CN104284534A - 超多层数超深空腔ltcc基板制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超多层数超深空腔LTCC基板制造工艺，突破常规实体平板LTCC基板加工工艺，在填孔及网印后再激光划切出生瓷层中空腔窗口，避免大尺寸窗口生瓷片上填孔、网印工艺的不可操作性并减小已填印生瓷片在叠片前的收缩量及不均匀性；在共烧后砂轮旋切熟瓷板，保证加工出形状规则、尺寸精准、薄壁、超深空腔的LTCC基板；超深空腔的超多层生瓷侧墙采用同网络多通孔互连，冗余保证互连合格率；通过叠片成套工装、优化叠压工艺方法，保证深大空腔超厚LTCC基板的叠片与层压工艺；采用砂轮划片机分别从超厚基板的底面、顶面对切熟瓷体LTCC基板，解决刀片热切生瓷和砂轮旋切熟瓷的最大厚度都只能达到5mm的难题。

Description

超多层数超深空腔LTCC基板制造工艺

 

技术领域

本发明涉及一种LTCC基板制造工艺，尤其涉及一种超多层数超深空腔LTCC基板制造工艺。

背景技术

LTCC（低温共烧陶瓷）基板具有三维布线密度高、可内埋集成元件、高频传输性能好、环境适应能力强、长期可靠性高等显著特点，已成为现代微电子组件的典型先进基板。带空腔的多层互连LTCC基板是3D-MCM（三维多芯片组件）、SIP（系统级封装）、MEMS（微机电系统）器件、T/R（发射/接收）组件等高性能高密度集成产品的重要构件，它不但使产品的组装封装密度更高，也使产品功能更多、传输速度更快、功耗更低、性能及可靠性更好，应用领域广泛。LTCC基板的层数越多、空腔越深越大，则用之于三维高密度集成的自由度越大，应用前景更好。

采用LTCC工艺制作互连基板的一大优势，在于能够比较方便地在LTCC基板的特定区域制作出各种构造与尺寸的空腔，但制作有空腔LTCC基板与制作实体平板LTCC基板的明显不同之处，是要先将有空腔构造的各层LTCC生瓷片的相应位置加工出空腔的窗口，再通过叠、压与烧结工艺，得到有既定空腔的LTCC基板。

LTCC基板的层数越多、厚度越大、空腔越深越大时，其加工工艺越复杂，叠片、层压、烧结、切片等工艺的难度也越大。目前，国内LTCC基板的生瓷层数一般不超过35层、腔深小于2.5mm，国际上也只见到有资料报道过封装用的80层生瓷LTCC基板。所以，层数≥50、腔深≥4mm的LTCC基板一般就可认作为是超多层数超深空腔LTCC基板。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种超多层数、超深空腔LTCC基板制造工艺，突破常规实体平板LTCC基板加工工艺，可实现超多层数、超深空腔LTCC基板的加工制造。

为解决上述技术问题，本发明提供一种超多层数超深空腔LTCC基板制造工艺，其特征是，对LTCC基板制造工艺步骤进行改进：

生瓷带打孔、填孔、丝网印刷导体浆料后，激光划切出生瓷片层上的空腔窗口；

生瓷片叠片后生瓷坯厚度超过10mm时，采用专用叠片台进行叠片，专用叠片台包括用于放置生瓷坯的底板、开有可容纳下空腔塞的窗口的盖板、活动的定位销钉、空腔塞；

将多层生瓷片通过四角叠片定位孔逐层套挂在专用叠片台底板四角的活动定位销钉上，叠成由底板承载的生瓷坯，在生瓷坯的空腔中填入空腔塞，压上盖板；

将专用叠片台及其上的生瓷坯一起真空包封后经层压压实为生瓷体；

将层压后取出的生瓷体烧结为熟瓷体基板；

经通断测试合格后采用熟瓷双面旋切工序，从熟瓷体基板的底面与顶面分两次对切后获得所需长、宽尺寸及陡直切口的LTCC基板。

盖板上的窗口长宽尺寸与生瓷坯的空腔尺寸相同。

空腔塞采用道康宁硅胶掺和二氧化硅粉末固化成型。

采用两层盖板，厚度较厚的第一层盖板盖在厚度较薄的第二层盖板之上；

层压后取出生瓷体的步骤为：先取下上层的第一层盖板，使活动的定位销钉露出适于操作拔出的长度，拔出活动的定位销钉，取出空腔塞，再取下下层的第二层盖板，最后将压实生瓷体从叠片台底板上取下。

双面旋切工序步骤为：

1） 在烧成熟瓷体基板的空腔内灌注石蜡：将固体石蜡在熔化成液态石蜡后，注入水平放置的基板空腔内，至石蜡液面低于或持平于空腔侧墙顶面；自然冷却至室温后，石蜡凝结成固态与基板空腔的底板及侧墙形成一体；

2）砂轮双面划切：按基板顶面、底面相同位置上对准丝网印刷的定位十字线进行划切；先将基板空腔面朝下，沿基板底面的定位线划切基板，分多步进刀旋切至深度限；底面所有线条划切完成后，将基板翻转为空腔面朝上，沿基板顶面划切定位线划切基板，多步进刀完成，使顶面与底面对切贯通；完成基板双面所有线条的划切，将烧成基板分切为薄壁侧墙空腔的单元LTCC基板；

3）划片完成后，将LTCC基板缓慢加热至石蜡熔化后将石蜡倒出，形成超多层数、超深空腔的LTCC基板。

对基板的底面、顶面进行砂轮划切的深度相同。

对基板的底面、顶面进行砂轮划切的深度均设置为4.5mm。

采用90层LTCC生瓷带，其中18层形成底板、72层形成空腔；

丝网印刷时，空腔侧墙导体设计：在空腔侧墙的一个线阵节距范围内，采用每9层生瓷的同一网络导电带与通孔首尾相接构成一个循环的方法，使72层生瓷分成8组、以8个循环完成基板从第1层到第72层的侧墙上最多72个BGA焊盘网络的连通，使72层生瓷的侧墙导体网络只需9块印刷网版和每组8片的9组生瓷、9次网印就能完成加工。

对侧墙导体层间采用互连冗余设计，对每层同一网络上的通孔采用多孔并联的冗余设计，即从空腔底层生瓷片引到侧墙顶层生瓷片的同一互连网络，在每层生瓷片上设计数个并排通孔。

侧墙顶面平整度设计：将每个循环的9个通孔按交错孔均匀散开。

本发明所达到的有益效果：

本发明的超多层数超深空腔LTCC基板制造工艺突破常规实体平板LTCC基板加工工艺，采用科学的LTCC加工工艺流程、创新的LTCC深大空腔精密形成与厚体多层生瓷稳定烧成技术、精巧的熟瓷基板双面对切工艺，有效实现超多层数（90层生瓷）、超深空腔（腔深6.94mm）LTCC基板的制造；

有针对性地优化改进LTCC加工工艺流程：在填孔及网印后再激光划切出生瓷层中空腔窗口，避免大尺寸窗口生瓷片上填孔、网印工艺的不可操作性并减小已填印生瓷片在叠片前的收缩量及不均匀性；在共烧后砂轮旋切尺寸稳定的熟瓷板，保证加工出形状规则、尺寸精准薄壁超深空腔LTCC基板的可能性；

超深空腔的超多层生瓷侧墙采用同网络双通孔或多通孔互连，冗余保证互连合格率；

通过精密设计和制备叠片/层压的成套工装、优化叠压工艺方法，保证深大空腔超厚LTCC基板的叠片与层压工艺能够顺利、可靠地完成；

采用砂轮划片机分别从超厚基板的底面、顶面对切熟瓷体LTCC基板，解决刀片热切生瓷和砂轮旋切熟瓷的最大厚度都只能达到5mm的难题。

附图说明

图1a是超多层数、超深空腔LTCC基板外形尺寸图（单元基板）；

图1b是图1a的剖视图；

图2a是常规实体平板LTCC基板加工工艺流程图；

图2b是深大空腔超厚LTCC基板加工工艺流程图；

图3a是空腔侧墙导体循环设计及层间互连侧视图；

图3b是空腔侧墙导体循环设计及层间互连俯视图；

图3c是空腔侧墙导体循环设计及层间互连立体图；

图4是单元LTCC基板上均匀分布的空腔侧墙网络互连点示意图；

图5是现有技术中的常规LTCC叠片台；

图6a是本发明的叠片-层压工装套件中的叠片台底板；

图6b是本发明的叠片-层压工装套件中的定位销钉；

图6c是本发明的叠片-层压工装套件中的叠片盖板；

图6d是本发明的叠片-层压工装套件中的空腔塞；

图7是叠片过程状态示意图；

图8a是层压后未卸除盖板时的示意图；

图8b是层压后卸除上层厚盖板、有待拔出销钉的示意图；

图9a是砂轮划片前空腔内灌满石蜡的LTCC基板底面（空腔面朝下）示意图；

图9b是砂轮划片前空腔内灌满石蜡的LTCC基板顶面（空腔面朝上）示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

1、技术方案

本发明专利申请的简明技术方案为：

1） 带空腔LTCC基板（图1a、图1b，单元基板）共90层生瓷，其中底板1为18层、空腔2为72层，烧成后基板尺寸为50.00mm（长）×50.00mm（宽）×8.68mm（厚），空腔尺寸为42.50mm（长）×42.50mm（宽）×6.94mm（深）；基板、空腔的长、宽尺寸上下限偏差0.25mm，基板厚度、空腔深度的上下限偏差0.10mm，空腔侧墙3壁厚上下限偏差0.15mm；

2） 采用厚度为0.1143mm的杜邦951PT型LTCC生瓷带及其配套填孔、网印银（Ag）及钯银（PdAg）导体浆料，以及130mm×130mm带膜无框工艺、2联片流水加工，制作带空腔LTCC基板；

3） 采用填孔及网印后再激光划切出生瓷层中空腔窗口、共烧后再砂轮双面对切获得LTCC基板长宽尺寸的优化工艺流程；

4） 合理设计空腔超多层侧墙通孔互连图形，改进叠片与层压工装及工艺方法，优化层压与烧结工艺参数，实现层数超多、空腔超深超大LTCC基板的制造。

2、优化工艺流程

相对于常规不是很厚的实体平板或浅小空腔LTCC基板，带有超深超大空腔的超厚LTCC基板的加工难度要大得多，必须对其加工工艺流程进行有针对性的改进（如图2a、图2b）：

1） 生瓷层数太多，达到常规30层以内LTCC基板的3倍以上，在加工过程中易出现模板、网版及加工顺序混乱。因此，在常规LTCC基板加工流程的“生瓷落片”工序后增加“生瓷分组”工序，将侧墙的生瓷层按照版图设计的循环重复相同图层分为一组，同一组生瓷层的丝网印刷网版相同，网版数量与加工次数大幅减少，有助于消除乱态；

2） 不在生瓷填孔之前的“生瓷打孔”工序中同时制作出而在生瓷填孔及图形印刷后再“空腔（激光）划切”出生瓷层中空腔窗口，避免大尺寸窗口生瓷片上填孔、网印工艺的不可操作性并减小已填印生瓷片在叠片前的收缩量及不均匀性；

3） 由于超多的生瓷层数造成叠片后生瓷坯体厚度超过10mm，而生瓷热切机的最大切片深度小于5mm，所以无论是单面切片还是双面对切都无法切开生瓷体。因此，将常规的在“层压”后生瓷体“切片”改为先在“层压”后“手工修裁边角”去除叠片定位销孔和毛刺边角、再在“烧结”为熟瓷体LTCC基板并“通断测试”合格后增加“熟瓷双面旋切”工序，从熟瓷基板的底面与顶面分别对切后获得所需长宽尺寸及陡直切口的单元LTCC基板；

4） 精密设计和制备叠片/层压的成套工装、优化叠压工艺方法，保证深大空腔超厚LTCC基板的叠片与层压工艺能够顺利、可靠地完成，使送交共烧的基板生瓷体空腔形状规整、无裂纹无缺损；

5） LTCC生瓷体超厚、空腔既深又大，烧结易产生收缩不匀、基板变形、空腔角部裂开、烧结不彻底等不合格现象，必须加严烧结工艺控制，优化烧结参数。

3、空腔侧墙的LTCC版图设计

90层生瓷、72层空腔的LTCC基板的成功制造，首先要做好其中超深空腔侧墙各层的版图设计：

1） 简化侧墙导体设计。如图3a、3b、3c所示，在薄壁（厚度仅3.75mm）空腔侧墙的一个线阵节距（2.54mm）范围内，采用每9层生瓷的同一网络导电带与通孔首尾相接构成一个循环的方法，使72层生瓷分成8组、以8个循环完成基板从第1层到第72层的侧墙上最多72个BGA焊盘网络（有些网络是合并连通的）的连通，使72层生瓷的侧墙导体网络只需9块印刷网版和9组生瓷（每组8片）、9次网印即可完成加工；

2） 侧墙导体层间可靠互连冗余设计。超多层数LTCC基板的超深空腔侧墙层间通孔的可靠互连是一大难点，层数越多越易失效。每个通孔都会有一定的失效概率，一个网络从空腔底层互连到侧墙顶层每层仅各1个通孔串接相连时，网络合格连通的概率是这72个每层单通孔连通率的连乘或72次方，网络极易出现断路失效。版图设计时，对每层同一网络上的通孔采用双孔或多孔并联的冗余设计，即从空腔底层生瓷引到侧墙顶层生瓷的同一互连网络，在每层生瓷上尽可能多地设计数个通孔并排，这样，只有在某层生瓷上同一网络2个或更多个的通孔同时失效，这个网络在该层才会互连失效，这种失效概率远低于单孔互连方式，失效概率近乎为零；

3） 侧墙顶面平整度保障设计。超深空腔LTCC基板的侧墙生瓷层间互连通孔多，填孔凸起的累积效应会导致空腔侧墙顶面凹凸不平，而侧墙顶面往往设计有后步组装BGA焊盘或器件安装区，这种不平整会严重影响后步微组装工序质量。版图设计将每个循环的9个通孔按交错孔而不是直通孔均匀散开，如图3b、图3c、图4所示，以保证每层侧墙生瓷表面平整，累积传递后空腔侧墙的基板顶面仍然保持了很好的平整度。

4、叠片与层压工艺

常规LTCC基板因层数少、厚度小，其叠片台套件中的定位销钉old2长度一般小于10mm，且与底板old 1（叠片台）紧配合固定在一起，盖板old3为无窗口的实体平板，如图5。

对于超多层数（90层）超深空腔LTCC基板的叠片，则需精密设计和制备专用叠片-层压工装套件（图6a、6b、6c、6d），并加强工艺控制：

1） 90层生瓷坯体厚度10.5mm左右（0.1143mm/片），加上盖板后厚度约15.0mm，常规叠片台因定位销钉过短而无法完成叠片，必须设计专用叠片台-销钉，将定位销钉长度加长到20mm左右；

2） 随着叠片层数增多，各层生瓷片间叠片对准孔错位增大，会使经过层压的超厚生瓷体的四角对准孔紧紧地压挤住叠片台四角的定位销钉，从而期望在不损坏生瓷体、不给生瓷体带来附加形变或应力的要求下，根本无法将层压后生瓷体从叠片台的固定定位销钉上安全取下。因此，将固定的定位销钉改成其插入叠片台底板10（图6a）的短端外径小于底板四角销钉孔11直径的活动的定位销钉（图6b），在叠片、层压完成后，能够在压紧生瓷体4上的下层薄盖板71的同时用虎钳手工将活动定位销钉5从生瓷体4里平稳拔出而不损坏生瓷体4。之后，取出空腔塞（图6d），拿掉下层薄盖板（图6c），从叠片台底板10上自由取下叠片后生瓷体4，叠片、层压过程如图7、图8a、图8b所示。

3） 为了保证等静压层压时不造成真空包封袋破裂，活动定位销钉5伸出盖板的长度应尽量短，但过短的销钉因无处着力而手工难以拔出。因此，采用双叠片盖板71、72设计，厚度分别约3mm、1mm，如图6c。叠片完成后，填入空腔塞6、盖上双盖板（薄盖板71在下，厚盖板72在上）进行层压，层压完成后取下上层厚盖板72，这时活动定位销钉5的长端头露出长度约4mm，便于手工用钳拔出；

4） 叠片后生瓷坯在层压时厚度要减小而被压实为生瓷体4，层压时应在生瓷坯的空腔中填有厚度基本不变小的空腔塞6，所以叠片盖板在压空腔塞的部位应开出窗口73，窗口的长宽尺寸与生瓷坯空腔的长宽尺寸相同，保证将空腔侧墙的边沿部位压实；

5） 采用道康宁硅胶掺和二氧化硅粉末制作层压空腔塞：先用合金铝制出空腔塞模具，模具尺寸与空腔塞尺寸一致，再将配比好的制塞料填入模具中固化成形，等固化完成后取出固化胶便形成空腔塞。对于本实施例中需要制作的超多层数、超深空腔LTCC基板样品的烧成尺寸42.50mm×42.50mm×6.94mm、生瓷坯时尺寸为48.67mm×48.67mm×8.21mm的大空腔，空腔塞的外形尺寸宜设计为47.67mm×47.67mm×12.50mm，且四角倒圆R2.0mm，空腔塞外形如图6d；

6） 超厚LTCC基板层压比常规厚度LTCC基板层压要施以更高的能量才能压实，温水等静压层压的压力、预热时间、加压时间等参数都应有所提高，可采用预热70℃/15min、层压24MPa/15min的温等静压层压；

7） 层压后剪除包封袋，揭去上层厚盖板72、拔出活动定位销钉5、取出空腔塞6、揭掉下层薄盖板71，将压实生瓷体4从叠片台底板1上取下；用美工刀切除生瓷体四角含叠片对准孔的部位，用手术刀片修刮生瓷体各棱角至无毛刺、无凸边。

5、砂轮双面划切工艺

对于超厚深大空腔基板（即压实的生瓷体）在烧结后采用砂轮划片机旋切成形，基板近9mm的厚度远大于砂轮划片机的最大切深5mm，同时脆性玻璃/陶瓷相材料构成的相对较薄的空腔底板层容易在旋切时因振动等冲击力的作用而出现开裂，可采用以下方法解决这两大砂轮划片难题：

1） 在烧成后基板100的深腔内灌注石蜡后再进行砂轮划片：将盛放在烧杯中熔点为60℃～80℃的固体石蜡在热板上熔化成液态石蜡后，注入水平放置的烧成LTCC基板空腔内，至石蜡液面与空腔侧墙顶面持平或略底；自然冷却至室温后，石蜡8凝结成固态，与LTCC基板空腔的底板及侧墙形成一体（图9b），机械强度显著提高，满足砂轮安全旋切要求而不致出现裂损；划片完成后将基板放在热板上缓慢加热至90℃左右，等石蜡熔化后倒出，并用热酒精棉球将基板擦拭干净；

2） 砂轮双面划切：共烧前，在基板的顶面102、底面101相同位置上对准丝网印刷划切定位十字线(包括X向定位线91和Y向定位线92)，定位线宽度0.25mm（与砂轮刀片厚度一致）。先将基板空腔面朝下，如图9a，沿基板底面101的定位线91、92划切基板100，砂轮划切深度限设置为4.5mm，分多步进刀旋切至深度限；基板底面所有线条（X、Y方向共5条）划切完成后，将基板翻转为空腔面朝上，如图9b，沿基板顶面102划切定位线划91、92切基板，划切深度限同样设为4.5mm，多步进刀完成，使基板的双面对切贯通；完成双面上所有线条的划切，将2联片流片加工的烧成基板分切为2块薄壁侧墙空腔的单元LTCC基板。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1. 一种超多层数超深空腔LTCC基板制造工艺，其特征是，对LTCC基板制造工艺步骤进行改进：

生瓷带打孔、填孔、丝网印刷导体浆料后，激光划切出生瓷片层上的空腔窗口；

生瓷片叠片后生瓷坯厚度超过10mm时，采用专用叠片台进行叠片，专用叠片台包括用于放置生瓷坯的底板、开有可容纳下空腔塞的窗口的盖板、活动的定位销钉、空腔塞；

将多层生瓷片通过四角叠片定位孔逐层套挂在专用叠片台底板四角的活动定位销钉上，叠成由底板承载的生瓷坯，在生瓷坯的空腔中填入空腔塞，压上盖板；

将专用叠片台及其上的生瓷坯一起真空包封后经层压压实为生瓷体；

将层压后取出的生瓷体烧结为熟瓷体基板；

经通断测试合格后采用熟瓷双面旋切工序，从熟瓷体基板的底面与顶面分两次对切后获得所需长、宽尺寸及陡直切口的LTCC基板。

2.根据权利要求1所述的超多层数超深空腔LTCC基板制造工艺，其特征是，盖板上的窗口长宽尺寸与生瓷坯的空腔尺寸相同。

3.根据权利要求1所述的超多层数超深空腔LTCC基板制造工艺，其特征是，空腔塞采用道康宁硅胶掺和二氧化硅粉末固化成型。

4.根据权利要求1所述的超多层数超深空腔LTCC基板制造工艺，其特征是，采用两层盖板，厚度较厚的第一层盖板盖在厚度较薄的第二层盖板之上；

层压后取出生瓷体的步骤为：先取下上层的第一层盖板，使活动的定位销钉露出适于操作拔出的长度，拔出活动的定位销钉，取出空腔塞，再取下下层的第二层盖板，最后将压实生瓷体从叠片台底板上取下。

5.根据权利要求1所述的超多层数超深空腔LTCC基板制造工艺，其特征是，双面旋切工序步骤为：

1） 在烧成熟瓷体基板的空腔内灌注石蜡：将固体石蜡在熔化成液态石蜡后，注入水平放置的基板空腔内，至石蜡液面低于或持平于空腔侧墙顶面；自然冷却至室温后，石蜡凝结成固态与基板空腔的底板及侧墙形成一体；

2）砂轮双面划切：按基板顶面、底面相同位置上对准丝网印刷的定位十字线进行划切；先将基板空腔面朝下，沿基板底面的定位线划切基板，分多步进刀旋切至深度限；底面所有线条划切完成后，将基板翻转为空腔面朝上，沿基板顶面划切定位线划切基板，多步进刀完成，使顶面与底面对切贯通；完成基板双面所有线条的划切，将烧成基板分切为薄壁侧墙空腔的单元LTCC基板；

3）划片完成后，将LTCC基板缓慢加热至石蜡熔化后将石蜡倒出，形成超多层数、超深空腔的LTCC基板。

6.根据权利要求5所述的超多层数超深空腔LTCC基板制造工艺，其特征是，对基板的底面、顶面进行砂轮划切的深度相同。

7.根据权利要求5所述的超多层数超深空腔LTCC基板制造工艺，其特征是，对基板的底面、顶面进行砂轮划切的深度均设置为4.5mm。

8.根据权利要求1所述的超多层数超深空腔LTCC基板制造工艺，其特征是，采用90层LTCC生瓷带，其中18层形成底板、72层形成空腔；

丝网印刷时，空腔侧墙导体设计：在空腔侧墙的一个线阵节距范围内，采用每9层生瓷的同一网络导电带与通孔首尾相接构成一个循环的方法，使72层生瓷分成8组、以8个循环完成基板从第1层到第72层的侧墙上最多72个BGA焊盘网络的连通，使72层生瓷的侧墙导体网络只需9块印刷网版和每组8片的9组生瓷、9次网印就能完成加工。

9.根据权利要求8所述的超多层数超深空腔LTCC基板制造工艺，其特征是，对侧墙导体层间采用互连冗余设计，对每层同一网络上的通孔采用多孔并联的冗余设计，即从空腔底层生瓷片引到侧墙顶层生瓷片的同一互连网络，在每层生瓷片上设计数个并排通孔。

10.根据权利要求8或9所述的超多层数超深空腔LTCC基板制造工艺，其特征是，侧墙顶面平整度设计：将每个循环的9个通孔按交错孔均匀散开。