一种减小ltcc基板与金属底板焊接空洞的方法及ltcc基板结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种减小LTCC基板与金属底板焊接空洞的方法，其是在基板表面的金属化层上预设纵横交错的阻焊网格线，然后再采用焊膏将LTCC基板与金属底板进行焊接。本发明通过在LTCC基板焊接面的金属化层上印制网格线，可增加LTCC基板与金属底板焊接时助焊剂和气体的排出，减少空洞的形成降低空洞率；通过在LTCC基板焊接面的金属化层上印制网格线，焊接时可排出更多助焊剂和气体，防止助焊剂和气体的积聚，增大焊接区域减小最大空洞面积；本发明不需要改变多层基板高密度接地通孔的设计，没有矩形块金属化层的加厚多次印刷对位，直接在基板大面积金属化层上印制网格线，印制简单网格线清晰可靠，可保证助焊剂的排出通道。
【专利说明】-种减小LTCC基板与金属底板焊接空洞的方法及LTCC基 板结构
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种减小LTCC基板与金属底板焊接空洞的方法以及由该方法得到 的一种新型LTCC基板。
【背景技术】
[0002] 随着微电子技术的发展，多层电路布线低温共烧陶瓷（LTCC)在实现模块或系统 的小型化及高密度集成方面得到了越来越广泛的应用，特别是在微波/射频方面，LTCC作 为收发组件用基板具有独特的优势。在使用中，LTCC陶瓷基板常常要与散热片或金属管 壳(均称为金属底板）进行焊接。目前LTCC陶瓷基板与金属底板的焊接一般是先在基板 表面烧结一层可焊接的厚膜金属化层(焊接层)，然后通过印制或涂敷锡焊膏(如低温焊膏 Sn62Pb36Ag2、中温焊膏Sn96. 5Ag3. 5和高温焊膏SnlOPb88Ag2等)将LTCC基板与金属底板 焊接起来(若使用焊片，则需在基板和金属底板焊接面上涂上助焊剂)。由于焊膏中含有助 焊剂、粘合剂和表面活性剂等有机物，LTCC陶瓷基板与金属底板焊接后往往存在许多空洞， 单个最大空洞经常大于焊接面积的10%，总体空洞率大于30%，导致产品性能下降甚至不合 格。
[0003] 基板与金属底板焊接出现空洞的原因是由于焊膏熔化后，焊膏中的有机物与焊料 分开聚集，焊接过程中一些有机物的挥发还会产生气体。由于焊膏封闭在陶瓷基板与金属 底板之间，熔化后焊膏中的有机物和气体不能从焊接部位很快直接排出去，而只能依靠较 高的蒸汽压或焊料收缩力使助焊剂等有机物从基板与金属底板之间的侧面缝隙逸出。当有 机物的蒸汽压减小或焊料收缩力达到某一动态平衡时，助焊剂等有机物不再逸出。冷却后， 未逸出的有机物被焊料封闭在基板与金属底板之间形成空洞。该空洞的位置及大小是随机 的，没有一定的规律。基板与金属底板焊接面积越大，空洞越多，单个最大空洞的面积越大。 焊接形成的空洞，将使基板上的功率元器件热阻明显增加，容易导致功率元器件的失效或 烧毁。基板下的较大空洞意味着信号不能直通金属底板公共接地面，而要绕过空洞才能到 达。对于毫米波等高频电路来说，空洞的尺寸可能达到高频信号波长的量级，甚至比信号波 长还大，这将影响电路的接收或发射等性能。
[0004] 对于内部没有通孔接地的氧化铝基板，为了降低基板与金属底板焊接的空洞率， 有的将基板焊接面的厚膜金属化层做成矩形块状，露出网格状的氧化铝陶瓷基底。这样基 板与金属底板焊接时陶瓷基底将成为一些助焊剂和气体的逸出通道。但对于具有多层电路 布线的微波/射频LTCC基板而言，一般都有大量的密集的通孔直通基板底面接地。接地层 常作为焊接层。若采用矩形块金属化阵列，露出网格状的LTCC陶瓷基底，则意味着露出陶 瓷位置没有金属化而容易残留助焊剂，在网格位置的通孔不能接地，这将使通孔接地位置 受限或整体设计受限。另外，在制作陶瓷焊接的厚膜金属化层时，金属化层通常需要加厚制 作（重复对位印制和烧结)。如果块状金属化区域之间的间距过大，虽然焊接时利于助焊剂 和气体的逸出，但太宽的间距减少了焊接面积和接地面积，影响了焊接强度和接地性能。如 果块状金属化区域之间的间距过小，则加厚制作(两次或多次重复印刷）金属化区域时存在 对位问题，很难控制间距精度，焊接时很容易出现相邻块状金属化区域之间焊料的桥连，阻 断了有机物和气体的逸出通道，有机物和气体的排出（即空洞的减小）受到影响。
【发明内容】
[0005] 本发明不需要将具有多层电路布线的LTCC基板的厚膜金属化层(焊接层）制作 成矩形块状，而是直接做成大面积金属化层，在大面积厚膜金属化层上通过印制阻焊材料 形成网格线而成为助焊剂和气体的逸出通道。由于阻焊材料可以阻焊，故只要印制的阻焊 材料网格线清晰，就可以保持焊接时逸出通道的畅通，排出更多的助焊剂和气体。因此，利 用阻焊材料形成的网格线可使基板与金属底板焊接后的空洞率下降，最大空洞面积大大减 小，基板与金属底板焊接区域增多，功率元器件下面不会出现大的空洞。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案： 本发明的一种减小LTCC基板与金属底板焊接空洞的方法，其是在基板本体表面的金 属化层上预设纵横交错的阻焊网格线，然后再采用焊膏将设有阻焊网格线的基板本体与金 属底板进行焊接。
[0007] 所述阻焊网格线为将阻焊浆料通过制作好网格线的丝网网板印刷到基板本体表 面的金属化层上，并通过加热、烧结在金属化层上而形成。
[0008] 所述阻焊浆料为丝网印刷用的玻璃浆料或者为60wt % -80wt %阻焊材料与 20wt% -40wt%有机粘合剂混匀组合物；所述有机粘合剂为稀释剂或者为稀释剂与改善剂 的混合物，所述稀释剂为松节油、松油醇、丙醇或丁基卡必醇醋酸酯，所述改善剂为聚乙烯 醇、乙基纤维素、乙酸丁酸纤维素或硝酸纤维素。所述改善剂作为阻焊浆料增稠剂、粘结剂 和流变剂，可改善网格线印刷特性；所述稀释剂可以稀释分散固体粉料，使阻焊材料形成具 有一定印刷特性和烘干特性的粘性浆料；所述阻焊材料可以为玻璃粉料或者为玻璃粉料与 无机添加剂的混合粉料，所述玻璃粉料可以为磷酸盐玻璃粉料、硼磷酸盐玻璃粉料等，具体 可以为磷酸锌玻璃粉料（Ζη〇-Ρ 205)、硼磷酸锌玻璃粉料（Ζη0-Β203-Ρ 205)等，所述阻焊材料 的软化点400-500°C ;所述无机添加剂可以是熔点比玻璃软化点高的无机化合物如A1203、 510 2、1111〇2等，其作用是调节阻焊材料的烧结温度和流动性，使烧结的网格线光滑、清晰。
[0009] 所述的玻璃粉料可采用常规的熔炉制备工艺得到，如硼磷酸锌（Ζη0-Β20 3-Ρ205)玻 璃粉料采用下述方法制备：（a)称量玻璃原料ZnO、B 203、P205混合均匀；（b)将混匀的玻璃 原料放入玻璃熔化炉中熔化，熔化温度为ll〇〇°C?1300°C，保温时间为50min ;(c)将熔 融的玻璃倒入去离子水中水淬，然后取出水淬玻璃利用球磨机球磨粉碎，球磨时间为24h ; (d)将球磨后的玻璃粉过筛，去除未被粉碎的玻璃或较大颗粒的玻璃粉，过筛后的玻璃放入 烘箱内或红外灯下烘干，烘干后即得到所需的玻璃粉料。
[0010] 所述有机粘合剂的组成优选为：92wt% -100wt%稀释剂、〇-8wt%改善剂。
[0011] 阻焊浆料选用阻焊材料与有机粘合剂的混合物时，所述阻焊材料的玻璃软化点比 阻焊浆料烧结温度低50-150°C为佳。
[0012] 所述纵横交错的阻焊网格线为规整排列，其线条宽度为0. 1-0. 4_，线条间距为 l_5mm，优选线条宽度为0. 2-0. 3mm，线条间距为2_4mm。
[0013] 本发明还提出了由上述方法得到的LTCC基板结构，其包括表面设有金属化层的 LTCC基板本体，在所述金属化层上设有纵横交错的阻焊网格线，所述阻焊网格线为经烧结 的阻焊浆料。
[0014] 所述阻焊网格线为规整排列，其线条宽度为0. l-o. 4mm，线条间距为l-5mm，优选 线条宽度为〇. 2-0. 3mm，线条间距为2_4mm。
[0015] 本发明所述阻焊浆料为丝网印刷用的玻璃浆料，如可以为FHG系列（FHG501， FHG502，FHG503)玻璃浆料或者为DB系列（DB-1A，DB-2A，DB-3A)玻璃浆料等，其可购自广 东风华高新科技股份有限公司等专业的电子浆料生产商。
[0016] LTCC基板与金属底板进行焊接时助焊剂和气体逸出通道由具有一定宽度的纵横 排列的阻焊网格线即阻焊线条构成。线条宽度和线条间距与基板大小和焊料用量有一定关 系。基板焊接面积越大，线条宽度和线条间距越大；焊料用量越多，线条宽度和线条间距也 相应加大。一般线条宽度为〇. 1-0. 4mm，线条间距为l-5mm。优选线条宽度为0. 2-0. 3mm，线 条间距为2-4mm。结构设计示意图见图1。图1中1为阻焊线条，2为金属化层(焊接层)，3 为LTCC基板，4为通孔，5为电路布线。
[0017] 阻焊材料与有机粘合剂充分混匀制作成能进行丝网印刷的浆料状态。该材料在基 板表面的金属化层上印制成网格线，然后通过加热、烧结方式使阻焊材料固化。固化后的阻 焊材料与基板表面金属化层结合牢固，能抗焊接时的焊料侵蚀。
[0018] 玻璃或玻璃+无机添加剂的阻焊材料经粉碎、研细后加入20_40wt %的有机粘合 齐IJ，混匀研磨调成浆料形式，即得到一种可用于印制的阻焊浆料。阻焊浆料通过制作好网 格线的丝网网板印刷到基板表面厚膜金属化层上，经过130-150°c下8-10min烘干后，即 可放入烧结炉中烧结。烧结温度取决于所用阻焊材料的玻璃软化点，通常高于玻璃软化点 50-150°C。选用软化点为400-500°C的阻焊材料，则烧结温度为450-650°C。烧结后网格线 牢固附着在基板金属化上。
[0019] 在进行基板与金属底板的焊接时，首先将所需的焊膏(如低温焊膏Sn62Pb36Ag2、 中温焊膏Sn96. 5Ag3. 5或高温焊膏SnlOPb88Ag2)通过丝网网板印刷在烧结有阻焊网格线 的基板金属化层表面，焊膏分布均匀、适量，焊膏流平后在120-140°C下预热烘干；然后将 焊膏烘干后的基板与金属底板对位(可用模具定位）；最后将对位后的基板和底板放在热板 上进行焊接。焊接温度高于所用焊膏熔点20-60°C，如低温焊膏Sn62 Pb36Ag2焊接温度为 210-240°C，中温焊膏Sn96. 5Ag3. 5焊接温度为240-260°C，高温焊膏SnlOPb88Ag2焊接温度 为320-340°C。待发现基板与金属底板接触的缝隙中不再有助焊剂逸出或不再冒气泡时，即 可将整体取下。
[0020] 本发明与现有技术相比具有如下优点： 1、空洞率降低。通过在LTCC基板焊接面的金属化层上印制网格线，可以增加 LTCC基 板与金属底板焊接时助焊剂和气体的排出，减少空洞的形成，降低空洞率。
[0021] 2、最大空洞面积减小。通过在LTCC基板焊接面的金属化层上印制网格线，焊接时 可以排出更多助焊剂和气体，防止更多助焊剂和气体的积聚，增大焊接区域，减小最大空洞 面积。
[0022] 3、工艺简单。相比于氧化铝基板上制作的矩形块状金属化层，本发明不需要改变 多层基板高密度接地通孔的设计，没有矩形块金属化层的加厚多次印刷对位，直接在基板 大面积金属化层上印制网格线，印制简单，网格线清晰可靠，可以保证助焊剂的排出通道。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1为烧结阻焊网格线后的LTCC基板主视结构示意图。
[0024] 图2为烧结阻焊网格线后的LTCC基板俯视结构示意图。
【具体实施方式】
[0025] 下述实施例是对于本
【发明内容】
的进一步说明以作为对本发明技术内容的阐释，但 本发明的实质内容并不仅限于下述实施例所述，本领域的普通技术人员可以且应当知晓任 何基于本发明实质精神的简单变化或替换均应属于本发明所要求的保护范围。
[0026] LTCC基板与金属底板进行焊接时助焊剂和气体逸出通道由具有一定宽度的纵横 排列的阻焊网格线构成。线条宽度和线条间距与基板大小和焊料用量有一定关系。基板焊 接面积越大，线条宽度和线条间距越大；焊料用量越多，线条宽度和线条间距也相应加大。 一般线条宽度为〇· 1-0. 4臟，线条间距为l-5mm。优选线条宽度为0· 2-0. 3mm，线条间距为 2-4_。结构设计示意图见图1、图2。图中1为阻焊网格线(或阻焊线条)，2为金属化层(或 焊接层)，3为LTCC基板本体，4为通孔，5为电路布线。
[0027] 实施例1 (1)取70wt%的硼磷酸锌玻璃粉料（组成为ZnO :40wt%、B203 :10wt%、P205 :50wt%，软 化点410-440°C)，加入30wt%的乙基纤维素和松油醇的混合物（混合物中，乙基纤维素占 8wt%、松油醇占92wt%)，通过混匀研磨调成浆料形式，即得到可用于印制的阻焊浆料。该阻 焊浆料通过制作好网格线的丝网网板印刷到LTCC基板表面厚膜金属化层上，所做网格线 的线条宽度为〇. 2mm，线条间距为3mm。网格线经过130-150°C下加热8-10min烘干后，放入 烧结炉中烧结，烧结温度为550°C。烧结后阻焊网格线牢固附着在基板金属化层上。
[0028] (2)将所需的低温焊膏Sn62Pb36Ag2通过丝网网板印刷在烧结有阻焊网格线的基 板金属化层表面，焊膏分布均匀、适量，焊膏流平后在125-130°C下预热烘干；然后将焊膏 烘干后的基板与金属底板对位(可用模具定位）；最后将对位后的基板和底板放在热板上进 行焊接。低温焊膏Sn62 Pb36Ag2焊接温度为230°C。待发现基板与金属底板接触的缝隙中 不再有助焊剂逸出或不再冒气泡时，即可将整体取下。
[0029] (3) X射线检测发现，基板与金属底板的焊接空洞率约为15%，最大空洞小于焊接 面积的3%，焊接区域均匀分布。
[0030] 实施例2 (1)取65wt %实例1所述的硼磷酸锌玻璃粉料以及8wt %无机添加剂A1203，将其研磨 均匀，然后加入27wt %的乙基纤维素和松油醇的混合物(混合物中，乙基纤维素占5wt%、松 油醇占95wt%)，通过混匀研磨调成浆料形式，即得到可用于印制的阻焊浆料。该阻焊浆料通 过制作好网格线的丝网网板印刷到LTCC基板表面厚膜金属化层上，所做网格线的线条宽 度为0· 25謹，线条间距为2. 5謹。网格线经过130-150°C下8-10min烘干后，放入烧结炉中 烧结，烧结温度为600°C。烧结后阻焊网格线牢固附着在基板金属化层上。
[0031] (2)将所需的中温焊膏Sn96. 5Ag3. 5通过丝网网板印刷在烧结有阻焊网格线的基 板金属化层表面，焊膏分布均匀、适量，焊膏流平后在125-130°C下预热烘干；然后将焊膏 烘干后的基板与金属底板对位(可用模具定位）；最后将对位后的基板和底板放在热板上进 行焊接。焊膏Sn62 Pb36Ag2焊接温度为250°C。待发现基板与金属底板接触的缝隙中不再 有助焊剂逸出或不再冒气泡时，即可将整体取下。
[0032] (3) X射线检测发现，基板与金属底板的焊接空洞率约为20%，最大空洞小于焊接 面积的3%，焊接区域均匀分布。
[0033] 实施例3 步骤（1)取65wt%实例1所述的硼磷酸锌玻璃粉料，加入35wt%的聚乙烯醇和丁基卡 必醇醋酸酯的混合物(混合物中，聚乙烯醇占4wt%、丁基卡必醇醋酸酯占96wt%)，其他工艺 过程与实施例1相同。
[0034] X射线检测发现，基板与金属底板的焊接空洞率约为17%，最大空洞小于焊接面 积的3%，焊接区域均匀分布。
[0035] 实施例4 步骤（1)取70wt %实例1所述的硼磷酸锌玻璃粉料，加入30wt %的松油醇，其他工艺 过程与实施例1相同。
[0036] X射线检测发现，基板与金属底板的焊接空洞率约为18%，最大空洞小于焊接面 积的3%，焊接区域均匀分布。
[0037] 实施例5 步骤（1)阻焊浆料直接选取为玻璃浆料FHG501，其他工艺过程与实施例2相同。
[0038] 焊接后产品经X射线检测发现，基板与金属底板的焊接空洞率约为20%，最大空 洞小于焊接面积的3%，焊接区域均匀分布。
【权利要求】
1. 一种减小LTCC基板与金属底板焊接空洞的方法，其是在基板本体表面的金属化层 上预设纵横交错的阻焊网格线，然后再采用焊膏将设有阻焊网格线的基板本体与金属底板 进行焊接。
2. 如权利要求1所述减小LTCC基板与金属底板焊接空洞的方法，其特征在于，所述阻 焊网格线为将阻焊浆料通过制作好网格线的丝网网板印刷到基板本体表面的金属化层上， 并通过加热、烧结在金属化层上而形成。
3. 如权利要求2所述减小LTCC基板与金属底板焊接空洞的方法，其特征在于，所述阻 焊浆料为丝网印刷用的玻璃浆料或者为60wt% -80wt%阻焊材料与20wt% -40wt%有机粘 合剂混匀组合物；所述阻焊材料为玻璃粉料或者为玻璃粉料与无机添加剂的混合粉料，阻 焊材料的软化点400-500°C ;所述有机粘合剂为稀释剂或者为稀释剂与改善剂的混合物，所 述稀释剂为松节油、松油醇、丙醇或丁基卡必醇醋酸酯，所述改善剂为聚乙烯醇、乙基纤维 素、乙酸丁酸纤维素或硝酸纤维素。
4. 如权利要求3所述减小LTCC基板与金属底板焊接空洞的方法，其特征在于，所述有 机粘合剂的组成为：92wt% -lOOwt%稀释剂、0-8wt%改善剂。
5. 如权利要求3所述减小LTCC基板与金属底板焊接空洞的方法，其特征在于，所述阻 焊材料的玻璃软化点比阻焊浆料烧结温度低50-150°C。
6. 如权利要求1所述减小LTCC基板与金属底板焊接空洞的方法，其特征在于，所述纵 横交错的阻焊网格线为规整排列，其线条宽度为〇. 1-0. 4mm，线条间距为l-5mm。
7. -种由权利要求1或2所述方法得到的LTCC基板结构，其特征在于，包括表面设有 金属化层的LTCC基板本体，在所述金属化层上设有纵横交错的阻焊网格线，所述阻焊网格 线为经烧结的阻焊浆料。
8. 如权利要求7所述LTCC基板结构，其特征在于，所述阻焊网格线为规整排列，其线条 宽度为〇· l_〇. 4mm，线条间距为l_5mm。
9. 如权利要求7所述LTCC基板结构，其特征在于，所述阻焊浆料为丝网印刷用的玻璃 浆料。
【文档编号】H05K1/11GK104093271SQ201410369937
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月31日 优先权日:2014年7月31日
【发明者】李建辉, 吴建利, 戴端 申请人:中国电子科技集团公司第四十三研究所