低溫共燒陶瓷基板及其封裝應(yīng)用

1、低溫共燒陶瓷基板及其封裝應(yīng)用： 網(wǎng)絡(luò)采集     發(fā)布時(shí)間:2007-1-26 11:40:54  1 引言 集成電路IC芯片的封裝基板可分為剛性有機(jī)封裝基板、撓性封裝基板、陶瓷封裝基板這三大類別，它們均可為芯片提供電連接、保護(hù)、支撐、散熱、組裝等功效，以實(shí)現(xiàn)多引腳化，縮小封裝產(chǎn)品體積、改善電性能及散熱性、超高密度或多芯片模塊化之目的。LTCC是陶瓷封裝基板的一個(gè)分支，以其優(yōu)良的電學(xué)、機(jī)械、熱學(xué)及工藝特征，滿足低頻、數(shù)字、射頻和微波器件的多芯片組裝或單芯片封裝的技術(shù)要求，在美、日、歐和中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的發(fā)展極為迅速，且技術(shù)日臻成熟完善，在

2、軍事、航天、航空、通信、計(jì)算機(jī)、汽車、醫(yī)療、消費(fèi)類電子產(chǎn)品門類中獲得很多研發(fā)和應(yīng)用，開始形成產(chǎn)業(yè)雛形，甚至稱LTCC代表著未來(lái)陶瓷封裝的發(fā)展方向。在國(guó)內(nèi)，教學(xué)科研單位從事軍工產(chǎn)品或微波模塊用LTCC的研發(fā)初見(jiàn)成效，為其進(jìn)一步深入產(chǎn)業(yè)化奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。2 LTCC基板特性所謂的LTCC基板是與高溫共燒陶瓷HTCC基板（Al2O3、BeO、AIN等）相對(duì)應(yīng)的另類封裝基板材料，與HTCC的區(qū)別是陶瓷粉體配料和金屬化材料不同，在燒結(jié)上控制更容易，燒結(jié)溫度更低，具體而言，LTCC主要采用低溫（800-900，）燒結(jié)瓷料與有機(jī)粘合劑/增塑劑按一定比例混合，通過(guò)流延生成生瓷帶或生坯片，在生瓷帶送上程沖孔或激光

3、打孔、金屬化布線及通孔金屬化，然后進(jìn)行疊片、熱壓、切片、排膠、最后約900低溫?zé)Y(jié)制成多層布線基板。多芯片模塊用LTCC基板的顯著特征是與導(dǎo)體（Cu、Ag等）布線，以及可內(nèi)置（埋）構(gòu)成無(wú)源元件的電阻器、電容器、 電感器、濾波器、變壓器（低溫共燒鐵氧體）的材料同時(shí)燒成，在頂層鍵合IC，大規(guī)模LSI及超大規(guī)模LSI等有源器件的芯片。封裝對(duì)基板材料有這樣一些要求：高電阻率>1014.cm，確保信號(hào)線間絕緣性能；低介電常數(shù)r，提高信號(hào)傳輸速率，介電損耗tg小，降低信號(hào)在交變電場(chǎng)中的損耗，低的燒結(jié)溫度，與低熔點(diǎn)的Ag、Cu等高電導(dǎo)率金屬共燒形成電路布線圖；與Si或GaAs相匹配的熱膨脹系數(shù)，保證同

4、Si、GaAs芯片封裝的兼容性，較高的熱導(dǎo)率，防止多層基板過(guò)熱，較好的物理、化學(xué)及綜合機(jī)械性能。經(jīng)過(guò)十余年研發(fā)培育，LTCC走向市場(chǎng)的速度加快，幾種市售LTCC基板生瓷帶的材料性能如表1所示，LTCC的主要特性綜合如下：（1）數(shù)十層電路基片重疊互連，內(nèi)置無(wú)源元件，可提高組裝密度、生產(chǎn)效率與可靠性、與同樣功能的SMT組裝電路構(gòu)成的整機(jī)相比，改用LTCC模塊后，整機(jī)的重量可減輕80%-90%，體積可減少70%-80%，單位面積內(nèi)的焊點(diǎn)減少95%以上，接口減少75%，提高整機(jī)可靠性達(dá)5倍以上；（2）可制作精細(xì)線條和線距離，線寬/間距甚至可達(dá)到50m，較適合高速、高頻組件及高密度封裝的精細(xì)間距的倒裝芯

5、片；（3）介電常數(shù)較小，一般r10，有的材料科做到3.5左右，高頻特性非常優(yōu)良，信號(hào)延遲時(shí)間可減少33%以上；（4）較好的溫度特性，熱傳導(dǎo)性優(yōu)于印刷電路板PCB，較小的熱膨脹系數(shù)可降低芯片與基板間的熱應(yīng)力，有利于芯片組裝；（5）采用低電阻率混合金屬化材料和Cu系統(tǒng)形成電路布線圖形，金屬化微帶方阻及微帶插損很低，并利用疊加不同介電常數(shù)和薄膜厚度的方式控制電容器的電容量與電感器的特性；（6）可混合模擬、數(shù)字、射頻、光電、傳感器電路技術(shù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多功能化；（7）制作工藝一次燒結(jié)成型，印刷精度高，過(guò)層基板生瓷帶可分別逐步檢查，有利于生產(chǎn)效率提高，非常規(guī)形狀集成封裝的研制周期短。表2示出市場(chǎng)上可供選擇

6、的LTCC、HTCC、PCB的FR-4、高性能聚四氟乙烯PTFE等基板性能比較，可以看出沒(méi)有任何有機(jī)材料可與LTCC基板的高頻性能、尺寸和成本進(jìn)行綜合比較，雖然LTCC產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，但是生產(chǎn)成本仍較PCB基板與厚膜電路基板高，降低成本，壯大產(chǎn)業(yè)是擴(kuò)張應(yīng)用的首選目標(biāo)。3 LTCC基板材料LTCC基板材料的選取及制備工藝取得了很多令人滿意的成效，加入玻璃是實(shí)現(xiàn)LTCC技術(shù)的重要措施，陶瓷粉料的比例是決定材料物理性能與電性能的關(guān)鍵因素。為獲得低介電常數(shù)的基板，必須選擇低介電常數(shù)的玻璃和陶瓷，主要有硼硅酸玻璃/填充物質(zhì)、玻璃/氧化鋁系、玻璃/莫來(lái)石系等，要求填充物在燒結(jié)時(shí)能與玻璃形成較好的浸潤(rùn)，表

7、3示出某公司的硼硅酸玻璃陶瓷組分及相對(duì)應(yīng)材料的介電常數(shù)。近年來(lái)的研發(fā)重要為微晶玻璃系和玻璃、陶瓷復(fù)合系統(tǒng)兩類，如Al2O3-MgO-B2O3-P2O5微晶玻璃系，硅酸鹽加Al2O3、SiO2玻璃陶瓷復(fù)合系，硼酸硅鹽玻璃加SiO2陶瓷復(fù)合系BSGC，高硅玻璃陶瓷HSGC復(fù)合系等基板材料。為降低玻璃/氧化鋁系的介電常數(shù)，在氧化鋁中，加入比例大約是50：50的低介電常數(shù)的玻璃，成分如表4所示。LTCC陶瓷粉料的制備多采用高溫熔融法或化學(xué)制備法，前者將Al2O3、PbO、MgO、BaCO3、ZnO、TiO2等各種氧化物按比例配料、混合，在高溫溶制爐中發(fā)生液相反應(yīng)，通過(guò)淬火方法獲得玻璃陶瓷粉料，經(jīng)球磨或

8、超聲粉碎法即可制成燒結(jié)性好的0.1m-0.5m的高純、超細(xì)、粒度均勻的粉料，后者等獲得高活性的玻璃陶瓷粉料，例如，采用化學(xué)制備法來(lái)制備硼硅酸玻璃BSG粉料，與SiO2稱重配料共同作為L(zhǎng)TCC陶瓷，SiO2起骨架作用，玻璃粉填充SiO2間隙，實(shí)現(xiàn)液相燒結(jié)和控制燒結(jié)溫度為850。封裝用LTCC基板的生瓷帶大多采用流延成型方法制造、流延漿料（組分包括粘結(jié)劑、溶劑、增速劑、潤(rùn)濕劑）的流變學(xué)行為決定基板的最終質(zhì)量，具體因素為玻璃/陶瓷粉狀態(tài)、粘結(jié)劑/增塑劑的化學(xué)特性、溶劑特性，流延工藝的關(guān)鍵是設(shè)備、材料配方及對(duì)參數(shù)的控制?，F(xiàn)在許多公司都以卷的形式提供商用LTCC生瓷流延片，并提供與之收縮率和材料相匹配的

9、金屬化膏，從漿料經(jīng)流延、金屬布線，到最后通過(guò)在900以下進(jìn)行共燒形成致密而完整的封裝用基板或管殼，其燒結(jié)機(jī)理較為復(fù)雜，須用液相燒結(jié)理論進(jìn)行分析，燒結(jié)工藝參數(shù)具體為：確定加熱速率和加熱時(shí)間、保溫時(shí)間、降溫時(shí)間、即如何確定熱歷史，控制以上系統(tǒng)在熱歷史內(nèi)的玻璃結(jié)晶動(dòng)力學(xué)過(guò)程和玻璃-陶瓷反應(yīng)過(guò)程，控制基板燒結(jié)變形（膨脹、收縮）以達(dá)到幾何精度要求。在燒結(jié)好的Al2O3、BeO、AIN基板上貼一層或多層生瓷片后進(jìn)行層壓和燒結(jié)，推出消除收縮率問(wèn)題的"基板上流延片"技術(shù)，費(fèi)用更高，而且LTCC多層化能力受限。不同介質(zhì)材料層間在燒結(jié)溫度，燒結(jié)致密化速率、燒結(jié)收縮率及熱膨脹率等方面的失配，會(huì)導(dǎo)

10、致共燒體產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，易產(chǎn)生層裂、翹曲和裂紋等缺陷，即使收縮率控制在±0.2%，在X和Y方向上，對(duì)于細(xì)節(jié)距的鏈接器或自動(dòng)鍵合來(lái)說(shuō)，累計(jì)誤差將會(huì)導(dǎo)致對(duì)不準(zhǔn)基板上德對(duì)應(yīng)焊盤問(wèn)題，不同介質(zhì)燒結(jié)收縮率穩(wěn)定性的控制和較低的熱導(dǎo)率以及介質(zhì)層間界面反應(yīng)的控制也是需要解決的問(wèn)題，零收縮率流延帶，在陶瓷中加入一些高熱導(dǎo)率材料以提高材料的熱導(dǎo)率，進(jìn)一步降低介電常數(shù)等都將是LTCC技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。目前，國(guó)外廠家可供應(yīng)多種介電常數(shù)r小于10的生瓷帶，但存在r為系列化，不利于設(shè)計(jì)不同工作頻率的器件，材料廠商比較種注重生瓷帶與銀漿的匹配性能及材料性能，無(wú)實(shí)際應(yīng)用生瓷帶制作基板的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)用戶要求的掌

11、握并不詳盡。國(guó)內(nèi)技術(shù)尚未達(dá)到LTCC用陶瓷粉料批量生產(chǎn)的程度，無(wú)系列化LTCC基板用生瓷帶，科研需求一是直接購(gòu)買國(guó)外廠家的生瓷帶材料，二是采用進(jìn)口陶瓷粉料自制生瓷帶，從產(chǎn)業(yè)中前段起步，兼顧材料、器件、生產(chǎn)設(shè)備、加速發(fā)展。4 LTCC基板的封裝應(yīng)用LTCC基板的設(shè)計(jì)方法比HTCC、厚膜、薄膜技術(shù)更加靈活，低溫?zé)Y(jié)可在厚膜工藝設(shè)備中進(jìn)行，并綜合HTCC與厚膜技術(shù)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多層封裝，集互連、無(wú)源元件和封裝于一體，提供一種高密度、高可靠性、高性能及低成本的封裝形式，其最引人注目的特點(diǎn)是能夠使用良導(dǎo)體作布線，且使用介電常數(shù)低的陶瓷，從而減少電路損耗和信號(hào)傳輸延遲，目前進(jìn)入實(shí)用化、產(chǎn)業(yè)化階段，成為備受關(guān)

12、注的射頻微波器件封裝技術(shù)的制高點(diǎn)，表5示出LTCC元器件市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)，MLCC為多層陶瓷電容器，市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要源頭來(lái)自模塊、封裝用基板的高附加值。4.1 微波芯片組件MMCM采用LTCC技術(shù)，通過(guò)微波傳輸線（如微帶線、帶狀線、共面波導(dǎo)）、邏輯控制線和電源線的混合信號(hào)設(shè)計(jì)，可將單片微波集成電路MMIC芯片與收/發(fā)模塊組合在同一個(gè)LTCC三維微波傳輸結(jié)構(gòu)電路中，LTCC可設(shè)計(jì)出較寬的微波傳輸帶，由微帶線與帶狀線組成，疊層通過(guò)實(shí)現(xiàn)垂直微波互連，MMIC芯片焊盤和ASIC芯片焊盤、低頻控制信號(hào)線和電源線分別排布在上表層和中間層，在大功率MMIC芯片焊盤下設(shè)置散熱通孔，三維微波傳輸結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)、電

13、子戰(zhàn)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)中的應(yīng)用前景廣闊，例如，相控陣?yán)走_(dá)X波段MMCM采用12層LTCC（厚度為0.1mm的Ferro-A6生胚材料）微波互連基板，其中微帶線、接地面采用厚度0.2mm的兩層生坯片，帶狀線的兩個(gè)接地面采用十層生坯片，距離為1.0mm，控制邏輯線和電源線分布在兩個(gè)接地面的十層生坯片中，最細(xì)線條達(dá)0.1mm，線條精度±0.025mm，微波傳輸插損為0.22dB.mm-1，集成十余塊MMIC芯片和ASIC芯片，數(shù)十只小型片式阻容元件，采用共晶焊技術(shù)將芯片焊接到LTCC基板上，芯片焊透率超過(guò)90%，采用金絲（帶）鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片與LTCC基板焊接到AlSiC外殼中，其體積和重量?jī)H

14、為常規(guī)微波電路組件的1/4左右，將MMIC芯片倒裝焊接在LTCC上，封裝出汽車?yán)走_(dá)用76GHz-77GHz的MMIC模塊，配備到豪華型轎車上提供適應(yīng)性的巡航控制，若其成本下降有望能打開中級(jí)橋車市場(chǎng)，商業(yè)需求潛力巨大。4.2 射頻系統(tǒng)級(jí)封裝在射頻領(lǐng)域，到底采用系統(tǒng)級(jí)封裝SiP還是系統(tǒng)集成Soc這兩種方法各有千秋，SiP可用倒裝片、金屬線焊、層疊式管芯、陶瓷襯底、BGA封裝或岸面柵格陣列等技術(shù)來(lái)組合封裝各種芯片，如數(shù)字電路、存儲(chǔ)電路、射頻電路、微機(jī)電系統(tǒng)，分立器件，先進(jìn)的射頻封裝設(shè)計(jì)有賴于芯片/封裝的協(xié)同與建模及封裝仿真智能化，射頻集成的功率放大器、前端模塊中的聲表面波濾波器、射頻開關(guān)及其相關(guān)無(wú)源

15、元件的SiP在行業(yè)內(nèi)被日益廣泛地接受，并用于大批量封裝生產(chǎn)中。與一般的SiP技術(shù)相比，應(yīng)用在射頻領(lǐng)域SiP的最為關(guān)鍵的技術(shù)是無(wú)源嵌入、基板、堆疊失裸芯片。LTCC為射頻SiP提供了一種優(yōu)越的封裝解決方案，LTCC基板可嵌入更多更復(fù)雜的由陶瓷自身構(gòu)成的元器件，通過(guò)LTCC基板技術(shù)，在射頻SiP中實(shí)現(xiàn)雙工器、若干低通濾波器、兩只PIN二極管天線開關(guān)與三只聲表面濾波器的模塊化，行業(yè)人士認(rèn)為，芯片已LTCC技術(shù)相結(jié)合當(dāng)前實(shí)現(xiàn)收/發(fā)模塊小型化最有效的方法，在微功耗的無(wú)線局域網(wǎng)WLAN收/發(fā)模塊，通信網(wǎng)絡(luò)組件、藍(lán)牙收/發(fā)模塊、天線開關(guān)模塊中均采用LTCC技術(shù)，有的廠家年產(chǎn)開關(guān)模塊（內(nèi)含分撥器、收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)

16、、天線開關(guān)等）達(dá)1億塊以上，將更多芯片組合到常規(guī)外形的單個(gè)封裝中的新方法（包括LTCC、層壓板、玻璃基板）正成為射頻SiP的一種趨勢(shì)。4.3 陣列式封裝用LTCC技術(shù)可很容易地制造出針柵陣列式封裝PGA，球柵陣列式封裝BGA以及四方扁平封裝QFP，一體化LTCC基板/外殼成為很好的發(fā)展方向，芯片鍵合互連可采用倒裝焊、梁式引線、載帶組裝，I/O引出段為PGA一體化封裝的陶瓷多芯片組件MCM-C由LTCC基板、釘頭針狀外引線、封裝外殼腔壁和蓋板等組成，先采用開空腔技術(shù)，選用與LTCC基板相同材料和收縮率（最好為無(wú)收縮率）的生瓷，制作窗框形封裝腔壁多層瓷片，再將腔壁多層瓷片與基板多層瓷片疊壓成一體后

17、共燒，獲得一體化的陶瓷基板/外殼，最后釬焊PGA外引線，容易制作出系列化、通用的大腔體陶瓷PGA外殼，滿足專用混合IC、MCM的需要，應(yīng)用較多的一體化基板/外殼的外引線細(xì)節(jié)距面陣PGA的引線區(qū)端子/面積比率達(dá)到31.63線/cm2，節(jié)距1.778mm正交面陣排列，或2.54mm按相鄰行、相鄰列均錯(cuò)位1.27mm排列。將LTCC基板與外殼腔臂一體化共燒后，采用置球工藝在LTCC基板地面的面陣I/O端子焊接上制作出BGA焊球凸點(diǎn)端子，可形成一體化的基板/BGA外殼，其正交面陣節(jié)距可制作成1.27mm、1mm、0.653mm規(guī)格，引線區(qū)的端子/面積比率很高，達(dá)到62個(gè)/cm2，100個(gè)/cm2、248個(gè)/cm2，利用小金屬球凸點(diǎn)滿足高密度集成復(fù)雜的MCM-C封裝要求。4.4 光電子封裝在光電子器件中，封裝往往占其成本的60%-90%，封裝在降低成本上扮演舉足輕重的角色，LTCC基板可滿足下一代光電