LTCC基板与封装的一体化制造
时间：10-02
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何中伟 王守政(华东光电集成器件研究所，安徽 蚌埠 233042)
摘 要：本文介绍了LTCC一体化基板／外壳封装的设计、制作与性能检测。
关键词：一体化基板/外壳；LTCC；钎焊；PGA
中图分类号：TN305．94 文献标识码：A
1 前言
陶瓷多芯片组件(MCM-C)作为厚膜HIC发展的高级阶段和一种实用的多芯片组件(MCM)，具有互连层数多、集成密度大、电学性能优、制造成本低等显著优点，得到了越来越广泛的应用，高密多层互连的MCM-C为实现复杂电子学单元、子系统甚至系统的小型化集成提供了其他微组装技术难以比拟的优势。然而，随着所集成对象的电学功能复杂性的增加和MCM-C的不断发展，MCM-C在基板绝对面积较大的同时因I／O数量多、组装效率高而造成单位面积基板上的外引线数很多，使其封装面临着减小外形尺寸、提高封装效率、保证I／O数量的难题。目前，市场可提供的PGA、BGA外壳仅适用于半导体IC芯片的封装，腔体小且外引线数量有限，而金属外壳虽可以封装较大尺寸的电路或组件，但外引线数量难以提高。因此，都无法满足高密度MCM-C封装的需要。
采用一体化基板／外壳(1SP，IntegralSubstrate／Package)技术，将微电路或组件的基板作为封装的载体。，在基板上直接引出封装的I／O端子并装连封装体的其他部分，使基板与外壳成为一个封装整体，可以较好地解决高密度集成复杂MCM-C的封装难题。
本文介绍的一种将低温共烧陶瓷(LTCC，Low TemperatureCo-fired Ceramic)基板与封装外壳腔壁、PGA外引线进行一体化封装的方法，有效地实现了LTCC型MCM-C的高性能封装。
2 一体化封装的基本结构与工艺设计
2．1 基本结构
如图1所示，UO引出端为PGA的一体化封装MCM-C由LTCC基板(组件衬底)、钉头针状外引线、封装外壳腔壁和金属盖板等组成。
●LTCC基板制造时，将电学I／O端就近通过金属化孔从基板底面以标准节距(例如2．54mm×2．54mm)呈矩阵排列的外引线金属化焊盘引出、在
基板的顶面网印制作出金属封装腔壁的金属化焊区(焊盘和焊区由粘附层与阻挡层构成，后者覆盖前者)：
●待焊接件在钎焊组装前在三氯乙烷中沸浴洁净，焊接过程中也应保持清洁，以获得最大的焊接粘着力；
●(在基板上安装互连裸芯片等元器件之前)通过钎焊(Brazing)工艺，用合金材料在基板底面的各I／O端子焊盘内焊接上钉头针状外引线或制作出焊球凸点，形成标准PGA引线或标准BGA端子，在基板顶面的焊区中焊接上柯伐封装腔体侧壁(Side Wall)；
●清洗一体化组装了的LTCC多层基板、封装腔壁与PGA引线／BGA端子，去除焊接残渣。
●(在基板上安装互连元器件之后)通过平行缝焊等熔封工艺将柯伐合金盖板与腔体侧壁封接在一起，构成一体化气密性封装的MCM-C。
2.2 封装工艺
一体化封装的基本工艺流程如图2。
3 一体化制造工艺
3.1 材料
本研究所采用的组装、封装直接材料如表1。
3．2 钎焊设备、曲线与工装
我们使用推板式氮气烧结炉和氮氢混合气体(其中H2占3％)链式钎焊炉，均完成了LTCC基板与PGA钉头引线、柯伐合金腔壁的一体化钎焊组装。
基本的钎焊曲线如图3所示，主要参数为周期55min，峰值温度410℃(2min)、升温速率25℃／min(100-410℃)、降温速率17．5℃／min(410—200℃)和6℃／min(200-100℃)。
一体化组装的主要工装有石墨舟和黄铜压块，如图4所示。石墨舟上开槽，用于LTCC基板定位，槽底钻出通孔阵列，用于插装PGA钉头引线；在外壳腔壁上搁置黄铜压块，有助于提高钎焊的连接可靠性。
3．3 工艺操作
一体化钎焊组装可按如下过程操作：
(a)将分立的钉头引线插入石墨舟上按PGA节距排布的阵列通孔中；
(b)在LTCC基板顶面的腔壁框形金属化焊区和底面的PGA外引线金属化焊盘上涂布钎焊合金焊料膏膜层；
(c)将涂有焊料膜层的LTCC基板底面向下放入石墨舟的槽腔中，依靠槽的边沿使基板的PGA焊盘与钉头引线一一对准；
(d)在LTCC基板顶面上放置柯伐合金外壳腔壁，腔壁对准焊料膜层区；
(e)用黄铜压块压好窗框形外壳腔壁；
(f)将由工装夹具对准和定位的整个组装套件送人炉中完成钎焊。
4 封装的性能检测试验
我们按《GJB548A-96微电子器件试验方法和程序》对应方法的规定，对一体化封装的样品进行了“引线疲劳”、“引线拉力”和“密封”等试验，结果参见表2，主要性能指标基本能达到国军标的要求。
5 一体化LTCC基板／外壳的发展方向
我们认为，以下几个方面将是LTCC一体化基板／外壳技术的较好发展方向，应该给予较大关注：
5．1 封装腔壁与基板共烧
先采用开空腔技术，使用与LTCC基板相同材质和收缩率(最好是无收缩)的生瓷(但厚度可为基板生瓷厚的1-5倍)，制作窗框形封装腔壁多层瓷
片，再将这些腔壁多层瓷片与基板多层瓷片叠、压成一体后共烧，获得一体化的陶瓷基板／外壳，最后钎焊PGA外引线。
应用这种腔壁与基板共烧的方法，可以制作出系列、通用的大腔体陶瓷PGA外壳，满足专用HIC、MCM的需要。
5．2 细节距面阵PGA
PGA面阵的节距以标准的2．54mm×2．54mm(0．1”×0．1”)应用较多，但在有些应用场合，必须有效地提高单位封装面积内的I／0端子(外引线)数，可将一体化基板／外壳的外引线PGA面阵设计为下列两种之一：
a．节距1．778mm×1．778mm(0．07”×0．07”)正交面阵排列，引线区的端子／面积比率达到31．63个／cm2(节距2．54mm×2．54mm时为15．5个／cm2)；
b．节距2．54mm×2．54mm按相邻行、相邻列均错位1．27mm排列，引线区的端子／面积比率为31个／cm2。
5．3 BGA一体化封装 将LTCC基板与外壳腔壁进行一体化钎焊或一体化共烧后，采用置球工艺在LTCC基板底面的面阵I／O端子焊盘上制作出BGA焊球凸点端子，形成一体化的基板／BGA外壳。
这种一体化封装的BGA正交面阵节距可制作成1．27mm×1．27mm(0．05”×0．05”)、lmm×lmm(0．04”×0．04”)、0．635mm×0．635mm(0．025”×0．025”)，因而具有很高的引线区的端子／面积比率，可分别达到62个／cm2、100个／cm2、248个／cm2。
6 结束语
可以看出，一体化LTCC基板／外壳技术具有较强的实用性和很好的发展前景，值得我们加大投入进行研究和实际产品开发。 目前，仍有两个问题需进一步攻关解决：
①PGA一体化LTCC基板／外壳封装的引线拉力还未完全达到GJB548A-96之“方法2028针栅阵列式封装破坏性引线拉力试验”规定的指标要求(如表2所示)，少数引线拉力偏低主要是由于施加的焊料量过少或引线钉头的中心偏离引线焊盘较多造成的。因此，除了工艺操作应保证焊料层的厚度与均匀性外，工装夹具的精度将是一个要重点考虑的因素。
②我们采用的是镀金的外壳腔壁和DuPont金系列的钎焊用导体浆料5062/5063、合金焊料5087，价格昂贵，使其在实际产品上的应用受制于成本的因素太大。所以，必须改用镀镍腔壁和银(钯)基的钎焊导体层和焊料，以大幅度地降低一体化基板／外壳封装的材料成本。
本研究的先期试验工作得到了信息电子43所封装技术研究室张崎主任和同事们的大力帮助，作者深感谢意；同时，也感谢(美)BTU International公司为我们完成的相关一体化钎焊试验。本文摘自《电子与封装》
摘 要：本文介绍了LTCC一体化基板／外壳封装的设计、制作与性能检测。
关键词：一体化基板/外壳；LTCC；钎焊；PGA
中图分类号：TN305．94 文献标识码：A
1 前言
陶瓷多芯片组件(MCM-C)作为厚膜HIC发展的高级阶段和一种实用的多芯片组件(MCM)，具有互连层数多、集成密度大、电学性能优、制造成本低等显著优点，得到了越来越广泛的应用，高密多层互连的MCM-C为实现复杂电子学单元、子系统甚至系统的小型化集成提供了其他微组装技术难以比拟的优势。然而，随着所集成对象的电学功能复杂性的增加和MCM-C的不断发展，MCM-C在基板绝对面积较大的同时因I／O数量多、组装效率高而造成单位面积基板上的外引线数很多，使其封装面临着减小外形尺寸、提高封装效率、保证I／O数量的难题。目前，市场可提供的PGA、BGA外壳仅适用于半导体IC芯片的封装，腔体小且外引线数量有限，而金属外壳虽可以封装较大尺寸的电路或组件，但外引线数量难以提高。因此，都无法满足高密度MCM-C封装的需要。
采用一体化基板／外壳(1SP，IntegralSubstrate／Package)技术，将微电路或组件的基板作为封装的载体。，在基板上直接引出封装的I／O端子并装连封装体的其他部分，使基板与外壳成为一个封装整体，可以较好地解决高密度集成复杂MCM-C的封装难题。
本文介绍的一种将低温共烧陶瓷(LTCC，Low TemperatureCo-fired Ceramic)基板与封装外壳腔壁、PGA外引线进行一体化封装的方法，有效地实现了LTCC型MCM-C的高性能封装。
2 一体化封装的基本结构与工艺设计
2．1 基本结构
如图1所示，UO引出端为PGA的一体化封装MCM-C由LTCC基板(组件衬底)、钉头针状外引线、封装外壳腔壁和金属盖板等组成。
●LTCC基板制造时，将电学I／O端就近通过金属化孔从基板底面以标准节距(例如2．54mm×2．54mm)呈矩阵排列的外引线金属化焊盘引出、在
基板的顶面网印制作出金属封装腔壁的金属化焊区(焊盘和焊区由粘附层与阻挡层构成，后者覆盖前者)：
●待焊接件在钎焊组装前在三氯乙烷中沸浴洁净，焊接过程中也应保持清洁，以获得最大的焊接粘着力；
●(在基板上安装互连裸芯片等元器件之前)通过钎焊(Brazing)工艺，用合金材料在基板底面的各I／O端子焊盘内焊接上钉头针状外引线或制作出焊球凸点，形成标准PGA引线或标准BGA端子，在基板顶面的焊区中焊接上柯伐封装腔体侧壁(Side Wall)；
●清洗一体化组装了的LTCC多层基板、封装腔壁与PGA引线／BGA端子，去除焊接残渣。
●(在基板上安装互连元器件之后)通过平行缝焊等熔封工艺将柯伐合金盖板与腔体侧壁封接在一起，构成一体化气密性封装的MCM-C。
2.2 封装工艺
一体化封装的基本工艺流程如图2。
3 一体化制造工艺
3.1 材料
本研究所采用的组装、封装直接材料如表1。
3．2 钎焊设备、曲线与工装
我们使用推板式氮气烧结炉和氮氢混合气体(其中H2占3％)链式钎焊炉，均完成了LTCC基板与PGA钉头引线、柯伐合金腔壁的一体化钎焊组装。
基本的钎焊曲线如图3所示，主要参数为周期55min，峰值温度410℃(2min)、升温速率25℃／min(100-410℃)、降温速率17．5℃／min(410—200℃)和6℃／min(200-100℃)。
一体化组装的主要工装有石墨舟和黄铜压块，如图4所示。石墨舟上开槽，用于LTCC基板定位，槽底钻出通孔阵列，用于插装PGA钉头引线；在外壳腔壁上搁置黄铜压块，有助于提高钎焊的连接可靠性。
3．3 工艺操作
一体化钎焊组装可按如下过程操作：
(a)将分立的钉头引线插入石墨舟上按PGA节距排布的阵列通孔中；
(b)在LTCC基板顶面的腔壁框形金属化焊区和底面的PGA外引线金属化焊盘上涂布钎焊合金焊料膏膜层；
(c)将涂有焊料膜层的LTCC基板底面向下放入石墨舟的槽腔中，依靠槽的边沿使基板的PGA焊盘与钉头引线一一对准；
(d)在LTCC基板顶面上放置柯伐合金外壳腔壁，腔壁对准焊料膜层区；
(e)用黄铜压块压好窗框形外壳腔壁；
(f)将由工装夹具对准和定位的整个组装套件送人炉中完成钎焊。
4 封装的性能检测试验
我们按《GJB548A-96微电子器件试验方法和程序》对应方法的规定，对一体化封装的样品进行了“引线疲劳”、“引线拉力”和“密封”等试验，结果参见表2，主要性能指标基本能达到国军标的要求。
5 一体化LTCC基板／外壳的发展方向
我们认为，以下几个方面将是LTCC一体化基板／外壳技术的较好发展方向，应该给予较大关注：
5．1 封装腔壁与基板共烧
先采用开空腔技术，使用与LTCC基板相同材质和收缩率(最好是无收缩)的生瓷(但厚度可为基板生瓷厚的1-5倍)，制作窗框形封装腔壁多层瓷
片，再将这些腔壁多层瓷片与基板多层瓷片叠、压成一体后共烧，获得一体化的陶瓷基板／外壳，最后钎焊PGA外引线。
应用这种腔壁与基板共烧的方法，可以制作出系列、通用的大腔体陶瓷PGA外壳，满足专用HIC、MCM的需要。
5．2 细节距面阵PGA
PGA面阵的节距以标准的2．54mm×2．54mm(0．1”×0．1”)应用较多，但在有些应用场合，必须有效地提高单位封装面积内的I／0端子(外引线)数，可将一体化基板／外壳的外引线PGA面阵设计为下列两种之一：
a．节距1．778mm×1．778mm(0．07”×0．07”)正交面阵排列，引线区的端子／面积比率达到31．63个／cm2(节距2．54mm×2．54mm时为15．5个／cm2)；
b．节距2．54mm×2．54mm按相邻行、相邻列均错位1．27mm排列，引线区的端子／面积比率为31个／cm2。
5．3 BGA一体化封装 将LTCC基板与外壳腔壁进行一体化钎焊或一体化共烧后，采用置球工艺在LTCC基板底面的面阵I／O端子焊盘上制作出BGA焊球凸点端子，形成一体化的基板／BGA外壳。
这种一体化封装的BGA正交面阵节距可制作成1．27mm×1．27mm(0．05”×0．05”)、lmm×lmm(0．04”×0．04”)、0．635mm×0．635mm(0．025”×0．025”)，因而具有很高的引线区的端子／面积比率，可分别达到62个／cm2、100个／cm2、248个／cm2。
6 结束语
可以看出，一体化LTCC基板／外壳技术具有较强的实用性和很好的发展前景，值得我们加大投入进行研究和实际产品开发。 目前，仍有两个问题需进一步攻关解决：
①PGA一体化LTCC基板／外壳封装的引线拉力还未完全达到GJB548A-96之“方法2028针栅阵列式封装破坏性引线拉力试验”规定的指标要求(如表2所示)，少数引线拉力偏低主要是由于施加的焊料量过少或引线钉头的中心偏离引线焊盘较多造成的。因此，除了工艺操作应保证焊料层的厚度与均匀性外，工装夹具的精度将是一个要重点考虑的因素。
②我们采用的是镀金的外壳腔壁和DuPont金系列的钎焊用导体浆料5062/5063、合金焊料5087，价格昂贵，使其在实际产品上的应用受制于成本的因素太大。所以，必须改用镀镍腔壁和银(钯)基的钎焊导体层和焊料，以大幅度地降低一体化基板／外壳封装的材料成本。
本研究的先期试验工作得到了信息电子43所封装技术研究室张崎主任和同事们的大力帮助，作者深感谢意；同时，也感谢(美)BTU International公司为我们完成的相关一体化钎焊试验。本文摘自《电子与封装》