LTCC技術(shù)研究

1、LTCCLTCC技術(shù)特征、工藝過程技術(shù)特征、工藝過程 和發(fā)展趨勢和發(fā)展趨勢LTCCLow Temperature Co-fired Ceramic它是當前信息功能陶瓷材料及應(yīng)用的它是當前信息功能陶瓷材料及應(yīng)用的最為重要的分支最為重要的分支LTCCLTCC技術(shù)是一種先進的無源集成及混合電路封裝技術(shù)技術(shù)是一種先進的無源集成及混合電路封裝技術(shù), ,它可它可將三大無源元器件（包括電阻器、電容器和電感器）及其將三大無源元器件（包括電阻器、電容器和電感器）及其各種無源組件（如濾波器、變壓器等）封裝于多層布線基各種無源組件（如濾波器、變壓器等）封裝于多層布線基板中，并與有源器件（如：功率板中，并與有源器件（

2、如：功率MOSMOS、晶體管、晶體管、ICIC電路模塊電路模塊等）共同集成為一完整的電路系統(tǒng)。等）共同集成為一完整的電路系統(tǒng)。有效提高電路有效提高電路/系統(tǒng)的封裝密度及系統(tǒng)可靠性系統(tǒng)的封裝密度及系統(tǒng)可靠性1、LTCC簡介：簡介：多芯片組件（多芯片組件（Multi-Chip Module，簡稱為，簡稱為 MCM）技術(shù)）技術(shù)是繼是繼 20 世紀世紀 80 年代被譽為年代被譽為“電子組裝技術(shù)革命電子組裝技術(shù)革命”的表面的表面安裝技術(shù)（安裝技術(shù)（SMT）之后，）之后，90 年代在微電子領(lǐng)域興起并發(fā)展年代在微電子領(lǐng)域興起并發(fā)展的高密度立體封裝技術(shù)。它將多塊未封裝的裸芯片通過多層的高密度立體封裝技術(shù)。它將

3、多塊未封裝的裸芯片通過多層介質(zhì)、高密度布線進行互連和封裝，層與層之間通過層間通介質(zhì)、高密度布線進行互連和封裝，層與層之間通過層間通孔連接，最后形成具有多功能、高性能、高密度、高可靠性孔連接，最后形成具有多功能、高性能、高密度、高可靠性的組件。的組件。MCM技術(shù)技術(shù)MCM 的分類方法因認識的角度不同而異，而今，國際上比較通用的是根據(jù)基板的材料和工藝不同來分類，大致分為 MCM-L（疊層型多芯片組件）、MCM-C（共燒陶瓷型多芯片組件）、MCM-D（淀積布線型多芯片組件）三類：1. MCM-L 是采用多層印制電路板做成的 MCM，其制作工藝成熟，生產(chǎn)成本低廉，但因受限于基板結(jié)構(gòu)和芯片安裝方式，電性

4、能較差，可靠性不高，因此只適用于較低頻段的民用產(chǎn)品。2. MCM-C 是采用高密度多層布線陶瓷基板做成的 MCM，其結(jié)構(gòu)和制造工藝與先進的 IC 制造工藝近似，因此其具備良好的封裝效率、高的可靠性和電性能，適用于較高的頻段，備受軍用、航天系統(tǒng)的青睞。它的制造類型可以根據(jù)燒結(jié)溫度分為高溫共燒陶瓷（HTCC）法和低溫共燒陶瓷(LTCC)法,而 LTCC 采用 Ag、Au 等低電阻率金屬材料做導(dǎo)體材料，可以得到高的 Q 值，成為近年來占主導(dǎo)地位的封裝形式。3. MCM-D 是采用薄膜多層布線基板做成的 MCM，其按基體材料又可細分為 MCM-D/C（陶瓷基體薄膜多層布線基板多芯片組件）、MCM-D/

5、M（金屬基體薄膜多層布線基板多芯片組件）、MCM-D/Si（硅基體薄膜多層布線基板多芯片組件）等。相對于前面兩者而言，MCM-D 的組裝密度和布線精度最高，性能最好，非常適用于高頻段組件設(shè)計。但是限制其發(fā)展的是生產(chǎn)周期過長，成本過高。通常我們所說的 MCM 都是指二維芯片分布的（2D-MCM），它的大部分元器件（除了少數(shù)無源元件）都分布在上表面或者底面，不過它的基板布線通過垂直互連已經(jīng)是三維布置。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，對系統(tǒng)的封裝要求更加嚴格，2D-MCM 已經(jīng)不能滿足集成電路的發(fā)展需求，3D-MCM 是 MCM 的下一步發(fā)展方向。 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)品質(zhì)因

6、子；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)品質(zhì)因子； 可以制作線寬小于可以制作線寬小于50m50m的細線結(jié)構(gòu)電路；的細線結(jié)構(gòu)電路； 可以制作層數(shù)很高的電路基板，并可將多種無源元件埋入其中，有利于提高可以制作層數(shù)很高的電路基板，并可將多種無源元件埋入其中，有利于提高 電路及器件的組裝密度電路及器件的組裝密度； 能集成的元件種類多、參量范圍大，除能集成的元件種類多、參量范圍大，除L/R/CL/R/C外，還可以將敏感元件、外，還可以將敏感元件、EMIEMI抑抑制元件、電路保護元件等集成在一起；制元件、電路保護元件等集成在一起； 可以在層數(shù)很高的三維電路基板上，用多種方式鍵連可以在層數(shù)

7、很高的三維電路基板上，用多種方式鍵連ICIC和各種有源器件，實和各種有源器件，實現(xiàn)無源現(xiàn)無源/ /有源集成；有源集成； 一致性好，可靠性高，耐高溫、高濕、沖振，可應(yīng)用于惡劣環(huán)境；一致性好，可靠性高，耐高溫、高濕、沖振，可應(yīng)用于惡劣環(huán)境； 非連續(xù)式的生產(chǎn)工藝，允許對生坯基板進行檢查，從而有助于提高成品率，非連續(xù)式的生產(chǎn)工藝，允許對生坯基板進行檢查，從而有助于提高成品率，降低生產(chǎn)成本；降低生產(chǎn)成本； 與薄膜多層布線技術(shù)具有良好的兼容性；與薄膜多層布線技術(shù)具有良好的兼容性； 因此，因此，LTCC技術(shù)以其優(yōu)異的電學、機械、熱學及工藝特性，成為最具技術(shù)以其優(yōu)異的電學、機械、熱學及工藝特性，成為最具潛力的

8、電子元器件小型化、集成化和模塊化的實現(xiàn)方式。潛力的電子元器件小型化、集成化和模塊化的實現(xiàn)方式。采用采用LTCC技術(shù)具有以下主要的優(yōu)點：技術(shù)具有以下主要的優(yōu)點：相對于傳統(tǒng)的器件相對于傳統(tǒng)的器件及模塊加工工藝及模塊加工工藝 LTCC片式電感片式電感LTCC片式濾波器片式濾波器LTCC無源無源/有源集成系統(tǒng)有源集成系統(tǒng)LTCC LTCC 濾波器結(jié)構(gòu)示意濾波器結(jié)構(gòu)示意LTCCLTCC電容結(jié)構(gòu)示意電容結(jié)構(gòu)示意LTCCLTCC片式電感片式電感LTCCLTCC片式電感內(nèi)部導(dǎo)線示意片式電感內(nèi)部導(dǎo)線示意LTCCLTCC技術(shù)發(fā)展的四個階段：技術(shù)發(fā)展的四個階段：（1 1）LTCCLTCC單一元器件，包括片式電感、片

9、式電容、單一元器件，包括片式電感、片式電容、片式電阻和片式磁珠等等；片式電阻和片式磁珠等等；（2 2）LTCCLTCC組合器件，包括以組合器件，包括以LCLC組合片式濾波器為代組合片式濾波器為代表，在一個芯片內(nèi)含有多個和多種元器件的組合器件；表，在一個芯片內(nèi)含有多個和多種元器件的組合器件；（3 3）LTCCLTCC集成模塊，在一個集成模塊，在一個LTCCLTCC芯片中不僅含有芯片中不僅含有多個和多種無源元器件，而且還包含多層布線，與有多個和多種無源元器件，而且還包含多層布線，與有源模塊的接口等等；源模塊的接口等等；（4 4）集成裸芯片的）集成裸芯片的LTCCLTCC模塊。在模塊。在(3)(3)

10、的基礎(chǔ)上同時的基礎(chǔ)上同時內(nèi)含有半導(dǎo)體裸芯片，構(gòu)成一個整體封裝的模塊。內(nèi)含有半導(dǎo)體裸芯片，構(gòu)成一個整體封裝的模塊。漿料配制流延成型打孔內(nèi)電極印刷通孔填充預(yù)疊層等靜壓切割排膠燒結(jié)制外電極外電極燒結(jié)外電極電鍍測試2、LTCC工藝流程簡介：工藝流程簡介：（1） 混料及球磨混料及球磨 （2） 流延流延缺陷成因改善建議針孔針孔/ /汽泡汽泡1. 1. 漿料濃度不夠漿料濃度不夠2. 2. 漿料內(nèi)有氣體存在漿料內(nèi)有氣體存在1. 1. 減少溶劑減少溶劑2. 2. 增加脫泡時間增加脫泡時間表面條紋表面條紋1. 1. 灰塵灰塵2. 2. 流延刀口不平整流延刀口不平整3. 3. 球磨不良球磨不良1. 1. 保持流延機

11、內(nèi)部及環(huán)境清潔保持流延機內(nèi)部及環(huán)境清潔2. 2. 采用平整流延刀采用平整流延刀3. 3. 充分將材料球磨充分將材料球磨一邊厚一邊薄一邊厚一邊薄1. 1. 刀口間距設(shè)定兩邊不平行刀口間距設(shè)定兩邊不平行2. PET2. PET膜帶安裝不良，流延膜帶安裝不良，流延機未有將之拉緊機未有將之拉緊1. 1. 因應(yīng)測量的結(jié)果調(diào)整刀口間因應(yīng)測量的結(jié)果調(diào)整刀口間距距2. 2. 重新檢查重新檢查PETPET膜帶安裝并修正膜帶安裝并修正透光不均勻透光不均勻漿料流量不穩(wěn)定漿料流量不穩(wěn)定檢查氣壓及流量控制狀態(tài)檢查氣壓及流量控制狀態(tài)皺紋皺紋1. 1. 干燥風量太大干燥風量太大2. 2. 干燥空氣太熱干燥空氣太熱1. 1.

12、 減低熱風流量減低熱風流量2. 2. 減低空氣溫度減低空氣溫度1. 1. 缺乏增塑劑缺乏增塑劑2. 2. 干燥空氣太熱干燥空氣太熱1. 1. 添加增塑劑添加增塑劑2. 2. 降低干燥溫度降低干燥溫度1. 1. 存在汽泡存在汽泡2. 2. 缺乏增塑劑缺乏增塑劑3. 3. 缺乏黏合劑缺乏黏合劑1. 1. 同針孔同針孔/ /汽泡汽泡2. 2. 添加增塑劑添加增塑劑3. 3. 添加黏合劑添加黏合劑1. 1. 缺乏增塑劑缺乏增塑劑2. 2. 缺乏黏合劑缺乏黏合劑1. 1. 添加增塑劑添加增塑劑2. 2. 添加黏合劑添加黏合劑流延成型易出現(xiàn)問題流延成型易出現(xiàn)問題將流延的膜帶分割成獨立的膜片，同時將膜片打上

13、對位孔，方便印刷及放片對位。（3） 裁切裁切打孔是采用Keko PAM-4S 機械打孔機。此設(shè)備能將讀取dxf圖檔案的資料并轉(zhuǎn)化為打孔資料資料，毋須經(jīng)過資料轉(zhuǎn)換，方便可靠。更先進的是采用激光打孔。（4） 打孔打孔 （5） 印刷、填孔印刷、填孔低質(zhì)量的填孔圖形高質(zhì)量的填孔圖形電感印刷單匝線圈膜片的SEM掃描照片 （6） 迭片迭片 （7 7） 烘巴、等靜壓烘巴、等靜壓 等靜壓巴塊等靜壓巴塊（8） 切割切割 排膠是利用熱力把在巴塊內(nèi)過多的粘合劑及化工材料揮發(fā)出來，以免影響產(chǎn)品之特性。只需將巴塊放進排膠爐的合金層板上，把溫度曲線輸入控制器便完成。 （9） 排膠排膠 把已切好的片式元器件放在氧化鋯砵匣內(nèi)

14、，把氧化鋯砵匣迭起放進爐內(nèi)之層板上并留下空間作對流之用。最后從計算機輸入燒成曲線便可自動控制燒結(jié)程序，不同的物料燒結(jié)所需的時間和溫度會有所不同，在計算機自動控制下可以得理想效果。 （10） 燒結(jié)燒結(jié) 倒角是把金剛沙及已燒成的獨石體片式元器件放進球磨罐內(nèi)研磨大約半小時，將片式組件之四角及邊緣磨圓，令電極露出方便封端。 （11） 倒角倒角 （12） 封端封端 （1313） 燒銀燒銀 燒銀的目的是把封端后的銀漿固化。只需把已封端的片式元器件放在氧化鋯砵匣內(nèi)，再放進燒銀爐以550 至600燒1.5 - 2小時便完成。 （1414） 抽檢抽檢 為保證產(chǎn)品之質(zhì)量能符合以后工序的要求，用高精度的測試儀器抽檢

15、是必須的，產(chǎn)品必須符合EIA和IEC的驗收標準。 （1515） 電鍍電鍍 電鍍是以全自動方式把已封上銀漿之片式元器件的端頭經(jīng)兩種不同金屬加以處理，兩種金屬分別為Ni，Sn(鎳和錫)，錫是使片式元器件容易焊接在線路板上，由于銀和錫附著力不良和出現(xiàn)抗斥情況，所以兩者之間有一層鎳隔離。只需把片式元器件放進振篩，經(jīng)過載有溶液的處理缸進行電鍍的過程，全程共需2小時完成。 （1616） 分選及測試分選及測試 分選是將不同切斷頻率, 性能, 電容量等指針按設(shè)定的精度分門別類，以便日后按客戶需要提供產(chǎn)品。 （1717） 編帶編帶 Keko CTM-12全自動編帶機，操作簡單。只需將片式元器件放到送料板上方之振

16、盤，設(shè)備便自動把芯片放到載帶上并封裝好，適用于0603-2225大小之片式組件。 3、LTCC產(chǎn)品開發(fā)產(chǎn)品開發(fā)、電路設(shè)計：、電路設(shè)計：ADS或一些電路設(shè)計軟件或一些電路設(shè)計軟件、結(jié)構(gòu)優(yōu)化：、結(jié)構(gòu)優(yōu)化：HFSS或或CST等三維電磁等三維電磁 仿真軟件仿真軟件、實際制作：、實際制作：LTCC工藝工藝4、LTCC濾波器研制過程濾波器研制過程 等效電路參數(shù)的確定(路設(shè)計） 70MHz低通濾波器ADS仿真結(jié)果 （2）LTCC疊層片式濾波器模型建立（場設(shè)計） 根據(jù)等效電路與疊層片式器件的圖形化結(jié)構(gòu)原理，構(gòu)建如下圖所示的濾波器物理結(jié)構(gòu)模型示意圖。 濾波器物理結(jié)構(gòu)示意圖濾波器物理結(jié)構(gòu)示意圖包括進行結(jié)構(gòu)包括進行

17、結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化和參數(shù)的優(yōu)化和材料選擇材料選擇A 仿真參數(shù)的確定仿真參數(shù)的確定下圖為膜厚為下圖為膜厚為20m20m、有效電路層為、有效電路層為1818層、由層、由9 9匝線匝線圈構(gòu)成的電感，電容膜厚為圈構(gòu)成的電感，電容膜厚為35m35m、三個交疊周期、三個交疊周期HFSSHFSS仿真典型結(jié)果。仿真典型結(jié)果。 （a a）電感仿真結(jié)果）電感仿真結(jié)果 （b b）電容仿真結(jié)果）電容仿真結(jié)果可以得到此時電感可以得到此時電感L L60nH,60nH,電容電容14pF14pF。B 實驗驗證實驗驗證電容仿真結(jié)果電容仿真結(jié)果 電容實測結(jié)果電容實測結(jié)果 電感仿真結(jié)果電感仿真結(jié)果 電感實測結(jié)果電感實測結(jié)果 電容仿真值

18、與實測值很接近，而電感實測值比仿真值偏低電容仿真值與實測值很接近，而電感實測值比仿真值偏低2020左右，左右，分析其原因在于分析其原因在于AgAg與材料互滲析對材料性能構(gòu)成影響。與材料互滲析對材料性能構(gòu)成影響。C C 參數(shù)調(diào)整參數(shù)調(diào)整70MHz： 膜厚10m、19匝的電感 L232nH；膜厚 30m、四個交疊周期的電容 C47pF 基于上述分析的原因，對得到的濾波器設(shè)計參數(shù)進行修正和進一步的實驗驗證，最終確定了三類片式濾波器的設(shè)計參數(shù)：70MHz低通濾波器HFSS仿真結(jié)果 （3）疊層片式器件的圖形化結(jié)構(gòu)）疊層片式器件的圖形化結(jié)構(gòu)（a a）電感電極尺寸）電感電極尺寸（b b）電容基板尺寸）電容基板尺寸（c c）接地絲網(wǎng)示意圖）接地絲網(wǎng)示意圖部分部分