LTCC生瓷層壓中腔體的形變評價及控制方法

摘 要：以含有腔體結構的LTCC疊層生瓷為研究對象，介紹了腔體在層壓形變的評價和控制方法。分析了LTCC空腔在層壓時產生變形的主要影響因素。闡述了在生瓷表面上增加金屬掩模板來控制腔體形變的疊層結構設計。有限元分析結果表明不銹鋼掩?？墒骨惑w邊緣應變降低至無掩模時應變的1/6，并通過工藝試驗驗證了金屬掩模板的有效性。結果表明合理的層壓結構設計和恰當的層壓工藝可以制作出滿足尺寸精度的空腔結構。

1背景介紹

低 溫共 燒 陶瓷 （Low Temperature Co-fired Ceramics，LTCC）是一種集層間互連、無源元件集成的三維電路基板［1］。其結合了多層陶瓷元件技術和多層電路圖形技術，將流延而成的生瓷沖孔并進行導體填孔，實現層間互連，經疊片和層壓實現多層印刷線路圖形的立體累加，利用低溫共燒結制成三維空間高密度電路基板。近年來，隨著多芯片組件的發展，LTCC基板在埋置電阻、電容和電感等無源元件的同時普遍具備腔體結構。腔體中可以封裝芯片，提高組裝密度的同時縮短層間互連線，降低微波不連續性影響，大大提高組件可靠性［2］。

在LTCC生瓷疊層之后、燒結之前，通常進行層壓工藝處理，使疊片坯體不再發生相對位置的變動，各層生瓷結合為一體，坯體的初始致密度在層壓過程中可以得到明顯提升。按照疊片層壓的時序，層壓可以分為一次性疊片層壓和累積法疊片層壓。一次性疊片層壓是在疊層過程中不加壓力，疊片完成后一次加壓壓實各疊層膜片。而累積法則是在生瓷逐層疊放的過程中施加壓力，疊片和層壓同時完成。但最底層的生瓷累積受壓多次，疊層的厚度方向結構變得不均勻。按照加壓方式，層壓可以分為單軸加壓和等靜壓。使用單軸層壓工藝，LTCC疊層坯體上下層有承壓板的支撐，在腔體結構的部分，壓力不能均等傳遞，腔體結構在受壓過程中因收縮不一致易受損壞。而對于等靜壓工藝來說，理論上，整個坯體包括腔體結構受到的壓力是一致的，腔體除了因瓷片收縮帶來的變化外無其他變化。

由于腔體一般在單層生瓷上制備，經疊片和層壓后，腔體形態容易發生形變。腔體在層壓過程中的變形處理成為了LTCC的加工難題之一［3］。為確保腔體在疊片和層壓過程中的變形量最小，需要采用特定的材料對腔體內部進行保護［4］。通常選用硅膠為填充材料，將硅膠制備成腔體的嵌件預置于腔體中。在層壓時可以保護外力對腔體的沖擊，使腔體很好地成型。針對復雜腔體結構（如雙面腔體）的LTCC多層基板，可以兼顧一次成型和累積法成型兩種方法，將復雜結構分割成多個簡單結構，分別進行疊層層壓，最后將層壓好的多個坯體疊層，最后再進行層壓合體［5］。本文針對帶有空腔的LTCC層壓工藝技術，利用白光干涉儀測量空腔在層壓過后的形態變化，分析腔體結構對層壓形態變化的影響規律。同時，提出一種層壓形變控制工藝設計，可以有效降低腔體形態變化，提高腔體的邊緣成型質量。

2試驗設計及測試

2.1試驗材料及結構設計

選擇單層厚度為127滋m的Ferro A6生瓷為研究材料，利用激光對單層生瓷進行腔體加工，單層瓷片腔體結構設置如表1所示。腔體的形態主要考慮圓形和方形兩種基本類型，其余復雜的腔體形狀可以看作是這兩種結構的組合。腔體的深度主要通過疊層的層數控制，對于同樣形狀、同樣大小的腔體，分別疊層5、10和15層3種，代號為N5、N10和N15。

對位疊層完成后進行層壓。如圖1（a）所示，層壓中包封從下到上的放置順序為：金屬背板、生瓷和約1 mm厚度軟硅膠。隨后采用真空包裝袋進行真空包裝。在80℃的水介質中預熱10 min后在20.3 MPa（3 000 Psi）壓力下保壓10 min。腔體成型狀態如圖1（b）所示。

表1腔體結構參數設置

圖1層壓疊層結構示意圖

2.2試驗測試

理論上講，LTCC生瓷在等靜壓過程中受外界介質施加壓力是均勻的，坯體收縮一致，腔體可以完好成型，不存在邊緣塌陷現象。但是實際過程中，由于包裝密封材料在等靜壓過程中的變形，生瓷腔體邊緣受額外的應力（F’），額外產生的應力作用在腔體邊緣，容易導致腔體邊緣的變形塌縮。為了評價腔體邊緣的形態變化，采用白光干涉儀測量空腔在層壓過后的變形狀態。測量時將被測試件置于干涉顯微鏡下，由CCD接受白光干涉條紋。當垂直掃描系統驅動時，干涉顯微鏡垂直移動。工件不同高度表面上的零件條紋被記錄，經計算機處理得到三維形貌圖像。

3試驗結果

3.1評價方法

圖2（a）給出了帶有半徑2 mm圓形腔體的10層生瓷層壓后的高度云圖。由于腔體的對稱性，沿著腔體圓心位置提取高度信息，可以得到如圖2（c）的一維高度輪廓。為了評價腔體邊緣形變，一方面可以通過形變范圍表征，即腔體的塌縮寬度，對于半徑為2 mm的圓形腔體其形變范圍約為0.75 mm。另一方面可以通過距離理論腔體邊緣一定距離（ΔL）的高度應變量（ΔH）進行說明。例如ΔL為0.15mm時，ΔH為142滋m，即說明在距離腔體邊緣0.15 mm處高度方向塌縮了142滋m。對于方形腔體，可以采取類似的方法進行分析評價。圖2（b）給出了帶有邊長4 mm方形腔體的10層生瓷層壓后的高度云圖。通過沿著垂直于腔體邊緣的方向提取高度信息，可以得到如圖2（d）的一維高度輪廓。腔體邊緣形變同樣可以通過形變范圍及高度應變量進行表征。

圖210層生瓷層壓后的高度云圖及中心截面輪廓圖

3.2腔體大小的影響

在相同層壓條件和腔體厚度（10層）條件下，圖3 （a）給出了不同半徑的圓形腔體的高度輪廓圖。為了表征方便及對稱性的考慮，腔體邊緣位置及腔體底部被歸一到零的位置。從圖中可以看出，較小的腔體尺寸導致了較大的腔體邊緣形變，形變范圍增大。對于半徑為0.5mm和4mm的腔體，腔體的形變范圍從0.7mm增加到1.2 mm。ΔL為0.3 mm時，ΔH從45 μm增加到152 μm。

對于方形腔體，如圖3（b）所示，腔體大小的影響規律與圓形腔體類似，隨著腔體邊長的增大，腔體邊緣高度上的形變增大，范圍也增大。當邊長從1 mm增加到8mm時，腔體形變范圍從0.65mm增加到1.2mm。ΔL為0.3 mm時，ΔH從50 μm增加到164 μm。

圖310層生瓷層壓的高度輪廓圖

3.3腔體深度的影響

腔體的深度是通過疊層的數量決定的。在相同層壓條件和腔體大小的條件下，圖4（a）給出了半徑為2mm的圓形腔體分別疊層5、10和15層的高度輪廓圖。為了對比輪廓，在不影響分析結果的情況下，腔體邊緣位置被歸一到零的位置，頂層的生瓷高度統一歸一到10層瓷片的高度。從圖中可以看出，較多的疊層數量意味著較深的腔體尺寸，越深的腔體導致了越大的腔體邊緣形變，形變范圍增大。疊層數量為5、10和15時，腔體的形變范圍分別為0.5 mm、0.8 mm和1.1 mm。ΔL為0.3 mm時，ΔH分別為24μm、57μm和100μm。

對于方形腔體，如圖4（b）所示，疊層數量的影響規律與圓形腔體類似。ΔL為0.3 mm時，ΔH分別為25 μm、74 μm和115 μm。

圖4不同疊層厚度的高度輪廓圖

4試驗分析

在LTCC生瓷層壓過程中，生瓷除了在等靜壓力之外，由于包裝密封材料在腔體上的變形，應力（F’）不可避免地在腔體邊緣集中，導致腔體邊緣的變形塌縮。變形塌縮的程度直接取決于F’的大小。F’越大，導致腔體邊緣形變塌縮程度增大，形變影響范圍增大，即在一定的ΔL處，ΔH也越大。F’的大小與包裝材料的材質及包裝材料在層壓過程中的形變密切相關。在一定包裝材料的條件下，F’的大小直接取決于包裝材料的形變。通過對比圖1（a）和（b），包裝材料的形變直接與腔體結構相關，即與腔體半徑或邊長及深度有關。腔體深度越大，形變量越大，腔體半徑或邊長越大，與其對應的形變量越小。

通過以上分析和試驗結果，圓形腔體和方形腔體的腔體邊緣變形的規律基本上是相同的。如圖4所示，對于半徑為2 mm的圓形腔體和邊長為4 mm的方形腔體，在相同的厚度下，腔體邊緣形變是非常接近的。由于方形腔體相較圓形腔體的面積較大，與此對應的形變要稍小于圓形腔體。此外，對于圓形和方形腔體，腔體厚度及大小的影響規律也是基本相同的。下面就以圓形腔體為例，分析圓形腔體半徑和腔體深度對腔體邊緣形變的影響規律。

圖5給出了ΔL固定為0.3 mm時，腔體深度和圓形腔體大小對形變（ΔH）的影響規律。如圖5（a）所示，對于相同的腔體大小，ΔH與腔體深度基本呈線性關系。腔體越深，ΔH越大。此外，線性的斜率隨著腔體半徑的增大而減小。這就說明，深度對于較小的腔體影響較大，而對于較大的腔體，深度的影響作用較小。因此，隨著腔體深度的增大，腔體尺寸的差異帶來的形變差異也越來越大。如圖5（b）所示，對于相同的腔體深度，ΔH與圓形腔體半徑的倒數基本呈線性關系。腔體尺寸越大，ΔH越小。此外，直線擬合的斜率隨著腔體深度的增大而減小。腔體較小時，腔體深度的影響較大，因此，隨著腔體尺寸的增大，腔體尺寸的差異帶來的形變差異也越來越小。

圖5ΔL為0.3 mm時腔體深度和尺寸對形變的影響規律

5形變控制

5.1層壓結構優化設計

為了提高腔體結構設計的靈活性，就必須解決LTCC腔體在層壓過程中邊緣形變的問題。即使對于較小的腔體和較大的腔體深度，也要保持良好的腔體邊緣質量。較為常用的腔體保護技術為嵌件技術［4］，通過在腔體中填充硅膠等嵌件，將帶腔基板改善為平面結構，降低層壓過程中實際的腔體深度，對腔體實施保護，減少了腔體形變。但是，由于制作尺寸匹配的嵌件耗時費力，嵌件填充和取出的過程中也容易破壞腔體邊緣［5］。降低了腔體成型的成品率，增加了LTCC制造的成本。本文提出一種制備高精度腔體的層壓結構設計，如圖6（a）所示，在橡膠墊和瓷片之間夾上硬質的金屬掩模板，掩模板上通腔的形狀與陶瓷基板腔體形狀對應。腔體等靜壓過程中，如圖6（b）所示，彈性材料板會在外部壓力作用下通過金屬掩模板開口部分填充到腔體中，以保證腔體各個方向上所受壓力更加均勻，而金屬掩模板會支撐保護腔體結構，保持腔體結構不變形。

圖6優化的層壓結構示意圖

5.2形變模擬對比

為了驗證金屬掩模板的作用，采用有限元分析方法對層壓形變進行分析。有限元分析的材料、結構及應力參數如表2所示。金屬掩模板材料選擇具有代表性的結構鋼。根據經驗值估算得到LTCC材料參數，采用簡化的局部模型進行仿真，分析腔體邊緣處的生瓷在包封材料帶來的額外應力（F’）作用下引起的形變，分別對有無金屬掩模板的腔體邊緣處生瓷的應變分布進行模擬，分析金屬掩模板的作用。

表2有限元分析參數設置

圖7給出了有無金屬掩模的有限元分析應變云圖。由圖7（a）可見，LTCC應變集中在應力施加的區域，最大應變為0.123，發生應變即應力影響的區域長度約為0.85 mm。當存在金屬掩模時，如圖7（b）所示，LTCC應變依然集中在應力施加的區域，但是最大應變降低為0.021，僅為無金屬掩模的最大應變的1/6。此外，應力影響區域的長度約為2.0 mm，基本上是無金屬掩模的應力影響長度的2倍。說明金屬掩?？梢杂行г龃髴Ψ植紖^域，降低應力作用效果，降低最大應變。

圖7有限元分析應變云圖對比

5.3試驗結果對比

為了進一步驗證含有金屬掩模板的層壓設計，在試驗上對有無金屬掩模的層壓試樣進行腔體邊緣形變測量和對比。圖8給出了半徑為1 mm的10層生瓷圓形腔體有無金屬掩模層壓后的高度云圖及相應的腔體中心截面輪廓圖。從圖中可以看出，在相同的腔體結構條件下，存在金屬掩模的試樣經層壓后，腔體邊緣較為陡直，腔體塌縮較少。應力導致的形變的影響范圍從0.65 mm降低到0.15 mm。當ΔL固定為0.15 mm時，ΔH從135 μm降低到了30 μm，說明金屬掩模板的存在可以有效降低腔體邊緣形變，實現腔體的高質量制作。

圖8半徑為1 mm的10層生瓷圓形腔體有無金屬掩模層壓后的高度云圖及相應腔體中心截面輪廓圖

6結論

本文利用白光干涉儀測量LTCC空腔在采用軟硅膠等靜壓層壓過后的變形量。測試結果表明：空腔邊框的形變與生瓷腔體的大小和厚度相關。同樣的腔體大小，腔體深度越大，層壓后腔體的變形越大；同樣的腔體深度，較大的空腔對應著較小的層壓形變。在此基礎上提出了一種層壓形變控制工藝設計，在LTCC生瓷和彈性材料墊片之間增加剛性金屬材料掩模板；利用有限元軟件對金屬掩模板的作用進行分析。

以不銹鋼掩模為例，分析結果表明不銹鋼掩?？梢杂行Э刂菩巫?，存在掩模的最大形變只有無掩模的1/6；并進行實際使用的測試，試驗結果顯示不銹鋼掩模的存在可以有效降低腔體的變形量，提高腔體的邊緣成型質量。提出的LTCC腔體層壓工藝改進是一種普遍性方法，對加工成型具有一定的借鑒作用。

審核編輯：湯梓紅