jié)前的預(yù)處理，對(duì)LTCC基板的收縮率和平整性有顯著影響。

在等靜壓過程中，材料內(nèi)部的應(yīng)力可以得到重新分布和釋放，有助于提高基板的平整性。通過調(diào)整等靜壓的壓力和保壓時(shí)間，可以在一定程度上控制基板的收縮率，以適應(yīng)特定的應(yīng)用需求，有助于減少基板在燒結(jié)過程中的翹曲和變形。適當(dāng)?shù)膲毫梢源龠M(jìn)致密化，但過高的壓力可能導(dǎo)致材料過度致密化或損壞。為了實(shí)現(xiàn)最佳的工藝效果，需要精確控制等靜壓參數(shù)，并考慮材料特性和工藝條件的相互作用。

▲不同壓強(qiáng)下基板燒結(jié)收縮率

在相同的溫度和保壓時(shí)間下，基板燒結(jié)收縮率隨著等靜壓的壓強(qiáng)增大而減小，這是因?yàn)殡S著壓強(qiáng)的增大，LTCC生瓷片中氣孔排除更多，減小材料孔隙率，增加材料的密度，更與利于材料的致密化燒結(jié)，可降低基板的燒結(jié)收縮率。

②導(dǎo)體漿料與LTCC生瓷片XY平面收縮率匹配

在LTCC技術(shù)中，導(dǎo)體漿料與生瓷片的XY平面收縮率匹配是確保多層陶瓷結(jié)構(gòu)在燒結(jié)過程中不出現(xiàn)翹曲、分層或其他缺陷的關(guān)鍵因素之一。為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體漿料與生瓷片的XY平面收縮率匹配，可從兩方面入手。

一方面，可以調(diào)整銀導(dǎo)體漿料中銀粉的振實(shí)密度、形貌及粒徑，改變銀導(dǎo)體漿料的燒結(jié)收縮率。銀粉的振實(shí)密度較高時(shí)，意味著銀粉顆粒間的空隙較小，銀粉的填充程度較高。在這種情況下，燒結(jié)過程中銀粉顆粒的重結(jié)晶和頸部生長所需的體積變化較小，因此高振實(shí)密度的銀粉通常會(huì)導(dǎo)致較低的燒結(jié)收縮率。（更多關(guān)于多層陶瓷精彩內(nèi)容敬請(qǐng)關(guān)注7月3日艾邦第四屆多層陶瓷LTCC HTCC MLCC 產(chǎn)業(yè)論壇）

相反，如果銀粉的振實(shí)密度較低，表明銀粉顆粒間存在較大的空隙。在燒結(jié)過程中，這些空隙需要被填補(bǔ)，通常通過顆粒的重結(jié)晶和頸部生長來實(shí)現(xiàn)，這可能導(dǎo)致較大的燒結(jié)收縮。此外，銀粉的形貌及粒徑也會(huì)影響燒結(jié)收縮，較小的顆粒和不規(guī)則的形態(tài)可能會(huì)在燒結(jié)過程中導(dǎo)致更大的收縮，因?yàn)樗鼈冊(cè)跓Y(jié)過程中更容易發(fā)生形變和重結(jié)晶。

另一方面，選擇合適的玻璃粉來調(diào)整導(dǎo)體漿料的收縮行為。一般來講，玻璃粉在加熱過程中會(huì)軟化并熔融，填充銀粉顆粒間的空隙，促進(jìn)銀粉顆粒的重結(jié)晶和頸部生長，從而實(shí)現(xiàn)燒結(jié)收縮。玻璃粉的軟化溫度影響著銀漿料的燒結(jié)起始溫度，較低的軟化溫度意味著在較低的溫度下玻璃粉即可開始流動(dòng)，有助于降低銀漿料的燒結(jié)溫度，減少高溫下的收縮。

玻璃粉的含量直接影響銀漿料的收縮率，適量的玻璃粉可以保證燒結(jié)過程中的體積收縮適中，避免因收縮過大而導(dǎo)致的開裂或分層。玻璃粉的粒徑和分布也會(huì)影響燒結(jié)收縮，細(xì)粒徑的玻璃粉可以更好地填充銀粉顆粒間的空隙，有助于實(shí)現(xiàn)均勻的收縮。通過調(diào)整玻璃粉的這些參數(shù)，可以優(yōu)化銀漿料的燒結(jié)收縮行為，實(shí)現(xiàn)與基板材料的良好匹配，提高電子器件的性能和可靠性。

三、化學(xué)鍍鎳鈀金工藝

①LTCC材料的性能

全銀體系LTCC基板可以大幅降低成本，但是銀導(dǎo)體易發(fā)生氧化和銀離子遷移，造成基板可靠性降低，制約了全銀體系LTCC基板的推廣應(yīng)用。為了解決全銀體系LTCC基板可靠性低的問題，一般是在基板表面的銀膜層上采用化學(xué)鍍鎳鈀金工藝進(jìn)行保護(hù)，可以提高全銀體系LTCC基板的可靠性。

在化學(xué)鍍鎳鈀金工藝中，LTCC基板需要經(jīng)過一系列的化學(xué)溶液的處理，在此過程中須確保LTCC材料不被腐蝕。

將燒結(jié)好的不同材料LTCC基板分別浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的HCl溶液中，在40 ℃恒定溫度中浸泡30 min。以LTCC基板的失重來衡量酸性溶液對(duì)基板的侵蝕性能，進(jìn)而可以判斷LTCC基板的化學(xué)穩(wěn)定性。

②化學(xué)鍍鎳鈀金工藝過程

化學(xué)鍍鎳鈀金工藝是采用化學(xué)的方法進(jìn)行鍍鎳、鍍鈀、浸金的一種工藝。該技術(shù)利用自催化的氧化還原反應(yīng)對(duì)全銀體系LTCC基板表面的銀膜層依次進(jìn)行鍍鎳、鍍鈀處理，然后通過置換反應(yīng)在鈀鍍層上沉積金層，最后獲得有良好穩(wěn)定性能和焊接性能的鎳鈀金膜層?；瘜W(xué)鍍鎳鈀金工藝流程下圖所示。

首先，采用pH值為1~2的酸溶液對(duì)LTCC基板樣品進(jìn)行酸洗，以去除基板表面的雜質(zhì)和氧化物；

其次，經(jīng)過流水清洗后，用酸進(jìn)行微蝕；

之后，采用稀鹽酸溶液進(jìn)行活化、氯化鈀溶液進(jìn)行催化；

最后，在銀膜層上依次進(jìn)行化學(xué)鍍鎳、化學(xué)鍍鈀和化學(xué)浸金。

在焊接過程中，金膜層會(huì)迅速融化并擴(kuò)散到熔融的焊料中提高鍍層的可焊性和打線能力。鈀膜層不但能夠有效防止鎳的擴(kuò)散和遷移，提高焊接性能，而且硬度比金膜層大，還可以提高打線能力和耐磨性能。鎳膜層主要起焊接作用，提供優(yōu)良的焊接可靠性。

文章內(nèi)容來源：電子工藝技術(shù)——《全銀體系國產(chǎn)化LTCC基板工藝的關(guān)鍵技術(shù)》

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