LTCC專用燒結設備研制

臧福海 邢程

摘要：本文對LTCC的生產工藝中基板的燒結過程進行了分析，以此做了多項實驗研究，基于研究所得到的技術結果和試驗結果完成了LTCC專業燒結設備的成功研制。

關鍵詞：LTCC;燒結設備

Abstract：this paper analysis the sintering process of the substrates on the production of LTCC，a number of experimental studies have be done based on those analysis results.Based on the technology results of analysis and test results，the specialized sintering equipment for LTCC is completed successfully.

Key word：LTCC; Specialized sintering equipment

1引言

低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ce-ramic，LTCC）技術是20世紀80年代推出的集互聯、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]。

陶瓷基板的燒結是LTCC工藝過程中的關鍵工藝。隨著LTCC市場的蓬勃發展，LTCC專用燒結設備在國外已得到了廣泛的應用，根據陶瓷基板的特性，結合LTCC的生產工藝，專業燒成設備實現國產化非常必要且經濟效益前景良好。

2 LTCC工藝簡介及主要技術參數

2.1 LTCC工藝簡介

圖2-1為LTCC基板的制作流程。排膠、燒結作為LTCC基板制作過程中最重要的一個環節，對排膠、燒結設備提出了更高的要求。排膠的過程是否充分、且不過量和燒結過程中均勻度的高低是陶瓷基板燒結高質量的重要指標。

排膠不充分易變形，排膠過量基板易損壞，影響基板收縮率;均勻性不一致易導致基板不同層面收縮率不一致。可見，收縮率是衡量基板燒結是否合格的關鍵。所以，如何克服基板的收縮率問題，就需要首先克服LTCC燒結工藝曲線的均勻性和燒結設備的排膠精度。間歇式升降燒結爐由于其靈活的結構比較適用于LTCC基板的燒結，且燒結過程可滿足在850℃～950℃之間。

2.2主要技術參數

最高溫度：1050℃

額定溫度：850℃

控溫點數：5點

升溫均勻度：±3℃

平臺均勻度：±2℃（850℃保溫）

氣氛控制：4路獨立加熱進氣

3關鍵技術

LTCC專用燒結設備采用間歇升降形式，主要由升降系統、加熱系統、氣氛系統、電氣控制系統等部分組成。升降系統由電機驅動主帶輪，通過同步帶同時驅動四角四個與絲杠底部連接的同步帶輪，實現設備底托的上下平穩移動。升降控制分手動、自動兩種操作模式，帶有超程保護及電機過載保護功能;爐膛采用四面加熱方式，加熱元件為特殊定制的嵌入式FEC加熱器;左右兩側內壁設計有進、排氣盒。進氣盒表面均勻布置進氣孔，保證通入氣體增壓后均勻進入爐膛。排氣盒與外部煙囪為一體式設計，且表面設計有不同尺寸等級的腰形氣孔;電氣控制系統由計算機加核心控制器及其它低壓電器共同構成，具有報警保護功能。

3.1氣體預熱控制技術

設備燒結過程需通入潔凈、干燥、無油壓縮空氣。為保證爐膛內溫度場分布穩定，在爐膛進氣口前段設計氣體預熱器，提前將進入爐膛內的氣體快速預熱（最高可預熱至500℃）。

通過在預熱器出氣口處加裝控制熱偶，由熱偶將檢測數據傳遞給核心控制器，核心控制器控制預熱器的輸出功率，保證預熱器出口氣體溫度。

3.2氣體閉環控制技術

陶瓷基板的燒結過程中，不同的溫度段爐膛的壓力會有所不同，壓力過高、過低都會對陶瓷基板的燒結質量產生負面影響。因此，進氣控制必須保證燒結過程中不同溫度段的爐膛壓力穩定;此外，進氣輔助排膠也是一個重要的過程，如何順利的排膠并且保證壓力的穩定成為關鍵。

氣體閉環技術前提是保證爐膛壓力。設備通過微壓表測量爐膛內壓力值并與實時大氣壓進行比較，保證爐膛壓力處于微正壓狀態。當溫度逐漸升高，爐膛壓力變大時，微壓表將信號傳輸給PLC，PLC經過PID運算得到結果，并將信號傳輸給比例閥，通過控制比例閥來控制排氣量，從而實現精準控制爐膛壓力的功能。圖3-2為氣體閉環控制圖。

3.3溫度穩定控制技術

設備的溫度控制由熱偶、溫控器件和加熱器共同組成。爐體采用為立方體結構，加熱器采用均勻布置方式，四面加熱，實現各層各面爐膛內熱場的分布。熱偶的擺放位置直接決定了爐膛控溫的優劣。對此，采用多點分層控溫方式，實現不同層面溫度控制，且每溫區四面可實現不同輸出功率，結合不同的現場及爐膛環境，實現爐膛內熱量的均勻分布。同時，溫控器件摒棄單一的儀表控制，通過軟件編程的方式實現控溫，適用于不同的使用環境。

3.4多段式PID控制技術

如圖3-3所示為LTCC燒結曲線。對于不同溫度段的升溫曲線，單一的P.I.D值并不能滿足工藝曲線的均勻度要求。因此，采用軟件編程方式的控溫方式，對于不同的溫度段都預設不同的P.I.D值，當溫度處于某個溫度段時，系統會自動調取該段的P.I.D參數;溫度改變時，系統也會自動切換P.I.D值，從而保證爐膛內溫度的均勻性。該控制方式靈活方便，對于不同的溫度均可實現爐膛不同點位的高均勻性。

4總結與展望

通過多次試驗，包括升溫、降溫、加熱進氣，不同位置均勻性測試、燒結產品測試，陶瓷基板的燒結收縮率、平整度等結果良好，符合LTCC工藝基板的燒制流程。

燒結作為LTCC制作工藝流程的重要環節，本文所述設備設備成為LTCC基板制造的關鍵。我司結合現有國外設備的技術并基于國內LTCC專用燒結設備的尖端技術，攻克各個技術難點，成功研制出性能達到國外先進水平的專用設備，為國內用戶大幅降低了使用成本，為LTCC制作工藝的燒結環節提供了良好的平臺。

參考文獻

[1]郎鵬.微組裝中的 LTCC 基板制造技術[J].電子工藝技術，2008（1）：16-18.

[2]楊邦朝，蔣明，胡永達，等.LTCC 組件技術及未來發展趨勢[J].混合微電子技術，2002，13（1）：1-11.

[3]AKIN，LAWRENCE W.Automatingand optimizinghigh performance LTCC design [J].Microwave J，2004，47（9）：176-188.

[4]Reinhard Kulke.Low temperature cofired ceramic-anintroduction and overview[M].Kamp-Lintfort：IMSTGmbH，2001.14-22.

[5]鄧斌.LTCC專用燒結爐的結果設計及溫度場實驗研究[D].長沙：國防科技大學，2009.

[6]何中偉，王守政.LTCC 基板與封裝的一體化制造[J].電子與封裝，2004，14（4）：20-23.

作者簡介：臧福海（1984-），安徽合肥人，碩士，合肥工業大學，機械設計及理論專業，研究方向：數字化設計及現代設計理論。