LTCC专用烧结设备研制

臧福海 邢程

摘要：本文对LTCC的生产工艺中基板的烧结过程进行了分析，以此做了多项实验研究，基于研究所得到的技术结果和试验结果完成了LTCC专业烧结设备的成功研制。

关键词：LTCC;烧结设备

Abstract：this paper analysis the sintering process of the substrates on the production of LTCC，a number of experimental studies have be done based on those analysis results.Based on the technology results of analysis and test results，the specialized sintering equipment for LTCC is completed successfully.

Key word：LTCC; Specialized sintering equipment

1引言

低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ce-ramic，LTCC）技术是20世纪80年代推出的集互联、无源元件和封装于一体的多层陶瓷基板制造技术。它是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确生瓷带薄层，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、导体浆料精密印刷等工艺制造出所需要的电路图形，然后将多层生瓷带对准、叠压，在900℃以下烧结制成无源/有源集成的功能模块[1-3]。该技术具有集成密度高、频率响应高、传输速度快等特点，正逐渐取代传统的PCB基板，已成为无源集成的主流和新元件产业的经济增长点，在军事电子器件领域中有着举足轻重的作用[4-6]。

陶瓷基板的烧结是LTCC工艺过程中的关键工艺。随着LTCC市场的蓬勃发展，LTCC专用烧结设备在国外已得到了广泛的应用，根据陶瓷基板的特性，结合LTCC的生产工艺，专业烧成设备实现国产化非常必要且经济效益前景良好。

2 LTCC工艺简介及主要技术参数

2.1 LTCC工艺简介

图2-1为LTCC基板的制作流程。排胶、烧结作为LTCC基板制作过程中最重要的一个环节，对排胶、烧结设备提出了更高的要求。排胶的过程是否充分、且不过量和烧结过程中均匀度的高低是陶瓷基板烧结高质量的重要指标。

排胶不充分易变形，排胶过量基板易损坏，影响基板收缩率;均匀性不一致易导致基板不同层面收缩率不一致。可见，收缩率是衡量基板烧结是否合格的关键。所以，如何克服基板的收缩率问题，就需要首先克服LTCC烧结工艺曲线的均匀性和烧结设备的排胶精度。间歇式升降烧结炉由于其灵活的结构比较适用于LTCC基板的烧结，且烧结过程可满足在850℃～950℃之间。

2.2主要技术参数

最高温度：1050℃

额定温度：850℃

控温点数：5点

升温均匀度：±3℃

平台均匀度：±2℃（850℃保温）

气氛控制：4路独立加热进气

3关键技术

LTCC专用烧结设备采用间歇升降形式，主要由升降系统、加热系统、气氛系统、电气控制系统等部分组成。升降系统由电机驱动主带轮，通过同步带同时驱动四角四个与丝杠底部连接的同步带轮，实现设备底托的上下平稳移动。升降控制分手动、自动两种操作模式，带有超程保护及电机过载保护功能;炉膛采用四面加热方式，加热元件为特殊定制的嵌入式FEC加热器;左右两侧内壁设计有进、排气盒。进气盒表面均匀布置进气孔，保证通入气体增压后均匀进入炉膛。排气盒与外部烟囱为一体式设计，且表面设计有不同尺寸等级的腰形气孔;电气控制系统由计算机加核心控制器及其它低压电器共同构成，具有报警保护功能。

3.1气体预热控制技术

设备烧结过程需通入洁净、干燥、无油压缩空气。为保证炉膛内温度场分布稳定，在炉膛进气口前段设计气体预热器，提前将进入炉膛内的气体快速预热（最高可预热至500℃）。

通过在预热器出气口处加装控制热偶，由热偶将检测数据传递给核心控制器，核心控制器控制预热器的输出功率，保证预热器出口气体温度。

3.2气体闭环控制技术

陶瓷基板的烧结过程中，不同的温度段炉膛的压力会有所不同，压力过高、过低都会对陶瓷基板的烧结质量产生负面影响。因此，进气控制必须保证烧结过程中不同温度段的炉膛压力稳定;此外，进气辅助排胶也是一个重要的过程，如何顺利的排胶并且保证压力的稳定成为关键。

气体闭环技术前提是保证炉膛压力。设备通过微压表测量炉膛内压力值并与实时大气压进行比较，保证炉膛压力处于微正压状态。当温度逐渐升高，炉膛压力变大时，微压表将信号传输给PLC，PLC经过PID运算得到结果，并将信号传输给比例阀，通过控制比例阀来控制排气量，从而实现精准控制炉膛压力的功能。图3-2为气体闭环控制图。

3.3温度稳定控制技术

设备的温度控制由热偶、温控器件和加热器共同组成。炉体采用为立方体结构，加热器采用均匀布置方式，四面加热，实现各层各面炉膛内热场的分布。热偶的摆放位置直接决定了炉膛控温的优劣。对此，采用多点分层控温方式，实现不同层面温度控制，且每温区四面可实现不同输出功率，结合不同的现场及炉膛环境，实现炉膛内热量的均匀分布。同时，温控器件摒弃单一的仪表控制，通过软件编程的方式实现控温，适用于不同的使用环境。

3.4多段式PID控制技术

如图3-3所示为LTCC烧结曲线。对于不同温度段的升温曲线，单一的P.I.D值并不能满足工艺曲线的均匀度要求。因此，采用软件编程方式的控温方式，对于不同的温度段都预设不同的P.I.D值，当温度处于某个温度段时，系统会自动调取该段的P.I.D参数;温度改变时，系统也会自动切换P.I.D值，从而保证炉膛内温度的均匀性。该控制方式灵活方便，对于不同的温度均可实现炉膛不同点位的高均匀性。

4总结与展望

通过多次试验，包括升温、降温、加热进气，不同位置均匀性测试、烧结产品测试，陶瓷基板的烧结收缩率、平整度等结果良好，符合LTCC工艺基板的烧制流程。

烧结作为LTCC制作工艺流程的重要环节，本文所述设备设备成为LTCC基板制造的关键。我司结合现有国外设备的技术并基于国内LTCC专用烧结设备的尖端技术，攻克各个技术难点，成功研制出性能达到国外先进水平的专用设备，为国内用户大幅降低了使用成本，为LTCC制作工艺的烧结环节提供了良好的平台。

参考文献

[1]郎鹏.微组装中的 LTCC 基板制造技术[J].电子工艺技术，2008（1）：16-18.

[2]杨邦朝，蒋明，胡永达，等.LTCC 组件技术及未来发展趋势[J].混合微电子技术，2002，13（1）：1-11.

[3]AKIN，LAWRENCE W.Automatingand optimizinghigh performance LTCC design [J].Microwave J，2004，47（9）：176-188.

[4]Reinhard Kulke.Low temperature cofired ceramic-anintroduction and overview[M].Kamp-Lintfort：IMSTGmbH，2001.14-22.

[5]鄧斌.LTCC专用烧结炉的结果设计及温度场实验研究[D].长沙：国防科技大学，2009.

[6]何中伟，王守政.LTCC 基板与封装的一体化制造[J].电子与封装，2004，14（4）：20-23.

作者简介：臧福海（1984-），安徽合肥人，硕士，合肥工业大学，机械设计及理论专业，研究方向：数字化设计及现代设计理论。