LTCC技术研究

1、LTCCLTCC技术特征、工艺过程技术特征、工艺过程 和发展趋势和发展趋势LTCCLow Temperature Co-fired Ceramic它是当前信息功能陶瓷材料及应用的它是当前信息功能陶瓷材料及应用的最为重要的分支最为重要的分支LTCCLTCC技术是一种先进的无源集成及混合电路封装技术技术是一种先进的无源集成及混合电路封装技术, ,它可它可将三大无源元器件（包括电阻器、电容器和电感器）及其将三大无源元器件（包括电阻器、电容器和电感器）及其各种无源组件（如滤波器、变压器等）封装于多层布线基各种无源组件（如滤波器、变压器等）封装于多层布线基板中，并与有源器件（如：功率板中，并与有源器件（

2、如：功率MOSMOS、晶体管、晶体管、ICIC电路模块电路模块等）共同集成为一完整的电路系统。等）共同集成为一完整的电路系统。有效提高电路有效提高电路/系统的封装密度及系统可靠性系统的封装密度及系统可靠性1、LTCC简介：简介：多芯片组件（多芯片组件（Multi-Chip Module，简称为，简称为 MCM）技术）技术是继是继 20 世纪世纪 80 年代被誉为年代被誉为“电子组装技术革命电子组装技术革命”的表面的表面安装技术（安装技术（SMT）之后，）之后，90 年代在微电子领域兴起并发展年代在微电子领域兴起并发展的高密度立体封装技术。它将多块未封装的裸芯片通过多层的高密度立体封装技术。它将

3、多块未封装的裸芯片通过多层介质、高密度布线进行互连和封装，层与层之间通过层间通介质、高密度布线进行互连和封装，层与层之间通过层间通孔连接，最后形成具有多功能、高性能、高密度、高可靠性孔连接，最后形成具有多功能、高性能、高密度、高可靠性的组件。的组件。MCM技术技术MCM 的分类方法因认识的角度不同而异，而今，国际上比较通用的是根据基板的材料和工艺不同来分类，大致分为 MCM-L（叠层型多芯片组件）、MCM-C（共烧陶瓷型多芯片组件）、MCM-D（淀积布线型多芯片组件）三类：1. MCM-L 是采用多层印制电路板做成的 MCM，其制作工艺成熟，生产成本低廉，但因受限于基板结构和芯片安装方式，电性

4、能较差，可靠性不高，因此只适用于较低频段的民用产品。2. MCM-C 是采用高密度多层布线陶瓷基板做成的 MCM，其结构和制造工艺与先进的 IC 制造工艺近似，因此其具备良好的封装效率、高的可靠性和电性能，适用于较高的频段，备受军用、航天系统的青睐。它的制造类型可以根据烧结温度分为高温共烧陶瓷（HTCC）法和低温共烧陶瓷(LTCC)法,而 LTCC 采用 Ag、Au 等低电阻率金属材料做导体材料，可以得到高的 Q 值，成为近年来占主导地位的封装形式。3. MCM-D 是采用薄膜多层布线基板做成的 MCM，其按基体材料又可细分为 MCM-D/C（陶瓷基体薄膜多层布线基板多芯片组件）、MCM-D/

5、M（金属基体薄膜多层布线基板多芯片组件）、MCM-D/Si（硅基体薄膜多层布线基板多芯片组件）等。相对于前面两者而言，MCM-D 的组装密度和布线精度最高，性能最好，非常适用于高频段组件设计。但是限制其发展的是生产周期过长，成本过高。通常我们所说的 MCM 都是指二维芯片分布的（2D-MCM），它的大部分元器件（除了少数无源元件）都分布在上表面或者底面，不过它的基板布线通过垂直互连已经是三维布置。随着微电子技术的发展，对系统的封装要求更加严格，2D-MCM 已经不能满足集成电路的发展需求，3D-MCM 是 MCM 的下一步发展方向。 使用电导率高的金属材料作为导体材料，有利于提高电路系统品质因

6、子；使用电导率高的金属材料作为导体材料，有利于提高电路系统品质因子； 可以制作线宽小于可以制作线宽小于50m50m的细线结构电路；的细线结构电路； 可以制作层数很高的电路基板，并可将多种无源元件埋入其中，有利于提高可以制作层数很高的电路基板，并可将多种无源元件埋入其中，有利于提高 电路及器件的组装密度电路及器件的组装密度； 能集成的元件种类多、参量范围大，除能集成的元件种类多、参量范围大，除L/R/CL/R/C外，还可以将敏感元件、外，还可以将敏感元件、EMIEMI抑抑制元件、电路保护元件等集成在一起；制元件、电路保护元件等集成在一起； 可以在层数很高的三维电路基板上，用多种方式键连可以在层数

7、很高的三维电路基板上，用多种方式键连ICIC和各种有源器件，实和各种有源器件，实现无源现无源/ /有源集成；有源集成； 一致性好，可靠性高，耐高温、高湿、冲振，可应用于恶劣环境；一致性好，可靠性高，耐高温、高湿、冲振，可应用于恶劣环境； 非连续式的生产工艺，允许对生坯基板进行检查，从而有助于提高成品率，非连续式的生产工艺，允许对生坯基板进行检查，从而有助于提高成品率，降低生产成本；降低生产成本； 与薄膜多层布线技术具有良好的兼容性；与薄膜多层布线技术具有良好的兼容性； 因此，因此，LTCC技术以其优异的电学、机械、热学及工艺特性，成为最具技术以其优异的电学、机械、热学及工艺特性，成为最具潜力的

8、电子元器件小型化、集成化和模块化的实现方式。潜力的电子元器件小型化、集成化和模块化的实现方式。采用采用LTCC技术具有以下主要的优点：技术具有以下主要的优点：相对于传统的器件相对于传统的器件及模块加工工艺及模块加工工艺 LTCC片式电感片式电感LTCC片式滤波器片式滤波器LTCC无源无源/有源集成系统有源集成系统LTCC LTCC 滤波器结构示意滤波器结构示意LTCCLTCC电容结构示意电容结构示意LTCCLTCC片式电感片式电感LTCCLTCC片式电感内部导线示意片式电感内部导线示意LTCCLTCC技术发展的四个阶段：技术发展的四个阶段：（1 1）LTCCLTCC单一元器件，包括片式电感、片

9、式电容、单一元器件，包括片式电感、片式电容、片式电阻和片式磁珠等等；片式电阻和片式磁珠等等；（2 2）LTCCLTCC组合器件，包括以组合器件，包括以LCLC组合片式滤波器为代组合片式滤波器为代表，在一个芯片内含有多个和多种元器件的组合器件；表，在一个芯片内含有多个和多种元器件的组合器件；（3 3）LTCCLTCC集成模块，在一个集成模块，在一个LTCCLTCC芯片中不仅含有芯片中不仅含有多个和多种无源元器件，而且还包含多层布线，与有多个和多种无源元器件，而且还包含多层布线，与有源模块的接口等等；源模块的接口等等；（4 4）集成裸芯片的）集成裸芯片的LTCCLTCC模块。在模块。在(3)(3)

10、的基础上同时的基础上同时内含有半导体裸芯片，构成一个整体封装的模块。内含有半导体裸芯片，构成一个整体封装的模块。浆料配制流延成型打孔内电极印刷通孔填充预叠层等静压切割排胶烧结制外电极外电极烧结外电极电镀测试2、LTCC工艺流程简介：工艺流程简介：（1） 混料及球磨混料及球磨 （2） 流延流延缺陷成因改善建议针孔针孔/ /汽泡汽泡1. 1. 浆料浓度不够浆料浓度不够2. 2. 浆料内有气体存在浆料内有气体存在1. 1. 减少溶剂减少溶剂2. 2. 增加脱泡时间增加脱泡时间表面条纹表面条纹1. 1. 灰尘灰尘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. 保持流延机

11、内部及环境清洁保持流延机内部及环境清洁2. 2. 采用平整流延刀采用平整流延刀3. 3. 充分将材料球磨充分将材料球磨一边厚一边薄一边厚一边薄1. 1. 刀口间距设定两边不平行刀口间距设定两边不平行2. PET2. PET膜带安装不良，流延膜带安装不良，流延机未有将之拉紧机未有将之拉紧1. 1. 因应测量的结果调整刀口间因应测量的结果调整刀口间距距2. 2. 重新检查重新检查PETPET膜带安装并修正膜带安装并修正透光不均匀透光不均匀浆料流量不稳定浆料流量不稳定检查气压及流量控制状态检查气压及流量控制状态皱纹皱纹1. 1. 干燥风量太大干燥风量太大2. 2. 干燥空气太热干燥空气太热1. 1.

12、 减低热风流量减低热风流量2. 2. 减低空气温度减低空气温度1. 1. 缺乏增塑剂缺乏增塑剂2. 2. 干燥空气太热干燥空气太热1. 1. 添加增塑剂添加增塑剂2. 2. 降低干燥温度降低干燥温度1. 1. 存在汽泡存在汽泡2. 2. 缺乏增塑剂缺乏增塑剂3. 3. 缺乏黏合剂缺乏黏合剂1. 1. 同针孔同针孔/ /汽泡汽泡2. 2. 添加增塑剂添加增塑剂3. 3. 添加黏合剂添加黏合剂1. 1. 缺乏增塑剂缺乏增塑剂2. 2. 缺乏黏合剂缺乏黏合剂1. 1. 添加增塑剂添加增塑剂2. 2. 添加黏合剂添加黏合剂流延成型易出现问题流延成型易出现问题将流延的膜带分割成独立的膜片，同时将膜片打上

13、对位孔，方便印刷及放片对位。（3） 裁切裁切打孔是采用Keko PAM-4S 机械打孔机。此设备能将读取dxf图档案的资料并转化为打孔资料资料，毋须经过资料转换，方便可靠。更先进的是采用激光打孔。（4） 打孔打孔 （5） 印刷、填孔印刷、填孔低质量的填孔图形高质量的填孔图形电感印刷单匝线圈膜片的SEM扫描照片 （6） 迭片迭片 （7 7） 烘巴、等静压烘巴、等静压 等静压巴块等静压巴块（8） 切割切割 排胶是利用热力把在巴块内过多的粘合剂及化工材料挥发出来，以免影响产品之特性。只需将巴块放进排胶炉的合金层板上，把温度曲线输入控制器便完成。 （9） 排胶排胶 把已切好的片式元器件放在氧化锆砵匣内

14、，把氧化锆砵匣迭起放进炉内之层板上并留下空间作对流之用。最后从计算机输入烧成曲线便可自动控制烧结程序，不同的物料烧结所需的时间和温度会有所不同，在计算机自动控制下可以得理想效果。 （10） 烧结烧结 倒角是把金刚沙及已烧成的独石体片式元器件放进球磨罐内研磨大约半小时，将片式组件之四角及边缘磨圆，令电极露出方便封端。 （11） 倒角倒角 （12） 封端封端 （1313） 烧银烧银 烧银的目的是把封端后的银浆固化。只需把已封端的片式元器件放在氧化锆砵匣内，再放进烧银炉以550 至600烧1.5 - 2小时便完成。 （1414） 抽检抽检 为保证产品之质量能符合以后工序的要求，用高精度的测试仪器抽检

15、是必须的，产品必须符合EIA和IEC的验收标准。 （1515） 电镀电镀 电镀是以全自动方式把已封上银浆之片式元器件的端头经两种不同金属加以处理，两种金属分别为Ni，Sn(镍和锡)，锡是使片式元器件容易焊接在线路板上，由于银和锡附着力不良和出现抗斥情况，所以两者之间有一层镍隔离。只需把片式元器件放进振筛，经过载有溶液的处理缸进行电镀的过程，全程共需2小时完成。 （1616） 分选及测试分选及测试 分选是将不同切断频率, 性能, 电容量等指针按设定的精度分门别类，以便日后按客户需要提供产品。 （1717） 编带编带 Keko CTM-12全自动编带机，操作简单。只需将片式元器件放到送料板上方之振

16、盘，设备便自动把芯片放到载带上并封装好，适用于0603-2225大小之片式组件。 3、LTCC产品开发产品开发、电路设计：、电路设计：ADS或一些电路设计软件或一些电路设计软件、结构优化：、结构优化：HFSS或或CST等三维电磁等三维电磁 仿真软件仿真软件、实际制作：、实际制作：LTCC工艺工艺4、LTCC滤波器研制过程滤波器研制过程 等效电路参数的确定(路设计） 70MHz低通滤波器ADS仿真结果 （2）LTCC叠层片式滤波器模型建立（场设计） 根据等效电路与叠层片式器件的图形化结构原理，构建如下图所示的滤波器物理结构模型示意图。 滤波器物理结构示意图滤波器物理结构示意图包括进行结构包括进行

17、结构参数的优化和参数的优化和材料选择材料选择A 仿真参数的确定仿真参数的确定下图为膜厚为下图为膜厚为20m20m、有效电路层为、有效电路层为1818层、由层、由9 9匝线匝线圈构成的电感，电容膜厚为圈构成的电感，电容膜厚为35m35m、三个交叠周期、三个交叠周期HFSSHFSS仿真典型结果。仿真典型结果。 （a a）电感仿真结果）电感仿真结果 （b b）电容仿真结果）电容仿真结果可以得到此时电感可以得到此时电感L L60nH,60nH,电容电容14pF14pF。B 实验验证实验验证电容仿真结果电容仿真结果 电容实测结果电容实测结果 电感仿真结果电感仿真结果 电感实测结果电感实测结果 电容仿真值

18、与实测值很接近，而电感实测值比仿真值偏低电容仿真值与实测值很接近，而电感实测值比仿真值偏低2020左右，左右，分析其原因在于分析其原因在于AgAg与材料互渗析对材料性能构成影响。与材料互渗析对材料性能构成影响。C C 参数调整参数调整70MHz： 膜厚10m、19匝的电感 L232nH；膜厚 30m、四个交叠周期的电容 C47pF 基于上述分析的原因，对得到的滤波器设计参数进行修正和进一步的实验验证，最终确定了三类片式滤波器的设计参数：70MHz低通滤波器HFSS仿真结果 （3）叠层片式器件的图形化结构）叠层片式器件的图形化结构（a a）电感电极尺寸）电感电极尺寸（b b）电容基板尺寸）电容基板尺寸（c c）接地丝网示意图）接地丝网示意图部分部分