基于印刷方式下的微孔填充工藝的HTCC金屬化技術(shù)

摘 要

Abstract

本文介紹了基于印刷方式下的微孔填充工藝的HTCC金屬化技術(shù), 詳細(xì)介紹了印刷填孔工藝在HTCC金屬化的應(yīng)用及國內(nèi)印刷填孔設(shè)備。并將此印刷填孔工藝廣泛應(yīng)用于HTCC行業(yè)的陶瓷金屬化, 取得了很好的實(shí)際應(yīng)用效果。

0 引 言

高溫共燒陶瓷 (High Temperature co-fired Ceramic, HTCC) 是一種采用材料為鎢、鉬、錳等高熔點(diǎn)金屬發(fā)熱電阻漿料, 按照發(fā)熱電路設(shè)計(jì)的要求印刷于92%～96%的氧化鋁流延陶瓷生坯上, 并通過4%～8%的燒結(jié)助劑多層疊合, 在1 500～1 600℃的高溫下共燒成一體的多層陶瓷制造技術(shù)。具有耐腐蝕、耐高溫、壽命長、高效節(jié)能、溫度均勻、導(dǎo)熱性能良好、熱補(bǔ)償速度快等優(yōu)點(diǎn), 而且不含鉛、鎘、汞、六價(jià)鉻、多溴聯(lián)苯、多溴二苯醚等有害物質(zhì), 符合歐盟RoHS等環(huán)保要求。

因燒結(jié)溫度高, HTCC不能采用金、銀、銅等低熔點(diǎn)金屬材料, 必須采用鎢、鉬、錳等難熔金屬材料, 這些材料電導(dǎo)率低, 會(huì)造成信號(hào)延遲等缺陷, 所以不適合做高速或高頻微組裝電路的基板。但是, 由于HTCC基板具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性好和布線密度高等優(yōu)點(diǎn), 因此在大功率微組裝電路中具有廣泛的應(yīng)用前景。

印刷填孔過程是陶瓷金屬化及片式元件行業(yè)生產(chǎn)工藝流程中的重要環(huán)節(jié)之一, 近幾年隨著HTCC技術(shù)在電子、通訊、汽車、計(jì)算機(jī)和醫(yī)療等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用, 精密印刷填孔設(shè)備在國內(nèi)也得到了大力發(fā)展。圖1為典型的HTCC基板示意圖, 由此可知采用HTCC工藝制作的基板具有可實(shí)現(xiàn)集成電路芯片封裝、內(nèi)埋置無源元件及高密度電路組裝的功能。

圖1 HTCC基板示意圖

1 HTCC技術(shù)工藝流程

HTCC與LTCC技術(shù)工藝流程非常相似, 典型的HTCC生產(chǎn)工藝流程包括漿料制備→流延成膜→切片→打孔→微孔填充→印制電極→印制無源元件→單層檢測(cè)→疊片→熱壓→切片 (批量生產(chǎn)) →排膠燒結(jié)→產(chǎn)品檢測(cè)等過程, 圖2為HTCC基板制造的工藝示意圖。

圖2 HTCC生產(chǎn)工藝示意圖

陶瓷的金屬化包括單層的表面金屬化和層與層間的金屬化。單層陶瓷的金屬化, 是在陶瓷表面牢固地粘附一層金屬薄膜, 使之實(shí)現(xiàn)陶瓷和金屬間的焊接, 在陶瓷表面形成電路, 不僅可以焊接, 而且能夠作為導(dǎo)線傳輸電流, 這種工藝采用印刷的方法。

HTCC多層基板互連通孔是通過微孔填充的方法形成的, 主要是對(duì)打孔后的生瓷片通孔完成金屬漿料填充, 達(dá)到電氣互聯(lián)導(dǎo)通目的, 最近幾年新開發(fā)的一種工藝是在在微孔中注漿并抽空心, 形成空心孔。實(shí)心孔與空心孔本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)層與層之間的連接的方式, 目前已經(jīng)處于實(shí)際應(yīng)用階段。

本文著重介紹在HTCC金屬化方面應(yīng)用廣泛的微孔填充工藝, 并介紹填孔工藝的國內(nèi)相關(guān)設(shè)備。

2 填孔工藝在HTCC金屬化的應(yīng)用

2.1 填孔工藝

通孔填充是HTCC技術(shù)的關(guān)鍵工藝之一, 陶瓷基片層與層之間的連接填孔工藝, 即微孔填充工藝, 之前多采用擠壓方式, 由于經(jīng)過長時(shí)間的擠壓作用, 漿料中的有機(jī)溶劑會(huì)大量揮發(fā), 導(dǎo)致漿料粘度不斷增大, 觸變性變差, 填孔變得越來越難, 而且精度差、效率低, 這種工藝目前基本被淘汰。

LTCC微孔填充多采用印刷填孔的方式, 通過刮刀的運(yùn)動(dòng)將漿料壓入微孔中, 如圖3所示。填孔工作臺(tái)是采用多孔陶瓷, 工作時(shí)工作臺(tái)下面用真空機(jī)抽成負(fù)壓, 且在工作臺(tái)和填孔基片之間放一張濾紙, 防止金屬漿料從通孔漏到工作臺(tái)上。填孔絲網(wǎng)網(wǎng)版一般采用不銹鋼制作, 網(wǎng)版上的孔徑應(yīng)略小于生瓷帶上通孔的孔徑, 這樣可提高盲孔的形成率。

圖3 LTCC填孔過程示意圖

在實(shí)際生產(chǎn)過程中填孔壓力根據(jù)漿料的種類和基板厚度不同, 所需壓力也不相同。在LTCC領(lǐng)域, 目前常規(guī)生瓷片的厚度為0.127 mm, 采用的漿料為銀漿, 黏度為2 800 Pa·s, 黏度值相對(duì)較低, 需要的填孔壓力在100～200 N之間, 采用印刷的方式可以完成。隨著基板厚度增加, 就需要更大的填孔壓力, 基板厚度與填孔直徑之比小于1.2時(shí)工藝性較好, 如果大于1.2, 工藝性就變差, 且填孔壓力隨之增加, 因此填孔設(shè)備需兼容不同厚度基板, 并適應(yīng)不同黏度的填充漿料。

2.2 HTCC印刷填孔工藝及相關(guān)設(shè)備

在HTCC技術(shù)領(lǐng)域, 由于所采用的漿料大部分為熔點(diǎn)很高的鎢漿, 漿料黏度變?yōu)?0 000 Pa·s以上, 黏度很高, 采用印刷的方式需要很高的壓力。同樣以0.127 mm厚度為例, 印刷壓力則達(dá)到1 000 N, 這就需要特殊的填孔機(jī)。

填孔的原理如圖4所示, 在刮刀向右運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)漿料向右運(yùn)動(dòng), 同時(shí)刮刀的壓力施加于漏板, 將漿料以很大壓力壓入漏板的孔中, 多孔陶瓷臺(tái)通過透氣紙從生瓷片底部抽真空, 有助于漿料填充在整個(gè)微孔的圓柱空腔里。下面的板從上到下依次為漏板、生瓷片、透氣紙及多孔陶瓷臺(tái)。

圖4 HTCC填孔過程示意圖

影響HTCC印刷填孔質(zhì)量的主要因素是, 除填孔設(shè)備滿足產(chǎn)品所需的技術(shù)指標(biāo)要求外, 影響填孔質(zhì)量的主要工藝參數(shù)有填孔壓力與速度、刮刀角度與硬度以及真空負(fù)壓與拖網(wǎng)延時(shí)等。

2.2.1 填孔壓力與速度 微孔填充過程中, 如果使用填孔漿料黏度較大, 一般對(duì)應(yīng)的填孔壓力可達(dá)600 N以上, 填孔速度一般在20～50 mm/s之間, 并且保證基片通孔被擠壓填滿后邊沿漿料外邊沒有滲漏。而如果壓力太小或速度太快可能會(huì)導(dǎo)致所填基片通孔內(nèi)部不飽滿, 燒結(jié)后影響導(dǎo)通效果。 2.2.2刮刀角度與硬度 在印刷填孔過程中刮刀角度如圖4所示, 且填孔刮刀的硬度一般為肖氏硬度70～90。 2.2.3 真空負(fù)壓與脫網(wǎng)延時(shí)

在基片填孔過程中多采用多孔陶瓷作為工作臺(tái)面, 這樣盡量保證真空負(fù)壓均勻, 而真空負(fù)壓的大小主要取決于所用漿料的黏度以及臺(tái)面紙的透氣性, 如果真空負(fù)壓太大會(huì)使填到基片通孔中的漿料被吸掉很大一部分, 導(dǎo)致填孔正面塌陷;如果真空負(fù)壓太小, 會(huì)使填孔底面漿料不夠飽滿;拖網(wǎng)延時(shí)也是影響填孔效果的一個(gè)重要參數(shù), 拖網(wǎng)太快可能會(huì)導(dǎo)致所填漿料被帶出一部分, 一般大于1 s。

國內(nèi)生產(chǎn)的填孔設(shè)備已達(dá)到國際先進(jìn)水平, 完全滿足目前國內(nèi)填孔工藝的要求。圖5為國內(nèi)HTCC行業(yè)的某主流品牌自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)填孔設(shè)備。采用印刷填孔的方式主要具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1) 對(duì)準(zhǔn)精度高;采用兩個(gè)高分辨率的CCD相機(jī)識(shí)別位置, 配以高精度三維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)校正位置, 對(duì)準(zhǔn)精度可達(dá)10μm。以目前的填孔工藝, 最小孔徑準(zhǔn)75μm, 可滿足定位要求。

(2) 填孔壓力大小精密可調(diào);采用比例閥和精密減壓閥相結(jié)合的方式調(diào)節(jié)填孔壓力, 壓力精度可到1 N。

(3) 填孔精度高;采用平面度高及透氣性好的陶瓷工作臺(tái)吸附生瓷片, 工作臺(tái)與漏板的平行度優(yōu)于30μm, 保證填孔的一致性。

(4) 效率高;采用自動(dòng)上、下料的模式, 實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn), 提高了效率。

圖5 TY-360型自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)填孔機(jī)

目前主流工藝中HTCC組件微孔填充的孔徑大小都在準(zhǔn)100μm, 而未來幾年主流工藝微孔填充大小在準(zhǔn)30～50μm以內(nèi), 孔徑變化趨勢(shì)越來越小, 要求設(shè)備的印刷壓力越來越大 (1 200 N) 。

圖6為HTCC基片填孔的效果圖。填孔孔徑準(zhǔn)75μm, 壓力1 000 N, 采用0.127 mm厚度的生瓷片。

圖6 HTCC基片孔徑準(zhǔn)75μm放大30倍圖

3 結(jié) 論

文中介紹了基于印刷方式下的微孔填充工藝的HTCC金屬化技術(shù), 詳細(xì)介紹了印刷填孔工藝在HTCC金屬化的應(yīng)用及國內(nèi)印刷設(shè)備。并將此印刷填孔工藝廣泛應(yīng)用于HTCC行業(yè)的陶瓷金屬化, 取得了很好的實(shí)際應(yīng)用效果。

審核編輯 ：李倩