高 温 共 烧 陶 瓷 大 深 径 比 通 孔 填 充 工 艺 改 良

高温共烧陶瓷大深径比通孔填充工艺改良

刘曼曼,淦作腾,杨德明,马栋栋,程换丽,王 杰,刘冰倩,郭志伟

(中国电子科技集团公司 第十三研究所)

摘要:

通孔填充是高温共烧陶瓷(HTCC)制作流程中的关键工艺之一,直接影响着元件内部不同层之间电气连接的可靠性。此工艺主要是对冲孔后的陶瓷片进行通孔金属化,即将具有导通作用的金属浆料填充进通孔内。随着通孔深径比增大,常规通孔填充技术无法保证通孔填充质量,通孔填充工艺急需改良。影响通孔填充质量的因素较多,分析了浆料黏度、填孔压力、刮刀速度、刮刀硬度对大深径比通孔填充质量的影响。研究结果表明调整填孔压力、调整浆料黏度及降低刮刀速度均能改善通孔填充效果;刮刀硬度对填孔效果影响较大,当刮刀硬度降低至邵氏A60°~A70°时可保证大深径比通孔填充质量。这一研究结果可为高温共烧陶瓷填孔工艺中通孔填充质量的改善提供参考。

0 引 言

高温共烧陶瓷(hightemperatureco-firedce-ramic,HTCC)是由陶瓷粉制备的生瓷片与金属浆料经过一系列工艺制成的。HTCC 具有耐腐蚀、耐高温、寿命长、高效节能、温度均匀、导热性能良好、热补偿速度快等优点,且不含铅等有害物质,符合欧盟 RoHS 等环保要求。因其结构强度高、热导率高、化学稳定性好和布线密度高等优点,在大 功 率 微 组 装 电 路 中 具 有 广 泛 的 应 用 前景[1-4]。

通孔填充是高温共烧陶瓷制作流程中的关键工艺之一,此工艺主要是对冲孔后的瓷片进行通孔金属化,即将具有导通作用的金属浆料填充进通孔内,使层与层之间可互连,保证陶瓷外壳的电性能。通孔填充质量对元器件不同层之间连接的可靠性有着至关重要的作用。通孔直径不变的情况下,随着单层料厚增加,深径比增大。当深径比大到一定程度时,通孔填充后易出现孔凹问题,影响元器件不同层之间连接的可靠性。料厚增加的同时增大通孔直径,即降低深径比可保证通孔填充质量。但孔径越大,过孔形成的容性阻抗越大,过孔和信号线的阻抗失配,从而引起信号的反射增大,造成信号回损增大,从而影响信号传输性能[5]。随着深径比增大,为保证通孔填充质量,通孔填充工艺技术急需改进。目前国内外对低温共烧陶瓷 (LTCC)通孔填充及厚膜陶瓷基片通孔填充研究较多,加工工艺较成熟。但针对制作 HTCC 的关键工艺生瓷片通孔填充工艺研究较少,在工艺攻关上还存在多种问 题,其 中 大 深 径 比 通 孔 填 充 为 重 要 技 术 难题[6-7]。

本文采用不同黏度浆料及不同硬度刮刀并调整填孔压力和刮刀速度进行多组通孔填充实验。分析了浆料黏度、填孔压力、刮刀速度、刮刀硬度对大深径比通孔填充质量的影响。

1 HTCC 制备工艺流程

高温共烧陶瓷技术典型工艺流程包含流延、切片、冲孔、通孔填充、印刷、叠片、层压、热切-烧结等过程。图1为 HTCC制备工艺流程图。

挤压式填孔工艺为通孔填充方式之一,该工艺加工过程较长,浆料中的有机溶剂挥发较多,导致浆料黏度不断增大,填孔变得越来越难,出现孔内浆料过多或过少等问题,而且精度差、效率低、用浆多,这种方式已经不适于批量生产。对比挤压式填孔工艺,印刷填孔主要优点为:①印刷填孔过程主要是通过印刷刮刀刮过浆料进行通孔填充,浆料损耗小,可减少浆料用量,节约成本;②平均单片填充时间少,效率高,适用于批量生产;③ 填孔后,浆料凸出高度减小,一致性好:④由于浆料填充时受到的压力相比挤压式填孔大大降低。可降低浆料中 有 机 溶 剂 挥 发,浆 料 性 质 相 对 稳 定[8-10]。本文实验均采用印刷填孔方式。

随着料片厚度增加,孔深与孔径比不断加大,采用常规印刷填孔工艺加工参数进行通孔填充后, 填充质量不合格。为确保通孔填充质量,需优化填孔工艺技术。

2 工艺实验

印刷填孔过程首先通过视觉对位系统进行对位,然后通过气缸传递给刮刀压力,刮刀下移至印刷钢板表面,刮刀沿印刷钢板表面移动,推动浆料。浆料经印刷钢板孔位置流入对应的瓷片通孔中,如图2所示。

本文主要研究浆料黏度、填孔压力、刮刀速度及刮刀硬度对料厚为0.52 mm、孔径为 0.2 mm瓷片 (深径比为2.6)填充质量的影响,从而实现大深径比通孔准确、均匀及高质量的填充。具体实验方案如表1所示,表中1cp=10-3Pa·s。

根据表1进行实验,每种方案至少填充3片瓷片,观察不同方案填孔后状态。测试孔高 (填孔后浆料高出瓷片高度)及孔扩散 (填孔后浆料直径与通孔直径差值)数据。分析浆料黏度、填孔压力、刮刀速度、刮刀硬度对填孔质量的影响。本文采用印刷式填孔机进行通孔填充实验。代表性的印刷填充设备是韩国 HSAVFP200 型自动微孔填充机[11]。

3 结果与讨论

3.1 浆料黏度对大深径比通孔填充效果的影响

浆料黏度是通孔填充质量的重要影响因素之一。刮刀硬度、填孔压力及刮刀速度固定时,采用不同黏度浆料进行通孔填充实验。当浆料黏度过低时,生瓷片背面孔出现浆料溢出现象,如图3 (a)所示,且生瓷片正面每个孔均出现凹陷问题,如图3 (b)所示。随着浆料黏度增大,瓷片背面孔周围浆料溢出现象消失,正面孔凹问题有所缓解,孔凹程度降低,但依然存在孔凹问题,如图3 (c)所示。当浆料黏度达到 5000×104~6500×104cp时,瓷片背面出现孔浅问题,即浆料未填充到孔底部,如图3 (d)所示。不同黏度浆料填孔后孔高及孔扩散数据如表2所示。

3.2 填孔压力对大深径比通孔填充效果的影响

生产过程中相对其他影响因素,调节填孔压力及 刮 刀 速 度 费 时 少 且 操 作 简 单。 采 用 黏 度 为3500×104~5000×104cp的浆料进行实验。当刮刀硬 度 为 邵 氏 A70°~ A80°、 刮 刀 速 度 为 10~15mm/s时,不同填孔压力下,瓷片正面孔填充后均存在凹陷问题,压力越小,凹陷越多,随着压力增大,凹陷程度减轻,如图4所示,但无法完全避免凹陷问题。当压力过大时,浆料受力过大,孔周围出现浆料溢出问题,孔扩散高达 92.41μm,如图4 (d)所示。表3为不同填孔压力下通孔填充后孔高及孔扩散。

3.3 刮刀速度对大深径比通孔填充效果的影响

浆料具有触变性,当浆料受到剪切作用时,其内部结构被破坏,从而导致浆料黏度降低[12]。刮刀运行过程中,增大刮刀速度可降低浆料黏度,但当刮刀速度过快时刮刀经过印刷钢板通孔的时间相对太短,浆料不能充分填充进瓷片通孔中,容易产生凹陷 问 题。采 用 黏 度 为 3500×104 ~5000×104cp浆料进行实验。当刮刀硬度为邵氏 A70°~A80°、填孔压力为600~800N 时,选取不同的刮刀速度进行实验。当刮刀速度过块时,孔凹现象严重,如图5 (a)所示。当刮刀速度逐渐降低,孔凹问题减轻。刮刀速度降至1~5 mm/s时,大部分通孔填充后无孔凹问题 (图5 (b)),小部分孔依然存在孔凹问题 (图5 (c)),整体瓷片孔状态不一致。孔高及孔扩散数据如表4所示。且刮刀速度过低,加工时间过长,影响生产效率。

3.4 刮刀硬度对大深径比通孔填充效果的影响

刮刀的作用是以一定的压力和速度将浆料压入印刷钢板通孔中。刮刀材料一般为聚胺脂橡胶或氟化橡胶,硬度范围为邵氏 A60°~A90°[13-14]。在压力等参数固定的情况下对比不同刮刀硬度对通孔填充效果的影响。当刮刀硬度为邵氏 A80°~A90°时,材质较硬,带走浆料较多,通孔填充后存在孔凹问题。通 孔 填 充 效 果 与 邵 氏 A70°~A80°类 似,如图6 (a)所示。当采用硬度为邵氏 A60°~A70°刮刀填孔时,因刮刀较软,带走孔中浆料较少,通孔填充后无孔凹问题,如图6 (b)所示。选取50个孔测试孔高、孔扩散,数据如图7所示,测试结果均合格。

4 结 论

增大浆料黏度可改善孔扩散大及填充面孔凹问题,当黏度增大到一定程度时出现非填充面孔浅问题。随着填孔压力增大,通孔填充后孔凹程度减轻。当压力过大时,孔周围出现浆料溢出问题。降低刮刀速度可改善孔凹问题,当刮刀速度降低至1~5mm/s时大部分孔无孔凹问题,但仍有部分孔存在孔凹问题,且刮刀速度过低,加工时间增大,影响生产效率。适当增大填孔压力、调整浆料黏度均能改善通孔填充效果,但无法保证大深径比通孔填充合格。刮刀硬度对通孔填充效果影响较大,当刮刀硬度降低至邵氏 A60°~A70°时可保证大深径比通孔填充质量。