低温共烧陶瓷基板1

LED封装的陶瓷材料和PPA性能对比见下表。 相对于传统PPA封装材料而言，陶瓷散热基板在散热效果、匹配度、热膨胀系数、抗腐蚀和 黄化、气密性及耐高温等方面具有良好特性，因而成为LED封装的首选材料。
LED封装的陶瓷材料和PPA材料性能比较
常见的陶瓷封装基板有LTCC基板、高温共烧陶瓷（HTCC）基板、直接键合铜 （DBC）基板和直接镀铜（DPC）基板，四种陶瓷基板比较见下表。
LTCC基板制造工艺
用于LED封装的LTCC陶瓷基板制作工艺主要包括打孔、微孔填充、电路图印刷、 叠片、涂覆反射膜、层压、热切和高温烧结等。工艺流程如图所示。
LTCC基板热电分离结构
在散热设计方面，LTCC基板采用热电分离技术，导热通孔与导电通孔分别热电分离，导热 通孔及导热电极起散热作用，无电流导通，导电通孔仅起电学导通作用。下图所示为用于 LED封装的LTCC基板结构图，LED芯片直接焊接在LTCC基板上导热银柱上方，利用导热通孔 阵列来散热。
2016
低温共烧陶瓷（L TC C ）基板 介绍
张德龙 16722137
主目录
CONTENTS
LTC C 基板
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基板介绍
文献阅读
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基板介绍
基板的作用
基板是实现元器件功能化、组件化的一个平台，是微电子封装的重要 环节。 基板主要有一下几个功能：
（1）互连和安装裸芯片或封装芯片的支撑作用。 （2）作为导体图形的绝缘介质。 （3）将热从芯片上传导出去的导热媒体。 （4）控制高速电路中的特性阻抗、串扰以及信号延迟。
LTCC 微波元件
LTCC 集成模块
图为将多个LTCC 频率合成器放置在基板上的LTCC 频率合成 器测试版。该组件包括了一个4×4 的开关矩阵，集成PIN 的二极管，单刀双掷开关IC 芯片和无源器件。为了检测整 个系统的工作状态，在该模块中增加了数字控制器、功率 检测器、温度传感器等模块。
天线的结构如图所示，可以看到LTCC 介 质被沿贴片天线的辐射边成条状挖去， 阻止表面波传播从而达到减小天线表面 波损耗的目的。
对于不同的封装芯片和封装尺寸，需分别对腔体 和散热通孔设计、导热通孔的热力学设计和分析 是LTCC陶瓷封装基板设计的重点。
1-LED芯片；2-LTCC陶瓷封装基板；3-键合线；4-导电金属柱； 5-导热金属柱；6-散热层；7-电极层
用于LED封装的LTCC基板结构图
金属导热通孔的散热效果。热流 通孔散热如图所示，低热导率的 LTCC陶瓷可看作热绝缘体，金属 通孔中传递的热量沿一维方向向 下传导到散热电极，这种一维的 散热模式实现快速高效导热性能。
而且LTCC制造工艺的发展趋势是小孔，细线和高布线密度； 另外，LTCC材料的发展方向是开发成本更低、性能更高的新型生瓷带系统，以 及零收缩生瓷带和用于高频的低损耗生瓷带。 近年来，LTCC基板发展很快，在高性能封装、高速MCM封装，以及BGA、CSP等 高密度封装中应用越来越多。
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文献阅读
LED的LTCC封装基板研究
几种基板的性能比较
应用领域
LTCC 作为电子封装技术的一种，是为满足不同微电子应用特性而采取对半导体线 路进行联接、通电、保护和冷却等的多项工艺措施。
LTCC 器件按其所包含的元件数量和在电路中的作用，大体可分为LTCC 元件、LTCC 功能器件、LTCC 封装基板和LTCC 集成模块。 LTCC 属于高新科技的前沿产品，广泛应用于微电子工业的各个领域，具有十分广 阔的应用市场和发展前景。其主要应用技术领域集中在高密度集成技术、大功率 模块和微波/毫米波组件三大方向，另外在MEMS、光电、汽车、LED 等领域应用 增长十分显著。
封装基板的分类
在微电子封装中主要按照基板的基体材料来分，可以分为三类： (1)有机基板：包括纸基板、玻璃布基板、复合 材料基板、环氧树脂类、聚酯树 脂类、耐热塑性基板和多层基板等； (2) 无机基板：包括金属类基板、陶瓷类基板、玻璃类基板、硅基板和金刚石基 板等； (3) 复合基板：包括功能复合基板、结构复合基板和材料复合基板等。
LED封装材料经历树脂（PPA）材料到陶瓷材料的过程，合适封装材料的选择对 LED芯片发光效率、稳定性、散热性和可靠性影响重大。 伴随着LED芯片的芯片功率和转化效率的提高，对尺寸越来越小芯片的可靠性和 稳定性的要求越来越高，LED芯片的散热问题成为LED封装面临的一个主要问题。 芯片产生的热量如不能及时导出，则会导致PN结结温升高和芯片热应力的分布不 均，造成芯片发光效率和荧光粉激射效率下降。
四种陶瓷材料主要工艺特性
LTCC的主要成分是Al2O3陶瓷和约质量分30%~50%的玻璃材料加上有机黏合剂构成的陶 瓷-玻璃复合体系，相对于HTCC和DBC而言，LTCC的烧结温度较低，低烧结温度可使低熔 点、低电阻的金属与生瓷片共烧且材料膨胀系数与LED芯片极为接近，LTCC基板能为LED 芯片提供良好散热方案，因而在LED封装中得到广泛应用。
LTCC 技术是1982 年美国休斯公司开发的一种新型材料技术。 该工艺就是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，作为电路基板材 料，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，并将多个无源元件埋入其中，然后叠压在一起，在一定温度下烧结， 制成三维电路网络的无源集成组件，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等等。
2温共烧陶瓷技术(low temperature cofired ceramic ) 是陶瓷封装基板的一个分支， 是近年来兴起的一种相当令人瞩目的多学科交叉的整合组件技术，以其优异的电 子、机械、热力特性成为未来电子元件集成化、模组化的首选方式，广泛用于基 板、封装及微波器件等领域。 传统基板材料(Al2O3 , SiC 等) 和烧结技术(高温烧结陶瓷(HTCC)),不仅烧结温度高 (>1 500 ℃), 只能与高熔点、高电阻的金属(Mo , W 等) 共烧, 而且不利于降低生产 成本。为此人们开发出新型的低温共烧陶瓷技术 :低烧结温度可使金属良导体(Cu, Ag 等)同生坯片共烧, 提高厚膜电路的导电性能。
几种主要基板材料
Al2O3氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷被广泛用于厚、薄膜电路和MCM的基板。氧化铝陶瓷的玻璃成分一般 由二氧化硅和其他氧化物组成。 氮化铝陶瓷 氮化铝突出的优良性能是具有和氧化铍一样的导热性，以及良好的电绝缘性能、 介电性能。氮化铝的价格比氧化铝要贵。 硅基板 硅是一种可作为几乎所有半导体器件和集成电路的基板材料。优点有其基板和硅IC 芯片完全匹配；热导率比氧化铝陶瓷高得多；易于用铝或其他金属进行金属化等。 金刚石 金刚石是一种适合于大多数高性能微电路的理想材料，它具有最高的热导率、低的 介电常数、高的热辐射阻值和优良的钝化性能。它也是巳知材料中最硬的和化学稳 定性最好的材料。
典型的LTCC 组件结构
LTCC的特点
LTCC 技术的显著高集成度特征，是今后电子元件制造的发展趋势。与其他集成 技术相比，LTCC 具有以下特点： (1)陶瓷材料具有优良的高频Q特性，使用频率可高达几十GHz； (2)使用电导率高的金属材料作为导体材料，有利于提高电路系统的品质因子； (3)可以制作线宽小于50µm的精细结构电路； (4)可适应大电流及耐高温特性要求，并具备比普通PCB电路基板更优良的热 传导性； (5)具有较好的温度特性，如较小的热膨胀系数，较小的介电常数和温度系数； (6)可以制作层数很高的电路基板，并可将多个无源元件埋入其中，有利于提 高电路的组装密度；等等
LTCC介质材料主要由玻璃/陶瓷组成，与有机粘合剂、增塑剂和有机溶剂等有机 载体充分混合后，流延成厚度精确而且致密的生瓷片，在生瓷片上利用激光打 孔或机械钻孔后填充厚膜导体浆料，作为层与层之间的互连的通路，在每一层 上印刷厚膜金属化图形，多层之间对准后热压或包封液压，在经排胶烧结，形 成具有独立结构的多层基板。
辐射边开空气腔LTCC 天线阵（a）交叉导带之间开空腔 （b）平行导带之间开空腔 LTCC频率合成器测试板
LTCC 封装基板 自从20 世纪90 年代以来，几乎所有的大型高性能系统、超级计算机都用到了 LTCC 基板。 目前，在美国、日本等发达国家，LTCC 多层基板的微组装技术己经可靠地应用于 航空、空间技术和军事领域。 在国内，电子43 所和14 所研制的低温共烧多层基板已用于制造机载T/R 组件、星 载合成孔径雷达，舰载T/R 组件等高密度、高可靠性电路中。
类型1热流通孔散热示意图
结论
LTCC基板的设计随着LED的线路设计、尺寸和发光效率等条件的不同而不同。 LTCC封装基板因结合LTCC工艺特点获得高导热性，为高功率LED封装提供散热解 决方案，在LED封装领域获得新的应用。 封装过程中，LTCC基板与LED芯片衬底晶格结构相似，晶格失配常数小，热膨胀 系数匹配，化学性能稳定，可为LED封装提供良好散热方案，因而成为近年LED采 用先进封装主流技术和重点发展技术。 基于LED封装应用中LTCC基板性能的提高涉及LTCC材料体系、工艺过程、散热结 构和封装工艺等多方面的因素，未来仍需要从陶瓷材料、印刷和填充材料、LTCC 制造工艺、热学设计和LED封装工艺等方面加以研究。
Research of LTCC/Cu, Ag multilayer substrate in microelectronic packaging
现今的封装技术需要高效率，低介电常数，低热膨胀系数的共烧陶瓷基板以及高 电导率的多层导体材料。 目前已开发出LTCC基板与Cu，Ag等共烧的材料，LTCC拥有上述的优点，但是其热 导率低，因此设计出导热通道可以解决这个问题。 在电子封装中，铜厚膜材料可广泛用于信号电路里。由于其具有高电导率，低成 本和好的可焊性等优点，优于其他传统电路材料如Ag/Pd、W、Mo/Mn等。 此外，铜浆料的烧结温度为800-900℃，与低温共烧系统相符。 本文主要讲了LTCC基板与Cu，Ag等导体的共烧。