開發高過載LTCC整合LCC封裝。
何忠偉，李傑，周東蓮，何彪，盧道萬。
北方通用電子集團***微電子部）。
摘要：通過對封裝結構設計及其製造工藝、LTCC襯底加工、框架與基板共晶焊接、平行縫焊與封蓋等工藝的研究，成功研製出適用於多晶元、多器件微電子模組的LTCC整合LCC封裝外殼，封裝氣密性滿足第一標準要求， 並能達到25000g機械衝擊應力的高過載水平。
LCC（無引線晶元載體）是一種表面貼裝封裝外殼，用金屬膜端子代替金屬引線[1,2]，基本上由質量分數為90%96%Al 2 O 3的多層HTCC（高溫共燒陶瓷）製成，互連導體為W（鎢）和MO（鉬）等難熔金屬，在1 500 1 800的高溫和還原氣氛中完成燒結。在W或Mo導體層表面鍍鎳（鎳）或鎳和金（金）後，形成晶元和密封圈安裝區、互連鍵合區和封裝端子區，金屬密封圈的安裝通過600多次高溫釺焊（如銀釺焊）工藝實現。HTCC LCC是一種陶瓷密封封裝，具有優異的熱效能、機械強度和耐惡劣環境性，但存在互連導體導電性差、工藝複雜、工藝溫度高、無法列印電阻器、需要塗層處理等缺點[3]，一般只能用於封裝單個大型單片IC（積體電路）晶元。
基於LTCC（低溫共燒陶瓷）的整合LCC封裝互連，線路短，寄生引數小，介電效能優異，封裝端子緻密，機械加工性好，易腔體，非常適合封裝MCM（多晶元元件）、MEMS（微機電系統）整合元件、多IC晶元和各種IC晶元組成的高頻微波整合元件等微電子模組產品電子元件（半導體器件、片式電阻電容元件、感測器等）[4,5].
本文開發了一種整合了高密度互連LTCC襯底的城堡式小型化LCC封裝，可用於封裝具有多晶元和多器件器件的微電子模組，並能滿足25000 g（g為重力加速度）衝擊加速度的高抗過載要求。
1.封裝結構設計。
LTCC整合城堡LCC封裝的結構設計如下。
1）構成“LTCC整合城堡LCC封裝”的三個基本部件是“帶腔的LTCC基板”（如圖1所示），“金屬框架”和“金屬蓋”、“金屬框架”和“帶腔的LTCC基板”進行共晶焊接，形成“整合LCC封裝外殼”（如圖2所示），將“金屬蓋”焊接在“整合LCC封裝外殼”上平行焊縫，形成整體封裝（如圖3所示）;
2）面積尺寸A、B、15mm、15mm、型腔底板厚度為1mm，節距E1由基板製成27 mm（或 1 mm）的底面通向金屬塗層（0.寬5 e ～0.7 e，長度為 e）。
帶有周圍側壁的半圓柱形孔（高度 0.）。67 t 和半徑 r 02 e ～0.3 e，t為基板厚度）由金屬膜層組成的城堡形SMT焊料區端子，基板的四個角以1 mm 45°倒角，基板中的乙個或多個方形半通腔用於安裝較厚的晶元和其他元件，多層電氣互連的LTCC基板由LTCC生瓷帶及其配套孔填充和絲網印刷製成電子漿料，以及基板的底面和城堡形端子膜層的側壁和環形共晶焊珠膜層的頂面（寬度為1.）。2 w ～1.5W，W為金屬外殼的壁厚）由厚膜PDAG（鈀銀）導體漿料製成;
3）四角圓潤的方形框架形狀“金屬外殼”的高度為05～2.0 mm，壁厚 08～1.0 mm，由 4J29 Kovar 合金製成，表面鍍 Ni AU;
4）圓板“金屬蓋板”四角周圍的縫焊框架形狀邊緣的厚度為01 mm，中間區域厚度 025 公釐，由 4J29 Kovar 合金製成，鍍鎳金。
2 包裝製造工藝。
2.1 製造工藝。
LTCC整合城堡LCC封裝製造的簡要工藝流程如下：“LTCC基板帶腔”加工，金屬膜層製造半圓柱形孔城堡形端子，側壁圍繞金屬膜“金屬框架”和“LTCC基板帶腔”共晶焊接（組裝後元件在封裝中）平行縫焊“金屬蓋”和“整合LCC封裝外殼”。
2.2.LTCC襯底加工。
製造小尺寸LTCC基板，其腔體在四個側壁上帶有城堡形半通半圓柱孔SMT端子，並根據基本LTCC工藝進行多晶元加工。
1）將合格的LTCC瓷片的型號和尺寸穿孔，每塊生瓷片打通孔，包括中間相應的互連孔層，並填充孔的四角（邊緣）區域未填充對齊組孔，層壓定位組孔，基板四角面積1公釐45°倒角片合成141 mm×1.41 mm 方孔和基板下部 067倍厚的側壁城堡形半圓柱孔，每層瓷層在片上形成圓孔;
2）通過孔填充對每塊生瓷片進行絲網印刷，用對準組對準孔，用AG孔填充導體漿料逐層完成生瓷片的通孔填充和乾燥;
3）通過在每片生瓷片上填孔，絲網印刷與對準組孔對準，用絲網印刷導體漿料逐層完成生瓷片的導電膠帶印刷和乾燥;
4）使用雷射切割機，在基板上部LTCC型腔的每個生瓷層上切割生瓷視窗;
5）逐層，將生瓷片的四個角掛在堆垛臺對應的銷釘上，堆疊成鬆散的整塊生瓷坯;
6）用形狀和尺寸正確的空腔塞填充整個生瓷坯上部的空腔，蓋上金屬壓板，用塑膠袋真空密封，以大於20的壓力放置將265 MPa的水性介質和70°C的水性介質在介質靜壓下層壓10 min。
7）使用生瓷熱切機，將整塊生瓷板根據壓實的生瓷板表面切割標記線的對齊情況切割成單元基板生瓷塊，將接頭件每塊整板的圓柱孔切割成每個單元基板的生瓷塊周圍側壁上的城堡狀半圓柱孔;
8）採用LTCC燒結爐，將各單元基板的原瓷塊燒成單元LTCC基板;
9）採用厚膜絲網印刷、乾燥、燒結工藝，完成LTCC基板頂面方框共晶焊道PDAG膜層和底側SMT端子的PDAG膜層生產;
10）採用手工塗佈方式，完成基板側壁上城堡形半圓柱孔端子膜層的側印。
2.3.框架和基板的共晶焊接。
採用真空共晶爐完成LTCC基板頂面上金屬框架的共晶焊接。
1）清洗金屬框架和LTCC基板，去除表面汙染，乾燥;
2）設定共晶爐焊接的溫度曲線和真空-氮-甲酸氣氛曲線，最高焊接溫度為320 330，峰值溫度為3 5 min;
3） 會很厚 0將05公釐AU80SN20合金焊片切割成與LTCC基板頂面上的共晶珠層相同的形狀和尺寸。
4）在共晶爐焊接平台表面，依次堆疊放置LTCC基板（型腔面朝上）、箱形AU80SN20合金焊片和可伐合金框架，使共晶焊珠膜層、焊錫片與框架對齊，用適當質量的陶瓷塊壓在框架頂面上;
5）開啟共晶爐，根據設定的焊接溫度曲線和焊接氣氛曲線完成共晶焊接，得到“整合LCC封裝外殼”元件。
2.4 個平行縫焊帽。
在IC晶元和MEMS感測器晶元等內部元件組裝完成後進行平行縫焊。
1）擦洗金屬蓋板和LCC封裝外殼，清除蓋板介面上的汙染物，並乾燥;
2）將LCC封裝外殼（含內部元件）和金屬蓋板放入平行縫焊系統的真空烘箱中，在熱真空環境中烘烤4 8 h;
3）安排平行縫焊程式，設定焊縫焊接電流、執行速度、執行距離、焊條壓力等焊接引數;
4）將LCC封裝外殼放入平行縫焊機工作台上的焊接夾具中，按方向要求放置並對準金屬蓋板;
5）啟動縫焊工藝，在平行縫焊系統的充氮操作箱內熔化密封金屬蓋板和金屬框架，達到“LTCC整合城堡LCC包”的氣密性。
圖 4 的左側、中間和右側分別顯示了 LTCC 整合 LCC 封裝的樣品基板、外殼和整個部分。
3.密封密封性試驗。
按 GJB548B-2005 “方法 1042”。2、“密封”條件A1要求完成9個無蓋“整合LCC封裝外殼”樣品的示蹤氣體氦（HE）精細檢漏試驗，全部合格，測得洩漏率為8個0×10 －5 ～1.2×10 －4 pa·cm 3 /s（he）。
根據GJB548B-2005方法10422、條件A1和條件C1要求“LTCC整合LCC封裝外殼”樣品9蓋後完成精細檢漏試驗和氟碳原油檢漏試驗，測得的檢漏率為（1.）。5～2.3）×10 －3pa·cm 3 /s(he)。
4.封裝電阻的高過載評估試驗。
以無封蓋“整合LCC封裝外殼”和平行縫焊接帽“LTCC整合LCC封裝外殼”9個樣品為試驗物件，採用GJB548B-2005“方法20021 機械衝擊“測試，用於評估該套件的高水平過載應力。
1）衝擊試驗夾具的設計和加工應主要保證試樣被有效夾緊，使其能夠承受試驗設定的機械衝擊應力，而不會受到其他部件施加的過大破壞力。每個凹槽的長度和寬度與試樣的長度和寬度相同，深度略大於試樣的厚度，這樣樣品就可以裝入底部有一層濾紙且不高於凹槽上表面的凹槽中， 鋁合金珠子用鋁合金珠固定，在試樣頂面上鋪上一到兩層濾紙後，再將副夾具固定在衝擊臺的承載面上進行衝擊試驗。可以保證衝擊試驗時串珠產生的慣性力作用在分夾具表面，不會直接剛性作用在試樣上，使試驗結果能真實反映試樣的力學衝擊應力水平;
2）機械衝擊方向分別為y 1、y 2、x和z（如圖6所示）;
3）機械衝擊應力有序：2000 g 03 ms，3000 g /0.3 ms，5000 g /0.3 ms，8000 g /0.2 ms，10000 g /0.2 ms，15000 g /0.1 ms，20000 g /0.1 ms，25000 g /0.1 ms；
4）每個方向各應力5次衝擊，每次衝擊試驗完成後，在20倍放大倍率的體視顯微鏡下目視檢查，試樣不得變形、開裂等機械損傷;
5）如果目測沒有異常，則通過該方向的該應力衝擊試驗，該樣品繼續對下乙個方向進行下乙個應力的試驗;如果目視檢查不合格，將總結故障現象，分析故障原因，並停止樣品的後續測試。
測試結果表明，18個樣品均能通過機械衝擊應力測試，在y 1、y 2、x和z四個方向上，加速度分別為2000 g和20000 g（各5次）。 Y 1方向（即試樣抗衝擊力機械強度最弱方向——LTCC襯底中型腔和底板厚度的方向）和加速度25000 g的兩類試樣也可以正常通過衝擊試驗。
5 結論。 基於上述發展，可以看出：
1）基於LTCC多層基板和整合封裝技術的“LTCC整合LCC封裝”具有結構緊湊、效能優異、可靠性高、應用範圍廣等特點。
2）LTCC基板加工、框架與基板共晶焊接、平行縫焊、旋蓋等“LTCC整合LCC封裝”成熟可操作;
3）“LTCC整合LCC封裝”的密封性符合GJB548B-2005的要求，可以滿足MEMS、MCM等器件和元器件的長期密封封裝保護要求;
4）小型化的“LTCC整合LCC封裝”外殼及其基本元件“整合LCC封裝外殼”可實現25,000 g機械衝擊應力的高過載水平。