cecbn 2019年12月10日10:13:57 电子元器件应用
作者：贾铁钢
大连职业技术学院
引言
表面贴装(SMD)晶体谐振器和振荡器的应用非常广泛，其中手机、数码相机、PDA每部需1只，笔
记本电脑需4～6只。这些产品的年增长率均在10％～50％。而且，表面贴装(SMD)晶体谐振器、振荡
器的需求呈连年上升趋势。晶体谐振器表面贴装(SMD)陶瓷基座(Ceramic Base)(以下简称陶瓷基座)
是适应表面贴装技术的片式化谐振器封装用基座，目前我国的陶瓷基座基本由日本、韩国进口，因此
陶瓷基座的国产化设计与开发迫在眉睫。
1 陶瓷基座的基本结构与材料
片式化晶体谐振器表面贴装陶瓷基座的基本结构如图1所示。该陶瓷基座所用的主要原材料如下：
(1)陶瓷粉末
陶瓷粉末的主要成分为氧化铝(Al2O3)，主要使用日本京瓷A440，90％含量，密度：3.6g／cm3，
电阻系数(20℃)1014Ωm、抗压强度：300 Mpa、电介强度：10 kV／mm。
制作陶瓷基座的原材料分为高温陶瓷粉末和低温陶瓷粉末。高温陶瓷一般为氧化铝(Al2O3)，烧结 温度在1600℃～1850℃左右。低温陶瓷一般为玻璃-陶瓷系列，主要有45％PbO-硼硅玻璃+55％Al2O3、60％CaO-Al2O3-硼硅玻璃+40％Al2O3等，烧结温度在800℃～900℃左右。
高温陶瓷烧结的收缩稳定性比低温陶瓷好，结构强度高，致密性好。缺点是材料介电常数较大会导
致信号延迟时间过长。电路材料以钨(W)、钼(Mo)为主。导体材料的电阻率高、损耗较大。低温陶瓷为
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一般常用的陶瓷材料，介电常数小，电路材料是Cu、Ag等电阻率较小的优良导体，缺点是陶瓷材料配制技术复杂。
(2) 粘合剂
粘合剂的作用是将陶瓷粉末融合在一起形成板片状，并可在上面打孔和印导电金属浆料。粘合剂经烧结后会挥发掉。 常用的粘合剂包括聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、邻苯二甲酸二丁脂、正丁醇和三氯乙烯。其中邻苯二甲酸二丁脂用作增塑剂；正丁醇用作润湿剂；三氯乙烯用作溶剂。
(3)金属导体浆料
金属导体浆料可用作陶瓷基座的内部导线和外部引线。金属导体浆料的主要成份为钨粉，并用甲苯、二甲苯稀释。而层与层间的连接孔以及线路印刷所用的钨浆的粘度均有所不同。 (4)密封板和密封框
碱性水机
密封框使用0.2 mm、0.25 mm厚的可伐板(Kovar)，密封板可使用0.08 mm、0.1 mm的可伐板，密封板、密封框可经冲压加工而成。
油底壳垫在陶瓷基座材料的成本构成中，陶瓷粉末、粘合剂占4.6％；金属导体浆料占44.7％；镀金占31％；可伐框占17％；其它占2.7％。自动化监测
2 生产工艺设计
陶瓷基座的生产工艺过程为：混料、球磨→消泡→流延→落料→冲孔→填孔、印刷导电线路→干燥→叠层→热压→切割→排胶→烧结→整平→镀镍→冲压密封框→钎焊→电镀→切断→检测→包装→入库。
混料与球磨是在陶瓷粉料中加入粘合剂，经过球磨混料机混料约6～12小时，即可形成高粘度浆料。浆料的流动性要好。瓷粉颗粒要均匀地分散在树脂中，从而形成有一定强度和塑性生瓷带，以便在生瓷带打孔和印刷金属导电图形。一般在将陶瓷粉料球磨至1.6～1.9μm，最大不超过2.8μm。
消泡是消除球磨浆料中含有的大量气泡。为避免在生瓷带中出现针眼，应当用真空泵除去浆料中的气体。操作时可先用慢速(8转／分)，再进一步抽真空去气泡。并使其粘度由600cps提高至1500～1700cps。
流延是将球磨好的浆料用氮气或压缩空气压入料斗，并流延到传送带(钢带或聚酯带)上。可用刮刀控制流延层厚度。并在80～120℃范围内烘干，然后将生瓷带卷在轴上，厚度最小0.1mm。一般为0.25 mm。
流延后的生瓷片呈绿，主要是铬离子的颜。烧结后将变黑，是多种着离子相互作用形成复合矿化物的结果。
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落
料是将流延好的生瓷带裁切或冲成方块，具体大小可根据陶瓷基座的多少而定，一般有
160×160、200×200等，同时打同印刷和叠片使用的定位孔。
在基座的生产过程中，由于再生料很多，因此，没印上钨浆的膜片，只要没有污染，均可回收利用。
冲孔是在生瓷片上打φ0.1～φ0.5 mm通孔来连通各层。孔的精度为±0.02～±0.05 mm。根据需要也可打方形孔及异型孔。
填孔和印刷导电线路的一个很重要的环节是通过生瓷带通孔来填充、印刷导电浆料，使陶瓷片具有线路导电、内部线路与外部引线连通功能。
生产时，填实孔及填孔壁可用薄不锈钢板印刷，薄不锈钢板上制作的孔与所要印刷的位置要一一对应。印刷线路可使用325目不锈钢丝网印刷。
干燥是在丝网印刷后进行烘干，以除去浆料中的有机溶剂，并对印刷图形进行定形。其温度范围为60～170℃，时间为5～10分钟，一般取85℃／10分钟。
叠层一般是对二层到三层的晶体谐振器和五层的振荡器在烧结前，将印刷好图形和互相连通的生瓷片按照设计好的层次和次序．经过喷胶，然后叠加到一起，并在一定的温度和压力下使它们紧密粘结，从而形成完整的多层陶瓷基座胚体。
陶瓷刮刀热压一般是在温度为60～120℃，压力为50～300 kg／cm2的情况下对陶瓷基座浆料进行压缩。为了控制收缩率(通常为15％)，一般将压力控制在150 kg／cm2。而且要求定位精确，压力均匀，以保证烧结收缩率的一致性。
切割是将层压好的生瓷片按照要求切割(划痕)成规定尺寸。每板160或256只，如图2所示上下切割(划痕)，但不是将生瓷片切割断，而应使其在中间连接。这样，使每个基座电路互相连接有利于烧结和电镀。
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排胶是对溶剂性粘合剂以每小时25～45℃的升温速度升至460℃后并保温3～4.5小时。排胶是将有机粘合剂气化和烧除阶段。若排胶不充分，烧结后基板就会起泡、变形或分层。排胶时间一般为8～10小时。
烧结是在260～1200℃时，将树脂分解以排除粘合剂，并在1350～1750℃时使尺寸收缩定型。采用氮气保护烧结可防止金属材料和加热元件不被氧化。操作时，在280～1350℃间，每小时可升温220℃；而在1350～1750℃间，每小时应升温310℃。最后在1750℃下保温1小时。然后降温，冷却速度为每小时下降300 ℃。烧结全过程为14～16小时。排胶烧结全过程在24小时左右。
整平是对烧结后平整度大于0.02 mm英寸的不合格品进行重新烧结，温度为1250～1300℃，该温度可使陶瓷基座变软，然后重新整平。
镀镍是对烧结后成片连接在一起的陶瓷基座进行电镀，电镀时应先镀镍，镀镍层厚度为1.45～3.8μm。
冲压密封是将0.2 mm、0.25 mm厚的可伐板冲成0.5 mm宽的长方形密封框。
弹跳床
钎焊是将Ag72-Cu28焊环套放在基板上，再将冲压密封框放在焊环上进行烧结，以将焊环焊在基座上。
钎焊时，一般需要急速升温和急速降温。钎焊过程可采用人工方式，先把石墨块放入陶瓷基座内定位，温度为850℃。
急速升温和急速降温的目的是将焊环快速融化和快速凝固，以避免焊环融化浸入基座内部。
电镀是在生瓷片上镀金，包括密封框及露出印刷有钨浆料的部位(如引线、支架)，镀金厚度为
0.5～1.2μm。
切断是将烧结电镀好的基座，按照切割好的线路折断，以形成单个的基座。
检测主要是检验陶瓷基座的尺寸、密度及外观，同时检验各通路的电阻值、导体之间的绝缘电阻。还有很重要一点是检查变形，一般陶瓷基座烧结后沿X，Y轴的收缩均约13％，沿Z轴收缩约12％。单个基座的翘曲变形应小于0.06 mm。连片的翘曲变形应小于0.5 mm。
不合格的陶瓷基座主要包括通孔导电不良造成孤岛电镀(成片镀不上镍和金)、外形尺寸超过规定误差或变形、致密性不良以及氦质普检漏不合格等。
包装是对形成好的陶瓷基座成品进行包装。该产品有两种包装方式。一种是整板真空包装，另一种是真空编带包装。
3 结束语
我国目前的石英晶体元器件总需求量已达40亿只左右，其中表面贴装产品为15亿只，片式化率占30％左右．而同期许多欧美发达国家的片式化率已达85％。可见，陶瓷基座的国产化工作追在眉睫。因此，本文给出的工艺设计方法对生产陶瓷基座具有一定的指导意义。
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