一文了解 LTCC 封裝技術(shù)

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)以實現(xiàn)系統(tǒng)的某些功能，是實現(xiàn)系統(tǒng)小型化、集成化、多功能化和高可靠性的重要手段。

圖 射頻模塊用LTCC封裝，來源：京瓷

一、LTCC封裝的類型

LTCC 基板可進行不同形式的封裝。選擇熱膨脹系數(shù)與 LTCC 基板相近和密度適當?shù)慕饘偻鈿づc LTCC 基板焊接可實現(xiàn) LTCC 金屬外殼封裝，LTCC 金屬外殼封裝氣密性好、通用性強。LTCC 基板與金屬圍框結(jié)合可實現(xiàn)具有不同引腳形式的針柵陣列（Pin Grid Array, PGA）封裝、焊球陣列（Ball Grid Array, BGA）封裝、穿墻無引腳封裝、四面引腳扁平（Quad Flat Package, QFP）封裝、無引腳片式載體（Leadless Chip Carrier, LCC）封裝和三維多芯片模塊（Three-Dimensional Multichip Module, 3D-MCM）封裝等氣密性 LTCC 一體化封裝。

（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，通過金屬外殼上鑲嵌的絕緣子或連接器實現(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。

（2）LTCC 針柵陣列封裝

LTCC 針柵陣列封裝是在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。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，即可通過平行縫焊等封上蓋板實現(xiàn)氣密性封裝。

圖 LTCC PGA封裝示意圖

（3）LTCC 焊球陣列封裝

LTCC 焊球陣列封裝是 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氣密性封裝也屬于 LTCC 一體化封裝。

圖 LTCC BGA封裝示意圖

（4）LTCC 穿墻無引腳封裝

LTCC 穿墻無引腳封裝是 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。穿墻是金屬化導(dǎo)帶從框內(nèi)穿過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。LTCC 穿墻無引腳封裝也是一種 LTCC 一體化封裝。

圖 LTCC 穿墻無引腳封裝示意圖

（5）LTCC 四面引腳扁平封裝

LTCC 四面引腳扁平封裝是 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 QFP 封裝也屬于 LTCC 一體化封裝。

圖 LTCC 四面引腳扁平封裝示意圖

（6）LTCC 無引腳片式載體封裝

LTCC 無引腳片式載體封裝是 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，屬于 LTCC 一體化封裝。

圖 LTCC無引腳片式載體封裝示意圖

（7）LTCC 3D-MCM 封裝

LTCC 三維多芯片模塊封裝是將多塊(不少于2塊)二維板級 LTCC 模塊(2D-MCMD垂直疊裝并實現(xiàn)電連接和機械連接所形成組件的封裝。采用垂直互連制作的 LTCC 3D-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，信號延遲縮短，噪聲和損耗將下降，可以進一步提高信號傳輸速度。LTCC 3D-MCM 封裝可以是氣密性封裝，獨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。

圖 LTCC 3D-MCM 結(jié)構(gòu)示意圖

二、LTCC 封裝用材料

完整的LTCC封裝應(yīng)是所有有源器件和無源元件均組裝到基板以后，再焊接上蓋板成為一個密封整體。LTCC 封裝材料是指用于承載電子元器件及其相互連線，起到機械支撐、密封環(huán)境保護、信號傳遞、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 LTCC 基板材料、封裝金屬材料和焊接材料三大類。

（1）LTCC 基板材料

LTCC 是以玻璃/陶瓷材料作為電路的介電層，運用 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，因而成為一種理想的高密度集成用主導(dǎo)基板。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。生瓷帶主要有玻璃陶瓷系(微晶玻璃)和玻璃+陶瓷系兩類，導(dǎo)體材料主要為 Au、Ag、Pd、Pt 等貴金屬及其合金。

（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。

①可伐合金（Fe-Ni-Co）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。

②CuW 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，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。

③AlSiC 具有高熱導(dǎo)率、低膨脹系數(shù)、高強度、低密度、良好的導(dǎo)電性等特點，作為基板或熱沉材料在國內(nèi)封裝領(lǐng)域已得到批量應(yīng)用。

（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一般低于 450℃，屬于軟釬料。

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位置的焊接，焊片常用于圍框、基板等面積相對較大的焊件和精確尺寸(焊料逸出少)焊件的焊接。

來源：LTCC 封裝技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，李建輝，等.

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2024年11月22日

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