低溫共燒陶瓷基板1

1、2016張德龍 16722137基板介紹LTCC基板文獻(xiàn)閱讀主目錄CONTENTS123基板介紹基板的作用 基板是實(shí)現(xiàn)元器件功能化、組件化的一個(gè)平臺(tái)，是微電子封裝的重要環(huán)節(jié)。 基板主要有一下幾個(gè)功能：（1）互連和安裝裸芯片或封裝芯片的支撐作用。（2）作為導(dǎo)體圖形的絕緣介質(zhì)。（3）將熱從芯片上傳導(dǎo)出去的導(dǎo)熱媒體。（4）控制高速電路中的特性阻抗、串?dāng)_以及信號(hào)延遲。封裝基板的分類在微電子封裝中主要按照基板的基體材料來(lái)分，可以分為三類： (1)有機(jī)基板：包括紙基板、玻璃布基板、復(fù)合 材料基板、環(huán)氧樹(shù)脂類、聚酯樹(shù)脂類、耐熱塑性基板和多層基板等； (2) 無(wú)機(jī)基板：包括金屬類基板、陶瓷類基板、玻璃類基板、

2、硅基板和金剛石基板等； (3) 復(fù)合基板：包括功能復(fù)合基板、結(jié)構(gòu)復(fù)合基板和材料復(fù)合基板等。幾種主要基板材料Al2O3氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷被廣泛用于厚、薄膜電路和MCM的基板。氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷的玻璃成分一般由二氧化硅和其他氧化物組成。氮化鋁陶瓷氮化鋁陶瓷氮化鋁氮化鋁突出的優(yōu)良性能是具有和氧化鈹一樣的導(dǎo)熱性，以及良好的電絕緣性能、介電性能。氮化鋁的價(jià)格比氧化鋁要貴。硅基板硅基板硅是一種可作為幾乎所有半導(dǎo)體器件和集成電路的基板材料。優(yōu)點(diǎn)有其基板和硅IC芯片完全匹配；熱導(dǎo)率比氧化鋁陶瓷高得多；易于用鋁或其他金屬進(jìn)行金屬化等。金剛石金剛石金剛石是一種適合于大多數(shù)高性能微電路的理想

3、材料，它具有最高的熱導(dǎo)率、低的介電常數(shù)、高的熱輻射阻值和優(yōu)良的鈍化性能。它也是巳知材料中最硬的和化學(xué)穩(wěn)定性最好的材料。LTCC基板LTCC技術(shù)低溫共燒陶瓷技術(shù)(low temperature cofired ceramic ) 是陶瓷封裝基板的一個(gè)分支，是近年來(lái)興起的一種相當(dāng)令人矚目的多學(xué)科交叉的整合組件技術(shù)，以其優(yōu)異的電子、機(jī)械、熱力特性成為未來(lái)電子元件集成化、模組化的首選方式，廣泛用于基基板板、封裝及微波器件等領(lǐng)域。傳統(tǒng)基板材料(Al2O3 , SiC 等) 和燒結(jié)技術(shù)(高溫?zé)Y(jié)陶瓷(HTCC),不僅燒結(jié)溫度高(1 500 ), 只能與高熔點(diǎn)、高電阻的金屬(Mo , W 等) 共燒, 而且

4、不利于降低生產(chǎn)成本。為此人們開(kāi)發(fā)出新型的低溫共燒陶瓷技術(shù) :低燒結(jié)溫度可使金屬良導(dǎo)體(Cu, Ag 等)同生坯片共燒, 提高厚膜電路的導(dǎo)電性能。LTCC 技術(shù)是1982 年美國(guó)休斯公司開(kāi)發(fā)的一種新型材料技術(shù)。該工藝就是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生瓷帶，作為電路基板材料，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形，并將多個(gè)無(wú)源元件埋入其中，然后疊壓在一起，在一定溫度下燒結(jié)，制成三維電路網(wǎng)絡(luò)的無(wú)源集成組件，也可制成內(nèi)置無(wú)源元件的三維電路基板，在其表面可以貼裝 IC和有源器件，制成無(wú)源/有源集成的功能模塊等等。LTCC 制造工藝LTCC 基板的工藝流程如

5、下：生瓷帶切片預(yù)處理沖片打孔通孔填充印制導(dǎo)線印制電極印制無(wú)源元件檢驗(yàn)疊片熱壓排膠燒結(jié)LTCC 基板。下圖是典型低溫共燒多層陶瓷基板的工藝流程。采用LTCC 工藝制作的基板具有可實(shí)現(xiàn)IC 芯片封裝、內(nèi)埋置無(wú)源元件及高密度電路組裝的功能。下圖為典型的LTCC 組件結(jié)構(gòu)。典型的LTCC 組件結(jié)構(gòu)LTCC的特點(diǎn)LTCC 技術(shù)的顯著高集成度特征，是今后電子元件制造的發(fā)展趨勢(shì)。與其他集成技術(shù)相比，LTCC 具有以下特點(diǎn)： (1)陶瓷材料具有優(yōu)良的高頻Q特性，使用頻率可高達(dá)幾十GHz； (2)使用電導(dǎo)率高的金屬材料作為導(dǎo)體材料，有利于提高電路系統(tǒng)的品質(zhì)因子； (3)可以制作線寬小于50m的精細(xì)結(jié)構(gòu)電路； (

6、4)可適應(yīng)大電流及耐高溫特性要求，并具備比普通PCB電路基板更優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性； (5)具有較好的溫度特性，如較小的熱膨脹系數(shù)，較小的介電常數(shù)和溫度系數(shù)； (6)可以制作層數(shù)很高的電路基板，并可將多個(gè)無(wú)源元件埋入其中，有利于提高電路的組裝密度；等等LTCC基板材料目前已開(kāi)發(fā)出多種LTCC 基板材料, 由于加入玻璃是實(shí)現(xiàn)LTCC 技術(shù)的重要措施, 因此對(duì)適用的玻璃種類進(jìn)行過(guò)大量研究, 如高硅玻璃, 硼硅酸玻璃, 堇青石玻璃等。陶瓷粉料的比例是決定材料物理性能與電性能的關(guān)鍵因素。為獲得低介電常數(shù)的基板, 必須選擇低介電常數(shù)的玻璃和陶瓷組合, 主要有硼硅酸玻璃/ 填充物質(zhì)、玻璃/ 氧化鋁系、玻璃/莫來(lái)

7、石系等, 要求填充物在燒結(jié)時(shí)能與玻璃形成較好的浸潤(rùn)。在Kumar 等人于1977 年制成了成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 為Al2O3, SiO2 , MgO , 微量的B2O3 和P2O5 微晶玻璃基板之后, 有關(guān)LTCC 基板材料的選擇和制備工藝的研究如雨后春筍, 蓬勃開(kāi)展。下圖是市場(chǎng)上可供選擇的LTCC、HTCC、PCB的FR-4、高性能聚四氟乙烯PTFE 等基板性能比較。可以看出沒(méi)有任何有機(jī)材料可與LTCC 基板的高頻性能、尺寸和成本進(jìn)行綜合比較。雖然LTCC產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大, 但是生產(chǎn)成本仍較PCB基板與厚膜電路基板高。降低LTCC成本、壯大產(chǎn)業(yè)是擴(kuò)張應(yīng)用的首選目標(biāo)。幾種基板的性能比較應(yīng)用領(lǐng)域LT

8、CC 作為電子封裝技術(shù)的一種，是為滿足不同微電子應(yīng)用特性而采取對(duì)半導(dǎo)體線路進(jìn)行聯(lián)接、通電、保護(hù)和冷卻等的多項(xiàng)工藝措施。LTCC 器件按其所包含的元件數(shù)量和在電路中的作用，大體可分為L(zhǎng)TCC 元件、LTCC 功能器件、LTCC 封裝基板和LTCC 集成模塊。LTCC 屬于高新科技的前沿產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于微電子工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，具有十分廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)和發(fā)展前景。其主要應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域集中在高密度集成技術(shù)、大功率模塊和微波/毫米波組件三大方向，另外在MEMS、光電、汽車(chē)、LED 等領(lǐng)域應(yīng)用增長(zhǎng)十分顯著。LTCC 微波元件天線的結(jié)構(gòu)如圖所示，可以看到LTCC 介質(zhì)被沿貼片天線的輻射邊成條狀挖去，阻止表面波傳播

9、從而達(dá)到減小天線表面波損耗的目的。輻射邊開(kāi)空氣腔LTCC 天線陣（a）交叉導(dǎo)帶之間開(kāi)空腔（b）平行導(dǎo)帶之間開(kāi)空腔LTCC 集成模塊LTCC頻率合成器測(cè)試板圖為將多個(gè)LTCC 頻率合成器放置在基板上的LTCC 頻率合成器測(cè)試版。該組件包括了一個(gè)44 的開(kāi)關(guān)矩陣，集成PIN的二極管，單刀雙擲開(kāi)關(guān)IC 芯片和無(wú)源器件。為了檢測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，在該模塊中增加了數(shù)字控制器、功率檢測(cè)器、溫度傳感器等模塊。LTCC 封裝基板自從20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，幾乎所有的大型高性能系統(tǒng)、超級(jí)計(jì)算機(jī)都用到了LTCC 基板。目前，在美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，LTCC 多層基板的微組裝技術(shù)己經(jīng)可靠地應(yīng)用于航空、空間技術(shù)和

10、軍事領(lǐng)域。在國(guó)內(nèi)，電子43 所和14 所研制的低溫共燒多層基板已用于制造機(jī)載T/R 組件、星載合成孔徑雷達(dá)，艦載T/R 組件等高密度、高可靠性電路中。而且LTCC制造工藝的發(fā)展趨勢(shì)是小孔，細(xì)線和高布線密度；另外，LTCC材料的發(fā)展方向是開(kāi)發(fā)成本更低、性能更高的新型生瓷帶系統(tǒng)，以 及零收縮生瓷帶和用于高頻的低損耗生瓷帶。近年來(lái)，LTCC基板發(fā)展很快，在高性能封裝、高速M(fèi)CM封裝，以及BGA、CSP等高密度封裝中應(yīng)用越來(lái)越多。文獻(xiàn)閱讀LED的LTCC封裝基板研究LED封裝材料經(jīng)歷樹(shù)脂（PPA）材料到陶瓷材料的過(guò)程，合適封裝材料的選擇對(duì)LED芯片發(fā)光效率、穩(wěn)定性、散熱性和可靠性影響重大。伴隨著LED

11、芯片的芯片功率和轉(zhuǎn)化效率的提高，對(duì)尺寸越來(lái)越小芯片的可靠性和穩(wěn)定性的要求越來(lái)越高，LED芯片的散熱問(wèn)題成為L(zhǎng)ED封裝面臨的一個(gè)主要問(wèn)題。芯片產(chǎn)生的熱量如不能及時(shí)導(dǎo)出，則會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)結(jié)溫升高和芯片熱應(yīng)力的分布不均，造成芯片發(fā)光效率和熒光粉激射效率下降。LED封裝的陶瓷材料和PPA性能對(duì)比見(jiàn)下表。相對(duì)于傳統(tǒng)PPA封裝材料而言，陶瓷散熱基板在散熱效果、匹配度、熱膨脹系數(shù)、抗腐蝕和黃化、氣密性及耐高溫等方面具有良好特性，因而成為L(zhǎng)ED封裝的首選材料。LED封裝的陶瓷材料和PPA材料性能比較常見(jiàn)的陶瓷封裝基板有LTCC基板、高溫共燒陶瓷（HTCC）基板、直接鍵合銅（DBC）基板和直接鍍銅（DPC）基板，

12、四種陶瓷基板比較見(jiàn)下表。四種陶瓷材料主要工藝特性LTCC的主要成分是Al2O3陶瓷和約質(zhì)量分30%50%的玻璃材料加上有機(jī)黏合劑構(gòu)成的陶瓷-玻璃復(fù)合體系，相對(duì)于HTCC和DBC而言，LTCC的燒結(jié)溫度較低，低燒結(jié)溫度可使低熔點(diǎn)、低電阻的金屬與生瓷片共燒且材料膨脹系數(shù)與LED芯片極為接近，LTCC基板能為L(zhǎng)ED芯片提供良好散熱方案，因而在LED封裝中得到廣泛應(yīng)用。LTCC基板制造工藝用于LED封裝的LTCC陶瓷基板制作工藝主要包括打孔、微孔填充、電路圖印刷、疊片、涂覆反射膜、層壓、熱切和高溫?zé)Y(jié)等。工藝流程如圖所示。LTCC基板熱電分離結(jié)構(gòu)在散熱設(shè)計(jì)方面，LTCC基板采用熱電分離技術(shù)，導(dǎo)熱通孔與

13、導(dǎo)電通孔分別熱電分離，導(dǎo)熱通孔及導(dǎo)熱電極起散熱作用，無(wú)電流導(dǎo)通，導(dǎo)電通孔僅起電學(xué)導(dǎo)通作用。下圖所示為用于LED封裝的LTCC基板結(jié)構(gòu)圖，LED芯片直接焊接在LTCC基板上導(dǎo)熱銀柱上方，利用導(dǎo)熱通孔陣列來(lái)散熱。1-LED芯片；2-LTCC陶瓷封裝基板；3-鍵合線；4-導(dǎo)電金屬柱；5-導(dǎo)熱金屬柱；6-散熱層；7-電極層用于LED封裝的LTCC基板結(jié)構(gòu)圖對(duì)于不同的封裝芯片和封裝尺寸，需分別對(duì)腔體和散熱通孔設(shè)計(jì)、導(dǎo)熱通孔的熱力學(xué)設(shè)計(jì)和分析是LTCC陶瓷封裝基板設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。金屬導(dǎo)熱通孔的散熱效果。熱流通孔散熱如圖所示，低熱導(dǎo)率的LTCC陶瓷可看作熱絕緣體，金屬通孔中傳遞的熱量沿一維方向向下傳導(dǎo)到散熱電極

14、，這種一維的散熱模式實(shí)現(xiàn)快速高效導(dǎo)熱性能。類型1熱流通孔散熱示意圖結(jié)論LTCC基板的設(shè)計(jì)隨著LED的線路設(shè)計(jì)、尺寸和發(fā)光效率等條件的不同而不同。LTCC封裝基板因結(jié)合LTCC工藝特點(diǎn)獲得高導(dǎo)熱性，為高功率LED封裝提供散熱解決方案，在LED封裝領(lǐng)域獲得新的應(yīng)用。封裝過(guò)程中，LTCC基板與LED芯片襯底晶格結(jié)構(gòu)相似，晶格失配常數(shù)小，熱膨脹系數(shù)匹配，化學(xué)性能穩(wěn)定，可為L(zhǎng)ED封裝提供良好散熱方案，因而成為近年LED采用先進(jìn)封裝主流技術(shù)和重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)。基于LED封裝應(yīng)用中LTCC基板性能的提高涉及LTCC材料體系、工藝過(guò)程、散熱結(jié)構(gòu)和封裝工藝等多方面的因素，未來(lái)仍需要從陶瓷材料、印刷和填充材料、LTC

15、C制造工藝、熱學(xué)設(shè)計(jì)和LED封裝工藝等方面加以研究。Research of LTCC/Cu, Ag multilayer substrate in microelectronic packaging現(xiàn)今的封裝技術(shù)需要高效率，低介電常數(shù)，低熱膨脹系數(shù)的共燒陶瓷基板以及高電導(dǎo)率的多層導(dǎo)體材料。目前已開(kāi)發(fā)出LTCC基板與Cu，Ag等共燒的材料，LTCC擁有上述的優(yōu)點(diǎn)，但是其熱導(dǎo)率低，因此設(shè)計(jì)出導(dǎo)熱通道可以解決這個(gè)問(wèn)題。在電子封裝中，銅厚膜材料可廣泛用于信號(hào)電路里。由于其具有高電導(dǎo)率，低成本和好的可焊性等優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)于其他傳統(tǒng)電路材料如Ag/Pd、W、Mo/Mn等。此外，銅漿料的燒結(jié)溫度為800-900，

16、與低溫共燒系統(tǒng)相符。本文主要講了LTCC基板與Cu，Ag等導(dǎo)體的共燒。LTCC多層基板的制作工藝帶有銅膏的多層基板LTCC介質(zhì)材料主要由玻璃/陶瓷組成，與有機(jī)粘合劑、增塑劑和有機(jī)溶劑等有機(jī)載體充分混合后，流延成厚度精確而且致密的生瓷片，在生瓷片上利用激光打孔或機(jī)械鉆孔后填充厚膜導(dǎo)體漿料，作為層與層之間的互連的通路，在每一層上印刷厚膜金屬化圖形，多層之間對(duì)準(zhǔn)后熱壓或包封液壓，在經(jīng)排膠燒結(jié)，形成具有獨(dú)立結(jié)構(gòu)的多層基板。 具有良好流變性膏料（paste）的電路差流變性電路實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)調(diào)整銅漿料中二氧化硅等無(wú)機(jī)粒子的尺寸和形狀，可以保證漿料的良好流變特性。良好的流變膏料的粘度在120 Pa.s，因此絲網(wǎng)印刷清晰度可以達(dá)到低至100m。具有導(dǎo)熱通道的三層LTCC基板LTCC基板導(dǎo)熱通道SEM圖像銀膏料通過(guò)絲網(wǎng)印刷填充熱孔。然后將打印的生片疊合在一起，如左圖所示。在一般情況下，一個(gè)熱通孔的直徑為200m。內(nèi)部導(dǎo)熱通孔(6 wt.%)內(nèi)部導(dǎo)熱通孔(8wt.%)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明