一种LTCC半切割基板制作技术

周峻霖，夏俊生，张 剑，洪 明

（1.华东光电集成器件研究所，安徽 蚌埠 233042；2.中国人民解放军驻九三七三厂军事代表室，安徽 蚌埠 233000）

1 引言

切割是LTCC加工中的关键工艺，切割质量的优劣决定了产品平整度、内部应力等方面，对后续烧结过程有一定影响。在LTCC应用中，为便于自动组装，很多用户需要大尺寸联片电路，而不是切割后的单元电路。这就要求切割时必须采用半切方式：一种是生瓷坯块不切透的半切，即将整块基板按单元尺寸切成巧克力板状，提供用户组装;另一种是LTCC共烧后，按要求将LTCC基板加工为半切状态。本文介绍了两种半切方式，通过工艺试验描述了半切的工艺原理及工艺优化参数；经过比较，热压式半切工艺较经济、安全、高效，可满足不同用户对产品的加工要求。

2 LTCC基板半切割加工方法及原理介绍

由于LTCC基板厚度不同、材料各异，切割参数也不一样，对半切工艺的实现提出了挑战。因此，本文开展LTCC基板半切割制作技术研究，探讨多种参数对烧结后半切基板表面质量、翘曲度、尺寸精度等方面的影响。在LTCC基板半切割工艺加工中，LTCC热压式半切割广泛用于批量生产，生瓷烧结后激光线性半切割适用于少量特殊尺寸产品加工。

2.1 热压式半切割工艺原理

LTCC生瓷热压式半切割时，通过在加热的承片台上放置生瓷坯块并施加真空吸附、双面胶固定，使用两只CCD摄像头从左右两侧监测生瓷坯块上的切割线标记，将放大的图像通过视频系统传送到计算机中，再与屏幕上的切割线对准；切割时，由步进马达驱动承片台，使用加热的刀片来完成切割，切割深度设置应小于生瓷坯块厚度，对层压后的生瓷坯块进行半切，各单元生瓷块在切割后仍是连成一体的一大块生瓷坯，以方便SMT自动表面贴装加工。完成LTCC半切后，必要时使用等静压层压机进行二次层压，以避免半切中有可能产生的分层问题。

完成LTCC生瓷半切割和二次层压后，可将切后的整块半切生瓷坯块放入箱式烧结炉中，按产品设计要求，选择相应烧结程序，完成共烧。

2.2 激光线性半切割工艺原理

完成顶面多层制作、烧结的LTCC基板，通过激光划片机系统定位切割起点和终点，使用预先编好的程序，利用高能激光束汽化掉LTCC基板材料的一部分，形成激光切口。激光束以一定的形状及精度重复照射到工件固定的一点上，通过工作台的移动，激光束在移动的工件上按设定程序和时间进行激光扫描，完成LTCC基板的切割，加工后基板外形尺寸容差控制较好。

3 热压式半切割工艺研究

3.1 存在问题

通过试验，发现如半切深度设得过浅，切割时只能在生瓷体上留下很浅的切痕，不利于后步基板加工后掰分；而半切深度太深，生瓷切后容易断开，烧结后基板表面应力过大，会有形变。另外，刀架切后提起高度如设置不合适，会使机械切割应力释放不均匀；切割速度如设置太快，易造成切不到位而将生瓷带起、形成错位；从而影响到烧结后半切基板质量。

3.2 工艺试验

传统LTCC机械切割机通常只用于生瓷坯块全切透式切割，一般没有厂家推荐的半切参数。研究选用的样品基板为12～14层杜邦生瓷叠压的生瓷坯块。试验中，通过设定刀片温度为90℃、切片台温度为80℃、生瓷坯块预热时间5min，结合厂家推荐值，进行了多次尝试和比较。本文着重就半切深度、刀架切后提起高度、切割速度等参数进行调整，完成了表1中的工艺比较和摸索。

3.3 热压式生瓷半切工艺试验结果

经过多重试验和比较，热压式半切割试验中第四组（有★标记）结果较好。按照表1中第4组试验参数进行加工，使用杜邦某型号生瓷制作，叠压成12层、厚度约为1.36mm的生瓷坯块。

LTCC半切时，施加了以下条件并进行实际监测：

（1）将LTCC切割机承片台加热温度设为80℃，5min后经使用点式温度计测试坯块上表面5点，坯块实际加热平均温度达到80℃。

（2）设定切割深度28.40mm，半切割深度0.74mm（即刀片在生瓷坯块表面切入的深度，坯块厚度约1.36mm），刀架切后提起高度4mm，切割速度200mm/s，实际切割后在显微镜下观测可从生瓷坯块顶面切透约生瓷坯块约3/5厚的深度。

（3）生瓷坯块半切后，使用等静压层压机进行二次层压（无预热12MPa，1s～2s），以消除切割中由机械应力可能产生的分层问题。

半切后的整板坯块按要求完成共烧，烧结后经观察得出如下结果：基板总体质量较好，无分层问题，表面无明显翘曲，切口无裂纹，易掰分。后来，为了反复验证试验得出的优化参数（表1 中第四组加工参数），应用此参数加工了多个蓝牙坯块，烧结后基板平整无翘曲。

3.4 热压式生瓷半切工艺优化参数

通过大量试验优化，当使用热压式半切加工12～14层杜邦生瓷叠压的生瓷坯块时（典型产品配置，坯块厚度约为1.36mm），设定刀片温度90℃、切片台温度80℃、生瓷坯块预热时间5min、切割深度设为28.20mm、半切深度为0.54mm、刀架切后提起高度设为3mm、切割速度200mm/s时，可获得优化的半切加工效果。

4 激光线性半切工艺研究

4.1 存在问题

使用激光线性半切对共烧后基板进行加工是一种针对小批量研制、特殊尺寸及外形结构加工采取的半切割工艺方式。使用此方式加工LTCC半切割基板时，如果激光机功率设置得过大，会引发切口边缘变黄、发黑等缺陷，难以消除，造成尺寸超差。在实际加工中，由于LTCC使用的层数不同、材料各异，需不断优化切割深度等参数设置，围绕典型LTCC材料和层数，得出优化的参数，提高加工精度。

使用激光机切割LTCC基板时，一般应使用中低档切割功率（约为4W左右），以避免功率过大出现切口缺陷；所以要进行烧结后LTCC基板的半切，只能在低功率条件下加长切割时间，从而得以切透小于基板厚度的深度，如基板厚度的1/2或3/5比例。激光扫描切割时间加长后，会造成基板表面缺陷增加。为改变现状，加工出高质量基板，完成调整激光切割深度、激光切割速度、焦距、Z轴扫描深度、电流等参数，确定最佳LTCC基板半切参数设置，从而有效减少激光半切后的表面缺陷、半切基板表面黑斑、尺寸误差，改进激光半切工艺质量。

4.2 工艺试验

通过对激光线性半切样品进行测量，该样品经过烧结厚度约为1mm。为减少大功率激光扫描对半切的负面影响，半切加工需加长激光扫描时间，而随着激光机氪灯灯管工作时间的延续，必须相应调整电流值（加在氪灯上的工作电流值），电流值设置得过大会使灯管爆裂；设置得过小，将影响激光功率，不能满足加工要求；通过试验比较，新灯管的电流值一般设置为32A、180h左右设置37A、300h左右设置40A、400h后设置不超过42A。在进行激光半切加工前，通过调节激光半切电流值、定位位置、焦距等参数，经反复试验，最终获得优化的基板半切参数（见表2），有效减少了激光加工的表面缺陷。

4.3 激光线性半切工艺试验结果

通过调整表2 中各样品LTCC基板的主要加工参数，如激光切割深度、切割速度、焦距，每次切割循环Z轴扫描深度和电流值（加在氪灯上的工作电流值），并进行设置和试验。经验证（详见表2）：使用杜邦系列生瓷材料12层叠压、烧结之后约1.0mm厚的LTCC基板进行激光线性切割，激光半切深度设为0.9mm、切割速度设为80mm/s、焦距（Z）9.98、Z轴扫描距离0.035mm、电流值36.0A时，激光半切效果最好，基板表面和切口完好。

4.4 激光线性半切工艺优化参数

通过试验，得出了优化激光线性半切参数，即当完成杜邦生瓷材料12层（某典型产品）叠压、对烧后约1.0mm厚LTCC基板进行激光线性切割时，激光半切深度设为0.9mm、切割速度设为80mm/s、焦距（Z）9.98、纵向轴Z轴扫描距离0.035mm、电流值36.0A，激光半切效果最好，基板表面和切口无缺陷。

5 结论

本文对热压式半切、激光线性半切工艺特点进行了比较，获得以下结论：

（1）通过优化热压式半切加工参数，完成了切割深度小于自身坯块厚度的半切割加工；同时，经过二次层压、烧结后切口无翘曲和裂纹，表面质量良好，易掰分。

（2）通过调整激光切割机的功率、定位位置、激光切割深度和速度、焦距等参数，改进了激光线性半切工艺，保证了烧结后LTCC激光半切基板加工质量。激光半切工艺尤其适用于小批量样品研制。

（3）通过热压式半切工艺完成LTCC半切割基板制造，经济、安全、高效，可满足不同用户对产品的加工要求。

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