LTCC微波一體化封裝

董兆文，李建輝，沐方清

（華東微電子技術(shù)研究所，合肥 230022）

1 引言

由于LTCC具有良好的微波特性，近年來LTCC微波封裝得到迅速的發(fā)展，LTCC微波封裝大量應(yīng)用到無線通訊、雷達(dá)、衛(wèi)星通訊方面，如雷達(dá)的T/R組件等。作為微波一體化封裝需實現(xiàn)以下功能和特性：

（1）微波阻抗的匹配內(nèi)連接以及屏蔽；

（2）埋置微波無源元件或器件（電阻、電容、電感、功分器、濾波器等）；

（3）氣密性封裝；

（4）無源和有源元器件的連接和安裝（絲焊、焊接、粘接）；

（5）良好的導(dǎo)熱性。

LTCC一體化封裝，LTCC基板本身作為封裝的一部分，不需要采用金屬外殼再次封裝。這樣減小了封裝的體積，提高了封裝的效率。在實際應(yīng)用中，對于低中功率耗散的LTCC微波一體化封裝不需要安裝熱沉，對中高功率耗散的封裝需安裝熱沉。

本文主要研究X波段的LTCC微波一體化封裝，對微帶過渡穿墻的阻抗匹配、微波傳輸插損駐波等特性進(jìn)行了研究，同時還對封裝的散熱和氣密性進(jìn)行了研究。

2 LTCC微波一體化封裝基本結(jié)構(gòu)

LTCC微波一體化封裝結(jié)構(gòu)由以下幾部分組成：蓋板、圍框、LTCC電路基板及底板（圖1）。模塊的兩端設(shè)計有微波及低頻輸入輸出接口，模塊內(nèi)部LTCC電路板上設(shè)計元器件安裝位置，以安裝所需的微波電路。

封裝微波信號由輸入端經(jīng)過穿墻及微帶再通過MMIC芯片（如放大器、濾波器等），再經(jīng)微帶穿墻到輸出端。同時電源和其他控制信號也由輸入端通過穿墻的方式輸入到封裝內(nèi)部。

在封裝的內(nèi)部LTCC基板上開出和MMIC芯片大小相匹配的空腔，芯片安裝在空腔中，減小芯片絲焊距離。

LTCC材料選擇Ferro A6-M，介電常數(shù)為5.9。LTCC基板表面圍框焊接區(qū)和基板背面采用耐金錫焊接材料，圍框采用柯伐材料，背面熱沉采用鎢銅合金。

柯伐圍框和背面載體（熱沉）采用金錫焊接，焊接溫度320℃～340℃。MMIC芯片采用錫鉛焊接，焊接溫度230℃～240℃，其他元件采用粘接或錫鉛焊接。

3 微帶傳輸及穿墻結(jié)構(gòu)微波損耗

為了減小模塊與外部使用環(huán)境相互干擾的影響，設(shè)計中需要使模塊內(nèi)部環(huán)境相對獨立，因此，模塊的射頻輸入輸出、低頻輸入輸出均需設(shè)計成穿墻結(jié)構(gòu)。同時還需保證模塊的圍框與基板、載體的焊接質(zhì)量，焊縫須做到細(xì)密無空洞，以滿足微波的電磁屏蔽和封裝氣密性效果。LTCC的穿墻結(jié)構(gòu)主要有垂直過孔帶線過渡穿墻及平面帶線過渡穿墻，如圖2所示。

兩種穿墻結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化進(jìn)行最好的微波阻抗控制，其關(guān)鍵是微帶過渡的地方，介質(zhì)厚度的變化須采用改變微帶寬度的方法進(jìn)行補償。圖3為LTCC微波過渡穿墻結(jié)構(gòu)模型圖。

微帶的兩邊通孔起著信號屏蔽和接地的目的，它對微波帶寬起著非常重要的作用。通孔的位置、大小和間距對最高傳輸頻率和傳輸損耗都有非常大的影響。因此，應(yīng)對通孔的位置、大小、間距等參數(shù)進(jìn)行充分的仿真，優(yōu)化出最佳的結(jié)果。

重直過孔帶狀線過渡穿墻，應(yīng)用微波垂直過孔技術(shù)，將表面?zhèn)鬏數(shù)奈⒉ㄐ盘柾ㄟ^垂直過孔傳輸?shù)交鍍?nèi)層，在基板內(nèi)部通過帶狀線進(jìn)行穿墻傳輸，完成穿墻后再通過垂直過孔傳輸?shù)交灞砻妫瑥亩鴮崿F(xiàn)微波信號的穿墻傳輸。該結(jié)構(gòu)中，由于微波信號需經(jīng)過兩次垂直過孔傳輸，實際的傳輸距離較大，對對位精度要求較高，微波垂直過孔的位置偏差對性能影響較大。X波段垂直過孔帶線過渡穿墻仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 垂直過孔帶線過渡穿墻仿真結(jié)果

平面帶線過渡穿墻的信號傳輸距離較短，信號經(jīng)微帶-帶狀線-微帶轉(zhuǎn)換完成穿墻傳輸。這種結(jié)構(gòu)形式的穿墻，需對LTCC進(jìn)行開腔處理，工藝加工復(fù)雜度較大，但由于同樣的穿墻距離下，這種結(jié)構(gòu)的信號路徑最短，因此性能指標(biāo)相對較好。仿真結(jié)果如圖5所示。

從仿真的結(jié)果來看，平面帶線過渡穿墻比垂直過孔帶線過渡穿墻的微波傳輸特性要好一些。

我們對LTCC微波一體化封裝的垂直過孔帶線過渡穿墻和平面帶線過渡穿墻進(jìn)行了試驗驗證。LTCC材料為Ferro A6-M，導(dǎo)體材料是金。垂直過孔帶線過渡穿墻測試結(jié)構(gòu)見圖6，測試結(jié)果見圖7。

平面帶線過渡穿墻測試結(jié)構(gòu)見圖8，測試結(jié)果見圖9。

從試驗結(jié)果來看，在8GHz～10GHz整個帶線內(nèi)的插入損耗為0.5dB。從反射情況來看，駐波系數(shù)約在1.3以下。

從兩種結(jié)構(gòu)上來看，插入損耗差別不大，駐波情況有一定的差別。這主要與工藝的加工精度有關(guān)，特別是疊層對位。垂直過孔帶線需要經(jīng)過通孔和疊層對位，過孔增加了微波的傳輸路徑，同時過孔的阻抗不可能完全匹配，這樣就導(dǎo)致?lián)p耗和駐波的增加。同時LTCC疊層對位精度如果不夠的話，過孔就不能完全重合，這同樣會影響微波傳輸?shù)膿p耗和駐波性能。而平面帶線是在一個平面內(nèi)，微帶的阻抗匹配容易精確控制，LTCC疊層對位精度沒有影響。

4 LTCC微波一體化封裝散熱設(shè)計

LTCC材料熱導(dǎo)率多為2W（m·K）-1～5W（m·K）-1，比有機(jī)板材料熱導(dǎo)率略高。但對于有些應(yīng)用還不能滿足散熱要求，典型的R F功放的功耗一般在2W～5W。為了防止MMIC芯片過熱，芯片底下的LTCC基板需要提供更高的熱導(dǎo)率。采用導(dǎo)熱孔和開腔可有效提高LTCC基板散熱效果，圖10 為LTCC 微波封裝導(dǎo)熱孔散熱結(jié)構(gòu)示意圖，兩種方法各有優(yōu)缺點。開腔加熱沉的方法熱導(dǎo)率較高，但對LTCC基板的強度有一定的影響。因此，可以根據(jù)對散熱的要求來選擇不同的散熱模式。

采用導(dǎo)熱孔的散熱方式，導(dǎo)熱孔區(qū)的熱導(dǎo)率與通孔的直徑和間距有關(guān)。

可以根據(jù)下面公式來計算：

其中kC為導(dǎo)熱孔區(qū)的熱導(dǎo)率；kL為LTCC熱導(dǎo)率；kV為通孔熱導(dǎo)率。

采用導(dǎo)熱孔的方法來提高基板的熱導(dǎo)率，熱導(dǎo)率的高低與導(dǎo)熱孔占基板的面積比例有關(guān)。LTCC導(dǎo)熱孔的密度是有限制的，密度過大會導(dǎo)致基板開裂、曲翹等問題。

實驗中采用Ferro-A6 材料，通孔材料為Fx33-407Ag。 直徑0.2mm、間距0.5mm的導(dǎo)熱孔見圖11。經(jīng)測試該區(qū)域熱導(dǎo)率平均為22 W（m·K）-1。

圖11 直徑0.2mm、間距0.5mm的導(dǎo)熱孔

為了進(jìn)一步提高基板的熱導(dǎo)率，導(dǎo)熱孔改為直徑0.3mm、間距0.6mm，如圖12所示。經(jīng)測試其熱導(dǎo)率為34.7 W（m·K）-1。

圖12 直徑0.3mm、間距0.6mm的導(dǎo)熱孔

我們又把導(dǎo)熱孔直徑提高到0.5mm、間距1.0mm。在0.5mm導(dǎo)熱孔之間再放上直徑為0.2mm的導(dǎo)熱孔，見圖13。這樣基板的熱導(dǎo)率提高到50.4 W（m·K）-1。

LTCC基板的熱導(dǎo)率一般多在2 W（m·K）-1～5 W（m·K）-1之間，加導(dǎo)熱孔后基板的熱導(dǎo)率可提高到50 W（m·K）-1，可大大改善基板的散熱性能。芯片產(chǎn)生的熱量可以通過導(dǎo)熱孔傳導(dǎo)到金屬封裝外殼上。

圖13 直徑0.5mm+0.2mm、間距1.0mm的導(dǎo)熱孔

通過加權(quán)計算得出導(dǎo)熱孔基板的熱導(dǎo)率見表2。由表2可見，試驗結(jié)果與計算結(jié)果比較接近。

表2 導(dǎo)熱孔熱導(dǎo)率計算結(jié)果

對于大功率芯片采用導(dǎo)熱孔的方法可能仍無法滿足散熱要求，為了提高熱導(dǎo)性，在LTCC基板上開腔，將功率芯片焊接在空腔中的熱沉上，這樣可以大大提高功率芯片的散熱效果。圖14為LTCC 微波封裝熱沉散熱結(jié)構(gòu)示意圖。

圖14 LTCC 微波封裝熱沉散熱結(jié)構(gòu)示意圖

5 LTCC一體化封裝氣密性

由于LTCC一體化模塊有貫通的導(dǎo)熱孔或開腔結(jié)構(gòu)，給模塊實現(xiàn)氣密性封裝帶來一定難度。LTCC一體化封裝模塊的氣密性與導(dǎo)熱孔的結(jié)構(gòu)及圍框與載體（熱沉）焊接質(zhì)量有密切關(guān)系。工藝中應(yīng)嚴(yán)格控制焊膏量和焊接溫度。本文研究的LTCC基板選擇Ferro-A6材料，通孔材料選擇金，圍框為柯伐材料，熱沉為鎢銅。圍框與熱沉都采用AuSn焊料焊接，焊接溫度340℃。封裝中可能需要或不需要安裝熱沉，因此我們研究了如圖15所示的幾種封裝結(jié)構(gòu)的氣密性效果。LTCC基板采用標(biāo)準(zhǔn)的工藝制作，通孔直徑為200 μm、300 μm（燒結(jié)前），6層結(jié)構(gòu)。LTCC基板表面和背面后燒AuSn釬焊的金導(dǎo)體。柯伐圍框和熱沉電鍍Ni/Au，采用一次焊接完成。

LTCC基板與柯伐圍框或熱沉焊接之后采用氦質(zhì)譜檢漏儀測試封裝的氣密性，氣密性標(biāo)準(zhǔn)按照GJB548B-2005方法1014.2，（漏氣率＜10-8atm cc/s）。測試結(jié)果見表3。

從試驗的結(jié)果來看，垂直結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱孔不能滿足封裝的氣密性，主要是由于金通孔材料是高金屬含量、低玻璃含量，因此燒結(jié)時通孔材料不能與LTCC瓷體充分結(jié)合，這樣就帶來LTCC基板垂直通孔漏氣的可能。上下層采用不同孔徑的導(dǎo)熱孔和采用交錯通孔結(jié)構(gòu)以及熱沉的焊接可以改善封裝的氣密性。

6 結(jié)論

（1）LTCC微波一體化封裝微帶采用垂直過孔帶線過渡穿墻和平面帶線過渡穿墻兩種方式，仿真結(jié)果沒有太大差別，但在實際工藝制作中垂直過孔帶線過渡穿墻對工藝精度要求高，微波傳輸插損和駐波性能較平面帶線過渡穿墻差；

（2）采用導(dǎo)熱孔的方法可提高LTCC基板的散熱性能，與導(dǎo)熱孔的直徑和間距有關(guān)，最大熱導(dǎo)率可以達(dá)到50W（m·K）-1。對于中大功率的MMIC芯片封裝散熱最好采用在LTCC基板上直接開腔的方法，芯片直接安裝在熱沉上；

（3）封裝的氣密性與導(dǎo)熱孔的結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，封裝底面熱沉的焊接可以改善氣密性。

［1］Jens Muller, Jurgen Pohlner, Gunter Reppe, et al. Development and Evaluation of Hermetic Ceramic Microwave Packages for Space Applications[C]. CICMT 2005.

［2］Baras, Torben. Thermal Packaging Concept for LTCC Microwave Power Application[C]. Proceedings GeMIC 2008.

［3］M.Herman, K.Lee, L.Lowry, et al. Hermetic Packages for Millimeter-wave Circuit[C]. NASA Tech Birefs, 1994.

［4］Jens Müller, Matthias Mach, Heiko Thust, et al. Thermal Design Considerations for LTCC Microwave Packages[C].internet.

［5］Victor A. Chiriac, Tien-Yu, Tom Lee. Thermal Assessment of RF-Integrated LTCC Front End Modules[J]. IEEE Transactions on Advanced Packaging, 2004, 27（3）.