LTCC在SiP中的應(yīng)用與發(fā)展

李建輝，項 瑋

（中國電子科技集團公司第43研究所，合肥 230022）

1 引言

隨著電子設(shè)備和產(chǎn)品朝著小型化、高頻化、多功能和高性能方向不斷發(fā)展，高密度集成技術(shù)取得巨大的進步。SiP（System in Package，系統(tǒng)級封裝）和SoC（System on Chip，系統(tǒng)級芯片）是高密度電路集成技術(shù)的典型代表。SiP是將多個具有不同功能的有源元件、無源元件以及光電子、MEMS等其他器件封裝在一個殼體內(nèi)，組裝成為可以提供多種功能的單個標準封裝件，形成一個系統(tǒng)或者子系統(tǒng)。SoC即通過在單一芯片上集成多個IC功能單元，從而實現(xiàn)產(chǎn)品完整的系統(tǒng)或子系統(tǒng)功能。但SoC設(shè)計開發(fā)時間較長，由于工藝復(fù)雜性和成本因素的影響，在單一芯片上集成數(shù)字邏輯、存儲、模擬和RF等不同功能的電路，目前還面臨著較大的難題，尚無比較理想的解決辦法。SiP相對于SoC具有設(shè)計靈活、開發(fā)周期短、研制成本低等優(yōu)勢。而SiP產(chǎn)品相對于普通SMT產(chǎn)品，能最大限度優(yōu)化系統(tǒng)布線，縮短互連線，故對高頻高速下電路的信號噪聲和延遲等能顯著降低；且組裝工藝靈活、組裝效率高、可避免重復(fù)封裝[1～3]。因此，在最大限度發(fā)揮高度集成的半導(dǎo)體集成電路性能，制作高頻高速電子系統(tǒng)以及實現(xiàn)先進電子裝備小型化、電子化、智能化等方面，SiP是目前最為有效的封裝技術(shù)途徑。

SiP的組裝和封裝載體是基板。常用的基板有有機樹脂基板、陶瓷基板、金屬基板、復(fù)合基板和襯底薄膜基板等[4]。由于高密度互連布線的需要，用于SiP的布線基板有有機多層樹脂基板、多層陶瓷基板和多層薄膜基板。其中多層陶瓷基板有厚膜多層基板和共燒多層陶瓷基板，共燒多層陶瓷又分為低溫共燒陶瓷（LTCC）和高溫共燒陶瓷（HTCC）。

LTCC技術(shù)包含了厚膜技術(shù)和多層疊壓燒結(jié)技術(shù)。LTCC是根據(jù)預(yù)先設(shè)計的結(jié)構(gòu)，將通孔材料、厚膜電極與互連材料、無源元件等多層結(jié)構(gòu)在低溫下（≤950 ℃）一次性燒結(jié)形成的陶瓷。LTCC基板具有布線層數(shù)高、布線導(dǎo)體方阻小、介電常數(shù)低、燒結(jié)溫度低、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點，高頻特性優(yōu)異，適合高低頻混合和數(shù)?；旌显O(shè)計，是軍用電子裝備進一步實現(xiàn)小型化、輕量化、多功能和高可靠性最為有效的技術(shù)途徑。LTCC基板能充分發(fā)揮大規(guī)模集成電路和高速集成電路的性能優(yōu)勢。LTCC一次燒成，既提高組裝密度，又簡化工藝。本文結(jié)合SiP高密度集成的特點，介紹LTCC在SiP中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢。

2 LTCC在SiP中的應(yīng)用

根據(jù)SiP小型化、輕量化和高性能等特性，LTCC在SiP中的應(yīng)用具體表現(xiàn)在以下幾方面。

2.1 多層互連基板

SiP通常由多個元件和模塊組成，電路布線往往比較復(fù)雜。LTCC基板絕緣電阻高、介質(zhì)損耗小、高溫穩(wěn)定性好，熱膨脹系數(shù)與芯片比較接近，滿足芯片等元器件組裝和使用要求，適合系統(tǒng)中電路之間信號的高速傳輸。LTCC由多層生瓷帶疊壓燒結(jié)形成，每層生瓷帶上可以打孔和布線。通孔直徑和布線導(dǎo)帶的線寬/間距越小，則布線密度越高?，F(xiàn)在國際上LTCC產(chǎn)品中已應(yīng)用到0.1 mm的通孔直徑和0.1 mm/0.1 mm線寬/線間距的布線導(dǎo)帶。國內(nèi)LTCC產(chǎn)品為了保證成品率，通孔直徑和線寬/線間距一般都大于0.1 mm，但更小通孔直徑和布線導(dǎo)帶的線寬/間距的研制樣品也已做出。圖1為中國電科43所通孔直徑為80 μm、布線線寬/間距為55 μm/65 μm的樣品局部圖?；宥鄬硬季€更是LTCC的優(yōu)勢（組成基板的布線層厚一般為0.1 mm左右）。已有很多單塊LTCC產(chǎn)品的布線超過30層。國外不乏有超過60層的LTCC產(chǎn)品。SiP相對普通模塊具有更復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)和連線，需要更多的布線載體。因此，LTCC良好的信號傳輸性能、巨大的布線靈活性和多層布線空間給SiP復(fù)雜的布線以廣闊的發(fā)揮和運用。

圖1 通孔和導(dǎo)帶線寬/間距樣品圖

在LTCC基板上還可以制作不同結(jié)構(gòu)形式的空腔，用于SiP中芯片、MEMS等元器件的安裝及微波信號的傳輸?？涨坏男问酵ǔＳ兄蓖涨?、單面（非直通）空腔、臺階空腔和雙面（非直通）空腔。對于功率較大的芯片等元器件，可以通過基板的直通空腔將其粘結(jié)或焊接在金屬底板上，以減少熱阻利于導(dǎo)熱。利用臺階空腔，可以實現(xiàn)帶狀線或微帶線的穿墻引出。非直通空腔和臺階空腔的尺寸可以根據(jù)待置元器件的大小和鍵合位置來確定。相對于PCB和氧化鋁厚膜多層等平面基板而言，LTCC基板通過空腔的使用，可以降低元器件組裝高度，減小系統(tǒng)體積，縮短傳輸線，提高系統(tǒng)散熱能力。

2.2 內(nèi)埋置無源元件

無源元件（電阻、電容和電感）在混合集成電路中的用量日益增加，在典型的手持裝置和計算機等微電子產(chǎn)品中，超過80%為無源元件，元件占用了電路基板面積的約50%，焊盤占用電路基板面積約25%，無源元件對系統(tǒng)的成本、體積和可靠性有著十分明顯的影響[5]。SiP中大量無源元件的存在不僅需要系統(tǒng)有更大的組裝面積，也意味著大量焊點的存在。焊點增多，將導(dǎo)致系統(tǒng)因互連焊點失效的可能性增大。通過LTCC內(nèi)埋置無源元件，可以減少SiP表面貼裝無源元件的數(shù)量，提高了系統(tǒng)的組裝密度和可靠性；另外埋置無源元件連接線短，具有較低的寄生效應(yīng)，適用于更高頻率和速度的電子系統(tǒng)。

在LTCC多層布線中，可以將不同特性的電阻、電容、電感等材料通過圖形設(shè)計分布在不同生瓷帶層上，經(jīng)疊壓燒結(jié)后與基板集成于一體，成為內(nèi)埋置無源元件。對于精度要求不高的電阻可以埋置在基板內(nèi)部。對于精度要求較高的電阻則需印燒在基板表面以便調(diào)阻，也可采用在厚膜電阻表面開調(diào)阻窗口的方法將電阻埋置在淺層內(nèi)以便調(diào)阻[6]。對于幾pF（10-12F）或幾十pF的小容量電容，可用瓷體本身作為電容介質(zhì)材料。對于更大容量的電容則需用電容介質(zhì)漿料或高介生瓷帶制作。將導(dǎo)帶設(shè)計成直線、折線、螺旋線等形狀可得到不同大小和性能的埋置電感。但在常用的LTCC材料中制作的埋置電感的電感量一般在兩三百nH（10-9H）以下，適合高頻使用。制作更大電感量的電感需要用鐵氧體材料[7]。通過微帶元件及與電阻、電容、電感組合設(shè)計，可以實現(xiàn)濾波器、天線、功分器等元件的內(nèi)埋。

2.3 3D SiP

復(fù)雜的SiP常包含多個模塊結(jié)構(gòu)，要組裝許多元器件。如果僅在二維（2D）表面組裝元器件則要占據(jù)較大的組裝面積，系統(tǒng)的體積難以縮小。若將系統(tǒng)分成多個模塊，每個模塊采用LTCC 2D-MCM模式，再將2D-MCM疊層垂直互連組裝，則實現(xiàn)LTCC三維（3D）SiP結(jié)構(gòu)。這種3D形式的電路不僅系統(tǒng)組裝面積明顯縮小，封裝外殼重量減輕，而且由于2D模塊疊層組裝后，上下各層采取垂直互連或周邊垂直互連，模塊之間（層間）通過垂直互連點連線比單一2D-MCM上連線可大為縮短，因此傳輸延遲縮小，傳輸速度得到提高。同時，由于引線長度的縮短，減小了寄生電容和寄生電感，降低了能量損耗，有利于信號的高速傳輸，改善系統(tǒng)高頻性能[7,8]。

除裸芯片較薄外，一般模塊所用的無源元件和封裝芯片均比裸芯片厚得多，因此組裝成3D SiP時，相鄰疊層的2D-MCM之間必須隔開。這種隔開可以采用LTCC制作的隔板來實現(xiàn)，不僅可以設(shè)置互連通孔和焊盤，還能保持與基板一致的收縮率，按需調(diào)節(jié)隔板厚度。LTCC 3D SiP結(jié)構(gòu)如圖2所示。若組裝的元器件均為裸芯片，則層疊2D-MCM時僅用互連凸點即可分開上下基板，而不需用隔板。圖3（a）、（b）分別為43所有隔板和無隔板LTCC 3D系統(tǒng)實物圖。

圖2 LTCC 3D SiP結(jié)構(gòu)圖

2.4 LTCC氣密性封裝

SiP封裝為密封的系統(tǒng)元器件及模塊提供良好的工作條件（機械支撐、環(huán)境保護等），并實現(xiàn)系統(tǒng)與外接電路之間的電連接。LTCC氣密性封裝是一種不用金屬管殼的新型高密度封裝，其在LTCC多層基板表面直接焊接適合封蓋高度的柯伐框架（LTCC基板的熱膨脹系數(shù)與柯伐匹配），然后平行縫焊蓋板，使得多層基板既作為多層電路互連基板，又作為封裝外殼的底座，從而實現(xiàn)LTCC基板與外殼一體化氣密性封裝。

LTCC一體化封裝的引出端口既可為BGA（焊球陣列）、PGA（針柵陣列）形式，也可以是LGA（柵格陣列）和QFP（四邊引線扁平封裝）形式。系統(tǒng)的小型化和高性能是SiP的特性。對于需進行氣密性封裝的高可靠性SiP產(chǎn)品來說，采用LTCC作為SiP基板進行一體化氣密性封裝，不僅能替代金屬管殼封裝，提高單個封裝內(nèi)的集成度，而且不需金屬封裝的引腳引線鍵合，基板引出端直接與外部連接，縮短了互連線，減小了損耗和寄生效應(yīng)，系統(tǒng)性能可以得到進一步提高。

圖3 LTCC 3D系統(tǒng)實物圖

圖4為中國電科43所LTCC一體化氣密性封裝SiP樣品幾種不同I/O結(jié)構(gòu)樣品圖。

3 LTCC在SiP中的發(fā)展

為滿足SiP應(yīng)用的要求和SiP技術(shù)未來發(fā)展的趨勢，LTCC仍需解決基板散熱、基板加工精度和異質(zhì)集成方面的問題。

3.1 基板散熱問題

隨著SiP復(fù)雜程度增加，互連封裝密度提高，SiP的功率密度也在提高，這就對LTCC基板的散熱性能提出了更高的要求。目前LTCC采用的散熱方式主要是：在功率元器件下方的基板中制作高熱導(dǎo)率的金屬化通孔陣列，連接到基板背面的金屬化層或散熱底板上，通過通孔陣列增大基板導(dǎo)熱能力；或在基板上開直通空腔，將功率元器件通過空腔直接組裝在散熱板上散熱。但有的系統(tǒng)為了氣密性、整體結(jié)構(gòu)和電氣絕緣等要求考慮，基板不適合開直通空腔和加散熱板。因此，為了提高系統(tǒng)的散熱效果，需要另辟蹊徑。

（1）在LTCC基板中制作微流道。通過在功率元器件下方的基板內(nèi)制作蛇形或網(wǎng)狀微流道，采用微泵驅(qū)動冷卻液流過功率元器件背面的流道，液體在流道內(nèi)與元器件進行熱交換，帶走所傳遞的熱量。LTCC微流道技術(shù)是一種有效的散熱方式，但由于需要增加液體驅(qū)動系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和體積，因此需要從散熱和復(fù)雜性等方面綜合考慮[10,11]。目前，已有美國、波蘭等國家采用LTCC微流道制作出了SiP產(chǎn)品，但關(guān)于LTCC微流道系統(tǒng)散熱研究仍處于實驗室階段。隨著LTCC微流道制作技術(shù)的成熟和散熱器小型化的發(fā)展，LTCC微流道散熱技術(shù)將廣泛應(yīng)用到大功率SiP電子器件中。

圖4 LTCC氣密性封裝I/O圖

（2）采用更高熱導(dǎo)率的LTCC生瓷帶材料。HTCC中Al2O3的熱導(dǎo)率為15～30 W（m·K）-1，AlN的熱導(dǎo)率是140～270 W（m·K）-1。常用LTCC的熱導(dǎo)率是2.0～4.0 W（m·K）-1，雖然比有機多層樹脂基板的熱導(dǎo)率～0.2 W（m·K）-1高，但比HTCC低得多。因此，若能使用熱導(dǎo)率更高的LTCC生瓷帶，則LTCC在SiP中無疑將發(fā)揮更大的作用。目前中科院上海硅酸鹽研究所已開發(fā)出具有較高熱導(dǎo)率的低溫共燒陶瓷材料，熱導(dǎo)率為18.8 W（m·K）-1[12]，但要實現(xiàn)該生瓷帶的批量化生產(chǎn)和應(yīng)用則還有一段路要走。

3.2 基板精度問題

隨著SiP產(chǎn)品向微波毫米波更高頻段發(fā)展，高頻產(chǎn)品對LTCC基板的加工精度要求較高。印制導(dǎo)線的線寬、線間距、通孔直徑、多層對位精度、收縮率精度等因素的變化，均對高頻產(chǎn)品性能產(chǎn)生影響。影響基板制造精度的因素除基板布線狀態(tài)、工藝技術(shù)、條件設(shè)備和規(guī)范管理之外，LTCC原材料也是一個重要因素。目前主要LTCC生瓷帶在燒結(jié)時存在10%～20%的收縮率，收縮率容差為±0.3%?！?.3%的容差對于邊長為50 mm的基板將產(chǎn)生最大0.3 mm的誤差，這種誤差對系統(tǒng)組裝及高頻信號傳輸影響很大。因此，生產(chǎn)收縮率更穩(wěn)定（容差更?。┑纳蓭荓TCC生產(chǎn)和制造廠商的迫切愿望。目前雖有零收縮生瓷帶，收縮率容差達到±0.05%，但品種單一，使用受限。如果能生產(chǎn)出適合高頻等更多品種的零收縮LTCC生瓷帶，則可顯著擴大SiP的應(yīng)用范圍。

3.3 LTCC基板異質(zhì)集成問題

對于擁有大量無源元件的SiP來說，無源元件集成化和微型化是實現(xiàn)SiP小型化和高可靠性的重要因素。采用低溫共燒異質(zhì)電介質(zhì)材料和磁介質(zhì)材料則可實現(xiàn)較大量值電容和電感的小型化，提高集成度。異質(zhì)LTCC技術(shù)在國外應(yīng)用較多，如日本村田公司已開發(fā)出多種高介電常數(shù)的低溫共燒材料，大量生產(chǎn)片式濾波器、平衡非平衡轉(zhuǎn)換器、片式天線、收發(fā)前端模塊等。但異質(zhì)LTCC技術(shù)應(yīng)用于SiP時需考慮局部異質(zhì)，工藝較復(fù)雜。制作時需要在LTCC陶瓷基板材料層中嵌入不同尺寸的介質(zhì)材料和鐵氧體材料；燒結(jié)時，不同材質(zhì)的材料由于界面、燒結(jié)溫度和收縮率等特性存在差別，基板容易出現(xiàn)分層、開裂、翹曲等現(xiàn)象，必須控制好燒結(jié)工藝參數(shù)。因此，要實現(xiàn)SiP中盡可能多的無源元件集成化和小型化，既要有與主體LTCC生瓷帶共燒匹配良好的異質(zhì)生瓷帶材料，也要有可批量化生產(chǎn)的能嵌入不同尺寸生瓷帶的設(shè)備。目前已有日本等公司生產(chǎn)嵌入式LTCC產(chǎn)品，但采用LTCC基板實現(xiàn)SiP多處局部異質(zhì)的批量生產(chǎn)工藝仍有待于進一步完善。

4 結(jié)論

LTCC作為SiP的組裝封裝載體，可以實現(xiàn)SiP的高密度互連布線和制作各種不同用途的空腔，集成電阻、電容、電感、濾波器、天線等無源元件，進行多個疊層2D-MCM的垂直互連，與金屬圍框進行一體化封裝。隨著SiP向小型化和高可靠性方向發(fā)展，未來將會更多通過在LTCC基板中制作微流道實現(xiàn)液冷、應(yīng)用高熱導(dǎo)率LTCC基板來解決大功率SiP散熱問題，采用適合不同頻率的LTCC零收縮生瓷帶來提高基板制作精度，通過成熟的LTCC生瓷片嵌入技術(shù)和共燒匹配良好的異質(zhì)生瓷帶材料提高SiP的集成度。

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