低温共烧陶瓷基板及其封装应用

精品文档低温共烧陶瓷基板及其封装应用： 网络采集 发布时间:2007-1-26 11:40:541 引言 集成电路IC芯片的封装基板可分为刚性有机封装基板、挠性封装基板、陶瓷封装基板这三大类别，它们均可为芯片提供电连接、保护、支撑、散热、组装等功效，以实现多引脚化，缩小封装产品体积、改善电性能及散热性、超高密度或多芯片模块化之目的。LTCC是陶瓷封装基板的一个分支，以其优良的电学、机械、热学及工艺特征，满足低频、数字、射频和微波器件的多芯片组装或单芯片封装的技术要求，在美、日、欧和中国台湾地区的发展极为迅速，且技术日臻成熟完善，在军事、航天、航空、通信、计算机、汽车、医疗、消费类电子产品门类中获得很多研发和应用，开始形成产业雏形，甚至称LTCC代表着未来陶瓷封装的发展方向。在国内，教学科研单位从事军工产品或微波模块用LTCC的研发初见成效，为其进一步深入产业化奠定坚实基础。2 LTCC基板特性所谓的LTCC基板是与高温共烧陶瓷HTCC基板（Al2O3、BeO、AIN等）相对应的另类封装基板材料，与HTCC的区别是陶瓷粉体配料和金属化材料不同，在烧结上控制更容易，烧结温度更低，具体而言，LTCC主要采用低温（800-900，）烧结瓷料与有机粘合剂/增塑剂按一定比例混合，通过流延生成生瓷带或生坯片，在生瓷带送上程冲孔或激光打孔、金属化布线及通孔金属化，然后进行叠片、热压、切片、排胶、最后约900低温烧结制成多层布线基板。多芯片模块用LTCC基板的显著特征是与导体（Cu、Ag等）布线，以及可内置（埋）构成无源元件的电阻器、电容器、 电感器、滤波器、变压器（低温共烧铁氧体）的材料同时烧成，在顶层键合IC，大规模LSI及超大规模LSI等有源器件的芯片。封装对基板材料有这样一些要求：高电阻率1014.cm，确保信号线间绝缘性能；低介电常数r，提高信号传输速率，介电损耗tg小，降低信号在交变电场中的损耗，低的烧结温度，与低熔点的Ag、Cu等高电导率金属共烧形成电路布线图；与Si或GaAs相匹配的热膨胀系数，保证同Si、GaAs芯片封装的兼容性，较高的热导率，防止多层基板过热，较好的物理、化学及综合机械性能。经过十余年研发培育，LTCC走向市场的速度加快，几种市售LTCC基板生瓷带的材料性能如表1所示，LTCC的主要特性综合如下：（1）数十层电路基片重叠互连，内置无源元件，可提高组装密度、生产效率与可靠性、与同样功能的SMT组装电路构成的整机相比，改用LTCC模块后，整机的重量可减轻80%-90%，体积可减少70%-80%，单位面积内的焊点减少95%以上，接口减少75%，提高整机可靠性达5倍以上；（2）可制作精细线条和线距离，线宽/间距甚至可达到50m，较适合高速、高频组件及高密度封装的精细间距的倒装芯片；（3）介电常数较小，一般r10，有的材料科做到3.5左右，高频特性非常优良，信号延迟时间可减少33%以上；（4）较好的温度特性，热传导性优于印刷电路板PCB，较小的热膨胀系数可降低芯片与基板间的热应力，有利于芯片组装；（5）采用低电阻率混合金属化材料和Cu系统形成电路布线图形，金属化微带方阻及微带插损很低，并利用叠加不同介电常数和薄膜厚度的方式控制电容器的电容量与电感器的特性；（6）可混合模拟、数字、射频、光电、传感器电路技术，进一步实现多功能化；（7）制作工艺一次烧结成型，印刷精度高，过层基板生瓷带可分别逐步检查，有利于生产效率提高，非常规形状集成封装的研制周期短。表2示出市场上可供选择的LTCC、HTCC、PCB的FR-4、高性能聚四氟乙烯PTFE等基板性能比较，可以看出没有任何有机材料可与LTCC基板的高频性能、尺寸和成本进行综合比较，虽然LTCC产业规模逐渐扩大，但是生产成本仍较PCB基板与厚膜电路基板高，降低成本，壮大产业是扩张应用的首选目标。3 LTCC基板材料LTCC基板材料的选取及制备工艺取得了很多令人满意的成效，加入玻璃是实现LTCC技术的重要措施，陶瓷粉料的比例是决定材料物理性能与电性能的关键因素。为获得低介电常数的基板，必须选择低介电常数的玻璃和陶瓷，主要有硼硅酸玻璃/填充物质、玻璃/氧化铝系、玻璃/莫来石系等，要求填充物在烧结时能与玻璃形成较好的浸润，表3示出某公司的硼硅酸玻璃陶瓷组分及相对应材料的介电常数。近年来的研发重要为微晶玻璃系和玻璃、陶瓷复合系统两类，如Al2O3-MgO-B2O3-P2O5微晶玻璃系，硅酸盐加Al2O3、SiO2玻璃陶瓷复合系，硼酸硅盐玻璃加SiO2陶瓷复合系BSGC，高硅玻璃陶瓷HSGC复合系等基板材料。为降低玻璃/氧化铝系的介电常数，在氧化铝中，加入比例大约是50：50的低介电常数的玻璃，成分如表4所示。LTCC陶瓷粉料的制备多采用高温熔融法或化学制备法，前者将Al2O3、PbO、MgO、BaCO3、ZnO、TiO2等各种氧化物按比例配料、混合，在高温溶制炉中发生液相反应，通过淬火方法获得玻璃陶瓷粉料，经球磨或超声粉碎法即可制成烧结性好的0.1m-0.5m的高纯、超细、粒度均匀的粉料，后者等获得高活性的玻璃陶瓷粉料，例如，采用化学制备法来制备硼硅酸玻璃BSG粉料，与SiO2称重配料共同作为LTCC陶瓷，SiO2起骨架作用，玻璃粉填充SiO2间隙，实现液相烧结和控制烧结温度为850。封装用LTCC基板的生瓷带大多采用流延成型方法制造、流延浆料（组分包括粘结剂、溶剂、增速剂、润湿剂）的流变学行为决定基板的最终质量，具体因素为玻璃/陶瓷粉状态、粘结剂/增塑剂的化学特性、溶剂特性，流延工艺的关键是设备、材料配方及对参数的控制。现在许多公司都以卷的形式提供商用LTCC生瓷流延片，并提供与之收缩率和材料相匹配的金属化膏，从浆料经流延、金属布线，到最后通过在900以下进行共烧形成致密而完整的封装用基板或管壳，其烧结机理较为复杂，须用液相烧结理论进行分析，烧结工艺参数具体为：确定加热速率和加热时间、保温时间、降温时间、即如何确定热历史，控制以上系统在热历史内的玻璃结晶动力学过程和玻璃-陶瓷反应过程，控制基板烧结变形（膨胀、收缩）以达到几何精度要求。在烧结好的Al2O3、BeO、AIN基板上贴一层或多层生瓷片后进行层压和烧结，推出消除收缩率问题的基板上流延片技术，费用更高，而且LTCC多层化能力受限。不同介质材料层间在烧结温度，烧结致密化速率、烧结收缩率及热膨胀率等方面的失配，会导致共烧体产生很大的内应力，易产生层裂、翘曲和裂纹等缺陷，即使收缩率控制在0.2%，在X和Y方向上，对于细节距的链接器或自动键合来说，累计误差将会导致对不准基板上德对应焊盘问题，不同介质烧结收缩率稳定性的控制和较低的热导率以及介质层间界面反应的控制也是需要解决的问题，零收缩率流延带，在陶瓷中加入一些高热导率材料以提高材料的热导率，进一步降低介电常数等都将是LTCC技术的发展趋势。目前，国外厂家可供应多种介电常数r小于10的生瓷带，但存在r为系列化，不利于设计不同工作频率的器件，材料厂商比较种注重生瓷带与银浆的匹配性能及材料性能，无实际应用生瓷带制作基板的设计与生产经验，对用户要求的掌握并不详尽。国内技术尚未达到LTCC用陶瓷粉料批量生产的程度，无系列化LTCC基板用生瓷带，科研需求一是直接购买国外厂家的生瓷带材料，二是采用进口陶瓷粉料自制生瓷带，从产业中前段起步，兼顾材料、器件、生产设备、加速发展。4 LTCC基板的封装应用LTCC基板的设计方法比HTCC、厚膜、薄膜技术更加灵活，低温烧结可在厚膜工艺设备中进行，并综合HTCC与厚膜技术的特点，实现多层封装，集互连、无源元件和封装于一体，提供一种高密度、高可靠性、高性能及低成本的封装形式，其最引人注目的特点是能够使用良导体作布线，且使用介电常数低的陶瓷，从而减少电路损耗和信号传输延迟，目前进入实用化、产业化阶段，成为备受关注的射频微波器件封装技术的制高点，表5示出LTCC元器件市场规模预测，MLCC为多层陶瓷电容器，市场增长的主要源头来自模块、封装用基板的高附加值。4.1 微波芯片组件MMCM采用LTCC技术，通过微波传输线（如微带线、带状线、共面波导）、逻辑控制线和电源线的混合信号设计，可将单片微波集成电路MMIC芯片与收/发模块组合在同一个LTCC三维微波传输结构电路中，LTCC可设计出较宽的微波传输带，由微带线与带状线组成，叠层通过实现垂直微波互连，MMIC芯片焊盘和ASIC芯片焊盘、低频控制信号线和电源线分别排布在上表层和中间层，在大功率MMIC芯片焊盘下设置散热通孔，三维微波传输结构在现代雷达系统、电子战系统、通信系统中的应用前景广阔，例如，相控阵雷达X波段MMCM采用12层LTCC（厚度为0.1mm的Ferro-A6生胚材料）微波互连基板，其中微带线、接地面采用厚度0.2mm的两层生坯片，带状线的两个接地面采用十层生坯片，距离为1.0mm，控制逻辑线和电源线分布在两个接地面的十层生坯片中，最细线条达0.1mm，线条精度0.025mm，微波传输插损为0.22dB.mm-1，集成十余块MMIC芯片和ASIC芯片，数十只小型片式阻容元件，采用共晶焊技术将芯片焊接到LTCC基板上，芯片焊透率超过90%，采用金丝（带）键合技术实现芯片与LTCC基板焊接到AlSiC外壳中，其体积和重量仅为常规微波电路组件的1/4左右，将MMIC芯片倒装焊接在LTCC上，封装出汽车雷达用76GHz-77GHz的MMIC模块，配备到豪华型轿车上提供适应性的巡航控制，若其成本下降有望能打开中级桥车市场，商业需求潜力巨大。4.2 射频系统级封装在射频领域，到底采用系统级封装SiP还是系统集成Soc这两种方法各有千秋，SiP可用倒装片、金属线焊、层叠式管芯、陶瓷衬底、BGA封装或岸面栅格阵列等技术来组合封装各种芯片，如数字电路、存储电路、射频电路、微机电系统，分立器件，先进的射频封装设计有赖于芯片/封装的协同与建模及封装仿真智能化，射频集成的功率放大器、前端模块中的声表面波滤波器、射频开关及其相关无源元件的SiP在行业内被日益广泛地接受，并用于大批量封装生产中。与一般的SiP技术相比，应用在射频领域SiP的最为关键的技术是无源嵌入、基板、堆叠失裸芯片。LTCC为射频SiP提供了一种优越的封装解决方案，LTCC基板可嵌入更多更复杂的由陶瓷自身构成的元器件，通过LTCC基板技术，在射频SiP中实现双工器、若干低通滤波器、两只PIN二极管天线开关与三只声表面滤波器的模块化，行业人士认为，芯片已LTCC技术相结合当前实现收/发模块小型化最有效的方法，在微功耗的无线局域网WLAN收/发模块，通信网络组件、蓝牙收/发模块、天线开关模块中均采用LTCC技术，有的厂家年产开关模块（内含分拨器、收发转换开关、天线开关等）达1亿块以上，将更多芯片组合到常规外形的单个封装中的新方法（包括LTCC、层压板、玻璃基板）正成为射频SiP的一种趋势。4.3 阵列式封装用LTCC技术可很容易地制造出针栅阵列式封装PGA，球栅阵列式封装BGA以及四方扁平封装QFP，一体化LTCC基板/外壳成为很好的发展方向，芯片键合互连可采用倒装焊、梁式引线、载带组装，I/O引出段为PGA一体化封装的陶瓷多芯片组件MCM-C由LTCC基板、钉头针状外引线、封装外壳腔壁和盖板等组成，先采用开空腔技术，选用与LTCC基板相同材料和收缩率（最好为无收缩率）的生瓷，制作窗框形封装腔壁多层瓷片，再将腔壁多层瓷片与基板多层瓷片叠压成一体后共烧，获得一体化的陶瓷基板/外壳，最后钎焊PGA外引线，容易制作出系列化、通用的大腔体陶瓷PGA外壳，满足专用混合IC、MCM的需要，应用较多的一体化基板/外壳的外引线细节距面阵PGA的引线区端子/面积比率达到31.63线/cm2，节距1.778mm正交面阵排列，或2.54mm按相邻行、相邻列均错位1.27mm排列。将LTCC基板与外壳腔臂一体化共烧后，采用置球工艺在LTCC基板地面的面阵I/O端子焊接上制作出BGA焊球凸点端子，可形成一体化的基板/BGA外壳，其正交面阵节距可制作成1.27mm、1mm、0.653mm规格，引线区的端子/面积比率很高，达到62个/cm2，100个/cm2、248个/cm2，利用小金属球凸点满足高密度集成复杂的MCM-C封装要求。4.4 光电子封装在光电子器件中，封装往往占其成本的60%-90%，封装在降低成本上扮演举足轻重的角色，LTCC基板可满足下一代光电子器件