LTCC基板砂轮划片质量影响因素研究

于卫龙李俊刘燕燕

（中国电子科技集团公司第二研究所）

摘要：

采用单因素分析法，对影响LTCC基板砂轮划片质量的众多因素中的设备耗材因素和划片工艺参数进行了分析。详细说明了设备耗材因素中砂轮树脂刀片、固定方式、磨刀板对划片质量的影响以及划片工艺参数中主轴转速、给进速度、划切深度、冷却液及流量对划片质量的影响，为选取最佳的设备耗材和最平衡的工艺参数提供参考。

在电子信息领域，小型化、高密集度及高可靠性一直是发展趋势。低温共烧陶瓷（LTCC）在模块化、小型化方面有着很大优势，其后期使用过程中，更高的划片质量是封装的前提。LTCC基板砂轮划片具有切割面光滑平整、尺寸精度高的优点，但影响LTCC基板砂轮划片质量的因素比较多，以往的研究热点主要集中在工艺因素上，对全部影响因素系统的研究较少。

砂轮划片机采用超薄金刚石刀作为划切加工刃具，通过高速旋转的金刚石刀片对材料进行切削分离。影响划片质量和效率的主要因素包括材料性能、设备性能、设备耗材以及划片工艺。LTCC基板材料属于硬脆材料，在砂轮划片机各项精度达到出厂技术指标的情况下，影响LTCC划片质量的主要因素有两个：一是设备耗材，包括砂轮刀片参数、固定方式以及磨刀板参数；二是砂轮划片工艺参数，包括主轴转速、给进速度、划切深度、进刀/出刀速度、冷却液及流量、磨刀频次等。本文主要针对设备耗材和砂轮划片工艺参数这两个影响因素进行研究。

1设备耗材对划片质量的影响

陶瓷的化学键主要由共价键和离子键混合组成，共价键与离子键的比例直接影响其物理性能，总的来说，共价键更为稳定，主要表现在低的热膨胀率和高的热传导性。化学键类型的不同还影响材料的弹性模量和硬度比值，硬度比值越小，脆性越大。LTCC作为一种硬脆材料，其砂轮划片的切除过程以断裂破坏为主，在一定条件下也会发生塑性变形。材料去除主要基于以下几种去除机理：晶粒去除、材料剥落、脆性断裂、破裂、晶界微破碎粉末化和塑性成形去除方法等。

1.1砂轮刀片的影响

砂轮刀片主要以镍基刀片、树脂刀片以及金属刀片为主，此外还有一些混合型特殊刀片。在LTCC划片中以圆形树脂刀片使用居多，树脂刀片的技术参数包括金刚石颗粒度大小、金刚石集中度、刀片厚度等。

1.1.1金刚石颗粒度

树脂刀片金刚石颗粒度的大小直接影响砂轮划片的质量和给进速度以及刀片的使用寿命。一般情况下，在LTCC砂轮划片中使用的树脂刀片金刚石颗粒度的大小以25~88μm为主。在给进速度为1mm/s、主轴转速为r/min的相同切割参数条件下，使用金刚石颗粒度为25μm，35μm，45μm，53μm的树脂刀片对厚度为1.4mm的LTCC基板进行尺寸为43.8mm×26mm的一次划片试验，结果见表1。

结果表明，金刚石颗粒度较小时，LTCC基板划片质量更高，这是由于较小的金刚石颗粒更容易在划片过程中从树脂中脱落，从而使新的金刚石颗粒暴露出来，达到了保持刀片锋利的目的，减少崩边的产生。但是随着刀片中金刚石颗粒度的增大，刀片的使用寿命也随之增加，相同条件下划片质量有所下降。经分析研究，较大的金刚石颗粒度具有更强的剪切力，而更强剪切力的作用有利于较大裂纹的形成、扩展、碎裂以及脱落，使划片质量有所下降。

1.1.2金刚石集中度

树脂砂轮刀片金刚石集中度是指金刚石颗粒所占刀片体积的比例。一般来说，金刚石颗粒占刀片体积的25%时称其集中度为。树脂刀片金刚石集中度直接影响砂轮刀片磨粒的消耗寿命。低金刚石集中度的树脂砂轮刀片可以更加有效地对抗划片负载，但寿命较短；高金刚石集中度的砂轮刀片寿命更长，并且可以匹配较快的给进速度。此外，树脂砂轮刀片金刚石集中度对崩边大小也有一定的影响。

1.1.3刀片厚度与暴露量

刀片厚度与刀片暴露量有直接关系，业内普遍认为暴露量不要大于刀片厚度的10~15倍。在主轴转速为r/min，给进速度为4mm/s的条件下，采用厚度为μm、金刚石颗粒度为45μm、外径为58mm的树脂砂轮刀片，以暴露量为刀片厚度的6~8.6倍（配52.mm即2.08in法兰）、8.6~11.6倍（配51.mm即2.01in法兰）以及11.6~14.2倍（配49.mm即1.95in法兰），对厚度为1.4mm、尺寸为43.8mm×26mm的某型LTCC基板进行为期30d的划片试验，统计结果见表2。

从表2的试验统计结果可以发现，暴露量为刀片厚度的6~8.6倍时，划片质量的统计合格率比较高，这是由于暴露量较小，刀片可以获得更加大的刚度，划片质量较高；而暴露量为刀片厚度的11.6~14.2倍时，刀片暴露量较大，刀片刚度较差，统计合格率也降低较多。

1.2固定方式

LTCC基板砂轮划片一般为紫外（UV）膜固定、载体固定及夹具真空吸附。

1.2.1UV膜固定

LTCC基板UV膜多采用PO材质的UV膜，此外还有PET材质和PVC材质的UV膜等。同种UV膜的基材厚度、°剥离力、粘结剂厚度等技术指标不尽相同。LTCC基板砂轮划片所选用的UV膜基材厚度大多为90~μm，粘结剂厚度大多为10μm，15μm及25μm。

采用厚度为μm、金刚石颗粒度为45μm的树脂刀片，以主轴转速为r/min、给进速度为4mm/s的特定划片工艺，对厚度为1.4mm，尺寸为43.8mm×26mm的某种型号的LTCC基板进行一次划片试验，测试基材厚度为μm，粘结剂厚度为25μm，°剥离力为14.9N/25mm，20.2N/25mm及23N/25mm时3种UV膜对崩边效果的影响，结果见表3。

试验结果表明，在特定切割工艺条件下，UV膜°剥离力达到20.2N/25mm后，增加UV膜°剥离力对划片质量影响减小；而°剥离力较小时，在较高的主轴转速和较快的给进速度条件下，LTCC基板发生微蠕动引起切割面裂纹形成、扩展和破裂失衡，造成切割面裂纹向上延伸。

1.2.2载体固定

LTCC基板采用载体固定主要是通过黏结剂将基板固定在玻璃或者硬度接近基板的载体上，进行砂轮划片。黏结剂种类有很多，多以黏结蜡和胶类为主。蜡具有很好的填充包裹作用，采用黏结蜡可将LTCC基板牢固地固定在玻璃板上。采用厚度为μm、金刚石颗粒度为45μm的树脂刀片，以主轴转速为r/min、给进速度为4mm/s的划片工艺对厚度为1.4mm、尺寸为43.8mm×26mm的某型LTCC基板进行片划片试验，试验结果表明合格率可以达到%。但清洗过程较为繁琐，特定的LTCC基板可以选择使用。

1.2.3真空吸附

真空吸附主要通过特定夹具将LTCC基板直接吸附在工作台上，真空度的大小直接关系到划片质量；因其砂轮划片路径架空，砂轮划片过程中产生的断裂颗粒可更为快速地去除，减小砂轮刀片的磨损发热，理论上可以得到较高的划片质量。

1.3磨刀板

磨刀板的主要作用是将树脂刀片的金刚石颗粒快速暴露出来，并且对树脂刀片进行修容，以使树脂刀片达到最佳状态，从而保持较高的划片质量。磨刀板颗粒度大小是主要的技术指标，一般颗粒度大小应与树脂刀片匹配，选择刀片颗粒度正负两个国标颗粒度范围即可。

2砂轮划片工艺参数的影响

影响LTCC基板砂轮划片质量的工艺参数有很多，本文针对影响作用较大的主轴转速、给进速度、划切深度、冷却液及流量等工艺参数进行研究，并分析各项参数对划片质量的影响作用。

2.1主轴转速

在LTCC基板划片过程中，刀片种类直接影响主轴转速的设定，不同的刀片能承受的主轴转速不同，树脂砂轮刀片的主轴转速不超过r/min；此外主轴转速还与加工产品的厚度及给进速度有关。采取厚度为μm、金刚石颗粒度为45μm的树脂砂轮刀片，在给进速度为1mm/s的条件下，对厚度为1.4mm的LTCC基板在不同主轴转速下的划片质量进行测试，结果见表4。

结果表明，在特定给进速度下，树脂砂轮刀片随着主轴转速的提升，刀痕宽度呈先减小后增大的变化趋势，但是正面划片质量与背面划片质量呈现相反的变化趋势。这是由于随着主轴转速的提升，树脂刀片上的金刚石颗粒承受的负载也随之减小，正面划片质量也随之提升；当主轴转速达到一定速度后，随着转速的继续提升刀片震动加强，呈现出刀痕宽度变宽，背面划片质量也随之急速降低。因此，在特定工艺下，按照产品的不同要求，需要选择不同的主轴转速。为保证正面划片质量可以选择较高的主轴转速，背面划片质量要求较高时可以选择较低的主轴转速。

2.2给进速度

LTCC基板划片工艺中，给进速度关系到刀片的使用寿命、划片质量和效率。给进速度要根据主轴转速、划片深度以及材料特性进行设定。采用厚度为μm、金刚石颗粒度大小为45μm的树脂砂轮刀片，设定主轴转速为r/min，对厚度为1.4mm的LTCC基板在不同给进速度条件下进行划片质量测试，结果见表5。

从表5可以看出，同一种划片方式下，给进速度较快时划片质量整体呈现下降趋势。这是由于树脂刀片上的金刚石颗粒所承受的负载也相对增加，引起刀片摆动加剧，以及刀片受到的冷却效果减弱造成的。

2.3划切深度

划切深度与刀片暴露量有着密切的关系，同样，划切深度也影响刀片的负载大小，从而影响刀片的使用寿命。在LTCC基板划片工艺中，以不同的划切深度多次划片的划片方式就是通过改变划切深度来提升划片质量的。从表5测试结果可以看出，以相同的给进速度划片时，一次切透的划片方式要比两次切透的划片方式的划片质量差。这是由于划切深度较大时，刀片承受的负载也随之增大，刀片稳定性有所减弱；同时，划切深度较深也不利于切屑的排出以及刀片的自锐作用，导致划片质量较差。

2.4冷却液及流量

砂轮划片机的一般冷却方式为三点冷却方式，主要针对刀片、刀口以及刀片两侧进行冷却；主要作用：一是冷却刀片，防止刀片划片过程中由于温度升高引起过载现象；二是去除划片过程中的切屑，起到清理刀片和润滑的作用。尤其是较厚的LTCC基板，冷却液及流量直接关系到划片质量。

常用的冷却液主要是去离子水，个别时候为了增大切削力，在水中添加磨料。稳定冷却液的流量可以防止刀片在划片过程中打火、烧焦甚至卡刀，导致刀片损坏或产品报废。通常冷却液流量在1~4L/min范围内。刀片较薄时，流量较大会影响刀片的刚度，造成摆动现象，影响划片质量；但流量太小又会对刀片造成损坏，因此合适的流量需要根据刀片以及产品的种类和厚度进行调节。

3结论

1）树脂砂轮刀片金刚石颗粒度较小时，LTCC基板划片质量更高，但刀片使用寿命较短；随着金刚石颗粒度的增大，划片质量有所降低，但刀片的使用寿命随之增加。

2）在LTCC砂轮划片过程中，树脂砂轮刀片暴露量较小时，刀片可以获得更大的刚度，从而划片质量较高。

3）采用不同的固定方式，划片质量也有所不同。以PO材质的UV膜固定LTCC基板，其°剥离力达到20.2N/25mm后，增加UV膜°剥离力对划片质量影响作用减小；以粘结蜡固定时，其合格率非常高，但清洗较为繁琐。

4）在砂轮划切工艺中，主轴转速、给进速度、划切深度、冷却液和流量等参数是一个相互影响又相互制约的参数系统。针对不同LTCC基板种类及厚度需设置不同的方式，选取最佳或者最平衡的工艺参数可以有效提升划片质量。