Новости PCB - Обработка схемы подложки LTCC

Обзор схемы подложки LTCC

Технология низкотемпературного совместного обжига керамики (LTCC) - это технология производства многослойной керамики, которая сочетает в себе взаимосвязь, бескомпонентность и упаковку. Благодаря постоянному технологическому прогрессу электронные изделия становятся все меньше и тоньше, но при этом более мощными. Возьмем, к примеру, индустрию беспроводной связи с использованием сотовых телефонов: размеры сотовых телефонов уменьшаются, ранние функции мобильных телефонов заключались в передаче простейших аудиосигналов, а теперь превратились в портативные сетевые компьютеры. Если часть пассивных компонентов может быть встроена в подложку, это не только способствует миниатюризации системы, увеличению плотности сборки схемы, но и помогает повысить надежность системы. Современные технологии интегрированной упаковки в основном включают тонкопленочные технологии, технологии кремниевых полупроводников, технологии многослойных печатных плат и технологии LTCC. Технология LTCC - это недорогие упаковочные решения с коротким циклом разработки. Технология низкотемпературного совместного обжига керамики позволяет удовлетворить потребности последних в легкости, тонкости, короткости и компактности. Однако керамические подложки, подвергнутые низкотемпературному совместному обжигу, характеризуются высокой твердостью и хрупкостью. Поэтому, когда режущий станок режет твердые подложки, между подложкой и режущим лезвием будет возникать большее трение, которое будет передаваться на режущее лезвие.

Технология обработки подложек LTCC

На рисунке 2 показана технологическая схема процесса изготовления подложек LTCC, в основном включающая смешивание, литье, штамповку, заполнение отверстий, трафаретную печать, ламинирование, изостатическое давление, спекание и т.д. Ниже приводится краткое описание основных процессов каждого из них.

Рисунок 2

Смешивание и разливка: Органические вещества (состоящие в основном из полимерных связующих и пластификаторов, растворенных в растворе) и неорганические (состоящие из керамики и стекла) смешивают в определенных пропорциях, гомогенизируют путем измельчения в шаровых мельницах, а затем высыпают на движущуюся ленту-носитель (обычно полиэфирную пленку), пропускают через зону сушки для удаления всех растворителей, а затем отливают до нужной толщины, контролируя зазор между лопастями. Типичные допуски по толщине для этого процесса составляют ±6%.

Штамповка: Сквозные отверстия формируются с помощью механической штамповки, сверления или лазерного сверления. Сквозные отверстия - это небольшие отверстия (обычно диаметром 0,1-0,2 мм), пробитые в необработанном керамическом листе для соединения цепей между различными слоями. На этом этапе также пробиваются формованные отверстия для облегчения выравнивания при укладке; выравнивающие отверстия используются для автоматического выравнивания при печати проводников и диэлектриков.

Печать: Проводниковые пасты печатаются и сушатся с использованием стандартных методов печати на толстых пленках. Заполнение сквозных отверстий и графические изображения на проводниках сушатся в коробчатых или цепных печах в соответствии с требуемыми температурами процесса и временем сушки. При необходимости на этом этапе печатаются и сушатся все резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности.

Заполнение сквозных отверстий: Сквозные отверстия заполняются специально разработанной проводящей пастой с высоким содержанием твердых частиц с помощью обычной трафаретной печати на толстой пленке или экструзии образцов.

Обезжелезивание и спекание: Зона с температурой 200-500°C называется зоной органического обезжелезивания (рекомендуется, чтобы штабель хранился в тепле в этой зоне не менее 60 минут). Затем пакет подвергается совместному обжигу до максимальной температуры (обычно 850°C) в течение 5-15 минут. Процесс металлизации обычно занимает 2-10 часов. Для обжига подготавливаются детали, например, печатные провода и прецизионные резисторы на верхней поверхности, а затем обжигаются на воздухе. Если для металлизации используется медь, ее необходимо спекать в цепной печи N2.

Проверка: Затем схемы настраиваются лазером (при необходимости), тестируются, нарезаются и инспектируются, а выводы или радиаторы могут быть припаяны (при необходимости) в корпусе LTCC.

Примеры обработки микросхем на подложке LTCC

1.Технология формирования микросхем на подложке LTCC

Формирование микропроводов является чрезвычайно важным процессом при соединении многослойных керамических подложек с высокой плотностью, подвергаемых низкотемпературному совместному обжигу, поскольку размер и точность расположения переходных отверстий непосредственно влияют на плотность соединения и качество подложки. Чтобы обеспечить сверхвысокую плотность, диаметр сквозного отверстия должен быть меньше 100 мкм. Методы производства лент LTCC microvia включают механическую штамповку и лазерное сверление.

1.1 Механическая штамповка

Штамповка с помощью штамповочного пресса с ЧПУ является лучшим методом штамповки необработанных керамических лент, особенно для фасонных изделий, где штамповка более выгодна. Одновременно можно пробить тысячи отверстий диаметром не менее 50 мкм с помощью штамповочной пресс-формы, которая подходит для массового производства благодаря высокой скорости пробивки и точности. При выполнении микропроходных отверстий в необработанных керамических лентах требуется пуансон того же размера, что и микропроходные отверстия, и форма. Отверстие формы обычно на 12,5 мкм больше диаметра пуансона.

Ключевым техническим моментом в производстве микровизий является установка и обращение с крошечными пуансонами. Как только диаметр пуансона становится меньше 100 мкм, установка и обращение с ним становятся все более и более сложными из-за снижения прочности. Большинство дефектов штамповки образуются не в процессе штамповки, а из-за неправильного обращения. Поэтому для установки микропробойников и предотвращения ударов и повреждения пуансона во время монтажа и эксплуатации необходимы специальные инструменты. Выравнивание пуансона и матрицы. Способность механического пуансона выполнять сквозное отверстие высокого качества во многом зависит от совмещения пуансона и матрицы. Если эти два устройства не выровнены, качество сквозного отверстия ухудшится, матрица будет повреждена, а пуансон может сломаться. Обеспечивая качество производства микроволокна, качество микроволокна включает в себя форму, размер и внутреннее проникновение микроволокна.

Диаметр и расстояние между микроповоротами, образованными механической штамповкой, соответствуют требованиям. Верхний край более гладкий, но нижний край более шероховатый, а внутренняя стенка более прямая. Размеры верхнего и нижнего отверстий одинаковы. Керамические полоски LTCC разной толщины имеют одинаковый размер микроповреждений, т.е. отношение толщины керамической полоски к размеру сквозного отверстия не влияет на качество сквозного отверстия. Формирование микропузырьков размером 50, 75 и 100 мкм на различных лентах LTCC толщиной 50-254 мкм с использованием механической штамповки показывает, что размеры отверстий разного размера микропузырьков на передней и задней сторонах лент LTCC находятся в пределах допустимой погрешности измерения, но сквозные отверстия на лентах LTCC толщиной 50-254 мкм не изменяются. задняя часть лент имеет большее отклонение. Микроскопическое исследование изменений в отверстии матрицы после штамповки показало увеличение размера отверстия по сравнению с первоначальным, что было вызвано износом отверстия матрицы. Аналитические данные по различным микропроходным отверстиям показывают, что размер пуансона определяет размер отверстия на передней стороне сквозного отверстия, в то время как диаметр сквозного отверстия на задней стороне зависит от размера отверстия в матрице.

Поэтому, когда из-за износа отверстие матрицы превысит определенное значение, отверстие на обратной стороне микропластинки значительно увеличится, и матрицу следует заменить. Еще одним фактором, влияющим на качество микропробоя, является осадок в отверстии, представляющий собой небольшой кусочек керамической ленты LTCC, оставшийся в сквозном отверстии и не полностью удаляемый во время штамповки. Эти остатки находятся в основном на обратной стороне слоя керамической ленты LTCC, соединенной с краем сквозного отверстия, обычно толщиной 10-25 мкм. Количество сквозных отверстий, содержащих остатки, с увеличением размера сквозного отверстия и уменьшением количества остатков и толщины керамической ленты никак не связано.

2. Метод микропористой инъекции

Обычно метод микропористой инъекции является наиболее эффективным, но требует специального оборудования. В системе впрыска с микроотверстиями основными факторами, влияющими на качество заполнения сквозных отверстий, являются давление впрыска, время впрыска, вязкость заполняющей пасты и выравнивание керамической ленты LTCC и маски для заполнения сквозных отверстий. После определения параметров всего производственного процесса в слое биокерамической ленты LTCC можно за считанные секунды заполнить тысячи сквозных отверстий. Обратите внимание на незаполненную, переполненную и недозаполненную микропористую металлизацию.

микропористости 75 мкм, заполненные серебряной пастой. Заполненный пастой via имеет желаемый размер и удовлетворительное качество заполнения. Дефекты заполнения на обратной стороне ленты LTCC были вызваны использованием неподходящей пористой прокладки между вакуумным зажимом и лентой LTCC. Дефекты переполнения возникают на лицевой стороне сквозного отверстия ленты LTCC, которое соприкасается с защитной пластиной, когда при заполнении сквозного отверстия происходит смещение между защитной пластиной и лентой LTCC. Верхнее сквозное отверстие с шагом 75 мкм. Расстояние между отверстиями сокращается из-за переполнения. Если между сквозными отверстиями происходит переполнение, расстояние между отверстиями необходимо увеличить, чтобы избежать короткого замыкания, вызванного переливом дополнительной пасты, но это приведет к снижению плотности внутренних соединений.

3.Обезжиривание и спекание подложки LTCC

Ключевыми техническими моментами спекания являются контроль скорости усадки при спекании и общее изменение подложки, контроль характеристик усадки при спекании двух материалов, предотвращение микро- и макродефектов, а также реализация антиоксидантного эффекта материала-проводника и удаление связующего в процессе спекания. спекание. Усадка при спекании обычных подложек LTCC в основном достигается за счет регулирования размера частиц порошка, соотношения заливаемого связующего, давления при горячем прессовании слоев, кривых спекания и т.д. Однако обычная система совместного обжига LTCC не подходит для спекания подложек LTCC. Однако при обычной системе совместного обжига LTCC в направлении X-Y усадка по-прежнему составляет 12-16%. С помощью методов спекания без давления или под давлением, поддерживаемым давлением, можно получать материалы с нулевой усадкой в направлении X-Y.

Реализацией процесса нулевой усадки являются: самосвязывающееся спекание, подложка в процессе свободного совместного обжига, проявляющая собственное ингибирование плоского направления усадки. Характеристики этого метода не требуют добавления нового оборудования, но система материалов уникальна и не может быть изменена. удовлетворяют требованиям, предъявляемым к производству изделий с различными эксплуатационными характеристиками. Спекание под давлением, которое подавляет усадку в плоскости X-Y за счет спекания под давлением в направлении оси Z; Спекание под давлением, при котором между слоистыми материалами добавляется промежуточный слой (например, оксид алюминия, который не спекается при температурах спекания LTCC) для ограничения перемещения в направлениях осей X и Y, а затем верхний и нижний слои оксида алюминия после спекания отшлифовываются; и совместное прессование композитных пластин и спекание, при котором заготовку прикрепляют к металлической пластине (например, из молибдена или вольфрама и т.д.) для спекания, а затем спекают к пластине. Способ совместного прессования и обжига композитной пластины, при котором заготовка прикрепляется к металлической пластине (например, из высокопрочного молибдена или вольфрама и т.д.) для спекания, использует связующий эффект металлической пластины для уменьшения усадки заготовки в направлении X-Y. Керамический лист и заготовка ламинируются методом совместного спекания, керамический лист является частью подложки, спеченный, его не нужно удалять, что не препятствует возникновению остаточных проблем.

4.Монтажная плата LTCC с большой площадью заземления.

Технология пайки с заземлением большой площади печатной платы LTCC разработана для повышения скорости пайки с заземлением большой площади печатной платы LTCC и надежности процесса пайки. Слой пленки из композитного металлического сплава LTCC для заземления печатной платы (Ni + M), согласно тестовому контрасту, его стойкость к сварке (> 600 с) значительно выше, чем у слоя заземления из обычной металлизации (обычные требования > 50 с).; в низкотемпературной совместно спеченной керамики монтажная плата заземления предварительно на одном из концов “удар”, с помощью рентгеновского сканирования карте контрастного анализа, увеличится “шишка”, “шишка”, “шишка”, “шишка”, “шишка”, “шишка”, “шишка”, “шишка”, “шишка”, “шишка”, “шишка”, то “удар” и “удар”. Благодаря сравнению рентгеновских изображений, полученных при сканировании, конструкция с добавлением “выпуклости” улучшает скорость склеивания при пайке с заземлением на большой площади. Исследование показывает, что: новая конструкция процесса пайки обеспечивает надежность и постоянство пайки с заземлением на большой площади печатных плат LTCC.

4.1 Испытательные материалы и оборудование

Печатная плата LTCC: используется необработанная керамика Ferro A6-S, спеченная в многослойную печатную плату, размер 80 мм x 30 мм x 1,2 мм, материал корпуса для сплава Kovar, толщина стенки корпуса 1,0 мм, размер дна 80 мм x 30 мм, толщина дна толщиной 2,0 мм - припой для листа припоя Sn63Pb37 толщиной 0,1 мм.

Испытательное оборудование: Самодельный перчаточный ящик, заполненный азотом, с нагревательным столом, номинальная рабочая температура которого составляет 450℃.

Оборудование для рентгеновского контроля: MACROSCIENCE MXR-160.

Оборудование для цифровой фотокамеры: OLYMPUS, МОДЕЛЬ № C5060.

4.2 Способ металлизации поверхности печатной платы LTCC

Метод металлизации поверхности печатной платы LTCC в настоящее время существует два вида методов: метод спекания толстых пленок и метод утолщения тонкопленочных гальванических покрытий методом распыления. Несмотря на то, что метод утолщения тонкопленочного покрытия методом повторного осаждения методом распыления широко используется при обработке тонкопленочных схем на однослойных керамических подложках, он широко используется в печатных платах LTCC. Однако для печатных плат LTCC он все еще находится на стадии разработки. В настоящее время основным методом повышения стойкости печатных плат LTCC к пайке является спекание слоя палладиевого серебра.

4.3 Метод испытания припоя на стойкость

Выберите три образца для сравнения стойкости к припою: (1) образец с толстопленочным слоем палладия и серебра (около 12 мкм); (2) образец с толстопленочным слоем золота (около 37 мкм); (3) образец с барьерным слоем Ni 3 (Nj + M) из пленки композитного сплава металлов (около 10 мкм)., M - это код металла.

Ссылка GJB548A-96 (методы и программы испытаний микроэлектронных устройств): вертикальное погружение подложки (215 ± 5) ℃ в резервуар для расплавленного припоя, каждый раз 58, в общей сложности 10 раз (состав припоя из эвтектического припоя 63Sn37Pb, флюс для 25%-ного раствора канифольного спирта) для очистки, окраски припоя При этом исследуемая форма не должна иметь короблений, отслаиваний, трещин, быть оплавленной не более чем на 20% по площади. Вышеупомянутые три образца смогли пройти проверку на соответствие стандартам контроля стойкости припоя, и не было обнаружено расплавления этого места, а затем вышеупомянутые три образца (новые образцы) обработали поверхность металлизированного слоя, помещенного на покрытые флюсом подложки, под защитой от азота, при температуре 240 ℃ (заданное значение) на горячем нагрев пластины позволяет поддерживать и наблюдать за расплавлением припоя, соответствующего поверхности металлизированного слоя образца.

4.4 Печатные платы LTCC и блоки для сварки в среде защитных газо

Печатные платы и коробки LTCC могут быть выполнены на нижней части большой площади поверхности такими методами сварки, как: сварка в газовой среде, вакуумная сварка, сварка воздухом на горячей плите. Когда соответствующий мягкий припой находится в жидком состоянии на воздухе, ему легче вступать в химическую реакцию с кислородом воздуха, поэтому пайка в среде защитного газа имеет очевидные преимущества по сравнению со пайкой горячей плитой на воздухе. Однако оба метода - сварка сетки в среде защитного газа и сварка сетки в вакууме - имеют свои преимущества и недостатки. Теплопроводность в вакууме в основном зависит от излучения, поэтому эффект экранирования более очевиден. Из-за небольшого размера микроволновых компонентов температура на каждой детали неодинакова, что приводит к высокой температуре некоторых деталей, чрезмерному расходу припоя и недостаточной температуре некоторых деталей. Неполное расплавление и растекание, низкое качество плазменной сварки, длительный цикл нагрева, низкая эффективность.

Сварка стеллитом в газовой среде обеспечивает одновременную теплопроводность тремя способами, простоту в эксплуатации, высокую эффективность, однако из-за присутствия газа степень адгезии стеллита ограничена. В общих условиях может достигать 75% и более, распределяется случайным образом. Для микроволновых схем это создает большую неопределенность. Чтобы увеличить скорость пайки, используется метод предварительной установки “выступов”. Материал выступов такой же, как у дюбеля большой площади. Выпуклость создается путем нанесения соответствующего количества паяльной пасты на соответствующее место и оплавления горячим воздухом до образования выпуклости. Размер выпуклости зависит от длины подложки. После того, как выступы выполнены, на дно коробки помещается паяльная подушка того же состава, что и выступы, с удаленной окисленной оболочкой. Большая площадь пайки между LTCC и дном корпуса обеспечивается нагревом на горячей плите под газовой защитой.

4.5 Проверка скорости пайки

Теоретически, после пайки большой площади поверхности припой будет стремиться максимально заполнить зазор между LTCC и дном корпуса, используя принцип капиллярного явления. Однако из-за наличия защитной атмосферы расплавленный припой будет случайным образом образовывать несколько колец, удерживающих газ внутри. Если внутри границы раздела припоя имеется полость или если сплав припоя разрыхляется во время затвердевания, рентгеновский луч может легко пройти сквозь него, что приведет к появлению белых или серовато-белых ярких пятен на изображении. На рентгенограмме без процесса пайки “выпуклостью” показаны стрелки, указывающие на очевидные дефекты пайки, при скорости пайки около 75% и при процессе пайки “выпуклостью”. На рентгенограмме процесса сварки “выпуклостью” стрелки указывают на незначительные дефекты сварки при коэффициенте сцепления вольфрама 98% или более. Из-за наличия “выступа” в процессе нагрева возникает разница в температуре между двумя концами подложки LTCC. Поскольку “выпуклость” медленно спадает, это облегчает удаление газа, попавшего между припоем и подложкой LTCC в нижней части кассеты. Рентгеновские снимки показывают, что конструкция “выпуклостей” на поверхности пайки подложки может повысить скорость пайки в условиях газовой защиты.

4.6 Вывод для пайки с заземлением на большой площади печатной платы LTCC

(1) Установите слой пленки из сложного сплава металлов (Ni + M), значительно улучшив слой металлизации большой площади подложки LTCC на припое Sn63Pb37, чтобы обеспечить надежную пайку подложки LTCC и корпуса коробки.; (2) Использование газовой защиты при проектировании поверхности пайки подложки LTCC для “заземляющей пайки”; (3) Использование газовой защиты при проектировании поверхности пайки подложки LTCC для “заземляющей пайки”.

(2) Использование газовой защиты, “бугорков” на поверхности пайки подложки LTCC в подложке схемы LTCC и зазора между скоростями пайки очень эффективно.

5 Проверка схемы LTCC

После смазки, спекания и пайки компоненты LTCC должны быть проверены различными способами для обеспечения надежной работы. Эти испытания включают в себя внешний вид, размеры, прочность, электрические свойства и многое другое.