CN109152221A - 一种低温共烧陶瓷基板上浅层回路形腔体的成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低温共烧陶瓷基板上浅层回路形腔体的成型方法。操作步骤如下：（1）在12‑30片印刷有内层电路图形的生瓷片堆叠、层压、热切，制得LTCC生坯；不完全烧结，获得初烧基板；（2）在初烧基板的顶面和底面分别沉积金属保护层和光刻胶，获得具有保护的初烧基板；（3）在需要开腔区域去除光刻胶，并紫外激光烧蚀，获得预开腔体基板；（4）采用缓蚀溶液对预开腔体腐蚀，使内层电路图形充分暴露；即获得带腔体基板；（5）去除带腔体基板上剩余的光刻胶的金属保护层；并印刷顶面电路图形和底面电路图形，烧结，获得具有浅层回路腔体的LTCC基板。本发明能方便快捷地制备出现环形、树状分支形等复杂结构的LTCC回路形盲腔。
Description
技术领域
本发明属于混合电路技术领域，具体涉及一种低温共烧陶瓷基板上浅层回路形腔体的成型方法。
背景技术
低温共烧陶瓷（LTCC）基板作为陶瓷封装基板的一个分支，具有优良的电学、机械、热学及工艺性能，凭借其小型化、高密度、高集成度、高可靠性等优势广泛应用于无线通讯、汽车电子、计算机、机载通信导航、雷达、卫星等领域。特别是其在高频表现出的优异性能，已经成为微波毫米波高密度集成技术研究的热点。
LTCC基板陶瓷封装中的高集成特性主要来自于其自身的高密度布线和表面的高密度组装。通常，LTCC基板表面会设计出用于放置芯片的盲腔，用以进一步节省组装空间，提高组装密度。更重要的是，在以微带线、带状线、键合金丝、多层垂直传输通孔为主要传输形式的天线和收发组件中，大功率MMIC芯片、多电压电源模块和对电磁环境极度敏感的低噪声放大器等毫米波器件并存，电路间互耦、串扰、辐射现象十分突出，将芯片等放置在LTCC基板表层所制备的腔体内隔离开，能有效的减小相互干扰。因此，腔体的制备在LTCC基板中至关重要。
目前常用的开腔方法是在基板叠层前，使用机械、激光等方法在单层瓷片上先开出腔体，然后再把各层对准堆叠起来，从而形成需要的腔体。但是，这种方法只能制备出分立的腔体，对于功分环形、树状分支形等具有回路结构的复杂腔体，由于腔体环绕在孤岛型瓷片周围，使用常规方法制备时，中间孤岛瓷体在单层开腔时就会直接脱落下来，所以常规方法无法制备出此类腔体。本发明创新性的提出了一种初烧LTCC基板后开腔的方法，能获得常规方式无法制备的浅层回路形腔体及大开腔率、大尺寸等难度较大的腔体，能极大提升LTCC基板集成度和表层元器件间的抗干扰性能，特别适用于Ku波段以上的高频应用。
发明内容
为了解决LTCC基板上浅层回路形腔体难以制备的问题，本发明提供了一种低温共烧陶瓷基板上浅层回路形腔体的成型方法。
一种低温共烧陶瓷基板上浅层回路形腔体的成型操作步骤如下：
（1）制作初烧基板
取一叠6-30片瓷片，在每层瓷片上分别进行冲孔、填孔操作；在除顶层瓷片和底层瓷片外的其它瓷片上印刷内层电路图形，再将各层瓷片按顺序堆叠、层压、热切，制得LTCC生坯；
在烧结炉中进行不完全烧结：温度450-500℃、时间100-150min，使LTCC生坯排胶；升温至750-800℃、保温时间5-10min，随炉冷却，获得初烧基板；
（2）沉积保护层
对初烧基板的顶面和底面分别进行抛光处理，清洗并烘干；通过常规的溅射方法在初烧基板的顶面和底面分别沉积金属保护层；
通过匀胶机在所述顶面的金属保护层和底面的金属保护层上分别涂覆一层光刻胶，并热处理，获得具有光刻胶初烧基板；
（3）预开腔
按照常规曝光显影方法，在具有光刻胶初烧基板的一侧面上去除需要开腔区域的光刻胶；放入烘箱进行热处理；使用紫外激光对去除了光刻胶的开腔区域扫描式烧蚀，扫描次数不少于50次/层，获得预开腔体基板；
（4）腔体成型
对预开腔体基板进行超声清洗；将开腔面向下置于腐蚀槽中，使用喷射的方法从下向开腔面喷射缓蚀溶液，每隔15-20min取出预开腔体基板用纯水冲洗一次，并观察与开腔面的腔底对应的内层电路图形是否充分暴露；重复上述操作直至与开腔面的腔底对应的内层电路图形充分暴露；取出具有预定深度腔体的基板清洗、烘干，即获得带腔体基板；
（5）后处理
将带腔体基板在有机溶剂中去除剩余的光刻胶，再按常规薄膜工艺法去除剩余的金属保护层；在带腔体基板的顶面印刷顶面电路图形和在带腔体基板的底面印刷底面电路图形，干燥；在烧结炉中，升温至烧结温度860-870℃、保温时间8-15min，获得具有浅层回路腔体的LTCC基板。
进一步限定的技术方案如下：
步骤（1）中，所述瓷片的厚度为0.1～0.3mm。
步骤（2）中，抛光压力5-8kPa、载盘转速80-120r/min、抛光时间30-50min；抛光液成分为硅氧化物、铝氧化物、碳化硅、氮化硅中的一种，抛光液的流速20-30mL/min。
步骤（2）中，金属保护层材料为铬（Cr）、钨（W）、镍（Ni）、钛（Ti）、钽（Ta）中的一种，金属保护层的厚度为3-5μm；所述光刻胶的厚度8-10μm；所述热处理温度为120℃、时间3-4h。
步骤（3）中，所述热处理温度120℃、时间1-2h；所述紫外激光功率为4-5W、频率为50-60kHz，扫描速率200-250mm/s，扫描次数=开腔瓷片层数×50次/层。
步骤（4）中，所述超声温度为40-50℃、时间5-8min；所述热处理温度120℃、时间1-2h。
步骤（4）中，所述缓蚀溶液的组成为：氢氟酸（HF）：氟化铵（NH4F）：硫酸（H2SO4）：硝酸（HNO3）=（0.75-1）:（0. 5-0.75）:（0.2-0.3）:（0.25-0.5）（mol/L）；喷射流量：150-200mL/min。
步骤（5）中，升温至烧结温度的升温速率为7-9℃/min。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1、本发明的原理是对LTCC基板首先进行初烧，从而形成玻璃、陶瓷复合的初烧瓷体，由于初烧瓷体中含有玻璃相，所以可使用腐蚀的方法去除特定位置的LTCC瓷体，从而形成特殊形状的腔体。
2、本发明能方便快捷地制备出现有LTCC工艺方法无法制备的环形、树状分支形等复杂结构的LTCC回路形盲腔，可推广应用于任意形状、类型的LTCC浅层腔体的制备，特别适用于对抗干扰要求较高的高频微波传输线的屏蔽应用中。同时，作为扩展可方便快速地制备出开腔面积大、腔体占比率高、尺寸跨度大等各类使用常规制备方法成型困难的腔体。
3、本发明方法由于使用了激光结合化学腐蚀的方法，兼顾成腔效率和腔体质量，成腔速度快，而且腔底平整光滑，底部印刷图形清晰完整。同时，本方法为后开腔，因此腔体不会对基板收缩产生影响，也不会出现由于腔体位置应力集中等造成及基板翘曲、扭曲、变形等缺陷，能极大的提高基板的工艺性能指标，简化基板生坯制备流程，提高成品率和生产效率。
4、本发明方法的操作步骤中所使用的都是常规的厚薄膜工艺设备和原材料，设备和材料可获得性高，工艺简单，成本低。同时，本发明公开的制备方法不受生瓷片种类的限制，适用性广，可用于大批量生产。
附图说明
图1 为步骤（1）完成冲孔、填孔、内层印刷的LTCC生坯示意图；
图2为步骤（2）完成两层保护后的初烧基板示意图；
图3为步骤（3）激光预开腔体后的初烧基板示意图示意图；
图4为步骤（4）采用缓释溶液腐蚀后的完整腔体结构示意图；
图5 为步骤（5）去除保护层后的LTCC初烧基板示意图；
图6 为步骤（5）完成顶面和底面印刷的LTCC基板示意图；
图7 为本发明实施例中预开腔后的LTCC基板腔体台阶仪测试曲线；
图8 为LTCC基板上环形功分形腔体的结构示意图；
图9 为LTCC基板上树状分支形腔体的结构示意图；
图1-9中：瓷片1、导通孔2、内层电路图形3、金属保护层4、光刻胶5、预开腔体6、腔体7、表层后烧图形8、底层后烧图形9。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地说明。
实施例1：
本实施例的LTCC基板选用Ferro A6M系材料体系，单层生瓷片厚度为0.127mm，共使用14层瓷片，基板烧结后总厚度约1.4mm；基板上制备的腔体形状为环形功分形结构，见图8，设计腔体深度约0.3mm。
一种LTCC基板浅层回路形腔体成型的具体操作步骤如下：
（1）制作初烧基板
参见图1，取一叠14片瓷片1，在每层瓷片1上分别进行冲孔、填孔操作，得到导通孔2；在除顶层瓷片和底层瓷片外的其它瓷片上印刷内层电路图形3，再将各层瓷片按顺序堆叠、层压、热切，制备出14层的LTCC生坯；
然后再将LTCC生坯放入烧结炉中进行不完全烧结，具体烧结参数为：在480℃排胶150min后，继续升温到765℃初烧温度保温8min，然后随炉冷却，获得初烧基板。
（2）沉积保护层
参见图2，对初烧基板的顶面和底面分别进行抛光处理，抛光压力6kPa，载盘转速100r/min，抛光时间30min，抛光液成分为氧化硅，流速25mL/min，清洗并干燥。通过常规的溅射方法在初烧基板的顶面和底面分别沉积W金属保护层4，膜厚5μm；
通过匀胶机在W金属保护层4上涂覆一层BP-212型光刻胶5，厚度10μm；并热处理，热处理温度120℃，时间4h，获得具有光刻胶初烧基板。
（3）预开腔
参见图3，按照常规曝光显影方法，在具有光刻胶初烧基板的一面上去除需要开腔区域的光刻胶；然后放入烘箱热处理，温度120℃、时间1h。取出后使用紫外激光在去除光刻胶的区域扫描式烧蚀，激光功率4W、频率60kHz、扫描速率250mm/s、扫描次数150次，获得具有预开腔体6的预开腔体基板，预开腔深度为240μm，见图7。
（4）腔体成型
参见图4，将预开腔体基板置于超声机中进行超声处理，超声温度50℃、时间5min。然后在烘箱中进行热处理，温度120℃、时间1h。
称取25g的氟化铵（NH4F）加入到500ml去离子水中，搅拌至完全溶解得到氟化铵溶液，分别量取40ml浓度40%的氢氟酸（HF）、15ml浓度96%的硫酸（H2SO4）、25ml浓度为68%的硝酸（HNO3），依次加入到上述氟化铵溶液中，完全混合后继续加入去离子水配置成1L的缓蚀溶液待用。将预开腔体基板置于腐蚀槽中，将预开腔体6的一面朝下，使用循环喷射的方法从下向预开腔体6喷射缓蚀溶液，喷射流量：150mL/min。每隔15min取出预开腔体基板用去离子水冲洗一次，并观察预开腔体6的腔底对应的内层电路图形3是否暴露；重复操作2次后，已可观察到腔体图形，继续喷射约9min腔底对应的内层电路图形3完全裸露，此时取出基板，清洗，并烘干，即获得具有腔体7的带腔体基板。
（5）后处理
参见图5，将带腔体基板首先在丙酮中去除剩余的光刻胶5，再按照常规薄膜工艺去除表面金属保护层4；最后在带腔体基板的正反两面印刷导体图形并烘干，放入烧结炉中，升温至烧成温度并保温，升温速率为9℃/min、烧结温度为870℃、保温时间为8min，获得具有浅层回路腔体的LTCC基板。参见图6，具有浅层回路腔体的LTCC基板的一面上具有表层后烧图形8，另一面上具有底层后烧图形9。完成后的腔体激光扫描曲线中腔体深度约为320μm，且腔体垂直度好。
实施例2：
本实施例的LTCC基板选用Ferro A6M系材料体系，单层瓷片厚度为0.127mm，共使用12层瓷片，基板烧结后总厚度约1.4mm；基板上制备的腔体形状为树状分支形结构，见图9，设计烧结后的腔体深度约0.2mm。
一种LTCC基板浅层回路形腔体成型的具体操作步骤如下：
（1）制作初烧基板
参见图1，取一叠12片瓷片1，在每层瓷片1上分别进行冲孔、填孔操作，得到导通孔2；在除顶层瓷片和底层瓷片外的其它生瓷片上印刷内层电路图形3，再将各层瓷片按顺序堆叠、层压、热切，制备出12层的LTCC生坯；
然后再将LTCC生坯放入烧结炉中进行不完全烧结，具体烧结参数为：在450℃排胶120min后，继续升温到750℃初烧温度保温5min，然后随炉冷却，获得初烧基板。
（2）沉积保护层
参见图2，对初烧基板的顶面和底面分别进行抛光处理，抛光压力5kPa，载盘转速80r/min，抛光时间30min，抛光液成分为氧化铝，流速20mL/min，清洗并干燥。通过常规的溅射方法在初烧基板的顶面和底面分别沉积Cr金属保护层4，金属保护层厚度为3.2μm；
通过匀胶机在Cr金属保护层4上涂覆一层AZ4620型光刻胶5，厚度8.6μm；并热处理，热处理温度120℃，时间4h，获得具有光刻胶初烧基板。
（3）预开腔
参见图3，按照常规曝光显影方法，在具有光刻胶初烧基板的一侧面上去除需要开腔区域的光刻胶；然后放入烘箱热处理，温度120℃、时间1h。取出后使用紫外激光在去除光刻胶的区域扫描式烧蚀，激光功率4W、频率55kHz、扫描速率200mm/s、扫描次数100次，获得具有预开腔体6的预开腔体基板，预开腔深度约为150μm，见图7。
（4）腔体成型
参见图4，将预开腔体基板置于超声机中进行超声处理，超声温度50℃、时间5min。然后在烘箱中进行热处理，温度120℃、时间1h。
称取20g的氟化铵（NH4F）加入到300ml去离子水中，搅拌至完全溶解得到氟化铵水溶液；分别量取36ml浓度40%的氢氟酸（HF）、12ml浓度96%的硫酸（H2SO4）、20ml浓度为68%的硝酸（HNO3），依次加入到氟化铵水溶液中，完全混合后继续加入去离子水配置成1L的缓蚀溶液待用。将预开腔体基板置于腐蚀槽中，将预开腔体6的一面朝下，使用循环喷射的方法从下向预开腔体6喷射缓蚀溶液，喷射流量：150mL/min。每隔15min取出预开腔体基板用去离子水冲洗一次，并观察预开腔体6的腔底对应的内层电路图形3是否暴露；重复操作2次后，可观察到腔体图形，继续喷射约3min腔底对应的内层电路图形3完全裸露，此时取出基板，清洗，并烘干，即获得具有腔体7的带腔体基板。
（5）后处理
参见图5，将带腔体基板首先在丙酮中去除剩余的光刻胶5，再按照常规薄膜工艺去除表面金属保护层4；最后在带腔体基板的正反两面印刷导体图形并烘干，放入烧结炉中，升温至烧成温度并保温，升温速率为7℃/min、烧结温度为860℃、保温时间为15min，获得具有浅层回路腔体的LTCC基板。参见图6，具有浅层回路腔体的LTCC基板的一面上具有表层后烧图形8，另一面上具有底层后烧图形9。由图8可见，完成后的腔体激光扫描曲线中腔体深度约为190μm，且腔体垂直度好。
实施例3：
本实施例的LTCC基板选用DuPont 951 PT系材料体系，单层生瓷片厚度为0.114mm，共使用13层生瓷片，基板烧结后总厚度约1.3mm；基板上制备的腔体形状为环形功分形结构，见图8，设计腔体深度约0.3mm。
一种LTCC基板浅层回路形腔体成型的具体操作步骤如下：
（1）LTCC初烧
参见图1，取一叠13片生瓷片1，在每层生瓷片1上分别进行冲孔、填孔操作，得到导通孔2；在除顶层生瓷片和底层生瓷片外的其它生瓷片上印刷内层电路图形3，再将各层生瓷片按顺序堆叠、层压、热切，制备出13层的LTCC生坯；
然后再将LTCC生坯放入烧结炉中进行不完全烧结，具体烧结参数为：在500℃排胶120min后，继续升温到800℃初烧温度保温8min，然后随炉冷却，获得初烧基板。
（2）LTCC保护
参见图2，对初烧基板的顶面和底面分别进行抛光处理，抛光压力8kPa，载盘转速120r/min，抛光时间50min，抛光液成分为氧化铝，流速30mL/min，清洗并干燥。通过常规的溅射方法在初烧基板的顶面和底面分别沉积Ta金属保护层4，金属保护层厚度为4μm；
通过匀胶机在Cr金属保护层4上涂覆一层AZ4620型光刻胶5，厚度10μm；并热处理，热处理温度120℃，时间4h，获得具有光刻胶初烧基板。
（3）预开腔
参见图3，按照常规曝光显影方法，在具有光刻胶初烧基板的一侧面上去除需要开腔区域的光刻胶；然后放入烘箱热处理，温度120℃、时间2h。取出后使用紫外激光在去除光刻胶的区域扫描式烧蚀，激光功率5W、频率55kHz、扫描速率250mm/s、扫描次数150次，获得具有预开腔体6的预开腔体基板，预开腔深度约为250μm，见图7。
（4）腔体成型
参见图4，将预开腔体基板置于超声机中进行超声处理，超声温度50℃、时间5min。然后在烘箱中进行热处理，温度120℃、时间1h。
称取27g的氟化铵（NH4F）加入到500ml去离子水中，搅拌至完全溶解得到氟化铵水溶液；分别量取44ml浓度40%的氢氟酸（HF）、15ml浓度96%的硫酸（H2SO4）、30ml浓度为68%的硝酸（HNO3），依次加入到氟化铵水溶液中，完全混合后继续加入去离子水配置成1L的缓蚀溶液待用。将预开腔体基板置于腐蚀槽中，将预开腔体6的一面朝下，使用循环喷射的方法从下向预开腔体6喷射缓蚀溶液，喷射流量：150mL/min。每隔15min取出预开腔体基板用去离子水冲洗一次，并观察预开腔体6的腔底对应的内层电路图形3是否暴露；重复操作3次后，可观察到腔体图形，继续喷射约6min腔底对应的内层电路图形3完全裸露，此时取出基板，清洗，并烘干，即获得具有腔体7的带腔体基板。
（5）后处理
参见图5，将带腔体基板首先在丙酮中去除剩余的光刻胶5，再按照常规薄膜工艺去除表面金属保护层4；最后在带腔体基板的正反两面印刷导体图形并烘干，放入烧结炉中，升温至烧成温度并保温，升温速率为9℃/min、烧结温度为870℃、保温时间为8min，获得具有浅层回路腔体的LTCC基板。参见图6，具有浅层回路腔体的LTCC基板的一面上具有表层后烧图形8，另一面上具有底层后烧图形9。完成后的腔体激光扫描曲线中腔体深度约为318μm，腔体垂直度好。
Claims (8)
1.一种低温共烧陶瓷基板上浅层回路形腔体的成型方法，其特征在于：
（1）制作初烧基板
取一叠6-30片瓷片，在每层瓷片上分别进行冲孔、填孔操作；在除顶层瓷片和底层瓷片外的其它瓷片上印刷内层电路图形，再将各层瓷片按顺序堆叠、层压、热切，制得LTCC生坯；
在烧结炉中进行不完全烧结：温度450-500℃、时间100-150min，使LTCC生坯排胶；升温至750-800℃、保温时间5-10min，随炉冷却，获得初烧基板；
（2）沉积保护层
将初烧基板的顶面和底面分别进行抛光处理，清洗并烘干；通过常规的溅射方法在初烧基板的顶面和底面分别沉积金属保护层；
通过匀胶机在所述顶面的金属保护层和底面的金属保护层上分别涂覆一层光刻胶，并热处理，获得具有光刻胶初烧基板；
（3）预开腔
按照常规曝光显影方法，在具有光刻胶初烧基板的一侧面上去除需要开腔区域的光刻胶；放入烘箱进行热处理；使用紫外激光对去除了光刻胶的开腔区域扫描式烧蚀，扫描次数不少于50次/层，获得预开腔体基板；
（4）腔体成型
对预开腔体基板进行超声清洗；将开腔面向下置于腐蚀槽中，使用喷射的方法从下向开腔面喷射缓蚀溶液，每隔15-20min取出预开腔体基板用纯水冲洗一次，并观察与开腔面的腔底对应的内层电路图形是否充分暴露；重复上述操作直至与开腔面的腔底对应的内层电路图形充分暴露；取出具有预定深度腔体的基板清洗、烘干，即获得带腔体基板；
（5）后处理
将带腔体基板在有机溶剂中去除剩余的光刻胶，再按常规薄膜工艺法去除剩余的金属保护层；在带腔体基板的顶面印刷顶面电路图形和在带腔体基板的底面印刷底面电路图形，干燥；在烧结炉中，升温至烧结温度860-870℃、保温时间8-15min，获得具有浅层回路腔体的LTCC基板。
2.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于：步骤（1）中，所述生瓷片的厚度为0.1～0.3mm。
3.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于：步骤（2）中，抛光压力5-8kPa、载盘转速80-120r/min、抛光时间30-50min；抛光液成分为硅氧化物、铝氧化物、碳化硅、氮化硅中的一种，抛光液的流速20-30mL/min。
4.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于：步骤（2）中，金属保护层材料为铬（Cr）、钨（W）、镍（Ni）、钛（Ti）、钽（Ta）中的一种，金属保护层的厚度为3-5μm；所述光刻胶的厚度8-10μm；所述热处理温度为120℃、时间3-4h。
5.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于：步骤（3）中，所述热处理温度120℃、时间1-2h；所述紫外激光功率为4-5W、频率为50-60kHz，扫描速率200-250mm/s，扫描次数=开腔瓷片层数×50次/层。
6.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于：步骤（4）中，所述超声温度为40-50℃、时间5-8min；所述热处理温度120℃、时间1-2h。
7.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于：步骤（4）中，所述缓蚀溶液的组成为：氢氟酸（HF）：氟化铵（NH4F）：硫酸（H2SO4）：硝酸（HNO3）=（0.75~1）:（0. 5~0.75）:（0.2~0.3）:（0.25~0.5）（mol/L）；喷射流量：150-200mL/min。
8.根据权利要求1所述的成型方法，其特征在于：步骤（5）中，升温至烧结温度的升温速率为7-9℃/min。
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