低温共烧陶瓷（LTCC）烧结收缩率的控制

寇凌霄

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳11032）

低温共烧陶瓷（LTCC）烧结收缩率的控制

寇凌霄

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳11032）

LTCC（Low Temperature co-fired Ceramic）即低温共烧陶瓷技术,是近年来兴起的一种令人瞩目的多学科交叉的整合组件技术，因其优异的电子、机械、热力特性已成为未来电子元件集成化、模组化的首选方式。LTCC基板材料研究的一个热点问题就是LTCC基板材料与异质材料共烧匹配性问题。一般LTCC材料的收缩率大约为12%～16%，在应用于高性能系统时，必须严格控制其收缩行为，获得在X-Y方向零收缩率的材料。通过介绍LTCC技术在零收缩基板及内埋置材料方面的技术的研究，评估各种加工方法对LTCC收缩率的控制程度,为基板制备方法的选择提供参考。

收缩率；零收缩；无压力辅助烧结法；自约束烧结法；压力辅助烧结法；复合材料共烧法

1 引 言

低温共烧陶瓷（LTCC）技术，就是将低温烧结陶瓷粉经过流延制成厚度精确而且致密的生瓷带。将制备的生瓷带作为电路基板材料，采用打孔、微孔填充、印刷、叠片以及层压等工艺制出所需要的电路图形，并将多个无源元件埋入其中，叠压在一起在900℃下烧结，制成三维电路网络的无源集成组件或内置无源元件的三维电路基板[1]。烧结时，不同材质的材料由于界面、烧结温度和收缩率等特性存在差别，基板容易出现分层、开裂等现象，必须控制好烧结工艺参数。

目前LTCC生瓷带在烧结时存在平面尺寸的收缩率超过10%[2]，收缩率容差为±0.3%。±0.3%的容差对于边长为50mm的基板将产生最大0.3mm的误差，这种误差对系统组装及高频信号传输影响很大[3]。因此，通过材料配比设计或者借用新的加工手段来实现平面零收缩的LTCC基板制造技术成为目前LTCC技术一个重要的发展方向。

2 平面零收缩基板制作工艺

零收缩LTCC基板的制造工艺流程与常规LTCC基板相同，关键工艺为层压和共烧工艺[4]，其工艺参数、工装夹具、压烧环境、设备功能等都对加工得到的LTCC基板的性能与质量有明显影响，目前已发展了以下几种主要方法：

2.1 无压力辅助烧结法

常规LTCC生瓷带叠压过程中，在底部和顶层叠压一定厚度的非收缩生瓷带(牺牲层)，再送常规LTCC烧结炉中对整个组件进行非限制性烧结，如图l所示。在不借助任何外部压力的情况下通过利用牺牲层的摩擦力抑制LTCC生瓷带在X、Y方向的收缩，使得收缩几乎只发生在Z方向，烧结完成后研磨掉底部和顶层的牺牲层。采用这种方法，能够使LTCC基板X、Y方向上的收缩率控制在0.1%之内，收缩一致性误差小于0.05%，也无需新增设备投资，但材料采购困难，而且去除夹持用牺牲层的工艺比较复杂。

图1 无压力辅助烧结法

2.2 压力辅助烧结法

该方法的核心在于借用特殊的烧结炉，使LTCC基板在烧结过程中在Z方向受到一个持续恒定的压力，以强制加压的方式限制其在X、Y平面方向上的收缩，使烧结后的LTCC基板平面尺寸与烧结前生瓷块的平面尺寸相同，从而实现平面零收缩或无收缩的烧结[5]，如图2所示。

图2 压力辅助烧结法

压力辅助烧结法可使LTCC基板的平面收缩率控制在0.01%±0.008%之内，而且不受材料的限制，可以用于多品种MCM的研制。目前,仅有德国ATV Tech GmbH公司生产的PHP-603-LTCC型烧结炉可以实现压力辅助烧结,价格高达25万欧元/台。设备投资大，而且也不适用于有空腔结构的基板。

2.3 自约束烧结法

自由共烧过程中，采用自身抑制平面方向收缩特性的方式制作LTCC平面零收缩生瓷带基板[6]，使基板在常规的LTCC烧结炉中非限制性烧结，优化烧结工艺，可以将烧成的LTCC基板平面方向收缩率不均匀性控制在±（0.03%～0.04%）。自约束烧结法常采用两种结构：具有三层结构的自约束烧结法和夹心结构的自约束烧结法。

2.3.1 具有三层结构的自约束烧结法

该结构由上下层玻璃与陶瓷的混合物和中间锁紧层（氧化铝多孔介质）组成[7]，如图3所示。烧结前，先将锁紧层的多孔介质烧结完成。烧结完的多孔介质在高温下可一直保持较高的机械强度，能够抵抗上下层烧结时出现的收缩应力。基板烧结过程中，上下两层混合物中的玻璃成分开始熔化渗透到中间多孔结构中，即可得到致密且零收缩的LTCC基板。

图3 三层结构的自约束烧结法

2.3.2 夹心结构的自约束烧结法

夹心结构的中间层是正常温度烧结，上下层是低温烧结层。如图4所示，第一阶段烧结过程中，温度达到650℃时生瓷带B开始烧结，生瓷带A抑制了生瓷带B的收缩；升温至850℃后，第二阶段烧结开始，已烧结完成的瓷带B抑制了生瓷带A的收缩（烧结后纵向的略微收缩对性能无影响）。

图4 夹心结构的自约束烧结法

自约束烧结法的优点是无需新增设备，但市场上仅有德国Heraeus(贺利氏)公司的HeraLock2000型生瓷带平面收缩率能达到（0.16%～0.24%）±0.03%，材料系统唯一，不能很好地满足制造不同性能MCM产品的需要。

2.4 复合材料共烧法

将LTCC生瓷带叠片为多层生瓷坯后,放在陶瓷或不锈钢的衬垫板上共同层压，使生瓷坯压实为生瓷体,再一起送常规烧结炉中烧结,将LTCC基板与衬垫板烧制成一体。烧结过程中，由于衬垫板的限制作用使LTCC基板在平面方向上实现零收缩。这种多层LTCC的复合零收缩基板具有极高的机械强度、抗冲击能力和良好的散热性,非常适于制作耐高过载MCM、大功率MCM，但金属基板与生瓷带材料匹配困难，后续工艺难度大。

3 结束语

LTCC工艺越来越多的应用在电子行业中，未来几年将需要大量的LTCC生产线来满足日益增长的产量要求[8]。研究和应用新型材料以及平面零收缩LTCC多层互连基板加工工艺，是当前提高LTCC工艺技术水平，满足高精度、高性能MCM研制要求的主要途径之一。烧结收缩率是LTCC生产线不可忽视的问题，现阶段通过无压力辅助烧结法、自约束烧结法、压力辅助烧结法、复合材料共烧法等可以实现平面零收缩LTCC基板的加工制造。各种解决方法的优缺点，可参考各自产线的产品及设备能力选用合适的加工方式。

[1]赵飞,党元兰.LTCC电路加工中的关键技术分析[J].电子工艺技术,2013,34(1):37-39.Zhao Fei,Dang Yuanlan.The key technology of LTCC circuit processing analysis[J].Electronic technology,2013,34(1):37-39.

[2]杨邦朝,张经国.多芯片组件（MCM）技术及其应用[M].成都:电子科技大学出版社,2001.Yang Bangchao,Zhang Jingguo.Multichip module technology and its application[M].ChengDu:University of electronic science and technology press,2001.

[3]郎鹏.微组装中的LTCC基板制造技术[J].电子工艺技术,2007,29(1):16-l8.Lang Peng.Micro assembly manufacturing technology of LTCC substrate[J].Electronic technology,2007,29(1):16-l8.

[4]张丽华,张金利.LTCC工艺技术研究[J].封装、测试与设备,2010,35(8):810-812.Zhang Lihua,Zhang Jinli.LTCC technology research[J].Packaging,test and equipment,2010,35(8):810-812.

[5]熊锦康.微带线与不同层间带状线在LTCC设计中相互转换[J].集成电路通讯,2006,24(3):13-20.Xiong Jinkang.Microstrip line with different interlayer stripline interconnection in LTCC design transformation[J].Integrated circuit communication,2006,24(3):13-20.

[6]李冉,傅仁利.低温共烧陶瓷技术(LTCC)与低介电常数微波介质陶瓷[J].材料报道:综述篇,2010,24(3)：40-44.Li Ran,Fu Renli.LTCC microwave dielectric ceramics with low dielectric constant[J].Material:review articles,2010,24(3)：40-44.

[7]王浩勤,曾志毅.LTCC多层互连基板工艺及优化[J].电子科技大学学报，2008,37:50-53.Wang Haoqin,Zeng Zhiyi.LTCC multi-layer interconnect substrate technology and optimization[J].Journal of university of electronic science and technology,2008,37:50-53.

[8]吕琴红,李俊.低温共烧陶瓷(LTCC)工艺的研究[J].电子工业专用设备,2009.10,177:22-25.Lv Qinhong,Li Jun.LTCC technology research[J].Electronic industrial specialized equipment,2009.10,177:22-25.

Low Temperature Co-firing Ceramic(LTCC)Sintering Shrinkage Research

Kou Lingxiao
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China）

LTCC (Low Temperature co-fired Ceramic)is the low temperature co-firing ceramic technology,is a kind of remarkable in recent years the rise of the integration of multidisciplinary cross component technology,because of their excellent electronic,mechanical,thermal properties has become the future electronic component integration,the preferred way of modularization.LTCC substrate materials research is a hot issue ofLTCC substrate materials burn matching problem with heterogeneous materials.General,LTCCmaterial shrinkage is about 12%～16%，when applied to high performance system,it is necessary to strictly control the shrinkage behavior,material with zero shrinkage in the X-Y direction.By introducing LTCC technology contract in zero base board and embedded within the material method technology research,assess the degree of various processing methods of LTCC shrinkage rate control,provide reference for the choice of substrate preparation methods.

Shrinkage;Zero shrinkage;Pressure-free assisted sintering;Self-constraint sintering;Pressure assisted sintering;Composite sintering method

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.05.009

TP393

A

1002-2279-（2017）05-0032-03

寇凌霄（1985—），女，河北衡水人，工程师，主研方向：微电子封装。