全银体系LTCC基板工艺的三大关键技术

什么是LTCC？

LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic）即低温共烧陶瓷，是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，并将多个被动组件（如低容值电容、电阻、滤波器、阻抗转换 器、耦合器等）埋入多层陶瓷基板中，然后叠压在一起，内外电极可分别使用银、铜、金等金属，在 900℃以下烧结，制成三维空间互不干扰的高密度电路，也可制成内置无源元件的三维电路基板。（更多关于多层陶瓷精彩内容敬请关注7月3日艾邦第四届多层陶瓷 LTCC HTCC MLCC 产业论坛）

陶瓷中加入低熔点的玻璃相，烧结时玻璃软化，粘度下降，从而可以降低烧结温度。且可以与高导电性能的金属金、银、铜等共烧。

一、LTCC分类

LTCC基板分类：根据所使用电子浆料种类的不同，一般分为全金体系、金银混合体系和全银体系。

▲ 图片：LTCC基板（来源：NIKKO）

LTCC器件分类：LTCC器件按其所包含的元件数量和在电路中的作用，大体可分为LTCC元件、LTCC功能器件、LTCC封装基板和LTCC模块基板。

二、全银体系LTCC基板生产工艺流程

全银体系LTCC基板生产工艺流程一般可包括生瓷切片、打孔、填孔、印刷、叠层、等静压-烧结、化学镀镍钯金、焊接，具体工艺流程。

▲ 全银体系LTCC基板工艺流程

三、全银体系LTCC基板生产工艺的三大关键技术

1.填孔工艺

①填孔浆料与LTCC生瓷片的Z向收缩率匹配

为了获得稳定性高、质量可靠的金属化通孔，首先需确保生瓷片的Z向收缩率与填孔浆料的收缩率相匹配。（*烧结收缩率:LTCC基板的烧结收缩率η，是指共烧后LTCC基板的线性尺寸相对于其共烧前尺寸所减少的百分比，可以分为X向(长度)收缩率ηX、Y向(宽度)收缩率ηY和Z向(厚度)收缩率ηZ）

当收缩率不一致时，若填孔浆料的收缩率大于生瓷片的Z向收缩率，浆料收缩相对较多，极可能导致金属化通孔凹陷；若填孔浆料的收缩率小于生瓷片的Z向收缩率，浆料收缩相对较少，极可能导致金属化通孔凸起，而凸起超过20 μm时会影响后续的组装。

▲丝网印刷填孔示意图

填孔银浆一般由银粉、玻璃粉及有机载体三部分组成，金属化通孔烧结收缩率的控制一般可以通过改变填孔浆料中的银粉、玻璃粉的配比来实现。

在共烧过程中，浆料中的有机载体在450 ℃左右完全分解，留下银粉与玻璃粉组成的多孔复合物，随着烧结温度的升高，银粉先发生收缩，玻璃粉随后从多孔复合物中熔化渗出，起到润湿、引导银粉形成表面光滑平整的导电结构。

②填孔浆料的触变性对填孔工艺质量的影响

浆料的触变性：指浆料在受到一定剪切力作用时，黏度随时间变化的一种现象，它描述的是假塑性流体的一种具有时间依赖性的流变行为。

▲不同浆料的填孔状态图

（左) 触变指数为3.7 (中) 触变指数为4.8 (右) 触变指数为6.1

当填孔浆料的触变指数为3.7时，浆料的触变性较小，浆料印刷填孔后流动性较好，通孔出现凹陷且有针孔状；当填孔浆料的触变指数为4.8时，浆料的触变性较适中，浆料印刷填孔后有轻微凹陷；当填孔浆料的触变性能为6.1时，浆料的触变性较大，浆料印刷填孔后浆料不能流平，浆料呈现柱状，烧结后通孔凸起。

③掩模版参数对填孔工艺质量的影响

掩模版是填孔工艺中使用的一种决定生瓷印刷图案的工具，掩模版参数的设置对LTCC填孔工艺质量有显著影响。

首先，掩模版的网孔决定了印刷图案的大小和精度，网孔大小需要与设计图案匹配，以确保印刷出的孔洞符合设计的参数，生瓷孔径大小不同所需掩模版网孔增量也不同。其次，掩模版的厚度会影响印刷过程中浆料的流动性和沉积量。较厚的掩模版致使浆料的流动速度减慢，导致填孔不充分；而较薄的掩模版使浆料出现溢边，造成通孔边缘模糊。总之，掩模版厚度、掩模版网孔的增量（△d）影响通孔填充的状态。

2.烧结工艺

等静压工艺：一种利用压力对材料施加均匀作用力的方法，用于生瓷片的成型或烧结前的预处理，对LTCC基板的收缩率和平整性有显著影响。

在等静压过程中，材料内部的应力可以得到重新分布和释放，有助于提高基板的平整性。通过调整等静压的压力和保压时间，可以在一定程度上控制基板的收缩率，以适应特定的应用需求，有助于减少基板在烧结过程中的翘曲和变形。适当的压力可以促进致密化，但过高的压力可能导致材料过度致密化或损坏。为了实现最佳的工艺效果，需要精确控制等静压参数，并考虑材料特性和工艺条件的相互作用。

▲不同压强下基板烧结收缩率

在相同的温度和保压时间下，基板烧结收缩率随着等静压的压强增大而减小，这是因为随着压强的增大，LTCC生瓷片中气孔排除更多，减小材料孔隙率，增加材料的密度，更与利于材料的致密化烧结，可降低基板的烧结收缩率。

②导体浆料与LTCC生瓷片XY平面收缩率匹配

在LTCC技术中，导体浆料与生瓷片的XY平面收缩率匹配是确保多层陶瓷结构在烧结过程中不出现翘曲、分层或其他缺陷的关键因素之一。为了实现导体浆料与生瓷片的XY平面收缩率匹配，可从两方面入手。

一方面，可以调整银导体浆料中银粉的振实密度、形貌及粒径，改变银导体浆料的烧结收缩率。银粉的振实密度较高时，意味着银粉颗粒间的空隙较小，银粉的填充程度较高。在这种情况下，烧结过程中银粉颗粒的重结晶和颈部生长所需的体积变化较小，因此高振实密度的银粉通常会导致较低的烧结收缩率。（更多关于多层陶瓷精彩内容敬请关注7月3日艾邦第四届多层陶瓷LTCC HTCC MLCC 产业论坛）

相反，如果银粉的振实密度较低，表明银粉颗粒间存在较大的空隙。在烧结过程中，这些空隙需要被填补，通常通过颗粒的重结晶和颈部生长来实现，这可能导致较大的烧结收缩。此外，银粉的形貌及粒径也会影响烧结收缩，较小的颗粒和不规则的形态可能会在烧结过程中导致更大的收缩，因为它们在烧结过程中更容易发生形变和重结晶。

另一方面，选择合适的玻璃粉来调整导体浆料的收缩行为。一般来讲，玻璃粉在加热过程中会软化并熔融，填充银粉颗粒间的空隙，促进银粉颗粒的重结晶和颈部生长，从而实现烧结收缩。玻璃粉的软化温度影响着银浆料的烧结起始温度，较低的软化温度意味着在较低的温度下玻璃粉即可开始流动，有助于降低银浆料的烧结温度，减少高温下的收缩。

玻璃粉的含量直接影响银浆料的收缩率，适量的玻璃粉可以保证烧结过程中的体积收缩适中，避免因收缩过大而导致的开裂或分层。玻璃粉的粒径和分布也会影响烧结收缩，细粒径的玻璃粉可以更好地填充银粉颗粒间的空隙，有助于实现均匀的收缩。通过调整玻璃粉的这些参数，可以优化银浆料的烧结收缩行为，实现与基板材料的良好匹配，提高电子器件的性能和可靠性。

三、化学镀镍钯金工艺

①LTCC材料的性能

全银体系LTCC基板可以大幅降低成本，但是银导体易发生氧化和银离子迁移，造成基板可靠性降低，制约了全银体系LTCC基板的推广应用。为了解决全银体系LTCC基板可靠性低的问题，一般是在基板表面的银膜层上采用化学镀镍钯金工艺进行保护，可以提高全银体系LTCC基板的可靠性。

在化学镀镍钯金工艺中，LTCC基板需要经过一系列的化学溶液的处理，在此过程中须确保LTCC材料不被腐蚀。

将烧结好的不同材料LTCC基板分别浸入质量分数为10%的HCl溶液中，在40 ℃恒定温度中浸泡30 min。以LTCC基板的失重来衡量酸性溶液对基板的侵蚀性能，进而可以判断LTCC基板的化学稳定性。

②化学镀镍钯金工艺过程

化学镀镍钯金工艺是采用化学的方法进行镀镍、镀钯、浸金的一种工艺。该技术利用自催化的氧化还原反应对全银体系LTCC基板表面的银膜层依次进行镀镍、镀钯处理，然后通过置换反应在钯镀层上沉积金层，最后获得有良好稳定性能和焊接性能的镍钯金膜层。化学镀镍钯金工艺流程下图所示。

首先，采用pH值为1~2的酸溶液对LTCC基板样品进行酸洗，以去除基板表面的杂质和氧化物；

其次，经过流水清洗后，用酸进行微蚀；

之后，采用稀盐酸溶液进行活化、氯化钯溶液进行催化；

最后，在银膜层上依次进行化学镀镍、化学镀钯和化学浸金。

在焊接过程中，金膜层会迅速融化并扩散到熔融的焊料中提高镀层的可焊性和打线能力。钯膜层不但能够有效防止镍的扩散和迁移，提高焊接性能，而且硬度比金膜层大，还可以提高打线能力和耐磨性能。镍膜层主要起焊接作用，提供优良的焊接可靠性。

文章内容来源：电子工艺技术——《全银体系国产化LTCC基板工艺的关键技术》

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