CN107266083B - 零收缩ltcc多层陶瓷基板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种零收缩LTCC多层陶瓷基板的制备方法，该制备方法包括生瓷胚体的层压制备、在生瓷胚体的上下表面各依次放置一层多孔陶瓷压板和一层多孔碳化硅压板，置于压力装置中，先升温排胶，再升温烧结，升温烧结过程中采用压力辅助烧结，烧结后去除表面覆盖物，得到零收缩LTCC多层陶瓷基板。本发明的制备方法简单易行、成本低廉，可有效控制产品收缩率的一致性，收缩率片间重复性可控制在±0.05%之间。

Description

零收缩LTCC多层陶瓷基板的制备方法
技术领域
本发明属于微电子封装领域，涉及一种零收缩LTCC多层陶瓷基板的制备方法，尤其涉及一种平面X\Y方向零收缩率LTCC多层陶瓷基板的制备方法。
背景技术
由于LTCC（低温共烧陶瓷）技术具有的独特优点，近年来LTCC技术呈快速发展态势，越来越多地应用于军事、航天、航空、电子、计算机、汽车、医疗等领域。但随着电路大体积尺寸和高密度集成性能要求不断提高，普通的LTCC基板烧结时因存在固有的收缩影响了基板组装的精度,已不能满足电子产品的可靠性的要求。一般LTCC生瓷材料经共烧后平面尺寸的收缩量在12%～16%，尺寸收缩的不均匀度一般又至少要达到±0.3%～±0.4%，从而造成同一产品的同批各块基板或不同批次基板在相同位置上的互连通孔、导电带等电路图形很难准确、精确地控制，使制作超高密度MCM-C（陶瓷多芯片组件）、MCM-C/D（厚薄膜混合型多芯片组件）及精密微波传输线异常困难。目前，在高性能LTCC系统的研究中，如何控制收缩率一致性或零收缩LTCC基板成为了细线技术的重点方向。
目前，传统的零收缩LTCC工艺控制方法主要有压力辅助烧结法、无压辅助烧结法、自约束烧结法和复合共同烧结法。压力辅助烧结法方式简单，但对设备要求非常高，一致性控制困难，容易出现开裂，粘板，起皱等问题。无压辅助烧结法、自约束烧结法和复合共同烧结法专利由几家大公司控制，材料成本高，价格昂贵，且收缩率控制精度较差。因此，寻求一种能够制备有效控制收缩率一致性或零收缩LTCC基板的方法成为当务之急。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种简单易行、成本低廉，可有效控制产品收缩率的一致性的零收缩LTCC多层陶瓷基板的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种零收缩LTCC多层陶瓷基板的制备方法，包括以下步骤：
（1）将若干LTCC生瓷片依次叠层，然后在所得叠层的上下表面各放置一层高温陶瓷生瓷片进行层压，得到生瓷胚体；
（2）在步骤（1）得到的生瓷胚体上下表面先各放置一层多孔陶瓷压板、再各放置一层多孔碳化硅压板，置于压力装置中；
（3）开始升温，升温同时辅助通气，先升温至400℃～480℃，保温排胶；
（4）排胶后，继续升温至600℃～620℃时，施加压力使基板表面压强为300kPa～600kPa，在施加压力下继续升温至820℃～900℃，保温烧结；
（5）解除压力，自然降温，去除多孔碳化硅压板、多孔陶瓷压板和高温陶瓷生瓷片，得到零收缩LTCC多层陶瓷基板。
上述的零收缩LTCC多层陶瓷基板的制备方法中，优选的，所述步骤（4）中，施加压力前后继续升温的升温速度均为15℃/min～20℃/min，所述保温烧结的时间为10min～20min。
上述的零收缩LTCC多层陶瓷基板的制备方法中，优选的，所述步骤（1）中，所述层压压强为10MPa～20MPa，所述层压的温度为70℃～100℃，层压保持1～2小时。
上述的零收缩LTCC多层陶瓷基板的制备方法中，更优选的，所述步骤（1）中，所述层压压强为10MPa～15MPa，所述层压的温度为70℃～80℃。
上述的零收缩LTCC多层陶瓷基板的制备方法中，优选的，所述步骤（3）中，开始升温后，采用60min～90min升温至400℃～480℃。
上述的零收缩LTCC多层陶瓷基板的制备方法中，优选的，所述步骤（3）中，所述保温排胶的时间为60min～90min。
上述的零收缩LTCC多层陶瓷基板的制备方法中，优选的，所述步骤（3）中，所述辅助通气是指沿多孔碳化硅压板水平方向进行通气，通入加热空气，加热空气的温度与升温温度同步，当加热空气的温度升至400℃～480℃时，加热空气不再升温，并以该温度通气直到整个烧结过程完成。
上述的零收缩LTCC多层陶瓷基板的制备方法中，优选的，所述步骤（1）中，所述高温陶瓷生瓷片包括氧化铝陶瓷生瓷片或氮化铝陶瓷生瓷片。
上述的零收缩LTCC多层陶瓷基板的制备方法中，优选的，所述步骤（1）中，所述叠层为10层～20层。
本发明的制备方法也可称作混合辅助零收缩率LTCC多层陶瓷基板的制备方法，该技术方案的特点是：烧结准备前，将多层低温共烧陶瓷生瓷片上下各放置一层高温陶瓷生瓷片，经过层压工艺，制备成覆盖有高温陶瓷生瓷片的低温共烧陶瓷多层基板电路胚体，再进行热切。将基板胚体夹持在上下多孔陶瓷基板平板和上下多孔碳化硅平板中，进行升温加热，经过一段时间适当温度下排胶后，再辅助在多层陶瓷基板电路上下表面施加压力，控制烧结成瓷过程中基板电路的收缩率。该方法陶瓷基板电路受热均匀，排胶充分，不起皱，收缩率片内一致性好，收缩率片间重复性可控制在±0.05%之间。
本发明的制备方法包括烧结前牺牲层层压和烧结时压力辅助共同控制低温共烧陶瓷的收缩两个主要步骤。烧结前层压（即叠层热压）采用氧化铝或氮化铝等高温陶瓷生瓷片覆盖LTCC生瓷片上下表面，与LTCC生瓷片电路进行等静压叠压，层压后构成一个生瓷胚体。采用高温陶瓷生瓷片覆盖LTCC多层基板一方面是在高温820～900℃时，高温陶瓷生瓷片不收缩、不成瓷，内部摩擦力可以减小LTCC平面X/Y方向的收缩，另一方面，高温生瓷片可以作为一层隔离层，防止LTCC在烧结温度成瓷过程中与上下压板粘连，发生变形。烧结时采用压力辅助烧结，将生瓷胚体放置在多孔碳化硅压板、多孔陶瓷压板上，对称依次用多孔陶瓷压板、多孔碳化硅压板覆盖，防止LTCC收缩过程中起拱、Z方向断层，以及设置合适的压力调节收缩率的大小，以减少对高温生瓷牺牲层的依赖。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明采用烧结前高温陶瓷生瓷片层压、烧结时压力辅助的混合辅助方式实现多层陶瓷基板零收缩率制备，制备过程简单，对材料和设备性能要求相对宽松，且有效地解决了压力辅助烧结中热均匀性、排胶困难、收缩一致性等问题。
2、本发明选用的多孔碳化硅压板和多孔陶瓷压板具有较大的抗压性能，能够给LTCC多层陶瓷基板表面提供足够的压强，碳化硅压板由于具备多孔结构，适合热交换，所以能够提供较均匀的烧结热场，陶瓷压板由于本身是微孔结构，在LTCC排胶阶段，有利于陶瓷基板中有机物的排放。
3、本发明提供的温度和压力参数值是实现多层陶瓷基板零收缩率制备关键条件。由于LTCC烧结过程中，包含排胶和烧结成型两个阶段，烧结成型本身具有一个收缩成型的物理化学过程，而这个过程是在某一特定的温度条件下急剧发生的，压力和温度参数值的设置大小范围，以及在升温阶段温度和压力在时间点上的匹配与控制，都直接影响收缩率控制的大小及一致性。
综上，针对现阶段零收缩工艺采用自约束工艺使用材料昂贵，工艺复杂，采用无压力辅助工艺对产品厚度有限制，容易出现断层，产品成品率难以控制，压力辅助烧结对设备要求极高，容易出现收缩不均匀、开裂、排胶困难等一系列问题，本发现创造性地采用了混合辅助控制手段，成本低廉，操作方便，产品一致性好，有效地解决了上述现有技术存在的一系列问题。
附图说明
图1为本发明实施例中零收缩LTCC多层陶瓷基板的制备方法工艺流程图。
图2为本发明实施例中在烧结时混合辅助夹具示意图。
图例说明：
1、压力施加杆；2、多孔碳化硅压板；3、多孔陶瓷压板；4、高温陶瓷生瓷片；5、LTCC生瓷片。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。
实施例1：
一种本发明的零收缩LTCC多层陶瓷基板的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
（1）准备dupont 951 LTCC生瓷片，进行打孔、印刷、定位前段工艺操作。
（2）将经前段工艺操作得到的LTCC生瓷片5切割成70mm×70mm小片，将小片依次叠层成10层，然后将两片0.1mm厚的AlN陶瓷生瓷片在叠层的上下各放一层，在温度80℃，压强15MPa下热压2小时，形成生瓷胚体。
（3）先在生瓷胚体的上下表面各放置一块多孔陶瓷压板3隔离层，然后在夹持有生瓷胚体的多孔陶瓷压板3的上下表面再各放置一块多孔碳化硅压板2施压层，置于压力装置上，形成如图2所示的混合辅助夹具。由图2可知，多层LTCC生瓷片5组成的叠层上下表面各设有一层高温陶瓷生瓷片4，形成生瓷胚体，在生瓷胚体的上下表面先各设有一层多孔陶瓷压板3、再各设有一层多孔碳化硅压板2，形成排胶隔离层和施压层，多孔碳化硅压板2的上下表面由压力装置上的压力施加杆1进行夹持。图2中生瓷片5的层数仅起示意作用，并不代表实际层数。
（4）开始升温，60分钟升温到450℃，升温同时辅助沿多孔碳化硅压板2的水平方向通入加热空气，加热空气的温度与升温温度同步，空气伴随升温到450℃，并保持该温度持续通气，在450℃下保温90分钟进行排胶。
（5）排胶后，以15℃/min速率升温至850℃，保温20分钟，烧结成瓷，其中，当温度升至600℃时，需缓慢施加压力2.5kN（即压强为500kPa）直至烧结过程结束。
（6）解除压力，自然降温，烧结完毕去除表面覆盖物多孔碳化硅压板2与多孔陶瓷压板3，并通过研磨方式去除基板表面附着物高温陶瓷生瓷片4，得到零收缩LTCC多层陶瓷基板。
取出样品，通过测量，X/Y两边分别长度为69.924mm、69.928mm，两边收缩率分别为0.108%、0.103%，多次重复性试验，收缩率片间重复性在±0.05%之间。从实验结果可看出基板的收缩率控制及重复性优于常规压力辅助烧结和无压力辅助烧结方法。
实施例2：
一种本发明的零收缩LTCC多层陶瓷基板的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
（1）准备Ferro A6 LTCC生瓷片，进行打孔、印刷、定位前段工艺工作。
（2）将步骤（1）得到的生瓷片切割成70mm×70mm小片，采用20层依次叠层，然后将两片0.1mm厚的AlN陶瓷生瓷片在叠层上下各放一层，在温度90℃，压强20MPa下热压1小时，形成生瓷胚体。
（3）先在生瓷胚体的上下表面各放置一块多孔陶瓷压板3，然后在夹持有生瓷胚体的多孔陶瓷压板3的上下表面再各放置一块多孔碳化硅压板2，置于压力装置上。
（4）开始升温，60分钟升温到420℃，升温同时辅助沿多孔碳化硅压板2的水平方向通入加热空气，空气伴随升温到420℃，并保持该温度进行通气，在420℃下保温90分钟，排胶。
（5）排胶后，以18℃/min速率升温至850℃，保温20分钟，烧结成瓷，其中，当温度升至610℃时，缓慢施加3kN压力（即600kPa）直至烧结过程结束。
（6）解除压力，自然降温，烧结完毕去除表面覆盖物多孔碳化硅压板2与多孔陶瓷压板3，并通过研磨方式去除基板表面附着物高温陶瓷生瓷片4，得到零收缩LTCC多层陶瓷基板。
取出样品，通过测量，X/Y两边分别长度为69.935mm、69.938mm，两边收缩率0.093%、0.089%，表面光滑，电路布线无短路；多次重复性试验，收缩率片间重复性在±0.05%之间。
实施例3：
一种本发明的零收缩LTCC多层陶瓷基板的制备方法，包括以下步骤：
（1）准备dupont 951 LTCC生瓷片，进行打孔、印刷、定位前段工艺工作。
（2）将步骤（1）得到的生瓷片切割成70mm×70mm小片，采用10层依次叠层，然后将两片0.1mm厚的Al2O3陶瓷生瓷片在叠层上下各放一层，在温度100℃，压强15MPa下热压1小时，形成生瓷胚体。
（3）先在生瓷胚体的上下表面各放置一块多孔陶瓷压板3，然后在夹持有生瓷胚体的多孔陶瓷压板3的上下表面再各放置一块多孔碳化硅压板2，置于压力装置上。
（4）开始升温，60分钟升温到480℃，升温同时辅助通入加热空气，空气伴随升温到480℃，并保持该温度进行通气，在480℃下保温60分钟，排胶。
（5）以15℃/min速率升温至850℃，保温20分钟，烧结成瓷，其中，当温度升至600℃时，缓慢施加压力2kN（即400kPa）直至烧结结束。
（6）解除压力，自然降温，烧结完毕去除表面覆盖物多孔碳化硅压板2与多孔陶瓷压板3，并通过研磨方式去除基板表面附着物高温陶瓷生瓷片4，得到零收缩LTCC多层陶瓷基板。
取出样品，通过测量，X/Y两边分别长度为69.921mm、69.927mm，两边收缩率分别为0.112%、0.104%，表面光滑，电路布线无短路；多次重复性试验，收缩率片间重复性在±0.05%之间。
实施例4：
一种本发明的零收缩LTCC多层陶瓷基板的制备方法，包括以下步骤：
（1）准备dupont 951 LTCC生瓷片，进行打孔、印刷、定位前段工艺工作。
（2）将步骤（1）得到的生瓷片切割成70mm×70mm小片，采用10层依次叠层，然后将两片0.2mm厚的Al2O3陶瓷生瓷片在叠层上下各放一层，在温度100℃，压强15MPa下热压1小时，形成生瓷胚体。
（3）先在生瓷胚体的上下表面各放置一块多孔陶瓷压板3，然后在夹持有生瓷胚体的多孔陶瓷压板的上下表面再各放置一块多孔碳化硅压板2，置于压力装置上。
（4）开始升温，90分钟升温到450℃，升温同时辅助通入加热空气，空气伴随升温到450℃，并保持该温度进行通气，在450℃保温90分钟，排胶。
（5）以15℃/min速率升温至900℃，保温10分钟，烧结成瓷，其中，当温度升至600℃时，缓慢施加压力1.5kN压力（即300kPa）直至烧结过程结束。
（6）解除压力，自然降温，烧结完毕去除表面覆盖物多孔碳化硅压板2与多孔陶瓷压板3，并通过研磨方式去除基板表面附着物高温陶瓷生瓷片4，得到零收缩LTCC多层陶瓷基板。
取出样品，通过测量，X/Y两边分别长度为69.933mm、69.937mm，两边收缩率分别为0.096%、0.09%，表面光滑，电路布线无短路；多次重复性试验，收缩率片间重复性在±0.05%之间。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种零收缩LTCC多层陶瓷基板的制备方法，包括以下步骤：
（1）将若干LTCC生瓷片依次叠层，然后在所得叠层的上下表面各放置一层高温陶瓷生瓷片进行层压，得到生瓷坯体；
（2）在步骤（1）得到的生瓷坯体上下表面先各放置一层多孔陶瓷压板、再各放置一层多孔碳化硅压板，置于压力装置中；
（3）开始升温，升温同时辅助通气，先升温至400℃～480℃，保温排胶；
（4）排胶后，继续升温至600℃～620℃时，施加压力使基板表面压强为300kPa～600kPa，在施加压力下继续升温至820℃～900℃，保温烧结；
（5）解除压力，自然降温，去除多孔碳化硅压板、多孔陶瓷压板和高温陶瓷生瓷片，得到零收缩LTCC多层陶瓷基板；
所述步骤（3）中，所述辅助通气是指沿多孔碳化硅压板水平方向进行通气，通入加热空气，加热空气的温度与升温温度同步，当加热空气的温度升至400℃～480℃时，加热空气不再升温，并以该温度通气直到整个烧结过程完成；
所述步骤（4）中，施加压力前后继续升温的升温速度均为15℃/min～20℃/min，所述保温烧结的时间为10min～20min；
所述步骤（3）中，开始升温后，采用60min～90min升温至400℃～480℃；
所述步骤（3）中，所述保温排胶的时间为60min～90min。
2.根据权利要求1所述的零收缩LTCC多层陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述层压压强为10MPa～20MPa，所述层压的温度为70℃～100℃，层压保持1～2小时。
3.根据权利要求2所述的零收缩LTCC多层陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述层压压强为10MPa～15MPa，所述层压的温度为70℃～80℃。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的零收缩LTCC多层陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述高温陶瓷生瓷片包括氧化铝陶瓷生瓷片或氮化铝陶瓷生瓷片。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的零收缩LTCC多层陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述叠层为10层～20层。
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