低溫共燒陶瓷（LTCC）基板電路加工技術
1. LTCC基板電路概述
低溫共燒陶瓷（LTCC）技術最早於1980年代中期在美國推出，是一種集互連、被動元件和封裝於一體的多層陶瓷製造技術。隨著科技的不斷進步，電子產品變得越來越小、越來越薄、功能越來越強大。例如，在手機無線通訊產業，手機的尺寸已經大幅縮小。早期的手機用於基本的音訊傳輸，而如今它們已演變成手持網路電腦。透過將一些被動元件整合到基板中，不僅可以實現系統小型化，還可以提高電路組裝密度和系統可靠性。
目前，整合封裝技術包括薄膜技術、矽半導體技術、多層電路板技術、LTCC技術等。 LTCC技術提供了一種開發週期短的低成本封裝解決方案。 LTCC技術滿足輕、薄、短、小產品的需求。然而，LTCC基板硬度高、脆性大。當切割這些硬質基材時，切割機和基材之間會發生顯著的摩擦，將應力傳遞到切割刀片上。這導致基於LTCC的電子產品的產品良率和合格率下降。因此，提高陶瓷基板切割時的產品良率是一個重要的問題。
2. LTCC基板製造工藝
圖2顯示了LTCC基板的製造流程，包括混合、鑄造、鑽孔、填充孔、網版印刷、層壓、等靜壓和燒結等主要步驟。下面對每個流程進行簡單介紹。
混合和鑄造： 有機材料（主要是溶解在溶液中的聚合物黏合劑和塑化劑）和無機材料（陶瓷和玻璃）以特定比例混合。將混合物進行球磨以獲得均勻性，然後將其倒在移動的載體膜（通常是聚酯）上並通過乾燥區域以除去溶劑。透過控制刮刀間隙來實現所需的厚度。此工藝的典型厚度公差為±6%。
鑽孔： 使用機械沖孔、鑽孔或雷射鑽孔來建立通孔。通孔是鑽在綠色陶瓷片上的小孔（通常直徑為 0.1-0.2 毫米），用於互連不同層上的電路。在此階段還創建模具，以幫助層壓過程中的對齊，並在列印過程中自動對齊導體和電介質。
印刷： 採用標準厚膜印刷技術印刷導體漿料，然後乾燥。通孔和導體圖案在箱式或鍊式爐中以適當的溫度和時間乾燥。所有電阻器、電容器和電感器也在這一階段進行印刷和乾燥。
過孔填充： 傳統的厚膜絲網印刷或模板擠出用於用特殊配方的高固體含量導體漿料填充通孔。
脫氣和燒結： 有機黏合劑在 200-500°C 範圍內被去除，稱為有機去除區域（建議在該區域中保持堆疊至少 60 分鐘）。此後，堆疊在峰值溫度（通常為 850°C）下共燒 5-15 分鐘。燒結過程通常需要 2-10 小時，具體取決於金屬化和脫氣曲線。燒結後，組件即可進行進一步處理，例如在頂部表面印刷導體和精密電阻器並在空氣中燒製。如果使用銅進行金屬化，則必須在氮氣鍊式爐中進行燒結。
檢查： 然後對電路進行雷射調整（如有必要）、測試、切片和檢查。在 LTCC 封裝中，可以使用硬焊接引線或散熱器（如果需要）。
3. LTCC基板電路加工案例
3.1 LTCC基板微孔形成技術
微過孔的形成是多層LTCC基板高密度互連的關鍵工藝，過孔的尺寸和位置精度直接影響佈線密度和基板品質。為了實現超高密度，過孔直徑應小於100μm。在 LTCC 綠帶中創建微孔的方法包括機械沖壓和雷射鑽孔。
3.1.1 機械沖壓
數控沖孔是在生陶瓷帶中形成通孔的有效方法，特別是對於標準化產品，沖孔更具優勢。一個沖模可以一次沖出數千個孔，最小孔徑為50μm。沖孔速度快，精度較高，適合大量生產。在創建微通孔的過程中，使用尺寸匹配的沖頭和模具。凹模的開口通常比沖頭的直徑大12.5μm。
製作微孔的關鍵技術要點包括正確安裝和操作小沖頭。當沖頭直徑小於100μm時，沖頭會變得脆弱且難以操作。大多數沖壓缺陷是由於處理不當造成的，而不是沖壓過程本身造成的。因此，需要特殊的工具來安裝和操作小型沖頭並防止搬運過程中損壞。沖頭和模具之間的對齊對於生產高品質的通孔至關重要。如果未對準，通孔品質將會受到影響，且模具和沖頭都可能損壞。
機械沖孔微孔的質量在孔尺寸和間距方面是一致的。頂邊光滑，底邊較粗糙，內壁平直。尺寸一致性適用於不同厚度的 LTCC 生帶。例如，在厚度範圍為 50 至 75μm 的 LTCC 膠帶中形成的直徑為 100、50 和 254μm 的微通孔表現出一致的結果。
3.1.2 雷射鑽孔
雷射鑽孔的工作原理是沿著通孔邊緣聚焦雷射光束，發射連續光脈衝，逐層汽化陶瓷材料，直到形成通孔。此方法非常適合在 LTCC 生坯帶上鑽孔。通常使用 CO2 雷射器，因為它們的高功率很容易汽化綠色膠帶中的有機黏合劑，對膠帶本身的影響最小。可實現的最小孔徑為50μm。
雷射鑽孔會產生圓錐形通孔，由於雷射光束的精度有限，背面的通孔直徑隨著帶厚度的增加而減少。對於較厚的 LTCC 膠帶，以可接受的精度創建小通孔變得更加困難。為了在較厚的帶材上形成較小的通孔，必須對雷射光束進行微調，以使通孔的內壁更直，避免形成圓錐形。小於50μm的雷射鑽孔過孔的通孔連通性較差，75μm的過孔可能有殘留材料，影響過孔的品質。
3.2 LTCC基板微孔填充方法
3.2.1 掩模印刷方法
掩模印刷法適用於高密度佈線LTCC基板。掩模材料通常由 0.03-0.05 毫米厚的黃銅、不銹鋼或聚酯薄膜製成，其中蝕刻有通孔。將通孔糊劑裝入囊中，並將遮罩放置在陶瓷帶上。然後透過向氣囊施加氣壓，將糊劑壓過掩模，填充通孔。該方法實現了高品質的填充，特別是對於大於 100μm 的過孔。
對於小於100μm的過孔，需要多次列印並調整壓力和其他設定。此外，為了達到最佳填充，需要調整遮罩開口以適應過孔尺寸。例如，較大的掩模開口用於 100μm 的過孔，以最大限度地實現垂直填充。
3.2.2 微孔注射法
微孔注射方法通常可提供最佳結果，但需要專門的設備。影響通孔填充品質的因素包括注射壓力、注射時間、焊膏黏度以及LTCC膠帶與填充遮罩之間的對準。一旦參數設定完畢，數秒內即可填滿數千個通孔。
必須監控諸如未填充、過度填充和未填充的通孔等缺陷。未填充的通孔可以透過背光來識別，而過填充的通孔是那些焊膏延伸到通孔邊界之外的通孔。如果相鄰孔之間的過孔被填滿，則必須增加過孔間距以防止短路。然而，這可能會降低內部互連密度。
3.3 LTCC基板脫氣與燒結
成功燒結的關鍵是控制燒結過程中基材的收縮率和整體變化。 LTCC燒結通常採用控製粉末粒徑、黏結劑比例、熱壓層壓壓力、燒結曲線等方法。然而，即使採用這些方法，LTCC 基板仍沿著 XY 軸收縮 12-16%。零收縮材料可以透過壓力輔助燒結或無壓燒結等技術來實現。
已開發出自約束燒結、壓力輔助燒結、複合燒結等多種製程來控制收縮率，滿足不同性能產品的需求。
3.4 LTCC基板大面積接地焊接
LTCC基板大面積接地焊接製程的設計涉及透過在接地面上應用複合金屬膜（Ni+M）來提高可焊性和可靠性。與傳統金屬化接地層相比，可焊性顯著提高（>600s）。此方法對於提高 LTCC 封裝的品質和壽命至關重要。
