一種超薄型低溫共燒陶瓷基板的快速成型與燒結方法與流程
2023-05-16 19:32:04 2
本發明屬於混合電路技術領域，具體涉及一種超薄型低溫共燒陶瓷基板的快速成型燒結方法。
背景技術：
低溫共燒陶瓷（LTCC）（Low Temperature Co-fired Ceramic ）技術自上世紀八十年代首次開發應用以來，憑藉其小型化、高密度、高集成度、高可靠性等優勢廣泛應用於無線通訊、汽車電子、計算機、機載通信導航、雷達、衛星等領域。在眾多的電路基板中，LTCC不僅具有陶瓷類優良的高頻、高強度、耐高溫耐高溼等特性，而且該工藝技術結合了傳統印製板與厚薄膜技術的優點，能夠實現電極材料、介質材料、無源元件等的一次性封裝。
常見的低溫共燒陶瓷（LTCC）基板層數一般大於10層，厚度在1mm以上，對於低於5層生瓷片的LTCC基板的快速成型燒結的研究目前還未見報導。超薄型LTCC基板相對於多層基板來說，由於其厚度薄、共成型層數少，其燒結時對環境的差異性更加敏感，對溫度、氣流量等的要求更加苛刻，細微的溫度與應力分布不同就會導致基板翹曲、圖形偏移、扭曲等缺陷。特別是在大批量生產中，由於原材料、工藝批次性差異、爐溫一致性等因素造成這種差異性更加明顯，因此超薄型LTCC基板的燒結是其難點，也嚴重的阻礙了其在混合集成電路領域中的進一步推廣應用。目前設計層數較少的基板由於燒結成型困難，常用的方法是通過增加幾層多餘的空白層來達到燒結的要求，這一方面不利於小型化、輕型化的發展要求，另一方面也會造成資源的浪費和成本的增加。同時，超薄型LTCC基板還可取代部分薄膜基板的應用，與薄膜工藝相比，LTCC工藝流程更加的簡便，特別是對金屬化孔的成型來說，LTCC工藝的機械衝孔比薄膜工藝中的雷射打孔速度要快得多，孔金屬化也要更加容易，同時使用LTCC工藝由於流程和周期相對較短，對於大批量生產來說，使用超薄型LTCC工藝比薄膜工藝更加高效快捷。
技術實現要素：
為了解決超薄型LTCC基板成型、燒結困難的問題，本發明從改進現有常規成型工藝出發，結合燒結環境控制，提供了一種超薄型低溫共燒陶瓷基板快速成型及燒結的方法。
一種超薄型低溫共燒陶瓷基板的快速成型與燒結的操作步驟如下：
待燒的生瓷片的材料為氧化鈣-氧化硼-氧化矽微晶玻璃、堇青石微晶玻璃、氧化鋁-玻璃中的一種，生瓷片的厚度為0.127mm，待燒的生瓷片上使用的填孔導體漿料、印刷導體漿料均為金（Au）漿或銀（Ag）漿；
（1）生坯快速成型
將2-5片生瓷片直接堆疊，放入密封袋真空包裝，在等靜壓機進行層壓，獲得2-5層堆疊的陶瓷生坯組；將2-5層堆疊的陶瓷生坯組進行衝孔、用填孔導體漿料填孔，在2-5層堆疊的陶瓷生坯組的頂面和底面分別用印刷導體漿料印刷電路圖形，獲得待燒陶瓷生坯組；
（2）製作待燒機構
將所述待燒陶瓷生坯組放置在承燒板上，並在待燒陶瓷生坯組外圍的承燒板上均布設有兩組以上的墊片，在兩組以上的墊片上蓋上一塊承燒板作為蓋板，由承燒板、待燒陶瓷生坯組和蓋板形成中空的三層夾心結構，即得待燒機構；
（3）分步去粘燒制
將所述待燒機構放入排膠爐中進行兩步排膠去粘；第一步排膠去粘的燒制溫度為230-270℃，時間10-20min；第二步排膠去粘的燒制溫度為430-470℃，時間10-20min；兩步排膠去粘的升溫速率均為2-5℃/min、氣流量均為100-150 NL/min；獲得燒結中間過渡體；
（4）按常規緻密化燒制
將所述燒結中間過渡體升溫至陶瓷生坯燒結溫度，按常規控制升溫速率和氣流量，並保溫直至獲得緻密的陶瓷基板；然後自然冷卻降溫，當溫度低於630℃後，使用鼓風機輔助降溫；當溫度低於120℃後，取出燒結物，獲得低溫共燒陶瓷基板，低溫共燒陶瓷基板的總厚度≤0.5 mm。
進一步限定的技術方案如下：
步驟（2）中所述承燒板為多孔二氧化矽板（SiO2）、多孔三氧化二鋁板（Al2O3）、多孔氧化鋯板（ZrO2），開孔率為50%-70%。
步驟（2）中在承燒板上設有四組墊片，四組墊片分別放在承燒板的四個角處；每組墊片由4-8塊墊片上下重疊放置組成，且高度相同；每組墊片的高度高於待燒陶瓷生坯組的高度，高度差為0.2-0.3mm。
步驟（2）中所述墊片的材料與待燒的陶瓷生坯的材料相同，墊片為10-20mm的正方形。
步驟（4）中升溫速率為6-10℃/min、氣流量為200-300 NL/min、燒結溫度為850-870℃、保溫時間為10-20min。
本發明的有益技術效果體現在以下方面：
1. 本發明公開的超薄型LTCC基板的快速成型與燒結方法，能有效的提高此類LTCC基板的成品率和生產效率，且獲得的LTCC基板翹曲度低於0.3%，能滿足焊接、組裝的應用要求。本發明公開的製備方法不受生瓷片種類的限制，且適合大批量生產。
2. 在超薄型LTCC坯體成型過程中，由於生瓷片層數少且單層生瓷片較薄，當介質層上印刷生瓷片後由於生瓷片中有機物質與漿料中的有機物相互溶解滲透，造成生瓷片產生局部變形，從而導致後續的燒結出現翹曲等問題。本發明改變傳統的先印刷後疊層熱壓的方法，對於無中間圖形的基板採用先疊層後印刷表面的方式，不僅能有效解決疊層前生瓷的變形、扭曲等缺陷問題，而且大幅縮短工藝流程時間，提高生產效率。
3. 在超薄型LTCC燒結中，考慮到LTCC層數少，匹配共燒困難，坯體周圍環境對燒結影響大等因素，本發明藉助上下承燒板加墊層的三明治結構，使得燒結過程中坯體上下表面溫度、氣體排出量、壓縮空氣流動性等環境狀態更趨近於一致，從而有效的改善瓷片收縮匹配性，燒成後的LTCC翹曲度低，平整性高。本方法採用的墊片結構只需要生瓷邊角廢料即可，工藝簡單，成本低。
附圖說明
圖1為本發明待燒機構的結構示意圖。
圖2為本發明實施例1的得到的LTCC基板通孔剖視圖。
圖3為本發明得到的LTCC基板底面對角線方向臺階儀測試曲線圖，圖3中（a）實施例1生瓷片翹曲度；（b）實施例3生瓷片翹曲度。
圖1中序號：蓋板1、待燒陶瓷生坯組2、生瓷墊片3、承燒板4、墊板5。
具體實施方式
下面結合實施例，對本發明作進一步地說明。
實施例1：
一種超薄型低溫共燒陶瓷基板的快速成型與燒結的具體操作步驟如下：
待燒的生瓷片的固相材料為氧化鈣-氧化硼-氧化矽微晶玻璃，生瓷片的厚度為0.127mm，待燒的生瓷片上使用的填孔導體漿料、印刷導體漿料均為金（Au）漿。
（1）生坯快速成型
準備好2層生瓷片，將2層生瓷片堆疊在一起並放入密封袋真空包裝，然後放入等靜壓機進行層壓，溫度75℃，壓力3000PSI，保壓時間15min；打開密封袋，獲得2層堆疊的陶瓷生坯組；使用衝孔機對2層堆疊的陶瓷生坯組進行衝孔，然後用金（Au）漿進行孔填充，填孔壓力：0.4MPa，速度4mm/s；填孔後進行乾燥，溫度為65℃，時間15min；再在2層堆疊的陶瓷生坯組的頂面和底面印刷電路圖形，印刷壓力：0.3MPa，網距：2mm，絲印速度：15mm/s，印刷後進行乾燥，溫度為65℃，時間15min，獲得待燒陶瓷生坯組2；
（2）製作待燒機構
參見圖1，將上述待燒陶瓷生坯組2置於矩形的承燒板4上，承燒板4為開孔率65%的多孔三氧化二鋁（Al2O3）板，然後在承燒板4的四個角處墊上四層約10mm*10mm尺寸大小的生瓷墊片3；再在生瓷墊片3上加蓋相同的承燒板作為蓋板1，由承燒板4、2層堆疊的陶瓷（LTCC）生坯組2和蓋板1形成中空的三層夾心結構，即得到待燒機構，見圖1；最後將待燒機構置於墊板5上，放進燒結爐待燒。
（3）分步去粘燒制
將待燒機構放入排膠爐中進行兩步排膠去粘，先以5℃/min的升溫速率從室溫加溫至250℃，並在250℃保溫15min；然後以5℃/min的升溫速率從250℃加溫至450℃，並在450℃保溫15min，氣流量120 NL/min；獲得燒結中間過渡體。
（4）按常規緻密化燒制
將去除有機物後的燒結中間過渡體在燒結爐中進行緻密化燒結，以8℃/min的升溫速率從450℃加溫至850℃，保溫12min、氣流量200 NL/min，然後自然冷卻降溫，當溫度降至630℃後，使用鼓風機輔助降溫；當溫度降至120℃後，取出，獲得低溫共燒陶瓷電路基板，低溫共燒陶瓷電路基板的厚度為0.19mm、翹曲度為0.13%，見圖3中（a）；低溫共燒陶瓷電路基板上通孔的剖視情況見圖2。
實施例2：
一種超薄型低溫共燒陶瓷基板的快速成型與燒結的具體操作步驟如下：
待燒的生瓷片的材料為氧化鈣-氧化硼-氧化矽微晶玻璃，生瓷片的厚度為0.127mm，待燒的生瓷片上使用的填孔導體漿料、印刷導體漿料均為金（Au）漿。
（1）生坯快速成型
準備好4層生瓷片，將4層生瓷片堆疊在一起並放入密封袋真空包裝，然後放入等靜壓機進行層壓，溫度75℃，壓力3000PSI，保壓時間15min；打開密封袋，獲得4層堆疊的陶瓷生坯組；使用衝孔機對4層堆疊的陶瓷生坯組進行衝孔，然後用金（Au）漿進行孔填充，填孔壓力：0.4MPa，速度4mm/s；填孔後進行乾燥，溫度為65℃，時間15min；再在4層堆疊的陶瓷生坯組的頂面和底面用印刷導體漿料印刷電路圖形，印刷壓力：0.3MPa，網距：2mm，絲印速度：15mm/s，印刷後進行乾燥，溫度為65℃，時間15min，獲得待燒陶瓷生坯組；
（2）製作待燒機構
將上述待燒陶瓷生坯組置於矩形的承燒板上，承燒板為開孔率70%的多孔二氧化鋯（ZrO2）板，然後在承燒板4的四個角處墊上六層約15mm*15mm尺寸大小的生瓷墊片；再在生瓷墊片上加蓋相同的承燒板作為蓋板，由承燒板、待燒陶瓷生坯組和蓋板形成中空的三層夾心結構，即得到待燒機構；最後將待燒機構置於墊板上，放進燒結爐待燒。
（3）分步去粘燒制
將待燒機構放入排膠爐中進行兩步排膠去粘，先以5℃/min的升溫速率從室溫加溫至260℃，並在260℃保溫20min；然後以5℃/min的升溫速率從260℃加溫至470℃，並在450℃保溫20min，氣流量150 NL/min；獲得燒結中間過渡體。
（4）按常規緻密化燒制
將去除有機物後的燒結中間過渡體在燒結爐中進行緻密化燒結，以8℃/min的升溫速率從470℃加溫至870℃，保溫15min、氣流量200 NL/min，然後自然冷卻降溫，當溫度降至630℃後，使用鼓風機輔助降溫；當溫度降至120℃後，取出，獲得LTCC電路基板，LTCC電路基板的厚度為0.28mm、翹曲度為0.22%。
實施例3：
一種超薄型低溫共燒陶瓷基板的快速成型與燒結的具體操作步驟如下：
待燒的生瓷片的固相材料為氧化鋁-玻璃，生瓷片的厚度為0.127 mm，待燒的生瓷片中的填孔導體漿料、印刷導體漿料均為銀（Ag）漿。
（1）生坯快速成型
準備好3層生瓷片，將三層瓷片使用衝孔機分別衝孔，然後進行孔填充，填孔壓力：0.4MPa，速度4mm/s；在第二層生瓷上印刷圖形，印刷壓力：0.4MPa，網距：3mm，絲印速度：25mm/s；將三層生瓷片使用疊片機進行疊片，然後將疊片後的生坯用密封袋真空包裝，再放入等靜壓機進行層壓，溫度75℃，壓力3000PSI，保壓時間12min；打開密封袋，獲得3層堆疊的陶瓷生坯組，在3層堆疊的陶瓷生坯組的頂面和底面用銀（Ag）漿分別印刷電路圖形，印刷操作技術參數同上，獲得待燒陶瓷生坯組。
（2）製作待燒機構
將3層堆疊的待燒陶瓷生坯組置於承燒板上，承燒板為開孔率60%的多孔三氧化二鋁（Al2O3）板，然後在承燒板每個角墊上6層約15mm*15mm尺寸大小的生瓷墊片；再在墊片上加蓋相同的承燒板作為蓋板，由承燒板、待燒陶瓷生坯組和蓋板形成中空的三層夾心結構，即得待燒機構；最後將待燒機構置於墊板上，放進燒結爐待燒。
（3）分步去粘燒制
將待燒機構放入排膠爐中進行兩步排膠去粘，先以3℃/min的升溫速率從室溫加溫至270℃，並在270℃保溫15min；然後以3℃/min的升溫速率從270℃加溫至470℃，並在470℃下保溫15min，氣流量150 NL/min；獲得燒結中間過渡體。
（4）按常規緻密化燒制
將去除有機物後的燒結中間過渡體在燒結爐中進行緻密化燒結，以6℃/min的升溫速率從470℃加溫至865℃，保溫15min、氣流量250 NL/min，然後自然冷卻降溫，當溫度降至600℃後，使用鼓風機輔助降溫；當溫度降至120℃後，取出，獲得（LTCC）陶瓷電路基板；獲得LTCC電路基板， LTCC電路基板的厚度為0.28 mm、翹曲度為0.18%，，見圖3中（b）。