摘 要：以含有腔體結(jié)構(gòu)的LTCC疊層生瓷為研究對(duì)象，介紹了腔體在層壓形變的評(píng)價(jià)和控制方法。分析了LTCC空腔在層壓時(shí)產(chǎn)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(lái)控制腔體形變的疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。有限元分析結(jié)果表明不銹鋼掩?？墒骨惑w邊緣應(yīng)變降低至無(wú)掩模時(shí)應(yīng)變的1/6，并通過(guò)工藝試驗(yàn)驗(yàn)證了金屬掩模板的有效性。結(jié)果表明合理的層壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和恰當(dāng)?shù)膶訅汗に嚳梢灾谱鞒鰸M足尺寸精度的空腔結(jié)構(gòu)。

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(wú)源元件集成的三維電路基板［1］。其結(jié)合了多層陶瓷元件技術(shù)和多層電路圖形技術(shù)，將流延而成的生瓷沖孔并進(jìn)行導(dǎo)體填孔，實(shí)現(xiàn)層間互連，經(jīng)疊片和層壓實(shí)現(xiàn)多層印刷線路圖形的立體累加，利用低溫共燒結(jié)制成三維空間高密度電路基板。近年來(lái)，隨著多芯片組件的發(fā)展，LTCC基板在埋置電阻、電容和電感等無(wú)源元件的同時(shí)普遍具備腔體結(jié)構(gòu)。腔體中可以封裝芯片，提高組裝密度的同時(shí)縮短層間互連線，降低微波不連續(xù)性影響，大大提高組件可靠性［2］。

在LTCC生瓷疊層之后、燒結(jié)之前，通常進(jìn)行層壓工藝處理，使疊片坯體不再發(fā)生相對(duì)位置的變動(dòng)，各層生瓷結(jié)合為一體，坯體的初始致密度在層壓過(guò)程中可以得到明顯提升。按照疊片層壓的時(shí)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(guò)程中不加壓力，疊片完成后一次加壓壓實(shí)各疊層膜片。而累積法則是在生瓷逐層疊放的過(guò)程中施加壓力，疊片和層壓同時(shí)完成。但最底層的生瓷累積受壓多次，疊層的厚度方向結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的部分，壓力不能均等傳遞，腔體結(jié)構(gòu)在受壓過(guò)程中因收縮不一致易受損壞。而對(duì)于等靜壓工藝來(lái)說(shuō)，理論上，整個(gè)坯體包括腔體結(jié)構(gòu)受到的壓力是一致的，腔體除了因瓷片收縮帶來(lái)的變化外無(wú)其他變化。

由于腔體一般在單層生瓷上制備，經(jīng)疊片和層壓后，腔體形態(tài)容易發(fā)生形變。腔體在層壓過(guò)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(guò)程中的變形量最小，需要采用特定的材料對(duì)腔體內(nèi)部進(jìn)行保護(hù)［4］。通常選用硅膠為填充材料，將硅膠制備成腔體的嵌件預(yù)置于腔體中。在層壓時(shí)可以保護(hù)外力對(duì)腔體的沖擊，使腔體很好地成型。針對(duì)復(fù)雜腔體結(jié)構(gòu)（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(fù)雜結(jié)構(gòu)分割成多個(gè)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)行疊層層壓，最后將層壓好的多個(gè)坯體疊層，最后再進(jìn)行層壓合體［5］。本文針對(duì)帶有空腔的LTCC層壓工藝技術(shù)，利用白光干涉儀測(cè)量空腔在層壓過(guò)后的形態(tài)變化，分析腔體結(jié)構(gòu)對(duì)層壓形態(tài)變化的影響規(guī)律。同時(shí)，提出一種層壓形變控制工藝設(shè)計(jì)，可以有效降低腔體形態(tài)變化，提高腔體的邊緣成型質(zhì)量。

2試驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)試

2.1試驗(yàn)材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(duì)單層生瓷進(jìn)行腔體加工，單層瓷片腔體結(jié)構(gòu)設(shè)置如表1所示。腔體的形態(tài)主要考慮圓形和方形兩種基本類(lèi)型，其余復(fù)雜的腔體形狀可以看作是這兩種結(jié)構(gòu)的組合。腔體的深度主要通過(guò)疊層的層數(shù)控制，對(duì)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(hào)為N5、N10和N15。

對(duì)位疊層完成后進(jìn)行層壓。如圖1（a）所示，層壓中包封從下到上的放置順序?yàn)椋航饘俦嘲?、生瓷和約1 mm厚度軟硅膠。隨后采用真空包裝袋進(jìn)行真空包裝。在80℃的水介質(zhì)中預(yù)熱10 min后在20.3 MPa（3 000 Psi）壓力下保壓10 min。腔體成型狀態(tài)如圖1（b）所示。

表1腔體結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

圖1層壓疊層結(jié)構(gòu)示意圖

2.2試驗(yàn)測(cè)試

理論上講，LTCC生瓷在等靜壓過(guò)程中受外界介質(zhì)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(xiàn)象。但是實(shí)際過(guò)程中，由于包裝密封材料在等靜壓過(guò)程中的變形，生瓷腔體邊緣受額外的應(yīng)力（F’），額外產(chǎn)生的應(yīng)力作用在腔體邊緣，容易導(dǎo)致腔體邊緣的變形塌縮。為了評(píng)價(jià)腔體邊緣的形態(tài)變化，采用白光干涉儀測(cè)量空腔在層壓過(guò)后的變形狀態(tài)。測(cè)量時(shí)將被測(cè)試件置于干涉顯微鏡下，由CCD接受白光干涉條紋。當(dāng)垂直掃描系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)時(shí)，干涉顯微鏡垂直移動(dòng)。工件不同高度表面上的零件條紋被記錄，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理得到三維形貌圖像。

3試驗(yàn)結(jié)果

3.1評(píng)價(jià)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(duì)稱(chēng)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(píng)價(jià)腔體邊緣形變，一方面可以通過(guò)形變范圍表征，即腔體的塌縮寬度，對(duì)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(guò)距離理論腔體邊緣一定距離（ΔL）的高度應(yīng)變量（ΔH）進(jìn)行說(shuō)明。例如ΔL為0.15mm時(shí)，ΔH為142滋m，即說(shuō)明在距離腔體邊緣0.15 mm處高度方向塌縮了142滋m。對(duì)于方形腔體，可以采取類(lèi)似的方法進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。圖2（b）給出了帶有邊長(zhǎng)4 mm方形腔體的10層生瓷層壓后的高度云圖。通過(guò)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(guò)形變范圍及高度應(yīng)變量進(jìn)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(duì)稱(chēng)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(dǎo)致了較大的腔體邊緣形變，形變范圍增大。對(duì)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(shí)，ΔH從45 μm增加到152 μm。

對(duì)于方形腔體，如圖3（b）所示，腔體大小的影響規(guī)律與圓形腔體類(lèi)似，隨著腔體邊長(zhǎng)的增大，腔體邊緣高度上的形變?cè)龃?，范圍也增大。?dāng)邊長(zhǎng)從1 mm增加到8mm時(shí)，腔體形變范圍從0.65mm增加到1.2mm。ΔL為0.3 mm時(shí)，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(guò)疊層的數(shù)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(duì)比輪廓，在不影響分析結(jié)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(tǒng)一歸一到10層瓷片的高度。從圖中可以看出，較多的疊層數(shù)量意味著較深的腔體尺寸，越深的腔體導(dǎo)致了越大的腔體邊緣形變，形變范圍增大。疊層數(shù)量為5、10和15時(shí)，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(shí)，ΔH分別為24μm、57μm和100μm。

對(duì)于方形腔體，如圖4（b）所示，疊層數(shù)量的影響規(guī)律與圓形腔體類(lèi)似。ΔL為0.3 mm時(shí)，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(yàn)分析

在LTCC生瓷層壓過(guò)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(yīng)力（F’）不可避免地在腔體邊緣集中，導(dǎo)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(dǎo)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(zhì)及包裝材料在層壓過(guò)程中的形變密切相關(guān)。在一定包裝材料的條件下，F(xiàn)’的大小直接取決于包裝材料的形變。通過(guò)對(duì)比圖1（a）和（b），包裝材料的形變直接與腔體結(jié)構(gòu)相關(guān)，即與腔體半徑或邊長(zhǎng)及深度有關(guān)。腔體深度越大，形變量越大，腔體半徑或邊長(zhǎng)越大，與其對(duì)應(yīng)的形變量越小。

通過(guò)以上分析和試驗(yàn)結(jié)果，圓形腔體和方形腔體的腔體邊緣變形的規(guī)律基本上是相同的。如圖4所示，對(duì)于半徑為2 mm的圓形腔體和邊長(zhǎng)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(duì)應(yīng)的形變要稍小于圓形腔體。此外，對(duì)于圓形和方形腔體，腔體厚度及大小的影響規(guī)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(duì)腔體邊緣形變的影響規(guī)律。

圖5給出了ΔL固定為0.3 mm時(shí)，腔體深度和圓形腔體大小對(duì)形變（ΔH）的影響規(guī)律。如圖5（a）所示，對(duì)于相同的腔體大小，ΔH與腔體深度基本呈線性關(guān)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(shuō)明，深度對(duì)于較小的腔體影響較大，而對(duì)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(lái)的形變差異也越來(lái)越大。如圖5（b）所示，對(duì)于相同的腔體深度，ΔH與圓形腔體半徑的倒數(shù)基本呈線性關(guān)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(shí)，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(lái)的形變差異也越來(lái)越小。

圖5ΔL為0.3 mm時(shí)腔體深度和尺寸對(duì)形變的影響規(guī)律

5形變控制

5.1層壓結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了提高腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈活性，就必須解決LTCC腔體在層壓過(guò)程中邊緣形變的問(wèn)題。即使對(duì)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(zhì)量。較為常用的腔體保護(hù)技術(shù)為嵌件技術(shù)［4］，通過(guò)在腔體中填充硅膠等嵌件，將帶腔基板改善為平面結(jié)構(gòu)，降低層壓過(guò)程中實(shí)際的腔體深度，對(duì)腔體實(shí)施保護(hù)，減少了腔體形變。但是，由于制作尺寸匹配的嵌件耗時(shí)費(fèi)力，嵌件填充和取出的過(guò)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖6（a）所示，在橡膠墊和瓷片之間夾上硬質(zhì)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(duì)應(yīng)。腔體等靜壓過(guò)程中，如圖6（b）所示，彈性材料板會(huì)在外部壓力作用下通過(guò)金屬掩模板開(kāi)口部分填充到腔體中，以保證腔體各個(gè)方向上所受壓力更加均勻，而金屬掩模板會(huì)支撐保護(hù)腔體結(jié)構(gòu)，保持腔體結(jié)構(gòu)不變形。

圖6優(yōu)化的層壓結(jié)構(gòu)示意圖

5.2形變模擬對(duì)比

為了驗(yàn)證金屬掩模板的作用，采用有限元分析方法對(duì)層壓形變進(jìn)行分析。有限元分析的材料、結(jié)構(gòu)及應(yīng)力參數(shù)如表2所示。金屬掩模板材料選擇具有代表性的結(jié)構(gòu)鋼。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值估算得到LTCC材料參數(shù)，采用簡(jiǎn)化的局部模型進(jìn)行仿真，分析腔體邊緣處的生瓷在包封材料帶來(lái)的額外應(yīng)力（F’）作用下引起的形變，分別對(duì)有無(wú)金屬掩模板的腔體邊緣處生瓷的應(yīng)變分布進(jìn)行模擬，分析金屬掩模板的作用。

表2有限元分析參數(shù)設(shè)置

圖7給出了有無(wú)金屬掩模的有限元分析應(yīng)變?cè)茍D。由圖7（a）可見(jiàn)，LTCC應(yīng)變集中在應(yīng)力施加的區(qū)域，最大應(yīng)變?yōu)?.123，發(fā)生應(yīng)變即應(yīng)力影響的區(qū)域長(zhǎng)度約為0.85 mm。當(dāng)存在金屬掩模時(shí)，如圖7（b）所示，LTCC應(yīng)變依然集中在應(yīng)力施加的區(qū)域，但是最大應(yīng)變降低為0.021，僅為無(wú)金屬掩模的最大應(yīng)變的1/6。此外，應(yīng)力影響區(qū)域的長(zhǎng)度約為2.0 mm，基本上是無(wú)金屬掩模的應(yīng)力影響長(zhǎng)度的2倍。說(shuō)明金屬掩模可以有效增大應(yīng)力分布區(qū)域，降低應(yīng)力作用效果，降低最大應(yīng)變。

圖7有限元分析應(yīng)變?cè)茍D對(duì)比

5.3試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證含有金屬掩模板的層壓設(shè)計(jì)，在試驗(yàn)上對(duì)有無(wú)金屬掩模的層壓試樣進(jìn)行腔體邊緣形變測(cè)量和對(duì)比。圖8給出了半徑為1 mm的10層生瓷圓形腔體有無(wú)金屬掩模層壓后的高度云圖及相應(yīng)的腔體中心截面輪廓圖。從圖中可以看出，在相同的腔體結(jié)構(gòu)條件下，存在金屬掩模的試樣經(jīng)層壓后，腔體邊緣較為陡直，腔體塌縮較少。應(yīng)力導(dǎo)致的形變的影響范圍從0.65 mm降低到0.15 mm。當(dāng)ΔL固定為0.15 mm時(shí)，ΔH從135 μm降低到了30 μm，說(shuō)明金屬掩模板的存在可以有效降低腔體邊緣形變，實(shí)現(xiàn)腔體的高質(zhì)量制作。

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

6結(jié)論

本文利用白光干涉儀測(cè)量LTCC空腔在采用軟硅膠等靜壓層壓過(guò)后的變形量。測(cè)試結(jié)果表明：空腔邊框的形變與生瓷腔體的大小和厚度相關(guān)。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(duì)應(yīng)著較小的層壓形變。在此基礎(chǔ)上提出了一種層壓形變控制工藝設(shè)計(jì)，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(duì)金屬掩模板的作用進(jìn)行分析。

以不銹鋼掩模為例，分析結(jié)果表明不銹鋼掩模可以有效控制形變，存在掩模的最大形變只有無(wú)掩模的1/6；并進(jìn)行實(shí)際使用的測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)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(zhì)量。提出的LTCC腔體層壓工藝改進(jìn)是一種普遍性方法，對(duì)加工成型具有一定的借鑒作用。

審核編輯：湯梓紅