上海电子展|LTCC 封装技术研究现状与发展趋势
今天上海电子展小编来聊一聊LTCC 封装技术研究现状与发展趋势。
便携式通讯系统对电子产品的需求和对电子整机高性能的要求很大地推动着电子产品向小型化、集成化、多功能、高频化和高可靠性等方向发展，同时也带动了与之密切相关的电子封装技术的发展。电子封装技术直接影响着电子器件和集成电路的高速传输、功耗、复杂性、可靠性和成本等，因此成为电子领域的关键技术。在摩尔定律继续发展面临来自物理极限、经济限制等多重压力的现实下，以超越摩尔定律为目标的功能多样化成为集成电路技术发展的主要方向之一，迫使人们将整机产品性能的提高更多地转向在封装内实现多种功能集成的系统产品和封装中功能密度的提高。
电子封装按照所使用的封装材料来划分，分为金属封装、陶瓷封装和塑料封装。金属封装气密性好，不受外界环境因素的影响，但价格昂贵，外型灵活性小，不能满足半导体器件快速发展的需要；塑料封装以环氧树脂热固性塑料应用非常广泛，具有绝缘性能好、价格低、质量轻等优点，性价比非常高，但是气密性差，对湿度敏感，容易膨胀爆裂；陶瓷封装可与金属封装一样实现气密性封装，具有气密性好、绝缘性能好、热膨胀系数小、耐湿性好和热导率较高等特点，但也有烧结精度波动、工艺相对复杂、价格贵等不足。集成电路传统封装的功能主要是芯片保护、尺寸放大和电气连接三项，具有 Fan-in、Fan-out、2.5D、3D 4 类形式的先进封装则在此基础上增加了“提升功能密度、缩短互连长度、进行系统重构”三项新功能。传统封装本身并不能使芯片的功能产生任何变化，但先进封装提高了组装密度，系统功能密度得到提升；互连长度的缩短带来性能提升和功耗降低；封装内的系统重构使得封装功能发生质的改变。基于多层布线陶瓷基板的多芯片封装、系统级封装属于先进封装，先进封装技术有着宽广的发展空间。
低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-Fired Ceramics, LTCC）是以玻璃 / 陶瓷材料作为电路的介电层，运用 Au、Ag、Pd/Ag 等高电导率金属做内外层电极和布线，以平行印刷方式印制多层电路，叠压后在低于 950 ℃的烧结炉中共同烧结而成的一种陶瓷。LTCC 基板具有布线导体方阻小、可布线层数多、布线密度高、烧结温度低、介质损耗小、高频性能优异、热膨胀系数与多种芯片匹配等优点，因而成为一种理想的高密度集成用主导基板。LTCC 可埋置电阻、电容、电感以及天线、滤波器、巴伦、耦合器、双工器等无源元件 ，易于形成多种结构的空腔，可与薄膜精密布线技术结合或用激光加工实现更高布线精度和更好性能的混合多层基板 MCM-C/D。LTCC 基板进行陶瓷封装可以提高组件（模块）对于高频、低损耗、高速传输、小型化等的封装要求。LTCC 封装产品在航天、航空、通信、雷达等领域已得到重要应用，在要求更高数据传输速率和带宽以及更低延迟的 5G 领域也已大量使用 LTCC 产品，LTCC 封装产品使用频率已超过 100 GHz，具有广阔的发展前景和应用市场。
完整的 LTCC 封装应是所有有源器件和无源元件均组装到基板以后，再焊接上盖板成为一个密封整体。但对于 LTCC 基板和封装外壳产品生产单位来说，往往不涉及元器件组装，一般也就不需要进行最后的封盖。因此，本文的 LTCC 封装主要指确定 LTCC封装结构形式一般没有组装元器件的一种半成品封装。本文主要对 LTCC 封装技术所涉及的材料与工艺结合国内外的有关文献和已有的一些技术研究进行了综述，对 LTCC 封装技术的发展趋势进行了探讨。
1、上海电子展浅谈LTCC 封装材料特性
LTCC 封装材料是指用于承载电子元器件及其相互连线，起到机械支撑、密封环境保护、信号传递、散热和屏蔽等作用的基体材料，包括 LTCC 基板、布线、壳体、框架、热沉、盖板、焊料等材料，总体上分为LTCC 基板材料、封装金属材料和焊接材料三大类。
1.1 LTCC 基板材料
LTCC 基板材料包括 LTCC 生瓷带和与生瓷带配套的导体和电阻等材料。LTCC 所用的布线和通孔连接的导体材料以 Au、Ag、Pd、Pt 等贵金属或它们的合金（二元合金或三元合金 PdAg、PtAg、PtAu、PtPdAu等）为导电相，其性能稳定，工艺成熟，可在空气气氛下烧结。Cu 也是高电导率材料，导热率较高，焊接性能优异，适合低温烧结，但由于 Cu 在空气中受热后容易氧化，故与 Au、Ag 等贵金属材料不同，在烧结时需有中性气氛（常用氮气）做保护气体。
多层布线陶瓷基板的烧结温度必须在布线导体材料的熔点之下，因此，这些高电导率材料不能用于Al 2 O 3 、AlN 的 高 温 共 烧 陶 瓷 （High TemperatureCo-Fired Ceramics, HTCC）。
LTCC 封装用生瓷带主要有玻璃陶瓷系（微晶玻璃）和玻璃 + 陶瓷系两类。玻璃陶瓷系在基板烧结时析出低介电常数低损耗微晶相，适合制作高频组件或模块用基板，如 Ferro A6M。玻璃 + 陶瓷系以玻璃作为低温烧结助剂，陶瓷作为主晶相，改善基板力学和热性能，如 DuPont 951，其介电常数和介电损耗一般比微晶玻璃要大，主要用于中低频电路基板。对传输线路来说，低介电常数有利于信号的高速传输（信号的传输延迟时间正比于介电常数的方根）。但材料介质中的电磁波波长为真空中波长的 1/ ε r ■ 倍，所以更高的介电常数意味着更小的波长，也意味着使用高介电常数可以使微波器件的尺寸做得更小。
国际上，商用 LTCC 材料以美国 DuPont 公司和Ferro 公司为主，它们生产的 LTCC 材料品种齐全，包括生瓷带、通孔浆料、导体（布线）浆料、电阻浆料和介质浆料等全系列 LTCC 材料，既有金系列，也有银系列和金银混合系列。LTCC 生瓷带厂家还有美国 ESL、德国 Heraeus、日本 Kyocera、Murata 等。LTCC 封装基板材料特性除与 LTCC 生瓷带和配套浆料有直接关系外，与基板制作的工艺过程也有一定关系。
1.2 LTCC 封装金属材料
LTCC 封装金属材料主要根据金属封装材料特性进行选择，需要综合考虑金属材料的热导率、热膨胀系数、密度、可焊性、工艺成熟性等。含镍 29%、钴 18%的 Fe-Ni-Co 系合金称为可伐（Kovar）合金，其热膨胀系数较小，与常用 LTCC 基片热膨胀系数相匹配，具有较好的加工性，成本较低，是一种较常用的金属管壳材料；但其热导率不高，这也限制了它作为金属管壳封装的应用范围。CuW 和 CuMo 合金则结合了 W、Mo 和 Cu 的许多优异特性，从而具有良好的导热导电性、耐电弧侵蚀性、抗熔焊性和耐高温、抗氧化性等特点，并且热膨胀系数可在一定范围内选择，主要应用于大规模集成电路和大功率微波器件中，作为热控板、散热元件（热沉材料）和引线框架使用；但因CuW 和 CuMo 密度较大等原因，使用范围受限，不适于在便携式电子产品和航空航天装备中应用，在要求电子设备轻量化的 LTCC 封装中应用越来越少。铝硅合金材料具有质量轻、热膨胀系数较低、热传导性能良好、强度和刚度高等优点，且与金、银、镍可镀，硅与铝润湿良好，具有易于精密机加工、无毒、成本低廉等优越性能，受到国内外学者的广泛关注，成为具有广阔应用前景的电子封装材料之一。Al/SiC 具有高热导率、低膨胀系数、高强度、低密度、良好的导电性等特点，正被越来越多的学者所关注，Al/SiC 作为基板或热沉材料在国内封装领域已得到批量应用。
1.3 LTCC 封装焊接材料
LTCC 封装焊接材料主要作为连接材料，用于LTCC 基板与金属底板、金属围框、引脚的焊接，基板上元器件组装、焊球连接及基板垂直互连等。LTCC 封装用焊接材料熔点一般低于 450 ℃，属于软钎料。
LTCC 封装在生产过程中，需进行金属与陶瓷焊接、元器件组装、焊球阵列制作、垂直互连等工序，这些组装和封装过程常常是通过多步焊接完成的。为了使后道工序不影响前道工序焊接结果（元件回熔和移位），不同工序所用焊料的熔点往往要有一定的温度差，形成温度梯度。
LTCC 封装所用焊料分为有铅焊料和无铅焊料。有铅焊料主要是铅锡焊料，其工艺成熟，常用的Sn63Pb37 焊料焊点可靠性、光泽度及一些机械性能优于无铅焊料。无铅焊料主要指金系焊料和锡银系焊料。虽然无铅焊料工艺、物理等某些特性不如铅锡焊料，但无铅焊料在某些方面也表现出良好的特性，如锡银铜焊料具有铅锡焊料 1.5~2.0 倍的抗张强度和优秀的抗热疲劳性能，金锡焊料具有比铅锡焊料高得多的抗拉强度和优异的抗氧化性。无铅化也是电子材料的一个发展方向。
根据常用焊料使用温度的不同，焊料大致分为高温焊料、中温焊料和低温焊料。通常把熔点不小于250 ℃的焊料看作高温焊料，熔点为 200~250 ℃的焊料为中温焊料，熔点不大于 200 ℃的焊料看作低温焊料，这仅是一个简单的分类。实际上高温焊料也有多种，有的熔点低至二百多摄氏度，有的熔点高到近四百摄氏度；低温焊料也有熔点约 120 ℃、140 ℃、180 ℃等不同种类。LTCC 封装焊接材料有焊膏和焊片，焊膏更适合微小元器件和焊球等多点位置的焊接，焊片常用于围框、基板等面积相对较大的焊件和精确尺寸（焊料逸出少）焊件的焊接。Au80Sn20、Au88Ge12 等焊料需在氮气保护或真空气氛下焊接，其成本较高，主要用于金属与 LTCC 基板气密性焊接；铅锡焊料、锡银系焊料等可在空气气氛中焊接，主要用于元器件焊接和垂直互连等。广州先艺电子科技有限公司是一家先进封装连接材料的国家高新技术企业，研发和生产的许多焊料可用于 LTCC 封装，表 4 为该公司部分焊片材料的物理性能。
2、上海电子展浅谈LTCC 封装技术研究现状
2.1 LTCC 金属外壳封装
LTCC 金属外壳封装与传统厚膜多层氧化铝基板金属外壳封装相似，是将 LTCC 基板焊接或粘接在金属外壳内部底面上，通过金属外壳上镶嵌的绝缘子或连接器实现外壳内外电连接的一种封装，通常用于高可靠性的电子产品或定制的有特殊性能要求的军事或航空航天产品中。金属外壳可单面开腔焊接 LTCC基板，也可双面开腔焊接 LTCC 基板。LTCC 基板上组装元器件后可对金属外壳进行平行缝焊或激光焊接封盖。LTCC 金属外壳封装的优点是气密性好、通用性强，工艺相对成熟，是不同 LTCC 封装形式中应用较多的一种。
LTCC 金属外壳封装需选择热性能和密度适当的金属外壳、焊料和焊接方式。目前，LTCC 基板常用的金 属 外 壳 材 料 有 Al/Si、 钛 合 金 等 ，Au80Sn20、Pb90Sn10 焊片或焊膏在高温焊接时使用，Sn96.5Ag3.5焊片或焊膏在中温焊接时使用，Sn96.5Ag3.0Cu0.5、Pb63Sn35Ag2 焊片或焊膏在低温焊接时使用。
为避免基板与金属外壳底板焊接后存在热膨胀系数差异而引起基板开裂和焊接面变形等问题，所选择的金属管壳的热膨胀系数与 LTCC 基板的热膨胀系数应尽可能接近。从表 3 可见，CuW 和 CuMo 的热膨胀系数与现在常用的 DuPont 951 和 Ferro A6M 等LTCC 基板的热膨胀系数相近，其热导率也较高，但由于 CuW 和 CuMo 密度较大，故很少用于 LTCC 金属外壳封装。
2.2 LTCC 针栅阵列封装
LTCC 针栅阵列（Pin Grid Array, PGA）封装是在LTCC 基板表面焊接金属围框作为封装框体、底面焊接金属 PGA 作为 I/O 端的一种封装，LTCC PGA 封装示意图如图 2 所示。将 LTCC 电路基板作为封装载体，在基板上直接引出封装的 I/O 端子，使基板与围框和盖板成为一个整体的封装也称为 LTCC(/ 金属)一体化封装。在 LTCC 基板上焊接围框后再组装元器件，即可通过平行缝焊等封上盖板实现气密性封装。
PGA 封装具有比周边引出的金属外壳封装更多的 I/O 引脚数以及更低的引线电感、电容和信号噪声。LTCC PGA 引脚中心距离（节距）有 2.54 mm 和1.27 mm 等，常用 2.54 mm。为了保证 LTCC 基板上元器件的顺利焊接组装，LTCC 基板与金属围框和引脚插针通常采用 Au80Sn20、Au88Ge12 等金系焊料或高温铅锡焊料同时焊接，基板上的元器件可采用中温或低温焊料焊接。LTCC PGA 封装制作时，金属围框和引脚插针一般采用热膨胀系数与 DuPont 951 和 FerroA6M 基板比较匹配而成本又不很高的 Kovar 材料（表面电镀镍金）。
何中伟等在国内较早采用 AuSnCuAg 焊膏在20 层 DuPont 951 LTCC 基板上焊接金属围框和引脚实现 LTCC PGA 封装，PGA 阵列节距为 2.54 mm×2.54 mm，引线区的引脚端子与面积比为 15.5 个 /cm 2 ，引线疲劳和拉力均合格，密封漏率不大于 5.8×10 -3 Pa·cm 3 /s，主要性能指标基本达到国军标要求。周冬莲等采用 Au88Ge12 焊料作为 PGA 的引线焊接材料，通过真空共晶焊的方法制作 LTCC PGA，引脚节距为 2.54 mm，测试了 2 只样品中的所有引脚（共 128根直径为 0.45mm的引脚），引脚的拉力均大于41.28N。
2.3 LTCC 焊球阵列封装
LTCC 焊球阵列（Ball Grid Array, BGA） 封装是LTCC 基板表面焊接金属围框作为封装框体、底面焊接焊球作为 I/O 端的一种封装，LTCC BGA 封装示意图如图 3 所示。LTCC BGA 气密性封装也属于 LTCC一体化封装。
BGA 封装是一种更高效率的封装，具有比周边引出的金属外壳封装更多的 I/O 引脚数。PGA 封装的引脚节距难以比 1.27 mm 更小，而 BGA 焊球节距可以更小，I/O 引脚密度将比 PGA 封装更高。LTCC BGA封装引脚很短，垂直连接的电流路径也很短，BGA 封装具有比其他引线连接低得多的引脚电感；BGA 焊球呈面阵分布，有利于基板散热。
2.4 LTCC 穿墙无引脚封装
LTCC 穿墙无引脚封装是 LTCC 基板表面焊接金属围框作为封装框体、I/O 端头为从 LTCC 基板内部引出到围框外侧的金属化导带的一种封装形式，LTCC 穿墙无引脚封装示意图见图 5。穿墙是金属化导带从框内穿过金属围框下部的瓷体而出现在围框外部，该导带与 LTCC 基板共烧而成。通过穿墙导带，可以将组件的引出线从密封的腔体内部引出来。
LTCC 穿墙无引脚封装也是一种 LTCC 一体化封装。LTCC 穿墙无引脚封装一般带有金属底板。金属底板可以作为热沉增加基板散热、提高封装体机械强度以及便于安装，还可以提高封装体的气密性；也可以不带金属底板，基板底面提供可焊接的金属化膜层，用于与载板焊接。
2.5 LTCC QFP 封装
LTCC 四面引脚扁平封装（Quad Flat Package,QFP）是 LTCC 基板表面焊接金属围框作为封装框体、基板底面边缘焊接引线作为 I/O 端的一种封装，LTCC四面引脚扁平封装见图 7。LTCC QFP 封装也属于LTCC 一体化封装。
2.6 LTCC LCC 封装
LTCC 无引脚片式载体（Leadless ChipCarrier, LCC）封装是 LTCC 基板表面焊接金属围框作为封装框体、I/O 端头为从 LTCC 基板内部引出到基板底部的导体膜层的一种封装形式，LTCC 无引脚片式载体封装示意图见图 9。LTCC LCC 气密性封装也是 LTCC一体化封装。
2.7 LTCC 3D-MCM 封装
LTCC 三维 多芯 片模 块（Three-Dimensional Multichip Module, 3D-MCM）封装是将多块（不少于 2块）二维板级 LTCC 模块（2D-MCM）垂直叠装并实现电连 接和 机械 连接 所形 成组 件的 封装 ，LTCC 3D-MCM 结构见图 11。采用垂直互连制作的 LTCC3D-MCM 不仅模块所占投影表面积和体积缩小，重量减轻，而且由于垂直互连线缩短，互连线阻值、寄生电容和电感减小，信号延迟缩短，噪声和损耗将下降，可以进一步提高信号传输速度。LTCC 3D-MCM 设计时可将系统结构分成几个功能部分，采用 LTCC 技术分别将几个功能部分制作成二维电路模块，然后通过隔板将这几个二维模块垂直叠装成一个整体。叠装中隔板用于保证基板上所组装的元器件不被叠层压迫，同时具有上下模块间电连接和机械连接的作用。LTCC 3D-MCM 封装可以是气密性封装，独立形成多功能模块或子系统；也可以是非气密性封装，构成3D-MCM 后再组装到系统（或子系统）载板上，成为载板上的一部分。
3、 上海电子展浅谈LTCC 封装技术发展趋势
随着数字化、信息化和网络化时代的到来，电子封装对小型化、集成化、多功能化、高速高频、高性能、高可靠、低成本等提出了更高的要求。LTCC 封装产品在小型化、集成化、高速高频、高性能等方面具有明显特色，未来将继续发展以保持技术优势。但常规LTCC 封装产品在热匹配、散热、成本等方面还存在不足，影响到 LTCC 封装产品的发展和在更广泛领域的应用。解决 LTCC 封装产品在某些应用需求中的关键问题成为亟需进一步研究攻关的技术问题。LTCC 封装产品某些特性的不足更多体现在 LTCC 基板材料品种的不足。有些特殊 LTCC 材料国外已有产品，如京瓷 GL771 高热膨胀系列具有特殊性能的 LTCC 封装产品，但这些特殊 LTCC 材料主要是自用，并不对我国出售。因此，我国要发展这类具有特殊性能的LTCC 封装产品，还必须加强研发这类具有特殊性能的 LTCC 材料，才能从根本上解决问题。
4、结论
LTCC 基板可进行不同形式的封装。选择热膨胀系数与 LTCC 基板相近和密度适当的金属外壳与LTCC 基板焊接可实现 LTCC 金属外壳封装，LTCC金属外壳封装气密性好、通用性强，LTCC 基板与铝硅外壳结合封装相得益彰。
LTCC 基板与金属围框结合可实现具有不同引脚形式 的 PGA、BGA、 穿 墙 无 引 脚 、QFP、LCC 和3D-MCM 等气密性 LTCC 一体化封装。LTCC 一体化封装的基板与金属围框的气密性焊接封装漏率能小于 1.0×10 -2 Pa·cm 3 /s，通过密封工艺加固或焊有金属底板的 LTCC 封装漏率可小于 1.0×10 -3 Pa·cm 3 /s。LTCC3D-MCM 中，隔板可独立制作或与基板制作在一起。针对基板上元器件的不同高度，用适当直径的焊球作为焊料凸点，可以采用无隔板、组合隔板或多块隔板三种不同结构实现多叠层模块垂直互连。
展望未来，上海电子展小编觉得，LTCC 封装技术发展将向高热膨胀系数 LTCC 封装、高导热 LTCC 封装、低成本 LTCC 封装和系统级 LTCC 封装的方向发展。
文章来源：中科聚智