低温共烧陶瓷基板1

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。
LTCC基板材料
目前已开发出多种LTCC 基板材料, 由于加入玻璃是实现LTCC 技术的重要措施, 因此 对适用的玻璃种类进行过大量研究, 如高硅玻璃, 硼硅酸玻璃, 堇青石玻璃等。
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组合, 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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
在Kumar 等人于1977 年制成了成分(质量分数) 为Al2O3, SiO2 , MgO , 微量的B2O3 和 P2O5 微晶玻璃基板之后, 有关LTCC 基板材料的选择和制备工艺的研究如雨后春笋, 蓬勃开展。
下图是市场上可供选择的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LTCC成本、壮大产业是扩张应用的首选目标。
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。
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LTCC 制造工艺
LTCC 基板的工艺流程如下：生瓷带→切片→预处理→冲片→打孔→通孔填充→印 制导线→印制电极→印制无源元件→检验→叠片→热压→排胶→烧结→LTCC 基板。 下图是典型低温共烧多层陶瓷基板的工艺流程。
采用LTCC 工艺制作的基板具有可实现IC 芯片封装、内埋置无源元件及高密度电路 组装的功能。下图为典型的LTCC 组件结构。
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L T C C 基板
LTCC技术
低温共烧陶瓷技术(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。
此图综合比较了厚膜技术、LTCC 和HTCC 技术的优劣，可以看出，LTCC 技术集中了厚膜技 术和高温共烧陶瓷技术的优点，摒弃了二者明显的缺点，从而有更广阔的应用前景。 目前，LTCC 普遍应用于多层芯片线路模块化设计中，它除了在成本和集成封装方面的优 势外，在布线线宽和线间距、低阻抗金属化、设计的多样性及优良的高频性能等方面都 显现出诱人的魅力。
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。