一種LTCC半切割基板制作技術(shù)

周峻霖，夏俊生，張 劍，洪 明

（1.華東光電集成器件研究所，安徽 蚌埠 233042；2.中國(guó)人民解放軍駐九三七三廠軍事代表室，安徽 蚌埠 233000）

1 引言

切割是LTCC加工中的關(guān)鍵工藝，切割質(zhì)量的優(yōu)劣決定了產(chǎn)品平整度、內(nèi)部應(yīng)力等方面，對(duì)后續(xù)燒結(jié)過(guò)程有一定影響。在LTCC應(yīng)用中，為便于自動(dòng)組裝，很多用戶需要大尺寸聯(lián)片電路，而不是切割后的單元電路。這就要求切割時(shí)必須采用半切方式：一種是生瓷坯塊不切透的半切，即將整塊基板按單元尺寸切成巧克力板狀，提供用戶組裝;另一種是LTCC共燒后，按要求將LTCC基板加工為半切狀態(tài)。本文介紹了兩種半切方式，通過(guò)工藝試驗(yàn)描述了半切的工藝原理及工藝優(yōu)化參數(shù)；經(jīng)過(guò)比較，熱壓式半切工藝較經(jīng)濟(jì)、安全、高效，可滿足不同用戶對(duì)產(chǎn)品的加工要求。

2 LTCC基板半切割加工方法及原理介紹

由于LTCC基板厚度不同、材料各異，切割參數(shù)也不一樣，對(duì)半切工藝的實(shí)現(xiàn)提出了挑戰(zhàn)。因此，本文開(kāi)展LTCC基板半切割制作技術(shù)研究，探討多種參數(shù)對(duì)燒結(jié)后半切基板表面質(zhì)量、翹曲度、尺寸精度等方面的影響。在LTCC基板半切割工藝加工中，LTCC熱壓式半切割廣泛用于批量生產(chǎn)，生瓷燒結(jié)后激光線性半切割適用于少量特殊尺寸產(chǎn)品加工。

2.1 熱壓式半切割工藝原理

LTCC生瓷熱壓式半切割時(shí)，通過(guò)在加熱的承片臺(tái)上放置生瓷坯塊并施加真空吸附、雙面膠固定，使用兩只CCD攝像頭從左右兩側(cè)監(jiān)測(cè)生瓷坯塊上的切割線標(biāo)記，將放大的圖像通過(guò)視頻系統(tǒng)傳送到計(jì)算機(jī)中，再與屏幕上的切割線對(duì)準(zhǔn)；切割時(shí)，由步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)承片臺(tái)，使用加熱的刀片來(lái)完成切割，切割深度設(shè)置應(yīng)小于生瓷坯塊厚度，對(duì)層壓后的生瓷坯塊進(jìn)行半切，各單元生瓷塊在切割后仍是連成一體的一大塊生瓷坯，以方便SMT自動(dòng)表面貼裝加工。完成LTCC半切后，必要時(shí)使用等靜壓層壓機(jī)進(jìn)行二次層壓，以避免半切中有可能產(chǎn)生的分層問(wèn)題。

完成LTCC生瓷半切割和二次層壓后，可將切后的整塊半切生瓷坯塊放入箱式燒結(jié)爐中，按產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，選擇相應(yīng)燒結(jié)程序，完成共燒。

2.2 激光線性半切割工藝原理

完成頂面多層制作、燒結(jié)的LTCC基板，通過(guò)激光劃片機(jī)系統(tǒng)定位切割起點(diǎn)和終點(diǎn)，使用預(yù)先編好的程序，利用高能激光束汽化掉LTCC基板材料的一部分，形成激光切口。激光束以一定的形狀及精度重復(fù)照射到工件固定的一點(diǎn)上，通過(guò)工作臺(tái)的移動(dòng)，激光束在移動(dòng)的工件上按設(shè)定程序和時(shí)間進(jìn)行激光掃描，完成LTCC基板的切割，加工后基板外形尺寸容差控制較好。

3 熱壓式半切割工藝研究

3.1 存在問(wèn)題

通過(guò)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)如半切深度設(shè)得過(guò)淺，切割時(shí)只能在生瓷體上留下很淺的切痕，不利于后步基板加工后掰分；而半切深度太深，生瓷切后容易斷開(kāi)，燒結(jié)后基板表面應(yīng)力過(guò)大，會(huì)有形變。另外，刀架切后提起高度如設(shè)置不合適，會(huì)使機(jī)械切割應(yīng)力釋放不均勻；切割速度如設(shè)置太快，易造成切不到位而將生瓷帶起、形成錯(cuò)位；從而影響到燒結(jié)后半切基板質(zhì)量。

3.2 工藝試驗(yàn)

傳統(tǒng)LTCC機(jī)械切割機(jī)通常只用于生瓷坯塊全切透式切割，一般沒(méi)有廠家推薦的半切參數(shù)。研究選用的樣品基板為12～14層杜邦生瓷疊壓的生瓷坯塊。試驗(yàn)中，通過(guò)設(shè)定刀片溫度為90℃、切片臺(tái)溫度為80℃、生瓷坯塊預(yù)熱時(shí)間5min，結(jié)合廠家推薦值，進(jìn)行了多次嘗試和比較。本文著重就半切深度、刀架切后提起高度、切割速度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，完成了表1中的工藝比較和摸索。

3.3 熱壓式生瓷半切工藝試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)多重試驗(yàn)和比較，熱壓式半切割試驗(yàn)中第四組（有★標(biāo)記）結(jié)果較好。按照表1中第4組試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行加工，使用杜邦某型號(hào)生瓷制作，疊壓成12層、厚度約為1.36mm的生瓷坯塊。

LTCC半切時(shí)，施加了以下條件并進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測(cè)：

（1）將LTCC切割機(jī)承片臺(tái)加熱溫度設(shè)為80℃，5min后經(jīng)使用點(diǎn)式溫度計(jì)測(cè)試坯塊上表面5點(diǎn)，坯塊實(shí)際加熱平均溫度達(dá)到80℃。

（2）設(shè)定切割深度28.40mm，半切割深度0.74mm（即刀片在生瓷坯塊表面切入的深度，坯塊厚度約1.36mm），刀架切后提起高度4mm，切割速度200mm/s，實(shí)際切割后在顯微鏡下觀測(cè)可從生瓷坯塊頂面切透約生瓷坯塊約3/5厚的深度。

（3）生瓷坯塊半切后，使用等靜壓層壓機(jī)進(jìn)行二次層壓（無(wú)預(yù)熱12MPa，1s～2s），以消除切割中由機(jī)械應(yīng)力可能產(chǎn)生的分層問(wèn)題。

半切后的整板坯塊按要求完成共燒，燒結(jié)后經(jīng)觀察得出如下結(jié)果：基板總體質(zhì)量較好，無(wú)分層問(wèn)題，表面無(wú)明顯翹曲，切口無(wú)裂紋，易掰分。后來(lái)，為了反復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)得出的優(yōu)化參數(shù)（表1 中第四組加工參數(shù)），應(yīng)用此參數(shù)加工了多個(gè)藍(lán)牙坯塊，燒結(jié)后基板平整無(wú)翹曲。

3.4 熱壓式生瓷半切工藝優(yōu)化參數(shù)

通過(guò)大量試驗(yàn)優(yōu)化，當(dāng)使用熱壓式半切加工12～14層杜邦生瓷疊壓的生瓷坯塊時(shí)（典型產(chǎn)品配置，坯塊厚度約為1.36mm），設(shè)定刀片溫度90℃、切片臺(tái)溫度80℃、生瓷坯塊預(yù)熱時(shí)間5min、切割深度設(shè)為28.20mm、半切深度為0.54mm、刀架切后提起高度設(shè)為3mm、切割速度200mm/s時(shí)，可獲得優(yōu)化的半切加工效果。

4 激光線性半切工藝研究

4.1 存在問(wèn)題

使用激光線性半切對(duì)共燒后基板進(jìn)行加工是一種針對(duì)小批量研制、特殊尺寸及外形結(jié)構(gòu)加工采取的半切割工藝方式。使用此方式加工LTCC半切割基板時(shí)，如果激光機(jī)功率設(shè)置得過(guò)大，會(huì)引發(fā)切口邊緣變黃、發(fā)黑等缺陷，難以消除，造成尺寸超差。在實(shí)際加工中，由于LTCC使用的層數(shù)不同、材料各異，需不斷優(yōu)化切割深度等參數(shù)設(shè)置，圍繞典型LTCC材料和層數(shù)，得出優(yōu)化的參數(shù)，提高加工精度。

使用激光機(jī)切割LTCC基板時(shí)，一般應(yīng)使用中低檔切割功率（約為4W左右），以避免功率過(guò)大出現(xiàn)切口缺陷；所以要進(jìn)行燒結(jié)后LTCC基板的半切，只能在低功率條件下加長(zhǎng)切割時(shí)間，從而得以切透小于基板厚度的深度，如基板厚度的1/2或3/5比例。激光掃描切割時(shí)間加長(zhǎng)后，會(huì)造成基板表面缺陷增加。為改變現(xiàn)狀，加工出高質(zhì)量基板，完成調(diào)整激光切割深度、激光切割速度、焦距、Z軸掃描深度、電流等參數(shù)，確定最佳LTCC基板半切參數(shù)設(shè)置，從而有效減少激光半切后的表面缺陷、半切基板表面黑斑、尺寸誤差，改進(jìn)激光半切工藝質(zhì)量。

4.2 工藝試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)激光線性半切樣品進(jìn)行測(cè)量，該樣品經(jīng)過(guò)燒結(jié)厚度約為1mm。為減少大功率激光掃描對(duì)半切的負(fù)面影響，半切加工需加長(zhǎng)激光掃描時(shí)間，而隨著激光機(jī)氪燈燈管工作時(shí)間的延續(xù)，必須相應(yīng)調(diào)整電流值（加在氪燈上的工作電流值），電流值設(shè)置得過(guò)大會(huì)使燈管爆裂；設(shè)置得過(guò)小，將影響激光功率，不能滿足加工要求；通過(guò)試驗(yàn)比較，新燈管的電流值一般設(shè)置為32A、180h左右設(shè)置37A、300h左右設(shè)置40A、400h后設(shè)置不超過(guò)42A。在進(jìn)行激光半切加工前，通過(guò)調(diào)節(jié)激光半切電流值、定位位置、焦距等參數(shù)，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，最終獲得優(yōu)化的基板半切參數(shù)（見(jiàn)表2），有效減少了激光加工的表面缺陷。

4.3 激光線性半切工藝試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)調(diào)整表2 中各樣品LTCC基板的主要加工參數(shù)，如激光切割深度、切割速度、焦距，每次切割循環(huán)Z軸掃描深度和電流值（加在氪燈上的工作電流值），并進(jìn)行設(shè)置和試驗(yàn)。經(jīng)驗(yàn)證（詳見(jiàn)表2）：使用杜邦系列生瓷材料12層疊壓、燒結(jié)之后約1.0mm厚的LTCC基板進(jìn)行激光線性切割，激光半切深度設(shè)為0.9mm、切割速度設(shè)為80mm/s、焦距（Z）9.98、Z軸掃描距離0.035mm、電流值36.0A時(shí)，激光半切效果最好，基板表面和切口完好。

4.4 激光線性半切工藝優(yōu)化參數(shù)

通過(guò)試驗(yàn)，得出了優(yōu)化激光線性半切參數(shù)，即當(dāng)完成杜邦生瓷材料12層（某典型產(chǎn)品）疊壓、對(duì)燒后約1.0mm厚LTCC基板進(jìn)行激光線性切割時(shí)，激光半切深度設(shè)為0.9mm、切割速度設(shè)為80mm/s、焦距（Z）9.98、縱向軸Z軸掃描距離0.035mm、電流值36.0A，激光半切效果最好，基板表面和切口無(wú)缺陷。

5 結(jié)論

本文對(duì)熱壓式半切、激光線性半切工藝特點(diǎn)進(jìn)行了比較，獲得以下結(jié)論：

（1）通過(guò)優(yōu)化熱壓式半切加工參數(shù)，完成了切割深度小于自身坯塊厚度的半切割加工；同時(shí)，經(jīng)過(guò)二次層壓、燒結(jié)后切口無(wú)翹曲和裂紋，表面質(zhì)量良好，易掰分。

（2）通過(guò)調(diào)整激光切割機(jī)的功率、定位位置、激光切割深度和速度、焦距等參數(shù)，改進(jìn)了激光線性半切工藝，保證了燒結(jié)后LTCC激光半切基板加工質(zhì)量。激光半切工藝尤其適用于小批量樣品研制。

（3）通過(guò)熱壓式半切工藝完成LTCC半切割基板制造，經(jīng)濟(jì)、安全、高效，可滿足不同用戶對(duì)產(chǎn)品的加工要求。

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