LTCC技术在系统级封装电路领域的应用

0 引言

　　微电子封装经历了双列直插(DIP)封装、小外廓(SOP)封装、四边引线扁平(QPF)封装、球形阵列封装(BGA)和芯片尺寸(CSP)封装等，尺寸越来越小，电子器件也由分立器件、集成电路、片上系统 (SOC)，发展到更为复杂的系统级封装电路(SIP)。SIP使用微组装和互连技术，能够把各种集成电路如CMOS电路、GaAs电路、SiGe电路或者光电子器件、MEMS器件以及各类无源元件如电阻、电容、电感、滤波器、耦合器等集成到一个封装体内，因而可以有效而又最便宜地使用各种工艺组合，实现整机系统的功能。

　　LTCC技术是近年来兴起的一种令人瞩目的整合组件技术，由于LTCC材料优异的电子、机械、热力特性，广泛用于基板、封装及微波器件等领域，是实现系统级封装的重要途径。现在已经研制出了把不同功能整合在一个器件里的产品，成功地应用在无线局域网、地面数字广播、全球定位系统接收机、微波系统等，及其他电源子功能模块、数字电路基板等方面。

　　本文主要讨论基于LTCC技术实现SIP的优势和特点，并结合开发的射频前端SIP给出了应用实例。

　　1 LTCC技术实现SIP的优势特点

　　LTCC技术是将低温烧结陶瓷粉末制成厚度精确而且致密的生瓷带，在生瓷带上利用冲孔或激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制作出所需要的电路图形，并可将无源元件和功能电路埋人多层陶瓷基板中，然后叠压在一起，在850～900℃下烧结，制成三维空间的高密度电路。基于LTCC的 SIP相比传统的SIP具有显著的优势，最大优点就是具有良好的高速、微波性能和极高的集成度。具体表现在以下几方面：

　　(1)IXCC技术采用多层互连技术，可以提高集成度，IBM实现的产品已经达到一百多层。NTT未来网络研究所以LTCC模块的形式制作出用于发送毫米波段60GHz频带的SIP产品，尺寸为12 mm×12 mm×1.2 mm，18层布线层由0.1 mm×6层和0.05 mm×12层组成，集成了带反射镜的天线、功率放大器、带通滤波器和电压控制振荡器等元件。LTCC材料厚度目前已经系列化，一般单层厚度为10～100 μm。

　　(2)LTCC可以制作多种结构的空腔，并且内埋置元器件、无源功能元件，通过减少连接芯片导体的长度与接点数，能集成的元件种类多，易于实现多功能化和提高组装密度。提高布线密度和元件集成度，减少了SIP外围电路元器件数目，简化了与SIP连接的外围电路设计和降低了电路组装难度和成本。

　　(3)根据配料的不同，LTCC材料的介电常数可以在很大的范围内变动，可根据应用要求灵活配置不同材料特性的基板，提高了设计的灵活性。比如一个高性能的SIP可能包含微波线路、高速数字电路、低频的模拟信号等，可以采用相对介电常数为3.8的基板来设计高速数字电路；相对介电常数为6～80 的基板完成高频微波线路的设计；介电常数更高的基板设计各种无源元件，最后把它们层叠在一起烧结完成整个SIP的设计。另外，由于共烧温度低，可以采用 Au、Ag、cu等高电导率的材料作为互连材料，具有更小的互连导体损耗，特别适合高频、高速电路的应用。

　　(4)基于LTCC技术的SIP具有良好的散热性。现在的电子产品功能越来越多，在有限的空间内集成大量的电子元器件，散热性能是影响系统性能和可靠性的重要因素。LTCC材料具有良好的热导率，据研究其热导率是有机材料的20倍，并且由于LTCC的连接孔采用是填孔方式，能够实现较好的导热特性。

　　(5)基于LTCC技术的SIP同半导体器件有良好的热匹配性能。LTCC的TCE(热膨胀系数)与Si、GaAs、InP接近，可以直接在基板上进行芯片的组装，这对于采用不同芯片材料的SIP有着非同一般的意义。

　　高频、高速、高性能、高可靠性是数字3C产品发展必然的趋势。预计到2010年SIP的布线密度可达6 000 cm／cm2，热密度达到100 W／cm2，元件密度达5 000／cm2，I／O密度达3 000／cm2。基于LTCC技术的SIP在这些高集成度、大功率应用中，在材料，工艺等方面必将进入一个全新的发展阶段，在未来的应用中占据着越来越重要的地位。

2 应用实例

　　基于LTCC技术，本文研制了一个射频接收前端SIP，并由十三所的IXCC工艺完成。文中采用的工艺最小线宽、线间距均为50 μm；孔直径170 μm；同一通孔处最大可以通孔15层；电容值范围为1.0～100 pF；电感值范围为1.0～40 nH；电阻桨料方阻为10 Ω／□、100Ω／□和1 kΩ／□，宽度最小0.2 mm，长度最小0.3 mm，电阻控制精度为内部±20％，表面为±5％。

该射频接收前端SIP为12层LTCC基板，基板尺寸为39 mm×20 mm×1.2 mm。内部贴装GaAs MMIC、CMOS控制电路12个和贴片电