Ltcc基板空腔結構缺陷的控制方法
【專利摘要】本發明提出的一種LTCC基板空腔結構缺陷的控制方法，旨在提供一種解決常規工藝流程中LTCC基板收縮、翹曲和空腔變形缺陷不能同時控制的問題的工藝方法。本發明通過下述技術方案予以實現：首先將帶空腔的生瓷片通過自動疊層機或者銷釘定位與底層生瓷片疊層在一起，通過溫水等靜壓進行第一次層壓；層壓完成后在空腔內部填充碳基犧牲材料，再與頂層生瓷片和底部約束層疊層在一起，通過溫水等靜壓進行第二次層壓；隨后，放在燒結爐中的多孔板上進行共燒，將腔體內犧牲材料完全揮發后，再在頂部依次放上多孔板和壓力板，燒結至850～900℃，完成帶封閉空腔的LTCC基板制作。
【專利說明】LTCC基板空腔結構缺陷的控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種LTCC基板缺陷控制方法，特別是一種用于帶空腔結構的LTCC基 板多種缺陷的綜合控制方法。
【背景技術】
[0002] LTCC技術是將低溫燒結陶瓷粉末制成厚度精確而且致密的生瓷帶，在生瓷帶上利 用沖孔或激光打孔、微孔注漿、精密導體漿料印刷等工藝制作出所需要的電路圖形，并可將 無源元件和功能電路埋人多層陶瓷基板中，然后疊壓在一起，在850?900°C下燒結，制成 三維空間的高密度電路。低溫共燒陶瓷基板（LTCC)是實現三維立體組裝較為理想的多層 基板材料。LTCC可以制作多種結構的空腔，也可在基板內部制作用于微流道、氣隙的空腔 結構，實現散熱、冷卻、傳感等功能。并且內埋置元器件、無源功能元件，通過減少連接芯片 導體的長度與接點數，能集成的元件種類多，易于實現多功能化和提高組裝密度。提高布線 密度和元件集成度，減少了 SIP外圍電路元器件數目，簡化了與SIP連接的外圍電路設計和 降低了電路組裝難度和成本。帶腔體LTCC基板具有高密度布線、電阻、電容、電感的內埋以 及芯片的埋置等特性。由于不同介質材料層間在燒結溫度，燒結致密化速率、燒結收縮率 及熱膨脹率等方面的失配，會導致共燒體產生很大的內應力，易產生層裂、翹曲和裂紋等缺 陷。通常對LTCC基板及其空腔結構和尺寸都有嚴格要求，然而LTCC基板在經過層壓和燒 結兩道工序后，通常會產生收縮、翹曲和空腔變形等缺陷。為減小LTCC基板在燒結時的收 縮變形，可在基板頂部和底部分別添加約束層，通過LTCC基板與約束層的摩擦力，限制基 板在水平面的收縮；同時，通過頂部和底部約束層的對稱設置，可進一步限制基板的翹曲變 形。但是，由于在基板兩面添加了約束層的限制，內部不能填充犧牲材料為空腔提供受力支 撐，導致空腔在層壓時發生變形，因此這種方式并不適用于帶空腔結構的LTCC基板。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是針對現有技術制作帶空腔LTCC基板9工藝技術的不足，提出一種 LTCC基板空腔結構缺陷的控制方法，以解決常規工藝流程中LTCC基板收縮、翹曲和空腔變 形缺陷不能同時控制的問題。
[0004] 為了實現上述目的，本發明提供的一種LTCC基板空腔結構缺陷的控制方法，其特 征在于包括如下步驟：首先將帶空腔結構生瓷片通過自動疊層機或者銷釘定位與底層生瓷 片疊層在一起，通過溫水等靜壓進行第一次層壓；層壓完成后在空腔內部填充碳基犧牲材 料，再與頂層生瓷片和底部約束層疊層在一起，通過溫水等靜壓進行第二次層壓；隨后，放 在燒結爐中的多孔板上進行共燒，將腔體內犧牲材料完全揮發后，再在頂部依次放上多孔 板和壓力板，燒結至850?900°C，完成帶封閉空腔的LTCC基板制作。
[0005] 本發明創造性地將壓力輔助約束燒結改進并應用于帶封閉腔體結構的LTCC基板 制作中，利用空腔內填充的碳基犧牲材料防止腔體變形，利用底部約束層限制LTCC生瓷片 在水平面的收縮，利用頂部壓力板施加壓力、防止由于生瓷片和底部約束層材料收縮失匹 導致的基板翹曲。本方法可最大程度地防止帶空腔結構的LTCC基板在成型過程中存在的 腔體變形、基板翹曲以及收縮導致的尺寸誤差，從而保證帶空腔LTCC基板的尺寸精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0006] 圖1是實現本發明LTCC基板空腔結構缺陷控制方法的原理示意圖。
[0007] 圖2是圖1的三維流程圖。
[0008] 圖中：1中間帶空腔層生瓷片，2底層生瓷片，3碳基犧牲材料，4是頂層生瓷片，5 底部約束層，6、7是燒結時用于夾持生瓷片的多孔板，8是燒結時用于施加輔助壓力的壓力 板，9是最終成型的帶空腔LTCC基板。
【具體實施方式】
[0009] 以下結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明，但并不因此將本發明限制 在所述的實施例范圍之中。
[0010] 參閱圖1、圖2。根據本發明，可以采用以下步驟完成帶封閉空腔的LTCC基板制 作： 1) 在LTCC生瓷片上加工空腔結構、定位孔、電路通孔； 2) 填充生瓷片通孔、在生瓷片表面印刷金屬導線； 3) 將底層生瓷片2、中間帶空腔層生瓷片1精確定位疊層后，進行第一次等靜壓，第 一次等靜壓層壓壓力為2MPa?3MPa、層壓溫度控制在30°C?35°C、層壓時間為5min? 10min〇
[0011] 4)將碳基犧牲材料填充到生瓷片的空腔內，再與頂層生瓷片、底部約束層精確對 位疊層，然后進行第二次等靜壓；第二次等靜壓層壓壓力為20MPa?25MPa，層壓溫度控制 在70°C?80°C、層壓時間為lOmin?15min。層壓后的生瓷片放入燒結爐中，加熱至450°C， 持續2h后，在生瓷片頂部依次放上多孔板和壓力板，再加熱至850?900°C完成生瓷片燒 結； 5)完成燒結后去掉多孔板、壓力板，并研磨掉底部約束層。
[0012] 具體步驟包括：首先，采用沖孔機或激光器在LTCC基板生瓷片上加工空腔結構、 定位孔、電路通孔；然后，采用絲網印刷機填充生瓷片通孔、在生瓷片表面印刷金屬導線； 再將底層生瓷片2、中間帶空腔層生瓷片1精確定位疊層，并放入層壓機進行第一次溫水等 靜壓，層壓壓力、層壓溫度分別控制在2MPa、30°C附近，持續5min ;隨后，將碳基犧牲材料3 填充到LTCC生瓷片的空腔內，再與頂層生瓷片4、底部約束層5精確對位疊層，然后放入層 壓機進行第二次溫水等靜壓，第二次層壓壓力為20MPa，層壓溫度控制在70°C附近、層壓時 間為lOmin。將層壓后的生瓷片放入燒結爐中，升溫至450°C，升溫速率控制在1°C /min， 在450°C附近保持2h，使得空腔內填充的犧牲材料通過頂層LTCC生瓷片的出口（直徑2? 5_)完全揮發，同時完成LTCC生瓷片排膠過程；再在生瓷片頂部依次放上燒結時用于夾持 生瓷片的多孔板6、7和燒結時用于施加輔助壓力的不銹鋼壓力板8;隨后，以5°C/min的升 溫速率加熱至850?900°C，保持30min ;完成燒結后去掉多孔板和不銹鋼板，并研磨掉基板 底部的氧化鋁約束層。
[0013] 以上所述的僅是本發明的優選實施例。應當指出，對于本領域的普通技術人員來 說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以根據原材料不同做出若干變形和改進，比如，本 發明可以通過高溫共燒陶瓷（HTCC)替代氧化鋁作為LTCC基板底部約束層材料，又如，可采 用鈦合金板替代不銹鋼板在LTCC頂部施加輔助壓力。這些變更和改變應視為屬于本發明 的保護范圍。
【權利要求】
1. 一種LTCC基板空腔結構缺陷的控制方法，其特征在于包括如下步驟：首先將帶空腔 結構生瓷片通過自動疊層機或者銷釘定位與底層生瓷片疊層在一起，通過溫水等靜壓進行 第一次層壓；層壓完成后在空腔內部填充碳基犧牲材料，再與頂層生瓷片和底部約束層疊 層在一起，通過溫水等靜壓進行第二次層壓；隨后，放在燒結爐中的多孔板上進行共燒，將 腔體內犧牲材料完全揮發后，再在頂部依次放上多孔板和壓力板，燒結至850?900°C，完 成帶封閉空腔的LTCC基板制作。
2. 如權利要求1所述的LTCC基板空腔結構缺陷的控制方法，其特征在于：第一次等靜 壓層壓壓力為2MPa?3MPa、層壓溫度控制在30°C?35°C、層壓時間為5min?lOmin。
3. 如權利要求1所述的LTCC基板空腔結構缺陷的控制方法，其特征在于：第二次等靜 壓層壓壓力為20MPa?25MPa，層壓溫度控制在70°C?80°C、層壓時間為lOmin?15min。
4. 如權利要求1所述的LTCC基板空腔結構缺陷的控制方法，其特征在于：完成LTCC生 瓷片和約束層二次層壓后，放在燒結爐的多孔板上，以1°C /min的升溫速率加熱至450°C， 保持2h或以上，使空腔內填充的犧牲材料通過頂層生瓷片的出口完全揮發，同時完成LTCC 生瓷片排膠過程。
5. 如權利要求1所述的帶空腔LTCC基板9缺陷綜合控制方法，其特征在于：LTCC完成 排膠和犧牲材料揮發后，頂部依次放上多孔板和質量為0. 5?lkg的壓力板，以5°C /min的 升溫速率加熱至850?900°C，保持30min或以上；完成生瓷片燒結后，再研磨掉底部約束 層。
【文檔編號】H01L21/48GK104103525SQ201410289414
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年6月24日 優先權日:2014年6月24日
【發明者】林奈, 謝義水, 閻德勁, 馮剛英 申請人:中國電子科技集團公司第十研究所