多層共燒陶瓷孔壁金屬化工藝常見缺陷分析

李 偉，王元仕，郭婷婷

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

近年來，多層共燒陶瓷技術(shù)（Multilayer Co-fired Ceramic Technology）越來越廣泛地應(yīng)用于電子封裝管殼或陶瓷基板的制造，以氧化鋁或氮化鋁等材料為基礎(chǔ)制造的陶瓷管殼或基板在通信、工業(yè)控制、汽車電子等重要領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。該技術(shù)是近年發(fā)展起來的令人矚目的整合組件技術(shù)，已經(jīng)成為無源元件領(lǐng)域的發(fā)展方向和新的元件產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。

多層共燒陶瓷技術(shù)就是將待燒結(jié)的陶瓷粉制成厚度精確且致密的生瓷帶，并在生瓷帶上利用沖孔、微孔注漿和精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制造所需要的電路圖形，并將多個無源元件埋入其中，然后疊壓在一起，在一定溫度下燒結(jié)，從而制成陶瓷封裝用零部件或三維電路網(wǎng)絡(luò)的無源集成組件，也可制成內(nèi)置無源元件的三維電路基板，在其表面可以貼裝IC和有源器件，制成無源/有源集成的功能模塊。近幾年，我國共燒陶瓷領(lǐng)域發(fā)展迅速，迫切需要適應(yīng)高速信號傳輸、高密度布線和高頻電路要求[1，2]。

在多層共燒陶瓷制造工藝流程中，孔壁金屬化是其中的重要環(huán)節(jié)之一。孔壁金屬化是指利用負(fù)壓氣流，將金屬導(dǎo)體漿料附著在陶瓷坯體通孔孔壁之上。在高溫?zé)Y(jié)后，孔壁上的漿料形成穩(wěn)定的金屬化結(jié)構(gòu)。隨后，陶瓷坯體經(jīng)化學(xué)鍍鎳進(jìn)入釬焊工藝。釬焊過程中液態(tài)焊料隨著外置引腳和陶瓷孔壁金屬層流淌，在四分之一圓孔或半圓孔孔壁上形成焊料堆積。由于焊料堆積面積大，使得陶瓷零部件在后續(xù)組裝過程中的引線牢固性得到大幅度提高。

孔壁金屬化后的金屬層應(yīng)保持均勻，任何缺陷（堵孔、漿料缺損、金屬層薄厚不均勻等）都將導(dǎo)致后續(xù)組裝工藝失效，產(chǎn)品報廢。因此，對孔壁金屬化工藝過程中的常見缺陷進(jìn)行分析十分必要[3]。

目前，在孔壁金屬化工藝設(shè)備開發(fā)方面，尚無針對此道工序的專業(yè)化設(shè)備。多數(shù)元器件生產(chǎn)廠家利用印刷工藝進(jìn)行替代生產(chǎn)，效率不高。基于此，需要在原印刷設(shè)備基礎(chǔ)之上，開發(fā)了適用于共燒陶瓷孔壁金屬化過程的專用工裝設(shè)備。目前國產(chǎn)設(shè)備已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，并取得了良好的效果。

1 孔壁金屬化工裝及其技術(shù)難點(diǎn)

1.1 機(jī)械機(jī)構(gòu)及工作流程

孔壁金屬化設(shè)備的主要工裝為掛孔抽真空單元，包括空腔工作臺板、氣路板、支撐板、整流板、空腔蓋板、匯流板等部件。各層板之間分布有復(fù)雜的氣路管道，對負(fù)壓氣流進(jìn)行整流，如圖1所示。

圖1 抽真空單元三維結(jié)構(gòu)示意圖

在孔壁金屬化過程中，較稀的金屬漿料基于絲網(wǎng)印刷原理，在刮膠的擠壓作用下，通過絲網(wǎng)板或鋼制網(wǎng)板覆蓋在生瓷片的小孔之上。由于金屬漿料具有一定黏度，且小孔孔徑多數(shù)在0.2～0.5 mm，導(dǎo)致漿料無法靠重力作用向下流過通孔。因此，在生瓷片下方設(shè)計了用于抽吸漿料的專用工裝。該工裝連接一抽真空源，當(dāng)真空源啟動時，臺板內(nèi)部空腔氣體被持續(xù)抽出，空腔內(nèi)部形成一定的真空度，同時小孔孔壁處形成持續(xù)的負(fù)壓氣流。金屬漿料在負(fù)壓氣流的作用下，緩緩流過孔壁，使得孔壁上被覆蓋一層金屬漿料層，實(shí)現(xiàn)金屬化作用，詳見圖2。

圖2 覆膜機(jī)工作流程示意圖

1.2 工藝技術(shù)難點(diǎn)分析

1.2.1 漿料黏稠度

在涉及金屬漿料的工序段中，通常來講，填孔及印刷用的漿料黏稠度較高。而在孔壁金屬化工序階段，由于要求金屬漿料可在較小的負(fù)壓下通過微小孔徑，因此對漿料的流動性有一定要求。漿料太黏稠，則不具有流動性，容易造成堵孔現(xiàn)象。漿料太稀，則后續(xù)形成的金屬化層太薄，導(dǎo)致后續(xù)鍍層不合格。因此需要合理調(diào)配漿料的黏稠度，使其符合工藝要求。

1.2.2 層間對齊精度

孔壁金屬化工藝過程中，漿料主要流經(jīng)網(wǎng)板、生瓷片小孔和掩模板。其需要金屬化的孔徑范圍大多處于0.2～0.5 mm，這就要求層間、各結(jié)構(gòu)之間有較高的對齊精度。孔壁金屬化工裝在設(shè)計過程中結(jié)合了銷釘定位和視覺對位技術(shù)，保證各層位置精度在±10μm范圍。

1.2.3 空腔真空度

為了使金屬漿料順利流過各個層間小孔結(jié)構(gòu)，需要在生瓷片小孔上下方形成壓力差。金屬漿料在壓差作用下，受迫向下流淌，并懸掛在生瓷孔壁上。小孔上方壓力為大氣壓力，下方由抽真空源作用，持續(xù)將生瓷片下方空腔及管道內(nèi)的氣體抽出，使得小孔上下表面形成14～15 kPa的壓差，從而保證漿料順利落下。

在此過程中，需要盡可能提高空腔內(nèi)的負(fù)壓真空度，因此對抽真空源及管道分布具有一定的設(shè)計要求。另外，抽真空時間太短會導(dǎo)致漿料流淌不充分，時間太長則影響效率，或?qū)е驴妆跐{料過度向小孔下方堆積，因此需要合理控制時間。

2 孔壁金屬化過程缺陷分析

采用自主開發(fā)的孔壁金屬化設(shè)備，進(jìn)行了大量的生瓷掛孔工藝實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)就實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的各種缺陷進(jìn)行原因分析。

2.1 環(huán)邊缺失

對于多層共燒陶瓷技術(shù)，顯然需要不同層數(shù)的生瓷片堆疊成坯。而金屬化的小孔層不只是單層，也需要多層堆疊，實(shí)現(xiàn)層間導(dǎo)通。在生瓷堆疊過程中，層與層之間并非絕對齊平，受生瓷收縮、對位精度等影響，存在一定程度的錯位。這就要求在生瓷小孔上下表面留有一定的環(huán)形漿料邊緣，提高層間連接的可靠性，如圖3所示。圖4為實(shí)驗(yàn)過程中單側(cè)環(huán)邊缺失實(shí)物圖。

圖3 孔面環(huán)邊示意圖

圖4 單側(cè)環(huán)邊缺失效果

為獲得合適的環(huán)邊效果，在設(shè)計工藝結(jié)構(gòu)過程中，需要注意掩模板和支撐板對應(yīng)孔徑相比于生瓷片孔徑應(yīng)適當(dāng)增大，使得金屬漿料在流淌過程中可以在孔面留存，干燥后形成環(huán)邊。而環(huán)邊大小應(yīng)由元器件設(shè)計者在設(shè)計初期予以考慮。

2.2 漿料堆積

由1.1工作流程可知，金屬漿料在小孔負(fù)壓氣流的作用下受迫流動。而漿料流到生瓷片下表面時，會產(chǎn)生一定程度的堆積懸掛。圖5所示為生瓷小孔下方漿料堆積過多的結(jié)果。在干燥后進(jìn)行疊片時，過厚的漿料產(chǎn)生了多余的不需要的漿料高度或突起，使得周圍空間難以貼合壓實(shí)。

圖5 漿料堆積效果

導(dǎo)致該缺陷的原因?yàn)闈{料下降太多或者抽真空保持時間太長。過多的漿料原本附著在小孔孔壁上，在長時間的向下氣流影響下，過度向小孔下方流淌，造成堆積。為避免漿料堆積缺陷，需要合理控制漿料下降用量，并縮短抽真空時間。

2.3 孔面污染

在孔壁金屬化過程中，如果掩模板和生瓷片之間間隙控制不當(dāng)，會導(dǎo)致漿料滲透，對小孔周邊造成過度污染，如圖6所示。

圖6 孔面污染

導(dǎo)致該結(jié)果的原因是由于生瓷片和掩模板之間未能有效貼合，金屬漿料在流淌過程中滲入其間隙，從而影響最終效果。因此，在操作過程中，一方面需要保證網(wǎng)板與生瓷片間隙為0，另一方面生瓷片與支撐板在負(fù)壓吸附作用下能夠緊密貼合。

2.4 固定失效

生瓷片若固定不當(dāng)產(chǎn)生偏移，會造成孔位不齊，漿料圖形錯位。圖7所示為小孔邊緣環(huán)形漿料明顯錯位，一側(cè)過多，一側(cè)缺失。

圖7 生瓷片固定失效

造成此缺陷的可能為刮膠壓力過大或是生瓷片固定吸附力太小，導(dǎo)致生瓷片在工藝過程中受橫向擠壓力產(chǎn)生位移。因此，需要適當(dāng)減小刮膠壓力，并在生瓷片下方增加吸附孔的數(shù)量，提高負(fù)壓對料片的吸附固定能力。

3 結(jié)果與討論

在對各種缺陷形式觀察和分析的基礎(chǔ)上，對孔壁金屬化工藝過程進(jìn)行了一定的優(yōu)化。針對0.4 mm孔徑的氧化鋁生瓷片，控制抽真空時間為20 s，抽真空流量為177 m3/h，得到了如圖8所示的孔壁金屬化理想效果。

圖8 理想效果

由圖8可以看出，孔壁金屬化層掛漿飽滿，小孔表面環(huán)邊均勻，為后續(xù)疊片、電鍍等工序提供了可靠保證。

在通常的孔壁金屬化工藝中，通常采用手動或半自動操作予以實(shí)現(xiàn)。而在今后的工藝研究中，如何實(shí)現(xiàn)該步工序的自動化過程將是下一步研究的難點(diǎn)與重點(diǎn)。