李建輝，丁小聰

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所?微系統(tǒng)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

摘 要：

低溫共燒陶瓷 （ Low Temperature Co-Fired Ceramics, LTCC ） 封裝能將不同種類的芯片等元器件組裝集成于同一封裝體內(nèi)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的某些功能，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化、集成化、多功能化和高可靠性的重要手段?？偨Y(jié)了 LTCC 基板所采用的封裝方式，闡述了 LTCC 基板的金屬外殼封裝、針柵陣列（ Pin Grid Array, PGA） 封裝、焊球陣列（ Ball Grid Array,BGA ） 封裝、穿墻無(wú)引腳封裝、四面引腳扁平 （ Quad Flat Package, QFP ）封裝、無(wú)引腳片式載體 （ Leadless Chip Carrier, LCC ）封裝和三維多芯片模塊 （ Three-Dimensional Multichip Module, 3D-MCM ） 封裝技術(shù)的特點(diǎn)及研究現(xiàn)狀。分析了LTCC 基板不同類型封裝中影響封裝氣密性和可靠性的一些關(guān)鍵技術(shù)因素，并對(duì) LTCC 封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 引言

便攜式通訊系統(tǒng)對(duì)電子產(chǎn)品的需求和對(duì)電子整機(jī)高性能的要求極大地推動(dòng)著電子產(chǎn)品向小型化、集成化、多功能、高頻化和高可靠性等方向發(fā)展，同時(shí)也帶動(dòng)了與之密切相關(guān)的電子封裝技術(shù)的發(fā)展。電子封裝技術(shù)直接影響著電子器件和集成電路的高速傳輸、功耗、復(fù)雜性、可靠性和成本等，因此成為電子領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。在摩爾定律繼續(xù)發(fā)展面臨來(lái)自物理極限、經(jīng)濟(jì)限制等多重壓力的現(xiàn)實(shí)下，以超越摩爾定律為目標(biāo)的功能多樣化成為集成電路技術(shù)發(fā)展的主要方向之一，迫使人們將整機(jī)產(chǎn)品性能的提高更多地轉(zhuǎn)向在封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)多種功能集成的系統(tǒng)產(chǎn)品和封裝中功能密度的提高。

電子封裝按照所使用的封裝材料來(lái)劃分，分為金屬封裝、陶瓷封裝和塑料封裝。金屬封裝氣密性好，不受外界環(huán)境因素的影響，但價(jià)格昂貴，外型靈活性小，不能滿足半導(dǎo)體器件快速發(fā)展的需要；塑料封裝以環(huán)氧樹(shù)脂熱固性塑料應(yīng)用最為廣泛，具有絕緣性能好、價(jià)格低、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，性價(jià)比最高，但是氣密性差，對(duì)濕度敏感，容易膨脹爆裂；陶瓷封裝可與金屬封裝一樣實(shí)現(xiàn)氣密性封裝，具有氣密性好、絕緣性能好、熱膨脹系數(shù)小、耐濕性好和熱導(dǎo)率較高等特點(diǎn)，但也有燒結(jié)精度波動(dòng)、工藝相對(duì)復(fù)雜、價(jià)格貴等不足。集成電路傳統(tǒng)封裝的功能主要是芯片保護(hù)、尺寸放大和電氣連接三項(xiàng)，具有 Fan-in、Fan-out、2.5D、3D 4 類形式的先進(jìn)封裝則在此基礎(chǔ)上增加了“提升功能密度、縮短互連長(zhǎng)度、進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)”三項(xiàng)新功能。傳統(tǒng)封裝本身并不能使芯片的功能產(chǎn)生任何變化，但先進(jìn)封裝提高了組裝密度，系統(tǒng)功能密度得到提升；互連長(zhǎng)度的縮短帶來(lái)性能提升和功耗降低；封裝內(nèi)的系統(tǒng)重構(gòu)使得封裝功能發(fā)生質(zhì)的改變。基于多層布線陶瓷基板的多芯片封裝、系統(tǒng)級(jí)封裝屬于先進(jìn)封裝，先進(jìn)封裝技術(shù)有著寬廣的發(fā)展空間。

低 溫 共 燒 陶 瓷 （Low Temperature Co-Fired Ceramics, LTCC） 是以玻璃 / 陶瓷材料作為電路的介電層，運(yùn)用 Au、Ag、Pd/Ag 等高電導(dǎo)率金屬做內(nèi)外層電極和布線，以平行印刷方式印制多層電路，疊壓后在低于 950 ℃的燒結(jié)爐中共同燒結(jié)而成的一種陶瓷。LTCC 基板具有布線導(dǎo)體方阻小、可布線層數(shù)多、布線密度高、燒結(jié)溫度低、介質(zhì)損耗小、高頻性能優(yōu)異、熱膨脹系數(shù)與多種芯片匹配等優(yōu)點(diǎn)，因而成為一種理想的高密度集成用主導(dǎo)基板。LTCC 可埋置電阻、電容、電感以及天線、濾波器、巴倫、耦合器、雙工器等無(wú)源元件? ，易于形成多種結(jié)構(gòu)的空腔，可與薄膜精密布線技術(shù)結(jié)合或用激光加工實(shí)現(xiàn)更高布線精度和更好性能的混合多層基板 MCM-C/D。LTCC 基板進(jìn)行陶瓷封裝可以提高組件（模塊）對(duì)于高頻、低損耗、高速傳輸、小型化等的封裝要求。LTCC 封裝產(chǎn)品在航天、航空、通信、雷達(dá)等領(lǐng)域已得到重要應(yīng)用，在要求更高數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬以及更低延遲的 5G 領(lǐng)域也已大量使用 LTCC 產(chǎn)品，LTCC 封裝產(chǎn)品使用頻率已超過(guò) 100 GHz，具有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用市場(chǎng)。

完整的 LTCC 封裝應(yīng)是所有有源器件和無(wú)源元件均組裝到基板以后，再焊接上蓋板成為一個(gè)密封整體。但對(duì)于 LTCC 基板和封裝外殼產(chǎn)品生產(chǎn)單位來(lái)說(shuō)，往往不涉及元器件組裝，一般也就不需要進(jìn)行最后的封蓋。因此，本文的 LTCC 封裝主要指確定 LTCC封裝結(jié)構(gòu)形式一般沒(méi)有組裝元器件的一種半成品封裝。本文主要對(duì) LTCC 封裝技術(shù)所涉及的材料與工藝結(jié)合國(guó)內(nèi)外的有關(guān)文獻(xiàn)和已有的一些技術(shù)研究進(jìn)行了綜述，對(duì) LTCC 封裝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。

2 LTCC 封裝材料特性

LTCC 封裝材料是指用于承載電子元器件及其相互連線，起到機(jī)械支撐、密封環(huán)境保護(hù)、信號(hào)傳遞、散熱和屏蔽等作用的基體材料，包括 LTCC 基板、布線、殼體、框架、熱沉、蓋板、焊料等材料，總體上分為L(zhǎng)TCC 基板材料、封裝金屬材料和焊接材料三大類。

2.1 LTCC 基板材料

LTCC 基板材料包括 LTCC 生瓷帶和與生瓷帶配套的導(dǎo)體和電阻等材料。LTCC 所用的布線和通孔連接的導(dǎo)體材料以 Au、Ag、Pd、Pt 等貴金屬或它們的合金（二元合金或三元合金 PdAg、PtAg、PtAu、PtPdAu等）為導(dǎo)電相，其性能穩(wěn)定，工藝成熟，可在空氣氣氛下燒結(jié)。Cu 也是高電導(dǎo)率材料，導(dǎo)熱率較高，焊接性能優(yōu)異，適合低溫?zé)Y(jié)，但由于 Cu 在空氣中受熱后極易氧化，故與 Au、Ag 等貴金屬材料不同，在燒結(jié)時(shí)需有中性氣氛（常用氮?dú)猓┳霰Ｗo(hù)氣體。

多層布線陶瓷基板的燒結(jié)溫度必須在布線導(dǎo)體材料的熔點(diǎn)之下，因此，這些高電導(dǎo)率材料不能用于Al 2 O 3 、AlN 的 高 溫 共 燒 陶 瓷 （High TemperatureCo-Fired Ceramics, HTCC）。表 1 列 出了 LTCC 與HTCC主要導(dǎo)體材料的基本特性比較。

LTCC 封裝用生瓷帶主要有玻璃陶瓷系（微晶玻璃）和玻璃 + 陶瓷系兩類。玻璃陶瓷系在基板燒結(jié)時(shí)析出低介電常數(shù)低損耗微晶相，適合制作高頻組件或模塊用基板，如 Ferro A6M。玻璃 + 陶瓷系以玻璃作為低溫?zé)Y(jié)助劑，陶瓷作為主晶相，改善基板力學(xué)和熱性能，如 DuPont 951，其介電常數(shù)和介電損耗一般比微晶玻璃要大，主要用于中低頻電路基板。對(duì)傳輸線路來(lái)說(shuō)，低介電常數(shù)有利于信號(hào)的高速傳輸（信號(hào)的傳輸延遲時(shí)間正比于介電常數(shù)的方根）。但材料介質(zhì)中的電磁波波長(zhǎng)為真空中波長(zhǎng)的 1/ ε r ■ 倍，所以更高的介電常數(shù)意味著更小的波長(zhǎng)，也意味著使用高介電常數(shù)可以使微波器件的尺寸做得更小。

國(guó)際上，商用 LTCC 材料以美國(guó) DuPont 公司和Ferro 公司為主，它們生產(chǎn)的 LTCC 材料品種齊全，包括生瓷帶、通孔漿料、導(dǎo)體（布線）漿料、電阻漿料和介質(zhì)漿料等全系列 LTCC 材料，既有金系列，也有銀系列和金銀混合系列。LTCC 生瓷帶廠家還有美國(guó) ESL、德國(guó) Heraeus、日本 Kyocera、Murata 等。LTCC 封裝基板材料特性除與 LTCC 生瓷帶和配套漿料有直接關(guān)系外，與基板制作的工藝過(guò)程也有一定關(guān)系。根據(jù)DuPont公司、Ferro 公司和 Heraeus 公司等商家提供的產(chǎn)品性能指標(biāo)信息，部分國(guó)外 LTCC 材料基本性能見(jiàn)表 2。

2.2 LTCC 封裝金屬材料

LTCC 封裝金屬材料主要根據(jù)金屬封裝材料特性進(jìn)行選擇，需要綜合考慮金屬材料的熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、密度、可焊性、工藝成熟性等。含鎳 29%、鈷 18%的 Fe-Ni-Co 系合金稱為可伐（Kovar）合金，其熱膨脹系數(shù)較小，與常用 LTCC 基片熱膨脹系數(shù)相匹配，具有較好的加工性，成本較低，是一種較常用的金屬管殼材料；但其熱導(dǎo)率不高，這也限制了它作為金屬管殼封裝的應(yīng)用范圍。CuW 和 CuMo 合金則結(jié)合了 W、Mo 和 Cu 的許多優(yōu)異特性，從而具有良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性、耐電弧侵蝕性、抗熔焊性和耐高溫、抗氧化性等特點(diǎn)，并且熱膨脹系數(shù)可在一定范圍內(nèi)選擇，主要應(yīng)用于大規(guī)模集成電路和大功率微波器件中，作為熱控板、散熱元件（熱沉材料）和引線框架使用；但因CuW 和 CuMo 密度較大等原因，使用范圍受限，不適于在便攜式電子產(chǎn)品和航空航天裝備中應(yīng)用，在要求電子設(shè)備輕量化的 LTCC 封裝中應(yīng)用越來(lái)越少。鋁硅合金材料具有質(zhì)量輕、熱膨脹系數(shù)較低、熱傳導(dǎo)性能良好、強(qiáng)度和剛度高等優(yōu)點(diǎn)，且與金、銀、鎳可鍍，硅與鋁潤(rùn)濕良好，具有易于精密機(jī)加工、無(wú)毒、成本低廉等優(yōu)越性能，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，成為具有廣闊應(yīng)用前景的電子封裝材料之一。Al/SiC 具有高熱導(dǎo)率、低膨脹系數(shù)、高強(qiáng)度、低密度、良好的導(dǎo)電性等特點(diǎn)，正被越來(lái)越多的學(xué)者所關(guān)注，Al/SiC 作為基板或熱沉材料在國(guó)內(nèi)封裝領(lǐng)域已得到批量應(yīng)用。表 3 為常用封裝金屬材料基本特性表。

2.3 LTCC 封裝焊接材料

LTCC 封裝焊接材料主要作為連接材料，用于LTCC 基板與金屬底板、金屬圍框、引腳的焊接，基板上元器件組裝、焊球連接及基板垂直互連等。LTCC 封裝用焊接材料熔點(diǎn)一般低于 450 ℃，屬于軟釬料。

LTCC 封裝在生產(chǎn)過(guò)程中，需進(jìn)行金屬與陶瓷焊接、元器件組裝、焊球陣列制作、垂直互連等工序，這些組裝和封裝過(guò)程常常是通過(guò)多步焊接完成的。為了使后道工序不影響前道工序焊接結(jié)果（元件回熔和移位），不同工序所用焊料的熔點(diǎn)往往要有一定的溫度差，形成溫度梯度。

LTCC 封裝所用焊料分為有鉛焊料和無(wú)鉛焊料。有鉛焊料主要是鉛錫焊料，其工藝成熟，常用的Sn63Pb37 焊料焊點(diǎn)可靠性、光澤度及一些機(jī)械性能優(yōu)于無(wú)鉛焊料。無(wú)鉛焊料主要指金系焊料和錫銀系焊料。雖然無(wú)鉛焊料工藝、物理等某些特性不如鉛錫焊料，但無(wú)鉛焊料在某些方面也表現(xiàn)出良好的特性，如錫銀銅焊料具有鉛錫焊料 1.5~2.0 倍的抗張強(qiáng)度和優(yōu)秀的抗熱疲勞性能，金錫焊料具有比鉛錫焊料高得多的抗拉強(qiáng)度和優(yōu)異的抗氧化性。無(wú)鉛化也是電子材料的一個(gè)發(fā)展方向。

根據(jù)常用焊料使用溫度的不同，焊料大致分為高溫焊料、中溫焊料和低溫焊料。通常把熔點(diǎn)不小于250 ℃的焊料看作高溫焊料，熔點(diǎn)為 200~250 ℃的焊料為中溫焊料，熔點(diǎn)不大于 200 ℃的焊料看作低溫焊料，這僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的分類。實(shí)際上高溫焊料也有多種，有的熔點(diǎn)低至二百多攝氏度，有的熔點(diǎn)高到近四百攝氏度；低溫焊料也有熔點(diǎn)約 120 ℃、140 ℃、180 ℃等不同種類。LTCC 封裝焊接材料有焊膏和焊片，焊膏更適合微小元器件和焊球等多點(diǎn)位置的焊接，焊片常用于圍框、基板等面積相對(duì)較大的焊件和精確尺寸（焊料逸出少）焊件的焊接。Au80Sn20、Au88Ge12 等焊料需在氮?dú)獗Ｗo(hù)或真空氣氛下焊接，其成本較高，主要用于金屬與?LTCC?基板氣密性焊接；鉛錫焊料、錫銀系焊料等可在空氣氣氛中焊接，主要用于元器件焊接和垂直互連等。廣州先藝電子科技有限公司是一家先進(jìn)封裝連接材料的國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)，研發(fā)和生產(chǎn)的許多焊料可用于?LTCC?封裝，表?4?為該公司部分焊片材料的物理性能。

3 LTCC 封裝技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1 LTCC 金屬外殼封裝

LTCC 金屬外殼封裝與傳統(tǒng)厚膜多層氧化鋁基板金屬外殼封裝相似，是將 LTCC 基板焊接或粘接在金屬外殼內(nèi)部底面上，通過(guò)金屬外殼上鑲嵌的絕緣子或連接器實(shí)現(xiàn)外殼內(nèi)外電連接的一種封裝，通常用于高可靠性的電子產(chǎn)品或定制的有特殊性能要求的軍事或航空航天產(chǎn)品中。金屬外殼可單面開(kāi)腔焊接 LTCC基板，也可雙面開(kāi)腔焊接 LTCC 基板。LTCC 基板上組裝元器件后可對(duì)金屬外殼進(jìn)行平行縫焊或激光焊接封蓋。LTCC 金屬外殼封裝的優(yōu)點(diǎn)是氣密性好、通用性強(qiáng)，工藝相對(duì)成熟，是不同 LTCC 封裝形式中應(yīng)用較多的一種。

LTCC 金屬外殼封裝需選擇熱性能和密度適當(dāng)?shù)慕饘偻鈿ぁ⒑噶虾秃附臃绞?。目前，LTCC 基板常用的金 屬 外 殼 材 料 有 Al/Si、 鈦 合 金 等 ，Au80Sn20、Pb90Sn10 焊片或焊膏在高溫焊接時(shí)使用，Sn96.5Ag3.5焊片或焊膏在中溫焊接時(shí)使用，Sn96.5Ag3.0Cu0.5、Pb63Sn35Ag2?焊片或焊膏在低溫焊接時(shí)使用。

為避免基板與金屬外殼底板焊接后存在熱膨脹系數(shù)差異而引起基板開(kāi)裂和焊接面變形等問(wèn)題，所選擇的金屬管殼的熱膨脹系數(shù)與 LTCC 基板的熱膨脹系數(shù)應(yīng)盡可能接近。從表 3 可見(jiàn)，CuW 和 CuMo 的熱膨脹系數(shù)與現(xiàn)在常用的 DuPont 951 和 Ferro A6M 等LTCC 基板的熱膨脹系數(shù)相近，其熱導(dǎo)率也較高，但由于 CuW 和 CuMo 密度較大，故很少用于 LTCC 金屬外殼封裝。

鋁硅材料因具有密度較小、熱導(dǎo)率較高、熱膨脹系數(shù)可在一定范圍調(diào)節(jié)且加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，在氣密性金屬封裝外殼中受到重視。LTCC 基板與鋁硅封裝外殼的結(jié)合則較好地實(shí)現(xiàn)了“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”。秦超對(duì)Al-50% Si 封裝殼體與 LTCC 基板進(jìn)行了釬焊試驗(yàn)（所選 LTCC 基板的熱膨脹系數(shù)為 7.2×10 -6 /℃），在殼體與基板尺寸達(dá)到 71 mm×60 mm 時(shí)，尚未發(fā)現(xiàn) LTCC 基板出現(xiàn)裂紋，電路通斷檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)完好，基板電路沒(méi)有發(fā)生破壞，但殼體底面變形較大。筆者采用 Al-40% Si封裝殼體與 LTCC 基板進(jìn)行焊接，未發(fā)現(xiàn) LTCC 基板出現(xiàn)裂紋和殼體底面變形問(wèn)題，氣密性漏氣速率小于1×10 -3 Pa·cm 3 /s，應(yīng)用頻率為 X~Ka 頻段。圖 1 所示為筆者單位某 LTCC 金屬外殼封裝基板樣品。

在用焊膏或需加助焊劑的焊片進(jìn)行 LTCC 基板與金屬底板的焊接時(shí)，由于焊膏和助焊劑含有有機(jī)物，加熱焊接時(shí)有機(jī)物會(huì)揮發(fā)掉，因此基板與金屬底板焊接后常常存在許多空洞，有時(shí)單個(gè)最大空洞面積大于焊接面積的 10%，總空洞面積大于 30%，導(dǎo)致封裝產(chǎn)品質(zhì)量不符合要求。王青等對(duì) LTCC 與鋁硅管殼的金錫焊接空洞率進(jìn)行研究，通過(guò)優(yōu)化焊接溫度、焊接壓力、焊片厚度、升降溫速率等，使 LTCC 封裝產(chǎn)品獲得較低的空洞率和良好的金錫焊接面，通過(guò)了恒定加速度、隨機(jī)振動(dòng)和機(jī)械沖擊等相關(guān) GJB 考核。對(duì)于 LTCC 基板與金屬底板的大面積焊膏焊接，通過(guò)在基板厚膜金屬化層上制作阻焊網(wǎng)格線，使之成為焊接時(shí)揮發(fā)氣體的逸出通道，可使 LTCC 基板大面積焊接后的空洞率下降，最大空洞面積大大減小。

3.2 LTCC 針柵陣列封裝

LTCC 針柵陣列（Pin Grid Array, PGA）封裝是在LTCC 基板表面焊接金屬圍框作為封裝框體、底面焊接金屬 PGA 作為 I/O 端的一種封裝，LTCC PGA 封裝示意圖如圖 2 所示。將 LTCC 電路基板作為封裝載體，在基板上直接引出封裝的 I/O 端子，使基板與圍框和蓋板成為一個(gè)整體的封裝也稱為 LTCC(/ 金屬)一體化封裝。在 LTCC 基板上焊接圍框后再組裝元器件，即可通過(guò)平行縫焊等封上蓋板實(shí)現(xiàn)氣密性封裝。

PGA 封裝具有比周邊引出的金屬外殼封裝更多的 I/O 引腳數(shù)以及更低的引線電感、電容和信號(hào)噪聲。LTCC PGA 引腳中心距離（節(jié)距）有 2.54 mm 和1.27 mm 等，常用 2.54 mm。為了保證 LTCC 基板上元器件的順利焊接組裝，LTCC 基板與金屬圍框和引腳插針通常采用 Au80Sn20、Au88Ge12 等金系焊料或高溫鉛錫焊料同時(shí)焊接，基板上的元器件可采用中溫或低溫焊料焊接。LTCC PGA 封裝制作時(shí)，金屬圍框和引腳插針一般采用熱膨脹系數(shù)與 DuPont 951 和 FerroA6M 基板比較匹配而成本又不很高的 Kovar 材料（表面電鍍鎳金）。

何中偉等在國(guó)內(nèi)較早采用 AuSnCuAg 焊膏在20 層 DuPont 951 LTCC 基板上焊接金屬圍框和引腳實(shí)現(xiàn) LTCC PGA 封裝，PGA 陣列節(jié)距為 2.54 mm×2.54 mm，引線區(qū)的引腳端子與面積比為 15.5 個(gè) /cm 2 ，引線疲勞和拉力均合格，密封漏率不大于 5.8×10 -3 Pa·cm 3 /s，主要性能指標(biāo)基本達(dá)到國(guó)軍標(biāo)要求。周冬蓮等采用 Au88Ge12 焊料作為 PGA 的引線焊接材料，通過(guò)真空共晶焊的方法制作 LTCC PGA，引腳節(jié)距為 2.54 mm，測(cè)試了 2 只樣品中的所有引腳（共 128根直徑為 0.45mm的引腳），引腳的拉力均大于41.28N。

3.3 LTCC 焊球陣列封裝

LTCC 焊球陣列（Ball Grid Array, BGA） 封裝是LTCC 基板表面焊接金屬圍框作為封裝框體、底面焊接焊球作為 I/O 端的一種封裝，LTCC BGA 封裝示意圖如圖 3 所示。LTCC BGA 氣密性封裝也屬于 LTCC一體化封裝。

BGA 封裝是一種更高效率的封裝，具有比周邊引出的金屬外殼封裝更多的 I/O 引腳數(shù)。PGA 封裝的引腳節(jié)距難以比 1.27 mm 更小，而 BGA 焊球節(jié)距可以更小，I/O 引腳密度將比 PGA 封裝更高。LTCC BGA封裝引腳很短，垂直連接的電流路徑也很短，BGA 封裝具有比其他引線連接低得多的引腳電感；BGA 焊球呈面陣分布，有利于基板散熱。

LTCCBGA 封裝焊球節(jié)距一般有 1.5mm、1.27mm、1.0 mm、0.8 mm、0.6 mm 等；常用焊球直徑有 0.89 mm、0.76 mm、0.6 mm、0.5 mm、0.4 mm、0.3 mm 等；焊球亦有高溫、中溫和低溫不同熔點(diǎn)；材料以鉛錫、錫銀類為主，也有塑料芯焊球（Plastic-Core Solder Balls）。進(jìn)行?BGA?封裝的?LTCC?基板表面需預(yù)先成膜以適合金錫或鉛錫等焊接。

LTCC 封裝所用金屬圍框一般采用電鍍鎳金的Kovar 材料。LTCC 基板與金屬圍框、焊球和元器件的焊接需有一定的溫度梯度。高可靠 LTCC BGA 封裝一般采用金系高溫焊料（如 Au80Sn20、Au88Ge12）進(jìn)行 LTCC 基板與金屬圍框的焊接，然后根據(jù)元器件組裝焊接工藝順序的不同選擇不同熔點(diǎn)的鉛錫焊球進(jìn)行植球。若先組裝元器件，則元器件用中溫焊膏（如Sn96.5Ag3.0Cu0.5、Sn96.5Ag3.5）焊接組裝，最后植球則選擇低熔點(diǎn)焊球（如 Sn63Pb37、Sn62Pb36Ag2）；若先做 LTCC BGA 封裝外殼以便提供給用戶組裝，則采用高溫焊球（如 Pb92.5Sn5Ag2.5）植球，元器件可用中溫焊膏或低溫焊膏焊接組裝。BGA 植球時(shí)可采用與焊球熔點(diǎn)溫度相同或更低的焊膏，也可采用助焊劑實(shí)現(xiàn)LTCC 基板與焊球的焊接，焊球的剪切強(qiáng)度需要達(dá)到一定要求。

展丙章等采用金鍺焊料焊接 LTCC 基板與Kovar 金屬圍框，選用了溫度較低的鉛錫焊料進(jìn)行芯片倒裝焊，用低溫固化導(dǎo)電環(huán)氧料粘接芯片，用含銦的低溫焊料進(jìn)行背面植球，焊球節(jié)距為 2.54 mm、直徑為 1.5 mm，滿足漏率不大于 1×10 -3 Pa·cm 3 /s 的封裝要求。

吳建利等用 Au88Ge12 焊接金屬圍框、底面植上 Pb92.5Sn5Ag2.5 高溫焊球，通過(guò)選擇合適的焊片厚度、焊接壓力、焊接面處理方式、焊接設(shè)備和氣氛、焊接曲線等，實(shí)現(xiàn)了 LTCC 基板與 Kovar 圍框的氣密性焊接，產(chǎn)品封蓋前漏率不大于 1×10 -3 Pa·cm 3 /s。

筆者采用 Sn63Pb37 焊球在 LTCC 基板上制作了節(jié)距為 1.5 mm、焊球直徑為 0.76 mm 的 1156（34×34）個(gè)焊球的 BGA 樣品，LTCC BGA 封裝樣品見(jiàn)圖 4（a），穩(wěn)定性烘烤（150 ℃，1000 h）和溫度循環(huán)（-65~150 ℃，20 次）試驗(yàn)后焊球剪切強(qiáng)度大于 9.8 N（GJB7677-2012《球柵陣列試驗(yàn)方法》中推薦最小值為7.0 N）。在帶空腔的 LTCC T/R 模塊表面筆者制作了節(jié)距為 0.6 mm、焊球直徑為 0.3 mm（相當(dāng)于焊球密度277 個(gè) /cm 2 ）的系列焊球的非氣密性 BGA 封裝模塊，LTCC BGA 封裝樣品見(jiàn)圖 4（b），焊球剪切強(qiáng)度大于 2 N（GJB7677-2012中推薦最小值為 1.4 N）。非氣密性 LTCC BGA 封裝模塊組裝于載板后可根據(jù)需要進(jìn)行下一級(jí)的氣密性封裝。

3.4 LTCC 穿墻無(wú)引腳封裝

LTCC 穿墻無(wú)引腳封裝是 LTCC 基板表面焊接金屬圍框作為封裝框體、I/O 端頭為從 LTCC 基板內(nèi)部引出到圍框外側(cè)的金屬化導(dǎo)帶的一種封裝形式，LTCC 穿墻無(wú)引腳封裝示意圖見(jiàn)圖 5。穿墻是金屬化導(dǎo)帶從框內(nèi)穿過(guò)金屬圍框下部的瓷體而出現(xiàn)在圍框外部，該導(dǎo)帶與 LTCC 基板共燒而成。通過(guò)穿墻導(dǎo)帶，可以將組件的引出線從密封的腔體內(nèi)部引出來(lái)。

LTCC 穿墻無(wú)引腳封裝也是一種 LTCC 一體化封裝。LTCC 穿墻無(wú)引腳封裝一般帶有金屬底板。金屬底板可以作為熱沉增加基板散熱、提高封裝體機(jī)械強(qiáng)度以及便于安裝，還可以提高封裝體的氣密性；也可以不帶金屬底板，基板底面提供可焊接的金屬化膜層，用于與載板焊接。

LTCC 基板和導(dǎo)體漿料均含有較多溶劑和粘結(jié)劑等有機(jī)物，排膠燒結(jié)時(shí)，這些有機(jī)物必須釋放出去，因此穿墻部位的基板與導(dǎo)體界面結(jié)合處更有可能存在微小排氣通道。這種具有穿墻結(jié)構(gòu)的 I/O 端頭的設(shè)計(jì)和工藝不僅影響 T/R 組件的信號(hào)傳輸，也影響LTCC基板的氣密性。大面積的地層穿墻結(jié)構(gòu)嚴(yán)重影響LTCC 一體化封裝外殼的氣密性。

針對(duì) LTCC 穿墻無(wú)引腳封裝氣密性這一問(wèn)題，呂洋等采用地層的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)減少穿墻結(jié)構(gòu)中導(dǎo)體材料與生瓷的接觸面積，將穿墻部分的大面積地層設(shè)計(jì)成多處露瓷的漏空結(jié)構(gòu)，使得上下兩層之間更多生瓷帶直接連接，在共燒時(shí)這些空白區(qū)域燒成致密的陶瓷，這樣不僅減少了氣體泄漏通道，同時(shí)保證了接地的連續(xù)性?？紤]到穿墻微帶傳輸 I/O 信號(hào)的作用，穿墻微帶線仍保持完整形狀；另外研究發(fā)現(xiàn)熱壓工藝參數(shù)和所用穿墻金屬漿料種類對(duì) LTCC 穿墻無(wú)引腳封裝的氣密性也有一定影響，通過(guò)調(diào)整內(nèi)層穿墻導(dǎo)體布線設(shè)計(jì)，優(yōu)化熱壓參數(shù)和導(dǎo)體漿料品種，實(shí)現(xiàn)了LTCC 穿墻無(wú)引腳封裝產(chǎn)品漏率低于 1×10 -3 Pa·cm 3 /s。這種穿墻無(wú)引腳封裝 LTCC 基板與金屬圍框和底板的焊接一般采用 Au80Sn20 或 Au88Ge12 等高溫焊料進(jìn)行，可以留下足夠的溫度區(qū)間進(jìn)行內(nèi)部元器件的焊接和組裝。張生春等介紹了一種基于 LTCC 工藝的微帶-帶狀線-微帶過(guò)渡傳輸電路，可用于有氣密性要求的微波信號(hào)穿墻傳輸?shù)?LTCC 封裝。通過(guò)采用信號(hào)線和帶狀線地同時(shí)漸變過(guò)渡，達(dá)到了良好的場(chǎng)匹配，可在微波毫米波模塊或組件中廣泛應(yīng)用。圖 6 所示為筆者單位某 LTCC 穿墻無(wú)引腳封裝樣品。

3.5 LTCC QFP 封裝

LTCC 四面引腳扁平封裝（Quad Flat Package,QFP）是 LTCC 基板表面焊接金屬圍框作為封裝框體、基板底面邊緣焊接引線作為 I/O 端的一種封裝，LTCC四面引腳扁平封裝見(jiàn)圖 7。LTCC QFP 封裝也屬于LTCC 一體化封裝。

LTCC 基板與金屬圍框和底面引線一般采用Au80Sn20 或 Au88Ge12 等高溫焊料進(jìn)行焊接。引線焊接時(shí)為互相連在一起的引線框架，通過(guò)模具將引線框架、焊片、基板、圍框等組合在一起進(jìn)行焊接，引線焊接后或組裝元器件后再切去引線邊框。引線節(jié)距一般為2.54 mm，也可根據(jù)需要選擇其他節(jié)距引線。LTCC 四面引腳扁平封裝沒(méi)有焊接底板，LTCC 基板致密性對(duì)整體封裝氣密性有一定影響。對(duì)于這種基板底面外露的封裝要盡量避免直通孔，推薦采用交錯(cuò)通孔，內(nèi)層大面積布線金屬避免外露，接地層和導(dǎo)帶離邊緣距離在 0.3 mm 以上；基板空腔處最小厚度不小于0.4 mm，且盡量避免空腔下有通到正下方底面上的通孔。圖 8 為筆者單位采用 Au80Sn20 焊片焊接 Kovar圍框和引線的 LTCC 四面引腳扁平封裝樣品圖，封裝體氣密性漏率低于 1×10 -2 Pa·cm 3 /s。

3.6 LTCC LCC 封裝

LTCC 無(wú)引腳片式載體（Leadless ChipCarrier, LCC）封裝是 LTCC 基板表面焊接金屬圍框作為封裝框體、I/O 端頭為從 LTCC 基板內(nèi)部引出到基板底部的導(dǎo)體膜層的一種封裝形式，LTCC 無(wú)引腳片式載體封裝示意圖見(jiàn)圖 9。LTCC LCC 氣密性封裝也是 LTCC一體化封裝。

基板底部的導(dǎo)體膜層可以是用于焊接的焊盤(pán)，也可以是用于觸點(diǎn)接觸的非焊接導(dǎo)體?；宓酌娑鄠€(gè)導(dǎo)體膜層形成陣列排布，也稱柵格陣列或平面網(wǎng)格陣列（Land Grid Array, LGA），LGA 也能夠以比較小的封裝容納更多的 I/O 引腳。由于 LCC 封裝沒(méi)有焊球，可使電感進(jìn)一步減小，多應(yīng)用于高速數(shù)字電路。用于焊接的底面導(dǎo)體膜層必須可焊性好，耐焊性較強(qiáng)。LTCC 基板與金屬圍框通常采用 Au80Sn20、Au88Ge12 等金系焊料或高溫鉛錫焊料焊接。

為提高 LTCC LCC 封裝氣密性，基板底面外露的封裝要盡量避免直通孔，內(nèi)層大面積布線金屬避免外露；基板厚度最好不小于 0.8 mm。筆者采用 10 層生瓷片制作 LTCC 基板厚約 1 mm、尺寸為 15 mm×15 mm的 LTCC LCC 樣品，氣密性漏率低于 1×10 -2 Pa·cm 3 /s，樣品見(jiàn)圖 10。趙軍立 [38] 等在 DuPont951 基板上后燒5081/5082 鉑銀導(dǎo)體，采用金錫焊片并用真空爐充甲酸的方式焊接基板與 Kovar 圍框，實(shí)現(xiàn)了 LTCC LCC 封裝，氣密性漏率低于 5.0×10 -3 Pa·cm 3 /s。通過(guò)選擇合適的基板表面狀態(tài)和焊接工藝條件，可以提高 LTCCLCC 封裝氣密性。

何中偉等采用 18 層生瓷制作厚 1.8 mm（空腔處底板厚 1.1 mm）、尺寸為 14.10 mm×11.43 mm 的LTCC 基板，然后在基板上焊接高度為 1 mm 的框架和熔焊厚度為 0.2 mm 的蓋板，所做 LTCC 一體化LCC 封裝產(chǎn)品達(dá)到抗 25000 g/0.1 ms、9591 g/4.5 ms 機(jī)械沖擊應(yīng)力的耐高過(guò)載水平。李杰等通過(guò)在LTCC基板底面引出焊盤(pán)對(duì)應(yīng)的側(cè)壁部位增加輔助焊盤(pán)，可以增強(qiáng) LTCC LCC 組件的焊接強(qiáng)度，獲得更好的抗沖擊性能，提高 LTCC LCC 產(chǎn)品的可靠性。

3.7 LTCC 3D-MCM 封裝

LTCC 三維 多芯 片模 塊（Three-Dimensional Multichip Module, 3D-MCM）封裝是將多塊（不少于 2塊）二維板級(jí) LTCC 模塊（2D-MCM）垂直疊裝并實(shí)現(xiàn)電連 接和 機(jī)械 連接 所形 成組 件的 封裝 ，LTCC 3D-MCM 結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 11。采用垂直互連制作的 LTCC3D-MCM 不僅模塊所占投影表面積和體積縮小，重量減輕，而且由于垂直互連線縮短，互連線阻值、寄生電容和電感減小，信號(hào)延遲縮短，噪聲和損耗將下降，可以進(jìn)一步提高信號(hào)傳輸速度。LTCC 3D-MCM 設(shè)計(jì)時(shí)可將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分成幾個(gè)功能部分，采用 LTCC 技術(shù)分別將幾個(gè)功能部分制作成二維電路模塊，然后通過(guò)隔板將這幾個(gè)二維模塊垂直疊裝成一個(gè)整體。疊裝中隔板用于保證基板上所組裝的元器件不被疊層壓迫，同時(shí)具有上下模塊間電連接和機(jī)械連接的作用。LTCC 3D-MCM 封裝可以是氣密性封裝，獨(dú)立形成多功能模塊或子系統(tǒng)；也可以是非氣密性封裝，構(gòu)成3D-MCM 后再組裝到系統(tǒng)（或子系統(tǒng)）載板上，成為載板上的一部分。

3D-MCM 連接上下層間的垂直互連方式有毛紐扣連接、焊料凸點(diǎn)連接、金屬引線連接、激光直寫(xiě)和刻蝕連接等。激光直寫(xiě)和刻蝕連接主要應(yīng)用于已固化為一體的 3D-MCM 表面的連接。金屬引線比較適用于 PCB 或陶瓷厚膜電路的連接。對(duì)于 LTCC3D-MCM，主要采用毛紐扣與焊料凸點(diǎn)進(jìn)行垂直互連。只要采用的垂直互連方式加上隨后的封裝能夠滿足模塊性能指標(biāo)和可靠性要求，該互連方式就可行。

LTCC 3D-MCM 中，隔板材料通常選擇與 LTCC基板相同的材料，制作方式也與多層基板相同。隔板可獨(dú)立制作，也可與基板結(jié)合制作在一起，形成大空腔結(jié)構(gòu)，圖 12 為隔板與基板結(jié)合組成的 LTCC3D-MCM 結(jié)構(gòu)示意圖。隔板厚度根據(jù)基板上所組裝的元器件的最大高度決定。當(dāng)元器件不高時(shí)，采用適當(dāng)直徑的焊球作為焊料凸點(diǎn)，隔板可以做得很薄，甚至不需要隔板（如僅有芯片等薄元件時(shí)）；當(dāng)組裝有較高的元件時(shí)（如線繞電感和變壓器），隔板較厚，這時(shí)采用隔板與基板結(jié)合的方式增加了工藝復(fù)雜性，也容易因成品率問(wèn)題造成材料損耗增大，因此最好采用獨(dú)立的隔板互連（或多塊隔板互連）方式。文獻(xiàn)[55]提到一種用轉(zhuǎn)接板作為 3D 模塊之間隔板的互連方式。

毛紐扣是一種由細(xì)金屬線編織而成的圓柱體，一般為銅線，表面鍍金。毛紐扣具有一定的伸縮彈性（約有 20%壓縮比），使用時(shí)將其裝入支撐介質(zhì)中，與上下層基板壓緊固定，依靠機(jī)械彈性壓合實(shí)現(xiàn)功能模塊之間或功能模塊與系統(tǒng)基板的垂直互連，能夠提供良好的直流和微波連接，使模塊體積和表面積大大減小，重量減輕。毛紐扣有不需要焊接的優(yōu)點(diǎn)，易于重復(fù)拆卸和維護(hù)。司建文等設(shè)計(jì)了同軸型和三線型兩種毛紐扣微波垂直互連結(jié)構(gòu)，采用直徑為 0.5 mm、高度為 3 mm 的毛紐扣對(duì) Ferro 公司介電常數(shù)為 5.9 的瓷帶做的 LTCC 基板實(shí)現(xiàn)垂直互連，結(jié)果顯示毛紐扣垂直互連模型在 X 波段具有良好的微波特性。王飛等采用毛紐扣實(shí)現(xiàn)了接收 LTCC 基板和發(fā)射 LTCC 基板（包括發(fā)射通道、接收通道和封裝接口等各種功能單元）的垂直互連，用新型鋁硅合金材料實(shí)現(xiàn)了 LTCC垂直互連微波模塊的一體化封裝，一體化封裝漏率不大于 1×10 -2 Pa·cm 3 /s?；ミB點(diǎn)之間通過(guò)毛紐扣實(shí)現(xiàn)良好、可靠的電信號(hào)傳輸，因此對(duì)毛紐扣各組成部分的尺寸設(shè)計(jì)、加工精度和安裝對(duì)位誤差等提出了較高要求；用毛紐扣實(shí)現(xiàn)垂直互連需要絕緣套和金屬框架支撐，這也給組裝帶來(lái)一定的復(fù)雜性，對(duì)模塊小型化有一定影響。

采用焊球作為焊料凸點(diǎn)進(jìn)行垂直互連是一種比較容易實(shí)現(xiàn)的工藝，但正式垂直互連前必須進(jìn)行充分試驗(yàn)，優(yōu)化焊接參數(shù)，確保一次互連成功。3D 垂直互連前需對(duì)各單元模塊進(jìn)行測(cè)試和調(diào)試，確保所疊層的 2D模塊指標(biāo)合格；隔板通斷應(yīng)保證完好，基板與隔板上焊球凸點(diǎn)應(yīng)穩(wěn)定可靠；垂直互連時(shí)盡量選用焊膏（熔點(diǎn)低于焊接元器件的焊膏熔點(diǎn)）作為焊球與焊盤(pán)的互連料并適當(dāng)壓實(shí)，以提高互連的可靠性。采用焊料垂直互連的產(chǎn)品不便拆卸和維護(hù)，焊料垂直互連只適合成熟模塊產(chǎn)品或不需調(diào)試 3D-MCM 內(nèi)部元器件的產(chǎn)品，焊接后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易變形。

圖 13~15 分別為筆者研制的無(wú)隔板、組合隔板和多塊隔板三種不同結(jié)構(gòu)的 LTCC 3D-MCM 產(chǎn)品。圖 13為 3 塊表面貼裝芯片的 LTCC 基板層疊而成的某 T/RLTCC 3D-MCM，基板表面成型有淺空腔用于組裝芯片等薄小元件，基板尺寸為 14 mm×11 mm，采用節(jié)距為 0.8 mm、直徑為 0.4 mm 的焊球陣列實(shí)現(xiàn)垂直互連，模塊底面采用無(wú)引腳的焊盤(pán)作為 I/O 端頭。圖 14 為 1塊 LTCC MCM 底板和 3 塊帶有組合隔板的2D-MCM通過(guò)焊球陣列實(shí)現(xiàn) 4 塊 2D-MCM 垂直互連。LTCC 基板中埋置有電阻、電容（1~2240 pF） 和電感（4~240 nH），底部基板尺寸為 46 mm×46 mm，采用節(jié)距為1.5 mm、直徑為 0.76 mm 的周邊焊球陣列實(shí)現(xiàn)垂直互連。因 3D-MCM 垂直互連時(shí)熱容量較大，分布面較寬的焊料凸點(diǎn)在焊接時(shí)溫差要盡可能小，以便提高焊接質(zhì)量，因此，與 2D-MCM 一體化封裝不同，該3D-MCM的金屬圍框不是先焊接在底板上，而是在 4 塊2D-MCM 垂直互連后再焊接到底板上。封裝蓋板后該LTCC 3D-MCM 尺寸為 46 mm×46 mm×13 mm，組裝密度（即所組裝元器件面積之和 / 模塊投影面積）大于110%，采用 BGA 引出形式；模塊經(jīng)過(guò)高溫貯存（150 ℃,1000h）、溫度循環(huán)（-65~150℃，20 次）、機(jī)械沖擊（500g）環(huán)境試驗(yàn)后，氣密性漏率小于 1.0×10 -2 Pa·cm 3 /s。圖 15為某高壓縮比音視頻非氣密性 LTCC 3D-MCM，該模塊電路由 DSP、AV 和電源 3 塊 LTCC 基板制作，基板布線最小線寬 / 線間距為 100 μm/100 μm、通孔直徑為 100 μm。電路 DSP 和 AV 兩塊基板正反兩面均組裝有元器件，芯片均為塑封芯片，電源基板底面為BGA 引出。該音視頻電路中有高度較大的電感、電容、晶振等元器件，為了防止相鄰疊層基板元器件受壓，基板之間采用焊球加隔板的形式實(shí)現(xiàn)支撐，使用了 6塊隔板，采用節(jié)距為 1.5 mm、直徑為 0.76 mm 的焊球陣列實(shí)現(xiàn)了 9 塊基板和隔板的高層數(shù)垂直互連，垂直互連點(diǎn)數(shù)達(dá)到 1312 個(gè)。層數(shù)增加，焊球占比增大，用焊球替代部分隔板，不僅節(jié)約了材料，而且有利于內(nèi)部散熱。采用三維結(jié)構(gòu)后，功能指標(biāo)均達(dá)到要求，現(xiàn)在的體積不到原體積的四分之一，大大縮小了該電路的表面積和體積，提高了元器件組裝密度。

LTCC 3D-MCM 封裝中的隔板通常采用完整生瓷片挖去中間空白處形成，隔板除四邊保留外，大部分區(qū)域被挖掉，因此，對(duì)于尺寸較大的隔板來(lái)說(shuō)，采用挖空腔方式制作隔板生瓷帶利用率較低，而且過(guò)大的長(zhǎng)寬比和燒結(jié)收縮使得實(shí)際制造出來(lái)的隔板很容易產(chǎn)生翹曲、變形、尺寸誤差等工藝控制問(wèn)題。文獻(xiàn)提到了一種用于三維 MCM 的隔板及其制作方法，通過(guò)制作單邊隔板再拼接形成適用于三維 MCM 的整體隔板，不僅節(jié)省了材料，而且單邊隔板制作簡(jiǎn)單，可避免挖空型隔板翹曲、變形等問(wèn)題，操作方便，工藝靈活。

4 LTCC 封裝技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著數(shù)字化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代的到來(lái)，電子封裝對(duì)小型化、集成化、多功能化、高速高頻、高性能、高可靠、低成本等提出了更高的要求。LTCC 封裝產(chǎn)品在小型化、集成化、高速高頻、高性能等方面具有明顯特色，未來(lái)將繼續(xù)發(fā)展以保持技術(shù)優(yōu)勢(shì)。但常規(guī)LTCC 封裝產(chǎn)品在熱匹配、散熱、成本等方面還存在不足，影響到 LTCC 封裝產(chǎn)品的發(fā)展和在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。解決 LTCC 封裝產(chǎn)品在某些應(yīng)用需求中的關(guān)鍵問(wèn)題成為亟需進(jìn)一步研究攻關(guān)的技術(shù)問(wèn)題。LTCC 封裝產(chǎn)品某些特性的不足更多體現(xiàn)在 LTCC 基板材料品種的不足。有些特殊 LTCC 材料國(guó)外已有產(chǎn)品，如京瓷 GL771 高熱膨脹系列具有特殊性能的 LTCC 封裝產(chǎn)品，但這些特殊 LTCC 材料主要是自用，并不對(duì)我國(guó)出售。因此，我國(guó)要發(fā)展這類具有特殊性能的LTCC 封裝產(chǎn)品，還必須加強(qiáng)研發(fā)這類具有特殊性能的 LTCC 材料，才能從根本上解決問(wèn)題。

4.1 高熱膨脹系數(shù) LTCC 封裝

印制電路板（PCB）是電子設(shè)備常用的集成母版。受元器件封裝尺度的影響和 PCB 加工工藝的限制，PCB 上的集成密度多年來(lái)變化不大，因此要提升電子系統(tǒng)的集成密度，封裝內(nèi)部的集成有著廣闊的空間和靈活的實(shí)現(xiàn)方法。LTCC 封裝具有高密度布線和多芯片組裝等提高集成密度的方式，但作為常用系統(tǒng)母版材料的 PCB 其熱膨脹系數(shù)為 11×10 -6 /℃~17×10 -6 /℃，現(xiàn)有常見(jiàn)的 LTCC 基板材料熱膨脹系數(shù)一般為 6×10 -6 /℃~7×10 -6 /℃，與 PCB 差別較大。當(dāng) LTCC 模塊尺寸不大或采用高引線引腳時(shí)，模塊與PCB 互連點(diǎn)所受熱應(yīng)力影響可能不大。但當(dāng) LTCC 模塊尺寸較大，又采用無(wú)引線端頭或低引線端頭時(shí)，基板與 PCB 的熱膨脹系數(shù)相差較大，溫度變化時(shí)將導(dǎo)致較大的熱應(yīng)力，組裝的模塊將很容易出現(xiàn)互連點(diǎn)斷開(kāi)、基板開(kāi)裂和翹曲等隱患。因此，采用高熱膨脹系數(shù)的 LTCC 基板，選擇合適的互連材料和適當(dāng)?shù)墓に囘M(jìn)行封裝是提高應(yīng)用于 PCB 母版上 LTCC 封裝模塊可靠性的重要手段。另外，采用高熱膨脹系數(shù)的 LTCC 基板后，金屬圍框就可采用密度更小、熱導(dǎo)率更高的 AlSi 等材料，有利于金屬材料的選擇和模塊散熱。高熱膨脹系數(shù) LTCC封裝對(duì)于 LTCC 在高速、超大規(guī)模電路領(lǐng)域及與 PCB母版配套等方面的應(yīng)用具有重要推動(dòng)作用。

4.2 高導(dǎo)熱 LTCC 封裝

電子設(shè)備向小型化、多功能、大功率等方面發(fā)展，將使設(shè)備中模塊的組裝密度和功率密度進(jìn)一步提高，因此，封裝模塊的有效散熱是保證設(shè)備可靠性的一個(gè)重要因素。常用LTCC基板的熱導(dǎo)率是2.0~4.0W·m -1 ·K -1 ，雖然比環(huán)氧樹(shù)脂基板的熱導(dǎo)率（~0.2 W·m -1 ·K -1 ）高，但相比 HTCC 基板的熱導(dǎo)率低很多。當(dāng)封裝模塊功率密度較大時(shí)，LTCC 封裝便面臨散熱問(wèn)題。目前 LTCC 基板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)率的金屬化直通孔陣列；或在基板上開(kāi)直通空腔，將功率元器件直接組裝到散熱板上?；迳祥_(kāi)直通空腔這種散熱方式主要適合于 LTCC 金屬外殼封裝、穿墻無(wú)引腳封裝或可局部焊接金屬底板的封裝，對(duì)封裝氣密性影響相對(duì)較小。對(duì)于不帶金屬底板的 LTCC 封裝，金屬化直通孔對(duì)氣密性有一定影響。在 LTCC 基板中制作微流道也可增強(qiáng)模塊散熱，但增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和體積。因此需要從散熱、可靠性、成本和復(fù)雜性等方面綜合考慮，來(lái)提高 LTCC封裝的散熱能力。若能開(kāi)發(fā)出更高熱導(dǎo)率的 LTCC 基板材料，則是解決高導(dǎo)熱 LTCC 封裝的最佳方案，但目前尚無(wú)商業(yè)化高熱導(dǎo)率的 LTCC 基板材料。因此，不論是通過(guò)基板材料還是導(dǎo)熱材料、微流道等工藝方法提高 LTCC 封裝的散熱能力，實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱 LTCC 封裝將使 LTCC 模塊在更多領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

4.3 低成本 LTCC 封裝

目前 LTCC 封裝產(chǎn)品已在航空、航天、通信、雷達(dá)等領(lǐng)域得到重要應(yīng)用，但現(xiàn)階段高端 LTCC 產(chǎn)品仍以進(jìn)口 LTCC 材料為主，相關(guān)配套的漿料體系主要是以Au、Ag 及 Pt、Pd 等復(fù)合材料為主的貴金屬材料體系，成本較高，顯然，這與電子信息產(chǎn)品的低成本發(fā)展趨勢(shì)不符，影響了 LTCC 封裝產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，因此，需要開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)化 LTCC 生瓷帶及低成本配套導(dǎo)體漿料。

采用表面鍍 NiAu 的純 Ag 體系 LTCC 基板大幅度減少了 Au 的用量，可明顯降低 LTCC 材料成本，但目前純 Ag 體系 LTCC 材料使用還不是很成熟，工藝穩(wěn)定性不夠，需要電鍍或化學(xué)鍍 NiAu，因此需要進(jìn)一步提高純 Ag 體系 LTCC 基板的成品率和穩(wěn)定性，降低純Ag 體系 LTCC 封裝的成本。Cu 導(dǎo)體不僅價(jià)格便宜，而且導(dǎo)電、導(dǎo)熱、焊接等性能優(yōu)異，通過(guò)開(kāi)發(fā)高可靠、低成本的可用 Cu 導(dǎo)體布線的 LTCC 材料，能有效降低LTCC 封裝的成本。目前國(guó)內(nèi)已有清華大學(xué)、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三、四十三研究所等單位開(kāi)展了 Cu導(dǎo)體布線的 LTCC 材料的研究，相信“十四五”期間將取得關(guān)鍵技術(shù)突破。另外，采用更高性價(jià)比的金屬圍框和更低成本的焊料焊接等也能適當(dāng)降低 LTCC 封裝成本。通過(guò)降低 LTCC 封裝成本，可擴(kuò)大 LTCC 產(chǎn)品應(yīng)用市場(chǎng)，促進(jìn)我國(guó)LTCC技術(shù)和應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。

4.4 系統(tǒng)級(jí) LTCC 封裝

系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）是指將多個(gè)芯片和元器件集成于一個(gè)封裝內(nèi)，實(shí)現(xiàn)某個(gè)基本功能完整的系統(tǒng)或子系統(tǒng)。系統(tǒng)級(jí)封裝力求較高的組裝密度和功能密度，并能縮短交貨周期。目前 LTCC 封裝通常作為一個(gè)模塊組裝在系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的某些功能。隨著 LTCC基板新材料（如高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱、低成本等材料）的開(kāi)發(fā)成功和先進(jìn)封裝、組裝工藝成熟度的提高，LTCC 封裝將集成更多和更復(fù)雜的元器件，充分發(fā)揮 LTCC 小型化、集成化、高速高頻等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí) LTCC 封裝。

目前以 TSV 為核心的 2.5D/3D 集成技術(shù)已被認(rèn)為是未來(lái)高密度封裝領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)，是把硅基轉(zhuǎn)接板作為大規(guī)模芯片與封裝之間的橋梁。若系統(tǒng)中用到較多高密度集成 2.5D 轉(zhuǎn)接板，則可運(yùn)用 LTCC/ 薄膜混合多層布線技術(shù)，在 LTCC 基板上制作信號(hào)再分布（RDL）層，通過(guò) LTCC/ 薄膜混合技術(shù)替代 RDL線寬 / 線間距相近的無(wú)源轉(zhuǎn)接板，進(jìn)行多種芯片和元器件的表面異構(gòu)集成。這種結(jié)合薄膜精密布線技術(shù)的LTCC 封裝不僅減少了 2.5D 轉(zhuǎn)接板的制作和組裝工藝，提高了模塊可靠性，而且整體設(shè)計(jì)走線更短，結(jié)構(gòu)緊湊，不存在襯底損耗，降低了信號(hào)延遲，集成度更高，更適合高速高頻應(yīng)用。

3D-MCM 是系統(tǒng)減少模塊表面積和體積的有效手段。隨著微系統(tǒng)、5G 通信、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、高性能計(jì)算等應(yīng)用的發(fā)展，系統(tǒng)中可能將應(yīng)用到具有不同介電常數(shù)、不同熱導(dǎo)率或不同機(jī)械強(qiáng)度等性能特征的多層陶瓷基板的模塊。因此，充分發(fā)揮 LTCC 基板的布線和集成功能，與同質(zhì) LTCC 3D-MCM 類似，對(duì)異質(zhì)多 層 基 板 進(jìn) 行 三 維 垂 直 互 連 ， 形 成 異 質(zhì) 異 構(gòu)3D-MCM，實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大的系統(tǒng)級(jí) LTCC 封裝，這將是電子系統(tǒng)小型化、高性能和多功能化的一個(gè)重要方向，也是封裝層面超越摩爾定律和提高封裝功能密度的有效途徑。

5 結(jié)論

LTCC 基板可進(jìn)行不同形式的封裝。選擇熱膨脹系數(shù)與 LTCC 基板相近和密度適當(dāng)?shù)慕饘偻鈿づcLTCC 基板焊接可實(shí)現(xiàn) LTCC 金屬外殼封裝，LTCC金屬外殼封裝氣密性好、通用性強(qiáng)，LTCC 基板與鋁硅外殼結(jié)合封裝相得益彰。

LTCC 基板與金屬圍框結(jié)合可實(shí)現(xiàn)具有不同引腳形式 的 PGA、BGA、 穿 墻 無(wú) 引 腳 、QFP、LCC 和3D-MCM 等氣密性 LTCC 一體化封裝。LTCC 一體化封裝的基板與金屬圍框的氣密性焊接封裝漏率能小于 1.0×10 -2 Pa·cm 3 /s，通過(guò)密封工藝加固或焊有金屬底板的 LTCC 封裝漏率可小于 1.0×10 -3 Pa·cm 3 /s。LTCC3D-MCM 中，隔板可獨(dú)立制作或與基板制作在一起。針對(duì)基板上元器件的不同高度，用適當(dāng)直徑的焊球作為焊料凸點(diǎn)，可以采用無(wú)隔板、組合隔板或多塊隔板三種不同結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多疊層模塊垂直互連。

展望未來(lái)，LTCC 封裝技術(shù)發(fā)展將向高熱膨脹系數(shù) LTCC 封裝、高導(dǎo)熱 LTCC 封裝、低成本 LTCC 封裝和系統(tǒng)級(jí) LTCC 封裝的方向發(fā)展。

審核編輯：湯梓紅