LTCC專用燒結爐的應用及發展趨勢

顏秀文 ，張建國 ，鄧斌 ，袁云華 ，潘喜成 ，楊毓彬

(1.中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南長沙410111；2.空軍駐湖南地區軍代室，湖南長沙 410001)

低溫共燒陶瓷 (Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)技術是20世紀80年代中期美國休斯公司首先推出的集互聯、無源元件和封裝于一體的多層陶瓷基板制造技術。它是將低溫燒結陶瓷粉制成厚度精確生瓷帶薄層，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、導體漿料精密印刷等工藝制造出所需要的電路圖形，然后將多層生瓷帶對準、疊壓，在900℃以下燒結制成無源/有源集成的功能模塊[1-3]。該技術具有集成密度高、頻率響應高、傳輸速度快等特點，正逐漸取代傳統的PCB基板，已成為無源集成的主流和新元件產業的經濟增長點，在軍事電子器件領域中有著舉足輕重的作用[4-6]。本文首先分析了LTCC基板燒結存在的問題，然后介紹了國內外LTCC專用燒結設備研究成果與現狀，最后對LTCC基板燒結技術的發展應用進行了展望。

1 LTCC基板燒結的問題

圖1 LTCC基板制造流程

如圖1所示，LTCC基板生產的基本步驟包括：生瓷帶→成型→激光打孔→填充→絲網印刷→印刷質量檢測→疊層→層壓→燒結→后處理→LTCC電路檢測。燒結作為最關鍵的工序，燒結設備的先進與否對LTCC產品的合格率有著決定性的影響。因此，LTCC專用燒結設備是LTCC基板生產工藝流程中最核心的設備之一。

LTCC基板燒結指經層壓、熱切后LTCC生瓷片模塊在800～1000℃溫度范圍內的排膠、燒結等熱處理工藝過程。LTCC基板燒結存在的問題主要體現在基板與布線共燒時各層的收縮率難以控制。這也是LTCC基板技術大規模推廣的重要挑戰[5，6]。

LTCC燒結的收縮率問題歸結到底是基板與布線共燒時的收縮率及熱膨脹系數匹配問題[7]。如圖2所示，LTCC基板在共燒時基板與漿料的燒結特性不匹配將會導致5種燒結失效現象：①垂直開裂，②內部分層，③翹曲變形，④表面起泡，⑤環形脫層。垂直開裂失效在垂直方向是分層的，在邊緣往基板中心方向存在裂縫，原因是層壓后的LTCC生瓷帶模塊在中心位置的密度比邊緣高，易導致燒結應力集中在模塊的邊緣而導致開裂。內部分層失效在內部互聯的金屬布線層和LTCC陶瓷基板之間存在分層，原因是LTCC陶瓷基板與金屬印刷漿料的燒結收縮率不一致，兩者匹配性差。當有幾十層一起燒結時，金屬漿料成分、生瓷帶厚度等因素不匹配時也可導致內部分層失效。翹曲變形失效表現為燒結后LTCC基板翹曲或者邊緣存在臺階，原因是LTCC陶瓷基板與金屬漿料在燒結過程中熱膨脹吸收差異過大所致。表面起泡失效指在LTCC基板表面有微隆起，原因是LTCC基板燒結過程排膠不充分或者層壓后LTCC生瓷模塊沾染了污染物。環形脫層失效在LTCC基板的中心和邊緣存在明顯的脫層區，原因是作為互連導體的金屬印刷漿料主要集中在LTCC基板的中央，因基板中央與四周的應力不均勻而產生環形脫層現象。

圖2 LTCC基板燒結過程的5種失效現象

可見，要克服LTCC燒結過程的收縮率問題，要從三方面著手解決：(1)整體設計要合理，包括生瓷片厚度、金屬化圖形設計、金屬化圖形厚度等參數要合理選取。(2)材料選取要恰當，(3)燒結工藝與設備要過關。設置LTCC燒結工藝曲線要充分考慮到LTCC生瓷帶、金屬印刷漿料的熔點溫度、燒結收縮率、致密化速率等因素，合理設置燒結工藝曲線。同時，LTCC燒結設備的溫度穩定性、均勻性要好，排膠更充分。

2 對流間歇升降式LTCC燒結爐

對流間歇升降式LTCC燒結爐具有工藝控制簡單靈活、兼容性強、燒結一致性好等特點，目前較廣泛應用于LTCC基板燒結。美國SierraTherm、美國Wisconsin等公司都有該型設備產品。其中美國SierraTherm的8500系列設備[8]最為典型。國內對流間歇升降式LTCC專用燒結設備較晚開發，2007年中國電子科技集團公司第四十八研究所開發的SJL-200型LTCC專用燒結爐填補了國內在該領域的空白。見表1。

表1 國內外對流間歇升降式LTCC燒結設備主要參數

對流間歇升降式LTCC燒結爐主要由爐體加熱系統、氣氛系統、升降裝載系統和電氣控制系統四部分組成。爐體加熱系統選用WATLOW一體化陶瓷纖維加熱器為加熱元件。爐體設計成正方形，位于爐子前側上部。保溫爐襯全部采用多層輕質陶瓷纖維絕熱板，可根據熱場均勻性需要設計成獨立控制的多個加熱分區。每個加熱分區由前后左右四面的4個發熱元件供熱。陶瓷纖維絕熱板暴露于爐膛的表面涂覆了耐高溫的玻璃涂敷材料，保持爐膛內部的工藝環境清潔要求。氣氛系統主要為爐膛提供穩定的工藝氣體。氣氛系統設計包括進氣、噴射器和排氣出口設計。各熱區氣源流量可由質量流量計（流量控制閥）進行單獨控制，各自自動調整增壓噴射器提供的氣體流量。抽排氣裝置利用一個空氣動力文丘里增壓器工作，增壓器由從主氣源引出的壓縮空氣開動。排氣流量由調節比例閥位來控制。廢氣流的流速由可測量爐內廢氣壓力與大氣壓間壓差的壓力表來監控。爐膛內也可引入壓縮空氣用于輔助冷卻。升降機裝載系統位于爐膛底部，可通過手動模式或自動模式操作。升降平臺由變頻調速器調速的交流電機驅動來實現升降平臺的上下移動。電氣及計算機控制系統采用PC+PLC控制方案。主控溫采用串級PID溫度控制，氣體預熱則采用固態繼電器通斷式控制，通過計算機自動控制完成工藝的裝載→加熱排膠→升溫→恒溫→冷卻降溫→出爐全過程。電氣控制系統以PLC為核心，實現升降機升降、溫度、壓力、工藝氣體等控制。上位機采用工業級觸摸平板PC與PLC進行實時通信，提供人機界面操作平臺。

3 網帶式LTCC氣氛燒結爐

網帶式LTCC氣氛燒結爐具有快速燒結、易于自動連線的特點，適合熱處理周期短、產品批量高、單種LTCC基板產品的快速燒結。目前，網帶式LTCC氣氛燒結爐也在LTCC基板行業開始應用。美國BTU、美國MRL、日本NGK等已有商業化產品。見表2。

網帶式LTCC氣氛燒結爐主要由爐體、傳送網帶、保護氣體和電氣控制系統四部分組成[11]。爐體設計成正方形，爐體內襯采用高效輕質陶瓷纖維絕熱材料，降低設備能耗水平。加熱元件分布于隧道上下兩面，根據爐溫、工藝氣體等的不同要求，可選用合金電阻絲加熱或碳化硅加熱。如圖3所示上下兩面加熱的優點在于沿傳送帶的y方向熱場均勻性更好，有利于緩解邊沿滯阻效益引起的中心溫度高，左右兩邊溫度低的問題。

表2 國外網帶式LTCC氣氛燒結設備主要參數

圖3 網帶式LTCC燒結爐剖面結構示意圖

整個加熱區可根據工藝要求設計成多段。在加熱區域內，通過分隔氣簾保證區域內的溫度場、速度場和氣流場相對穩定，既不影響前后段，也不受前后段的影響。隨著溫度的升高，在快速升溫區域會出現溫度波動，同時通道內的壓力也隨著溫度的升高而不斷變化，通過壓力控制裝置可平衡溫度快速變化帶來的氣氛、壓力的影響，確保燒結工藝的一致性。傳送網帶常采用高溫不銹鋼制作。

4 零收縮率LTCC燒結爐

隨著LTCC基板制造技術向低成本方向發展，一方面互連材料由Au、Ag、Pt等稀貴金屬向Cu、Ni等賤金屬方向發展。另一方面要求更好地控制住LTCC基板燒結的收縮率，以提高成品率。因此LTCC燒結爐的發展趨勢是：燒結氣氛從空氣氣氛燒結向保護性氣氛或還原性氣氛發展；盡可能增大爐膛有效空間，滿足大批量生產需要；在z軸方向加壓燒結，實現x、y方向零收縮。

零收縮LTCC燒結是一種壓力輔助燒結技術，指通過強制加壓的方式對常規三維收縮LTCC生瓷塊進行共燒，限制其在x、y平面方向上的收縮率，從而實現LTCC模塊在平面近似零收縮或無收縮的一種燒結方法[12]。通過這種新技術可使LTCC基板的x、y平面方向收縮率控制在0.05 %±0.02%范圍內。

圖4 ATV公司的零收縮率LTCC燒結爐

目前，德國ATV公司在零收縮燒結設備方面處于領先地位，已推出零收縮LTCC燒結爐產品（圖4）[13]。德國Heraeus公司和美國Ragan Technologies ZST公司在零收縮材料開發方面處于領先地位，已開發出自約束零收縮LTCC生瓷材料，實現不需要犧牲層的LTCC零收縮工藝。這種LTCC生瓷材料配套銀漿可完全兼容目前LTCC工藝，實現在x、y方向的收縮率小于0.2%，收縮變化量小于0.014%[14]。該技術的缺點在于：設備投資大；難實現大批量生產；燒結后基板表面的微粗糙度較大，需去除表面的非收縮層，增加了工序。

5 結 論

LTCC燒結設備是LTCC基板制造的關鍵設備之一。對LTCC燒結設備而言，對流間歇式、網帶式和零收縮燒結（壓力輔助燒結）設備已開始批量用于LTCC基板制造。其中，零收縮LTCC燒結技術實現了LTCC生瓷模塊在z軸方向的近似零收縮，代表了LTCC基板燒結技術的發展方向。

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