LTCC印刷工艺研究

郝鹏飞，景 灏

(中国电子科技集团公司第二研究所 ，山西 太原 030024)

LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) 是一种将未烧结的流延陶瓷材料叠层在一起而制成的多层电路，内有印制互联导体、元件和电路，并将该结构烧结成一个集成式陶瓷多层材料。LTCC技术以其集成密度高和高频特性好等优异的电学、机械、热学及工艺特性，成为目前电子元件集成化的主流方式，广泛应用于电子、通讯、航空航天、汽车、计算机和医疗等领域[1]。

印刷工艺作为LTCC技术环节中的重要一环，最终的印刷效果直接决定了后续工艺的可行性及难易度。基于提高印刷效果的要求，研制了半自动对位印刷机。

1 LTCC流程介绍

在LTCC生产工艺过程中，主要包括打孔、微孔填充、整平、刮孔、印刷、叠片和高温烧结等，具体的生产工艺流程如下图1 所示。

图1 LTCC工艺流程

2 设备和工艺

2.1 设备介绍

图2为半自动印刷机。

图2 半自动印刷机

半自动印刷机是一种用来往干燥后的生瓷片上印刷电路的设备，可以印刷线条，独立模块(电阻，电感)等电路元器件。设备主要包括以下几个功能部件：1) 印刷机构；2) CCD定位系统； 3) 工作台机构；4) UVW定位平台机构；5) 控制系统。

2.2 印刷工艺

LTCC基板每层上的电路图形(包括导带，电阻，电容，电感等无源器件)是通过印刷工艺来实现的。影响印刷图形质量的关键因素众多，具体包括：丝网类型和目数、乳胶类型、印刷速率、刮板或辗辊的硬度和接触角度、印刷压力和丝网的变形量等，必须在生产过程中严加控制，才能达到印刷精度要求。

印刷工艺是LTCC整线环节中的关键一步。印刷质量的好坏直接决定了生瓷片是否可以使用。如果调不出合适的工艺参数就印刷，会导致印刷图形不均匀，损坏网版等情况发生。所以，调出合适的印刷工艺参数至关重要。

由于影响印刷效果的因素众多，本文在做印刷工艺实验时主要针对浆料，网间距以及印刷压力等参数来对比分析。

3 工艺问题分析以及解决方案

3.1 印刷划破生瓷片的问题

实验中使用特制的电阻浆料来印刷电阻，粘稠度、流动性良好。印刷时最初采用的是德国硬质刮条并且刮条与印刷平台呈90度关系，如图3所示，在印刷的过程中经常有生瓷片刮破的现象，通过调整刮条的角度以及调整夹具的方式，使其保持柔性状态，这样既降低了生瓷片刮破的现象，同时也使刮条在接触生瓷片后成为一种自适应的状态，降低了调整刮条和平台平行度的难度；并且将刮条的角度调整到一个75°的状态，刮破生瓷片的问题也有了很大的改善。

图3 刮条90度

3.2 浆料粘稠度不合适的问题

分别使用不同粘稠度的电阻浆料进行了印刷实验，过程中发现：1) 当浆料粘稠度过于稀时，生瓷片上的孔无法被浆料填满，孔周围浆料的过稀导致了印刷缺失，印不上电阻，如图4(a)；2) 当浆料粘稠度过于稠时，即使把印刷压力调到最大300N，网间距调到合适的位置，也无法将浆料印刷到生瓷片上，并且浆料粘稠容易堵塞印刷网版；3) 当浆料粘稠度适中时，印刷在生瓷片上的电阻不会缺失，并且浆料也不会堵塞网版，这时候的浆料粘稠度就是合适的,如图4(b)。通过以上对比发现，在生瓷片上印刷电阻时，浆料的粘稠度对印刷效果的影响很大，需要通过配比调出合适的粘稠度。

图4 粘稠度对比结果

3.3 网间距不合适的问题

在刮条角度以及浆料粘稠度合适的情况下，印刷工艺的好坏主要由可量化的工艺参数决定，其中，网版下平面到印刷平台的距离(网间距)对印刷质量的好坏起到了决定性的作用。在具体印刷过程中发现：在保证印刷压力不变的情况下，网间距过大时(>3 mm)，网版承受的张力会变大，存在撕裂的风险；网间距过小时(<0.5 mm)，会出现生瓷片上浆料外溢的情况，如图5(a)所示。通过实验，调整到合适的印刷网间距工艺参数(1 mm)，印刷效果如图5(b)所示。

图5 网间距对比结果

3.4 印刷压力不合适的问题

在印刷实验过程中发现，印刷压力的大小也会对印刷效果产生影响。当印刷压力过大(>250N)时，生瓷片上的印刷电阻会出现“拖尾”现象，产生距离偏差，如图6(a)所示；当印刷压力过小(<50N)时，印刷的电阻不清晰；只有设置好合适的印刷压力(实验中设置的180N)，生瓷片上才会印刷上完整清晰的电阻。实验对比如图6(b)所示。

图6 印刷压力对比结果

4 调整参数后印刷效果以及实验数据

4.1 印刷效果

当刮条角度合适，电阻浆料粘稠度合适时，设置好合适的网间距参数，以及印刷压力参数，印刷效果如图7所示。

可以看出，印刷的电阻清晰，线条完整，没有缺失，验证了印刷电阻工艺的可行性。

图7 高分辨率显微镜下局部印刷电阻

4.2 印刷电阻的数据分析

表1所示测量数据是基于图8的四个区域，分别在每个区域随机找了10个点用激光测厚仪进行测量。

图8 生瓷片图形示意图

从表1测量数据可以看出，电阻厚度基本上在-20～-80μm左右，而且整张生瓷片四个区域的一致性也比较好。

表1 测量数据(单位：μm)

由此得出结论，在调整出合适的印刷参数的情况下，印刷电阻效果良好。

5 结论

本文基于新研发的半自动印刷机，就印刷工艺过程中遇到的生瓷片破损、浆料粘稠度、印刷溢出、印刷拖尾等问题进行了一一分析，并提出了相应的解决方案，目前设备已经处于正常运行的状态。但是，半自动印刷机印刷出的电阻厚度浮动范围还是比较大，需要进一步通过实验来优化合格率。