CN107254679B - 一种改善低温共烧陶瓷基板可焊性的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善低温共烧陶瓷基板可焊性的工艺方法，该方法包括利用铬酸溶液清洗，去除LTCC基板金属膜层表面的油脂及污垢；用水彻底清洗后，在碱性溶液中进行浸泡，降低金属膜层表面的玻璃相覆盖率，再用水彻底清洗并干燥。使用该方法能够显著提高金属膜层与焊料的润湿能力，明显改善可焊性，获得良好的焊接拉力，同时该工艺方法不会劣化低温共烧陶瓷基板的焊接强度、金丝键合强度等其它指标，不需要调整LTCC材料体系的配方，也不会改变LTCC基板的晶相组成和基板整体性能，且操作简单，能与常规低温共烧陶瓷工艺及焊接工艺良好兼容。

Description

一种改善低温共烧陶瓷基板可焊性的工艺方法

技术领域

本发明属于低温共烧陶瓷材料表面处理技术领域，具体涉及一种改善低温共烧陶瓷基板可焊性的工艺方法，使用该方法能够显著提高金属膜层与焊料的润湿能力，明显改善可焊性，获得良好的焊接拉力，同时该工艺方法不会劣化低温共烧陶瓷基板其它指标，且操作简单，与常规低温共烧陶瓷工艺及焊接工艺良好兼容。

背景技术

低温共烧陶瓷(low temperature co-fired ceramics，以下简写为LTCC)是1982年休斯公司开发的新型材料技术，是将低温共烧结构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，并将多个无源组件(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℃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，在其表面可以贴装IC和有源器件，制成无源/有源集成的功能模块，可进一步将电路小型化与高密度化，特别适合用于高频通讯用组件。

随着多功能、高集成密度、高功率的日益发展，基于LTCC的功能组件对散热效率，性能一致性、整体可靠性也表现出越来越高的要求，因此越来越多的服役环境对LTCC提出了高可靠焊接的要求。

决定LTCC基板焊接效果的主要因素有两个，一是金属膜层与LTCC基板的膜层附着力，二是金属膜层与焊料的润湿能力。前者由各家LTCC原材料生产厂商通过***的配方调配，能够稳定、良好实现。后者由于LTCC金属膜层本身的成分组成，玻璃相在表面的大量存在使得金属膜层与焊料的焊接润湿性欠佳，影响焊接效果，已是业内公认难题。

刘炳龙等人(LTCC表面金属化的可焊性研究，《电子与封装》，2013，13(3)：13-23)通过电镀的方法对LTCC表面金属膜层进行改性，通过电镀Cu/Ni/Au和Cu/Ni/Sn分别提高了对Pb-Sn、Au-Sn、In-Sn焊料的可焊性。但该方法需要复杂的电镀工艺，工艺流程长，且对LTCC基板的布线产生限制。王从香等人(银浆料LTCC镀金基板工程应用研究，《电子机械工程》，2015，1(3)：45-49)对LTCC基板进行了化学镀Ni/Pd/Au的研究，改善可焊性，但该方法仍需要较长的工艺流程。严蓉等人(低温共烧陶瓷共烧焊盘可焊接性研究，《固体电子学研究与进展》,2015(4)：398-402)降低烧结温度抑制玻璃析出的方法提高了金属膜层可焊性，但该方法有可能改变LTCC基板的晶相组织，导致基板整体性能变化，或导致其它类型的金属膜层出现烧结或与基板的匹配性问题，存在较大风险。江成军等人(浆料成分对银导体浆料性能的影响，《特种铸造及有色合金》,2008,28(10):804-806)研究了导体膜层中Ag颗粒对可焊性的影响，但仍处于单因素研究阶段，离工程化应用有较大距离，且该方法可能导致整个LTCC材料体系配方调整，成本较高，对于基板加工单位较难实现。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种操作简单，且与常规LTCC工艺和焊接工艺兼容的改善金属膜层可焊性的工艺方法，以解决LTCC基板可焊性差的问题。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种改善低温共烧陶瓷基板可焊性的工艺方法，包括对LTCC基板金属膜层进行腐蚀改性。通过降低膜层表面的玻璃相覆盖率，提高膜层与焊料的焊接润湿性。

上述改善低温共烧陶瓷基板可焊性的工艺方法，所述进行腐蚀改性包括：

1)利用铬酸溶液清洗，去除LTCC基板金属膜层表面的油脂及污垢；

2)在碱性溶液中进行浸泡，降低金属膜层表面的玻璃相覆盖率。

根据本发明优选的实施例，步骤1)所述铬酸溶液的溶剂为去离子水或纯水，水与浓度为95～98％的浓硫酸的比例为1:1～1:4，重铬酸钾的质量浓度为1％～4％。

所述步骤1)利用铬酸溶液清洗，去除LTCC基板金属膜层表面的油脂及污垢是将表面附有焊接金属膜层的LTCC基板浸泡在铬酸溶液中2～5min，溶液温度为35℃～60℃，优选为40～50℃。

步骤2)所述碱性溶液为质量浓度1％～10％的NaOH溶液，溶剂为去离子水或纯水。

所述步骤2)在碱性溶液中进行浸泡，降低金属膜层表面的玻璃相覆盖率是指将LTCC基板浸泡在NaOH溶液中6～15min，溶液温度为40℃～60℃。

进一步地，上述改善低温共烧陶瓷基板可焊性的工艺方法，还包括在步骤1)后用水彻底清洗LTCC基板再用于步骤2)。

进一步地，上述改善低温共烧陶瓷基板可焊性的工艺方法，还包括在步骤2)后用水彻底清洗LTCC基板再进行干燥。

更进一步地，上述干燥是指用***吹去LTCC基板表面水膜，然后将LTCC基板放入60～80℃烘箱进行干燥。

本发明的发明人经过大量实验研究发现，通过上述步骤简单、操作简洁的工艺方法便可以达到改善低温共烧陶瓷基板可焊性的目的，省略电镀、化学镀等繁琐和复杂的程序；更重要的是本发明的方法与现有的LTCC工艺和焊接工艺兼容性好，不需要调整LTCC材料体系的配方，也不会改变LTCC基板的晶相组成和基板整体性能，在显著改善可焊性获得良好焊接拉力的同时，该工艺方法不会劣化低温共烧陶瓷基板其它指标，在LTCC基板制造领域具有普遍适用性。

附图说明

图1为实施例1的LTCC基板金属膜层腐蚀改性工艺流程图；

图2为实施例2可焊性实验测试对比图；

图3为实施例3焊接强度测试实验结果图；

图4为实施例4金丝键合强度测试实验结果图。

具体实施方式

为了更清楚的说明本发明的发明内容，以下通过实施例对本发明加以说明和解释，但应当理解，这只是本实用新型较佳的实施方式，本发明上述主题的范围并不仅限于以下的实例，凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明保护的范围。对实施例中未明确说明的条件或方法，均按照本领域常规的方式进行。

实施例1改善LTCC基板可焊性实验

1)以Ferro公司的A6M体系为原材料，用常规LTCC工艺制作LTCC基板，用后烧方式制作锡铅焊接用金属膜层，膜层主要成分为Au/Pt/Pd和玻璃，材料牌号为FX31-014和FX31-017，烧结后膜层总厚度为28μm～32μm。

2)将1)中制作好焊接金属膜层的基板浸泡在铬酸溶液中进行清洗，如P1所示，铬酸配比为去离水(或纯水)250ml、98％浓硫酸750ml、重铬酸钾20g，浸泡温度为45±5℃，浸泡时间为4min。

3)将2)中铬酸清洗完毕的LTCC基板用去离水(或纯水)充分冲洗，如P2所示，清洗时间不小于1min。

4)将3)中冲洗干净的LTCC基板浸泡在质量浓度为4％的NaOH溶液中，同时通过磁力搅拌的方式对溶液进行搅拌，浸泡温度为50±2℃，浸泡时间为10min，以去除膜层表面的玻璃相，如P3所示。

5)将4)中腐蚀完毕的LTCC基板用去离子水(或纯水)充分冲洗，清洗时间不小于1min，如P4所示。

6)将5)中清洗干净的LTCC基板用压缩空气或压缩氮气吹扫干净，并放入烘箱充分干燥，干燥温度为70℃，干燥时间不小于30min，如P5所示。

7)将干燥完毕的LTCC基板进行包装、入库。

实施例2可焊性测试实验

对实施例1中工艺样件进行可焊性测试，测试方法参照GB-T 17473.7-2008，焊料为Sn63-Pb37，锡锅温度235±5℃，焊接时间5±1S，液面下2mm以上，出入速度25±5mm/S，结果如图2所示。

图2中左图为未经本发明工艺方法处理的LTCC基板样件，可以看出金属膜层与Sn-Pb焊料润湿性较差，焊料无法铺满焊盘。图2中右图为经过本发明工艺方法处理的LTCC基板样件，可以看出金属膜层与Sn-Pb焊料润湿性良好，焊料铺展均匀。

实施例3焊接强度测试实验

对实施例1中工艺样件进行焊接强度测试实验，测试方法参照国标GB-T 17473.4-2008，焊料为Sn63-Pb37，工艺样件如图3所示，测试结果如表1所示。

表1焊接拉力测试结果(Kg)

实施例4金丝键合强度测试实验

对实施例1中腐蚀改性工艺对金层的金丝键合强度的影响进行测试，测试材料牌号为30-080M，键合金丝为25μm，测试方法如图4所示，将金丝两端以超声热压键合的方式焊接在金层表面，使金丝形成一定拱高，然后利用拉力测试仪钩住金丝中间向上垂直提拉，对金丝键合强度进行破坏性测试，结果如表2所示，其中R为未经实施例1处理的参照组，T为经过实施例1处理的测试组。测试结果对比可以看出，该工艺过程没有劣化金膜层的金丝键合强度，反而略有提高，获得较好的键合效果。

表2金丝键合强度测试(g)

综上所述，本发明提供了一种有效改善LTCC金属膜层可焊性的方法，并且对经本发明方法处理过的LTCC从可焊性、焊接强度、金丝键合强度方面进行测试评估，证实本发明工艺方法能够明显改善LTCC金属膜层的可焊性，焊接强度能够满足国家标准和应用要求，同时该方法不会劣化其它工艺指标，基板本体及金属膜层附着状态良好，金丝键合强度良好，在LTCC制造领域具有广泛的应用前景。

Claims (5)

1.一种改善低温共烧陶瓷基板可焊性的工艺方法，包括对LTCC基板金属膜层进行腐蚀改性，所述进行腐蚀改性包括：

1）将表面附有焊接金属膜层的LTCC基板浸泡在铬酸溶液中2~5min，溶液温度为35℃~60℃，去除LTCC基板金属膜层表面的油脂及污垢；

2）在碱性溶液中进行浸泡6~15min，溶液温度为40℃~60℃，降低金属膜层表面的玻璃相覆盖率，所述碱性溶液为质量浓度1%~10%的NaOH溶液，溶剂为去离子水或纯水；

步骤1）所述铬酸溶液的溶剂为去离子水或纯水，水与浓度为95~98%的浓硫酸的比例为1:1~1:4，重铬酸钾的质量浓度为1%~4%。

2.根据权利要求1所述的改善低温共烧陶瓷基板可焊性的工艺方法，其特征在于，所述步骤1）的溶液温度为40~50℃。

3.根据权利要求1所述的改善低温共烧陶瓷基板可焊性的工艺方法，其特征在于，还包括在步骤1）后用水彻底清洗LTCC基板再用于步骤2）。

4.根据权利要求1所述的改善低温共烧陶瓷基板可焊性的工艺方法，其特征在于，还包括在步骤2）后用水彻底清洗LTCC基板再进行干燥。

5.根据权利要求4所述的改善低温共烧陶瓷基板可焊性的工艺方法，其特征在于，所述干燥是指用***吹去LTCC基板表面水膜，然后将LTCC基板放入60~80℃烘箱进行干燥。