低温共烧陶瓷技术

实现高集成度、高性能电子封装的技术

低温共烧陶瓷技术，就是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，作为电路基板材料，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，并将多个无源元件埋入其中，然后叠压在一起，在900℃烧结，制成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。

简介

低温共烧陶瓷技术(low temperature co-fired ceramics)是于1982年由休斯公司开发的新型材料技术，它采用厚膜材料，根据共烧陶瓷设计的结构制造。它是用于实现高集成度、高性能电子封装的技术，在设计的灵活性、布线密度和可靠性方面提供了巨大的潜能。

近年来随着军用电子整机，通讯类电子产品及消费类电子产品迅速向短、小、轻、薄方向发展，微波多芯片组件（MMCM）技术因具有重量轻、体积小、成本低和可靠性高的技术特点而被广泛应用。多层片式元件是实现这一技术的有效途径，从经济和环保角度考虑，微波元器件的片式化，需要微波介质材料能与熔点较低，电导率高的贱价金属Cu或Ag的电极共烧，这就要求微波介质陶瓷材料能与Cu或Ag低温共烧，为此人们开发出新型的低温共烧陶瓷技术。

LTCC工艺

流延

流延成型是指将玻璃陶瓷粉和有机黏合剂按照一定的比例混合，经过浆化形成浆料浇注在移动的载带上，形成致密、厚度均匀并具有足够强度的生瓷带，烘干后，将生瓷带卷在轴上备用，关键是对膜带的致密性、厚度的均匀性和强度的控制。

下料

生瓷带大多以卷轴形式供货，下料时应将其展开于洁净的不锈钢工作台面之上，可采用切割机、激光或冲床进行切割，如果采用激光切割，应注意控制激光的功率以免引起生瓷带的燃烧。

有些生瓷带，如Dupont公司的生瓷带在切割前要进行预处理，在120℃温度下烘烤约30 min，时间的长短根据不同的厂家和材质而不同。如需进行预处理，则在生瓷带切割时的尺寸应略大于下料的尺寸。下料时应用下料膜来设定定位孔和叠压工具用孔(但应考虑X/Y方向的伸缩率)。

打孔

通孔质量的好坏直接影响布线的密度和通孔金属化的质量，通孔过大或过小都不易形成盲孔。生瓷带的打孔主要有3种方法：钻孔、冲孔和激光打孔。钻孔的打孔速度为每秒3~5孔，精度较差，且钻头直径很小，钻头易折，钻孔成本昂贵；冲孔的速度大于钻孔的速度，根据冲床的不同和所冲孔的复杂程度而有所变化，孔径小于钻孔并且精度很高，是很好的打孔方法；激光法所打孔精度和孔径都介于钻孔和冲孔之间，但其打孔速度为最高，且所打孔易于形成盲孔，故是最理想的打孔方法.。

通孔填充

通孔填充是制造LTCC基板的关键工艺之一，其方法有3种：厚膜印刷、丝网印刷和导体生片填充法。印刷机是为LTCC生产专用而设计的，其工作台是多孔陶瓷或金属板，四角上各有一个与生瓷片上定位孔一致的定位柱；工作时，工作台下面用真空机抽成负压。

厚膜印刷和丝网印刷时，要在工作台和生瓷带之间放一张滤纸，防止金属浆料从通孔漏到工作台上。丝网网罩一般采用不锈钢制作，网罩上的孔径应略小于生瓷带上通孔的孔径，这样可提高盲孔的形成率。

导体生片填充法是将厚度略大于生瓷带的导体生片冲进通孔以达到金属化。导体生片采用流延工艺生成。此法可提高多层基板的可靠性，但工艺不够成熟。填充通孔的浆料应具有适当的粘度和流变性，选择填充浆料不当，印刷时不易形成盲孔，通孔填充后，要进行烘干、盲孔检查和修补。

导电介质的印刷

共烧导电体的印刷可采用传统的厚膜丝网印刷和计算机直接描绘。丝网导电体印刷技术简单易行，投资少，可获得很高的分辨率，线宽可达100μm，线间距可达150μm，但要进行印刷制版和印刷对位。若要求更细的线条和线间距，可采用薄膜沉积或薄膜光刻工艺，例如Dupont公司的光刻浆料可制出40一50 μm的线条，但造价高昂，并且只适用于基板的外层。

要层和热压

将印制好的导体和形成互连通孔的生瓷片，按预先设计的层数和次序，依次叠放，在一定的温度和压力下粘接在一起形成一个完整的多层基板胚体。热压主要有两种方式：单轴向热压和均衡热压。

单轴向热压是将叠放的生瓷带在放于热压炉内，在一定的温度和压力下进行热压，压力是从单一方向施加的；并要求在热压到一半时间时，要将叠层的瓷片进行180摄氏度的翻转。此种方法会产生气孔、开裂和较大的伸缩率等现象，尤其是在边缘和单层时Z方向的收缩率尤为明显。

第二种方法是均匀热压。将叠放的生瓷带真空密封在铝箔中，放于热水中加压，生瓷胚体的受力是各向相等的。水温和施压的时间同单轴方热压相同；施加的压力要高于单向热压。

压力的均匀一致性是叠层热压工艺的关键，直接影响基板烧结的伸缩率。基板烧结的伸缩率随着压力的增大而减小，压力太大，会引起基板分层；压力太小将导致伸缩率加大，收缩率一致性差。

切片

此工艺是将多层生瓷胚体切成更小的部件或其他形状，可由3种方法来实现：

1、运用钻石轮划片机，这是一种最普通的方法，对矩形形状的切分最为有效，可减小外形尺寸的误差，边界质量很高；

2、运用超声切割机，切成部件的误差很小，适用于各种不规则形状的切割，但处理过程很慢且费用昂贵；

3、应用激光进行切割，误差较小，但边界质量很差。

共烧

将切割后的生瓷胚体放入炉中，按照既定的烧结曲线加热烧制。将其中的有机粘合剂汽化或烧除，称为排胶。排胶的升温曲线随着粘合剂成份的不同而不同。对于溶剂性粘合剂，升温速度应为每小时20一50℃，升到450℃时，保持3~5h；对于水溶性粘合剂，升温速度为每小时20~30℃，升到285℃后，保持4h，此时，生瓷片中的有机物开始烧除。之后，继续升温开始烧结，以每分钟8℃的速度升温到850~875℃并保持10 min，最后每分钟8 ℃的速度降温，进行退火。

此工艺关键是烧制曲线和炉膛温度的一致性，它决定了成品基板的平整度和收缩率。炉膛温度不均匀，烧结的基板的收缩率一致性就差；升温速度过快会导致基板收缩率大、平整度差。如果烧结后基板平整度很差，可将基板放在两陶瓷板之间，在850℃的温度下重烧，使其平整。

另外，导电介质与基板的烧结温度是有差别的，故一定要注意界定导电介质的烧结温度，以免导电体氧化而造成电阻值的巨大变化。烧结后的多层基板再进行焊接或电镀连接，检验无误后即可出厂使用。

特点

LTCC与其它多层基板技术相比较，具有以下特点：

(1)易于实现更多布线层数，提高组装密度；

(2)易于内埋置元器件，提高组装密度，实现多功能；

(3)便于基板烧成前对每一层布线和互连通孔进行质量检查，有利于提高多层基板的成品率和质量，缩短生产周期，降低成本；

(4)具有良好的高频特性和高速传输特性；

(5)易于形成多种结构的空腔，从而可实现性能优良的多功能微波MCM；

(6)与薄膜多层布线技术具有良好的兼容性，二者结合可实现更高组装密度和更好性能的混合多层基板和混合型多芯片组件(MCM-C/D)；

(7)易于实现多层布线与封装一体化结构，进一步减小体积和重量，提高可靠性。

LTCC技术由于自身具有的独特优点，用于制作新一代移动通信中的表面组装型元器件，将显现出巨大的优越性。