低温共烧陶瓷基板及其封装应用

近年来的研发重点为微晶玻璃系和玻璃、陶瓷复 合系统两类，如Ａｌ：Ｏ，一Ｍｇｏ－Ｂ２０３一Ｐ：０，微晶玻璃系，硅 酸盐加Ａ１：０，、ｓｉＯ：玻璃陶瓷复合系，硼酸硅盐玻璃 加ｓｉｏ，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
第６卷第１１期
龙 乐：低温共烧陶瓷基板及其封装应用
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
表１部分公司的生瓷带性能表
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％一９０％，体积可减少 ７０％一８０％，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；
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 是能够使用良导体做布线，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
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。
表３材料组分与介电常数的关系
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Ａ１２０３、Ｐｂ０、Ｍ９０、Ｂａｃ０３、ｚｎＯ、 ＴｉＯｚ等各种氧化物按比例配料、混合，在高温熔制炉 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绪｝生好的０．１ｐｍ～Ｏ．５¨ｍ的 高纯、超细、粒度均匀的粉料；后者能获得高活性的 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ｓｉｏｚ称重配料共同作为ＬＴＣｃ瓷料， ＳｉＯ：起骨架作用，玻璃粉填充ＳｉＯｚ间隙，实现液相烧 结和控制烧结温度为８５０℃。
万方数据
问、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一陶瓷反应过 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Ａｌ：０３、Ｂｅ０、Ａ１Ｎ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Ｌ１℃ｃ 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，会导致共烧体内产生很大的内应力，易产生层裂、 翘曲和裂纹等缺陷，即使收缩率控制在±ｏ．２％，在ｘ和 Ｙ方向上，对于细节距的连接器或自动键合来说，累 积误差将会导致对不准基板上的对应焊盘问题，不同 介质烧结收缩率稳老｝生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，在瓷料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。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏ—ｆｉｒｅｄ ｃｅｒａｍｉｃｓ （ＩＴＣＣ） ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｉｓ ａｎ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐａｃｋａｇｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ａｃｈｉｅＶｉｎｇ ｈｉ曲ｌｙ ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｍｏｄｕｌｅｓ（ＭＭＣＭ）．Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ＬＴＣＣ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｒｅ ｒｅＶｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ，ｄｅＶｅｌｏｐｍｅｍ ｔｒｅｎｄ ａｎｄ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ Ｕ’ＣＣ ａｆｅ ｐｕｒｐＯｓｅｆｌｌｌ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｆｒｏｍ ｔｈｉｓ ａｒＩｉｃｌｅ ｗｅ ｃａｎ ｆｅｅｌｔｈｅ Ｌ１℃Ｃ ｉｓ ｇｒｏｗｉｎｇ ａｔ ａ Ｖｅｒｙ ｆａｓｔ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｂｅｔｔｅｒ ｍｉｃｒｏｗａＶｅ ｄｅＶｉｃｅ．
２ ＬＴＣＣ基板特性
所谓的ＬＴｃＣ基板是与高温共烧陶瓷ＨＴＣＣ基板 （舢，０，、Ｂｅ０、Ａ１Ｎ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℃一９００℃）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 通孑Ｌ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
表２示出市场上可供选择的ＬＴＣＣ、ＨＴＣＣ、ＰＣＢ 的ＦＲ～、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
一６．
万方数据
能、尺寸和成本进行综合比较。虽然Ｌ１℃ｃ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。
时突出强调了ＬＴＣＣ的飞速发展及对微波器件的重要性。
关键词：低温共烧陶瓷；基板；封装
中图分类号：ＴＮ４５
文献标识码：Ａ
文章编号：１６８１—１０７０（２００６）０１１－０００５—０５
ＩＪＣＣ Ｓｕｂａｔｒａｔｅ ａｎｄ ｉｔｓ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ＬＯＮＧ ｋ
（Ｃ矗口，ｚ９６口ｆ ＲＤ以ｄ ９８，１—２０８，￡Ｄｎｇｇ“口ｎ，Ｃ矗ｅ，ｚｇｄ“６１０１００，Ｃ向ｉ咒口）
封装用ｕ℃Ｃ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、增塑剂、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。
表４某公司的玻璃／陶瓷组分
现在许多公司都以卷的形式提供商用ｕ℃Ｃ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
收稿日期：２００６一０４—２４ 一５．
万方数据
第６卷第１１期
电子与封装
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 ｎ’ｃｍ，确保信号线间绝缘性能；低介电常数占ｒ， 提高信号传输速率；介电损耗珞６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
电子与封装
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ＆ＰＡＣＫＡＧＩＮＧ
总第４３期 ２００６年１１月
封装 、 组装与测试
低温共烧陶瓷基板及其封装应用
龙乐
（龙泉长柏路９８号１栋２０８室，成都６１０１００）
摘要：低温共烧陶瓷ＩＴｃｃ基板是实现小型化、高可靠微波多芯片组件ＭＭＣＭ的一种理想的封装技
术，文章对ＬＴｃｃ技术的特点及应用做出了评述，主要介绍国内外ＬＴｃｃ的现状、发展趋势与问题，同
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＩＪＣＣ；ｓｕｂｓｔｒａｔｅ；ｐａｃｋａｇｉｎｇ
１ 引言
ＬＴｃｃ的研发初见成效，为其进一步深入产业化奠定了 基础。
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。ＬＴ℃Ｃ是 陶瓷封装基板的一个分支，以其优良的电学、机械、热 学及Ｔ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ｕ１ＣＣ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
（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，印制精度高，多 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。
（２）可制作精细线条和线距离，线宽／间距甚 至可达到５０ｐｍ，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，一般占ｒ≤１０，有的材料 可做到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；
表２几种基板的性能比较
３ ＬＴＣＣ基板材料
Ｌ１℃Ｃ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｝生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。
ＭＭｃＭ采用ｕ℃Ｃ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
’．７．
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电子与封装
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±ｏ．０２５ＩＩｌＩｎ，微波传输插损为 ０．２２ｄＢ．ｍｍ‘；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Ａ１ＳｉＣ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 系统用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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ若其成本下降有望能打 开中级轿车市场，商业需求潜力巨大。 ４．２射频系统级封装
目前，国外厂家可供应多种介电常数占ｒ／Ｊ、于１０ 的生瓷带，但存在占ｒ未系列化，不利于设计不同工作 频率的器件。材料厂商比较注重生瓷带与银浆的匹配性 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。