生瓷帶沖孔工藝設備應用及發展趨勢

張曉云唐卓睿

(1.中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊050051；2.北京理工大學自動化學院，北京100081)

陶瓷共燒技術（LTCC/HTCC：Low/High Temperature Co-fired Ceramic）是將帶有印刷電路圖形的生瓷片經過沖孔、印刷、疊片、層壓、切割和燒結等工序，采用厚膜材料，根據預先設計的結構，將電極材料、基板和電子器件等一次性燒成，是一種用于實現高集成度和高性能的電子封裝技術。近些年隨著現代電子技術的不斷發展，電子整機日益向微型化、集成化和高頻化的方向發展，這對電子元器件提出了小型化、高頻、高可靠性、低成本和高集成度的要求。陶瓷共燒技術也不斷隨之產生極大的技術進步，低溫共燒技術（LTCC）、高溫共燒技術（HTCC）和打孔工藝都是其核心關鍵工藝，其效率的高低不僅影響本身的效率和指標，還影響整個生產線的效率，因此生瓷帶沖孔工藝對效率和精度的要求顯得尤為突出。如何高速度、高精度的實現生瓷片打孔，將是本文著重論述的內容。

1 生瓷帶沖孔工藝概況[1]

多層陶瓷工藝流程主要包括：流延、落料、沖孔、填孔、印刷、疊片、層壓、熱切、燒結、鍍鎳、釬焊、鍍金等，見圖1所示。由這些工藝流程組成了一個陶瓷共燒基板成型的工序，由圖1我們看出沖孔工藝是對切割好的生料片進行的第一步加工工藝，是其中最關鍵和對精度影響最大的工藝，而沖孔機（氣動沖孔機以及激光沖孔機）是實現和保證沖孔工藝精度指標的關鍵設備，主要用于生瓷片小孔和腔體沖制（沖孔工藝），因為沖孔是前道工序，它所成孔的精度將直接影響沖孔工藝之后整個生瓷加工過程的加工精度。在整個生瓷工藝線上起著確立精度基礎的作用。

圖1 多層陶瓷工藝流程

目前實現生瓷帶沖孔工藝的途徑主要通過傳統模式的氣動沖孔機，以及較為先進的激光沖孔機來實現。

1.1 氣動沖孔機原理及應用現狀

氣動沖孔機是利用氣動沖孔單元和電動沖孔單元，配合安裝各種圓形、方形、異形等沖頭進行多種圖形的加工，實現了對陶瓷生瓷片高速、高精度沖孔作業，充分滿足多品種、小批量及中批量的生產研制需求。其一般工作流程為：首先，通過機械手將生瓷片從料盒內取出，放置到工作臺上進行定位；然后采用高速氣動沖孔單元或電動沖孔單元，利用各種沖頭進行多種圖形的加工；最后，再次通過機械手將加工完后的生瓷片放回生瓷片收料盒內。機器本身具備斷針感應、自動補正及收縮率補正等強大的軟件檢測功能，可以及時發現和調整機器在加工過程中出現的問題。影響該工藝的參數主要有：溫度/濕度，沖頭下行時間，沖頭上行時間，沖頭平移時間以及機械手的傳送時間。

低溫共燒技術起源于20世紀80年代，最早期的沖孔主要采用鉆孔加工工藝，但鉆孔加工存在孔的位置精度不高、生產效率低和邊緣精度差等問題，不能滿足高端LTCC（HTCC）基板制造要求。因此，具有高速度和高精度功能的生瓷帶沖孔工藝設備的研制成為LTCC基板制做工藝能否進一步發展的關鍵。近年來，生瓷帶沖孔工藝設備的制造水平和加工精度都得到了極大的提高，無論是國內還是國外都涌現出一些優秀的設備廠商，他們通過技術創新，不斷提高設備的生產能力和效率。不斷向自動化生產和高效率產能方向發展，不僅具備了自動化上下料功能和高速度、高精度的沖孔能力，而且也具備更高效率的模組組件和在線檢測等功能，使得產能得到進一步發展。日本的UHT公司、德國的KMS、美國的應用材料等公司更是走在了技術創新的前沿，將原有的沖孔設備的精度由±10 μm提升到±5 μm，在生產效率和產品性能上通過全自動的自動化生產以及模組技術的不斷創新和采用也得到極大的提高，同時隨著新技術的不斷應用，高精度高速度的的磨具加工更為機械式沖孔的發展帶來了更廣闊的發展空間。國內外幾家主要氣動沖孔機廠商同類機器精度實測情況見表1。

沖孔效果對比見圖2，圖中孔徑為0.1 mm。

幾種設備加工的孔位精度對比見圖3。

通過以上幾種設備在沖孔速度、精度、沖孔效果以及孔位精度的測試對比可以看出歐美設備的技術指標最高，孔位精度的正態分布最好，國產設備在機器效率、孔位精度正態分布等方面需進一步提升。

表1 幾種機器速度、精度以及加工最小孔徑對比

圖2 幾種機器進行生瓷帶打孔效果圖

圖3 幾種設備加工的孔位精度正態分布圖

1.2 激光沖孔原理及應用現狀[2]

激光沖孔應用的基礎在于它的特性。由于激光具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性四大特性，因此給激光沖孔帶來一些其它加工方法所不具備的特性，其加工原理就是它可在一個狹小的方向內集中的高能量，同時利用聚焦后的激光束對陶瓷的生瓷材料進行沖孔加工。

激光按波長可分為中紅外激光、紅外激光、綠激光、紫外激光，根據多年的實驗和生產應用，廣泛應用于生瓷片沖孔工藝的激光器主要為遠紅外激光器（CO2激光器），波長為10.6 μm和紫外激光器，波長為355 nm兩種激光。

1.2.1 CO2激光打孔原理及特點

CO2激光打孔技術主要是通過待加工的材料吸收激光之后（見圖4a），利用聚焦到加工部位的熱量來熔化材料（見圖4b），使材料及表面的涂層進行融解并蒸發（有些波段也會使材料形成噴射現象），在此過程中會形成大的熱效應區域（見圖4c）。遠紅外波段的激光能量較大，適合大功率打孔的需要，但由于激光波長長，熱效應明顯，進行孔加工時有一定傾斜角，存在有部分熔融現象。

圖4 長波長的CO2激光器激光加工原理

1.2.2 紫外激光打孔原理及特點

當采用紫外波段的激光加工生瓷材料時，加工材料通過自由電子所吸收的激光能量充分作用在材料分子的化學鍵上（見圖5 a），由于紫外光聚焦光斑細，光子能量相對較高，可將材料化學鍵打斷（見圖5 b）。生成物所占據的空間體積迅速膨脹，最終以體爆炸形式迸射分離母體并帶走過剩的能量，熱區影響小（見圖5 c）。在此加工過程中，由于沒有熱量產生，所以紫外激光的加工過程，又稱之為“冷加工”，由于這種特別波長和頻率的激光作用到待加工材料上的能量只有幾瓦，而熔融的質料也以汽化方式帶走，在外貌和內部都沒有熔融質料。所以質料外貌幾乎沒有沾污，這也很好地解決了材料加工過程中怕沾污的問題。

圖5 短波長的紫外激光器激光加工原理

2.2.3 沖孔速度實驗

激光設備對不同料厚的生瓷片沖孔速度實驗見表 2。

1.2.4 沖孔效果的實驗比較

CO2激光設備與紫外激光設備沖孔效果的實驗比較（以帶膜生瓷片加工為例，孔徑為0.1 mm）CO2激光設備沖孔效果見圖6。

紫外激光設備沖孔效果見圖7。

孔徑測試對比見表3（采用三坐標測試儀）。

由以上對激光生瓷打孔的原理以及特點的介紹我們可以看出激光沖孔機的突出特性就是沖孔速度快，加工圖形靈活，大孔、方腔都可沖制。對于孔密度高的OEP和LTCC產品，精度要求在±0.02 mm的產品尤其適合采用激光設備沖制。CO2激光由于具有更高的功率，使其加工的效率更高，但通孔錐度大，不適于加工LTCC產品（LTCC本身含有低熔點的硼酸鹽玻璃相，加工易出現熔渣，導致不通透），往往應用于HTCC產品，而在LTCC產品生瓷打孔過程中往往采用紫外激光設備進行沖孔作業。

表2 激光設備對不同料厚的生瓷片沖孔速度實驗

圖6 CO2激光設備沖孔效果

圖7 紫外激光設備沖孔效果

表3 孔徑測試對比

2 氣動沖孔與激光沖孔主要差異比較分析

2.1 差異比較

氣動沖孔與激光沖孔比較分析見表4。

表4 氣動沖孔與激光沖孔比較分析

2.2 沖孔效果比較（以帶膜生瓷片加工為例）

氣動沖孔機沖0.15 mm孔（見圖 8），從帶料的自然面向帶料的流延面沖制，正面較為光滑，孔周圍略有下凹，孔徑為0.15 mm，背面孔徑是正面孔徑的97%（料厚0.26 mm以下）。

圖8 氣動沖孔效果圖

激光沖孔機沖0.15 mm孔（見圖 9），正面孔四周略有凸起，孔徑為0.15 mm，背面也較為光滑，沒有開口現象。背面孔徑是正面孔徑的90%（料厚0.26 mm以下，隨著料厚增加，孔徑的錐度會更為明顯）。

圖9 激光沖孔效果圖

氣動沖孔與激光沖孔在沖制通孔時內壁情況比較（見圖 10）。

激光設備加工的通孔側壁更為光滑。氣動沖孔機加工的內壁較為粗糙，同時會伴隨有明顯的缺陷形成，對可靠性有一定隱患。

圖10 沖制孔內壁情況比較

3 總 結

通過以上的試驗和數據比較對比我們發現無論是氣動沖孔技術還是激光沖孔技術都有自己的優點以及最適宜的加工方式和領域，激光沖孔工藝強度高、速度高，能夠加工任意間距的微細通孔和各種圖形。劣勢是精度沒有氣動沖孔/模具沖孔穩定，通孔錐度大。在本文我們不是為了說明那種技術落后不適宜，而是通過介紹這兩種生瓷沖孔技術的特點，如何更加高效利用這兩種加工模式來生產出更加高效高性能的產品，國外已經出現氣動沖孔技術與激光沖孔技術相結合的設備，極大地提高一些特殊產品效率，這是這兩種技術結合提升生瓷沖孔工藝能力最好的說明，隨著技術的不斷進步，生瓷沖孔技術也將迎來更加美好的明天。

[1]楊衛，王海珍，毋晶晶，等.生瓷帶沖孔工藝設備的開發與研制[J].電子工藝技術，2010，31(6)：362-364.

[2]王磊.紫外激光在半導體芯片切割中優勢的研究[J].電子工業專用設備，2010，39(4)：13-16.