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LTCC低温共烧陶瓷基片的流延成型工艺

基于LTCC为基础的多层结构设计可有效减小器件体积,是实现元器件向小型化、集成化、高可靠性和低成本发展的重要途径。LTCC基板的制备核心技术是高质量基片的坯体成型,目前的成型方法主要有流延、干压、轧膜等,其中流延法生产效率高,自动化水平高,成型坯体性能的重复性和尺寸的一致性水平高,是理想的LTCC基板的成型技术。


图  陶瓷薄带生坯  摄于研创光电


一、LTCC基片流延成型工艺流程


LTCC陶瓷基片流延工艺包括浆料制备、流延成型、干燥 、脱脂、烧结等工序 ,其中最关键的是浆料的制备和流延工艺的控制。


图    流延法制备LTCC基片工艺流程


1、浆料制备——经过球磨分散,脱泡处理后,浆料必须要分散均匀,具备一定的粘度和流动性;
2、薄膜流延成型——薄膜流延成型机的设备精度高、薄膜走线速稳定、干燥温场均匀、要一定的自动化程度;
3、成膜后处理——根据使用需求的不同薄膜还需要:分切切割、打孔、丝印、叠压、温等静压等处理;
4、脱脂烧结成瓷——根据固体粉体材料的不同,以及浆料中的试剂不同,脱脂烧结的温度及时间各不相同,需要根据实际情况去设定;


二、LTCC基片的流延浆料的制备


1、流延浆料的制备要求


流延浆料是个比较复杂的系统,浆料一般由粉料、溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂和功能助剂组成。一种合适的流延浆料必须满足以下几个条件:

(1)干燥过程中没有缺陷(如裂纹等);

(2)流延片干燥后要有一定的强度,如可切割、钻孔等;

(3)流延片要有非常均匀的微观结构和光滑平整的表面;

(4)流延片中的有机物可以通过热分解后完全排除;

(5)流延片要有好的叠层性能,可用于叠层工艺;

(6)流延片要有非常好的烧结性能等。


并非所有的流延浆料都能满足以上几个条件,只有选择好合适的粉料 、分散剂、粘结剂 、增塑剂以及流延工艺的参数 ,才可能满足以上条件。同时 ,还应注意选择分散剂 、粘结剂 、增塑剂的纯度 ,尽量减少同时引入的杂质 。

2、流延浆料的影响因素


1)粉料

目前LTCC材料主要分三类:微晶玻璃体系、玻璃+陶瓷复合体系以及纯陶瓷体系。流延成型的关键是粉体,粉体的化学组成和特性能够影响甚至控制最终烧结材料的收缩和显微结构。粉体中不能有硬团聚,否则会影响颗粒堆积以及材料烧结后的性能。

图   LTCC材料

粉体的选择必须考虑到以下技术参数:

(1)化学纯度;
(2)颗粒大小、尺寸分布和颗粒形貌;
(3)硬团聚和软团聚程度;
(4)组分的均一性;
(5)烧结活性;
(6)规模生产的能力;
(7)制造成本。 

2)溶剂

在溶剂的选择上首先要考虑如下几个因素:

(1)必须能够溶解分散剂、粘结剂、增塑剂和其他添加剂成份;

(2)在浆料中具有一定的化学稳定性,能够充分分散粉料而不与粉料发生反应;

(3)能够提供浆料系统合适的粘度;

(4)易于挥发与烧除;

(5)保证素坯无缺陷的固化;

(6)使用安全卫生和对环境污染少且价格便宜。


目前最为常用的溶剂为有机溶剂和水,非水基流延成型工艺最大的缺陷在于所使用的有机溶剂(如甲苯、二甲苯等)具有毒性;水基流延成型工艺存在浆料中气泡较多,不易除泡;陶瓷膜片柔韧性较差,强度不高,容易出现裂纹等缺陷。

3)分散剂

粉料在流延浆料中的分散均匀性直接影响着素胚膜的质量,从而影响材料的致密性、气孔率和力学性能等一系列特性。陶瓷颗粒在浆料中可靠地分散主要依靠两个因素。一个是利用电荷粒子间的排斥力,另一个是利用分散剂吸附于粒子表面的位阻作用。当采用前一种时,控制粒子表面的电位是决定浆料稳定性非常重要的一点。

水基系统中常用的分散剂为磷酸盐、磷酸复盐、天然钠芳基磺酸、丙烯酸聚合物,有机系统中常用的分散剂为脂肪(三油酸甘油酯)、鱼油、鲱鱼鱼油、磷酸盐脂等。 

4)粘结剂

在浆料混合生产过程 中,粘结剂与其他有机材料的溶解度以及与无机材料粉体的可润湿性是很重要的因素 , 因此粘结剂的类型和种类对浆料的粘性行为有重要影响。

选择粘结剂应考虑的因素有:

(1)素胚膜的厚度;

(2)所选溶剂类型及匹配性,有利于溶剂挥发和不产生气泡;

(3)应易烧除,不留有残余物;

(4)能起到稳定料浆和抑制颗粒沉降的作用;

(5)要有较低的塑性转变温度,以确保在室温下不发生凝结;

(6)考虑所用基板材料的性质,要不相粘结和易于分离。


粘结剂按起作用的官能团类型分为非离子、阴离子和阳离子3类。在流延工艺中使用最多的是阴离子与非离子型的粘结剂,主要有乙烯基与丙烯基2类。在非水基料浆中常用的粘结剂PVB,聚丙烯酸甲酯和乙基纤维素等。在水基介质中常用的粘结剂有聚乙烯醇、丙烯酸乳剂和聚丙烯酸胺盐等。 
 
5)增塑剂

陶瓷生带用增塑剂需要的性能为:

(1)与树脂粘结剂具有良好的相容性;

(2)高的沸点和低的蒸汽压;

(3)高的可塑效率;

(4)热、光、化学的稳定;

(5)低温下良好的弯曲性;

(6)增塑剂与其它材料接触时不快速移动等。 

 常用的增塑剂有聚乙二醇、邻苯二甲酸酯和乙二醇等。

三、LTCC基片流延工艺的控制


1、生瓷带厚度控制


Otsuka等和Chou等人发现提出了干坯厚度D与各种流延参数的关系式 :


α:湿坯干燥时厚度收缩的系数
h:刀刃间隙高度
L:刀刃间隙长度
η:浆料粘度
△P:刀刃间隙出口和入口的压力差(通常由浆料层的高度决定)
V0:留言装饰和支撑载体的相对速率

公式表明流延坯带的厚度与刮刀和基带间的厚度与刮刀和基带的高度、基带速度、浆料粘度、浆料槽液面高度及干燥收缩有关。


为了能够精确地控制生带厚度必须遵循以下原则 :浆料混合均匀 、粘度符合规定范围;根据生带厚度精确调整刮刀间隙;维持液面高度均衡一致 ;保证流延速度的稳定。

2、干燥工艺优化


浆料流出刮刀后即进入干燥区进行干燥,在生带干燥过程中 ,根据溶剂的蒸发速率分为两个阶段 。第一阶段速率稳定 ,第二阶段速率下降。

因此,应根据坯片的厚度 、固相体积分数 、粘结剂及塑性剂等有机物的含量 ,精确控制温度、相对湿度及气流速度,使溶剂以较慢的速度蒸发。使坯体充分进行体积扩散 ,尽可能消除气孔,避免因局部收缩不均匀而导致卷曲变形或开裂 。

3、脱脂工艺优化


脱脂是通过加热时有机添加剂产生分解,分解产物扩散至表面挥发,再从表面挥发,整个过程一般在高温度发生。因此,环境气氛是重要因素。陶瓷粉体的特点决定了氧化或还原气氛的选择 :

  • 氧化物陶瓷基片:氧气氛围,但必须采取一些预防措施以避免难以控制 的放热反应或甚至是有机排出物的燃烧。尤其对于大的不均匀的组分如多层片 ,这将导致局部应力并使部件氧化。氧气的含量必须限制在足够低的浓度范围内以防止加热连锁反应和有时不得不采用还原条件。

  • 非氧化物陶瓷基片:非氧化氛围,但是必须避免由于粘结剂分解而产生残余碳 。

为了进一步加强交流,艾邦建有LTCC交流群,诚邀LTCC生产企业、设备、材料企业参与。目前群友包括:风华高科、顺络电子、中国电科二所、麦捷微、宏达电子、佳利电子等加入。


目前已经加入的群友有:


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中国电子科技集团公司第二研究所

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拟邀请中电科二所


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