LTCC在SiP中的应用与发展

李建辉，项 玮

（中国电子科技集团公司第43研究所，合肥 230022）

1 引言

随着电子设备和产品朝着小型化、高频化、多功能和高性能方向不断发展，高密度集成技术取得巨大的进步。SiP（System in Package，系统级封装）和SoC（System on Chip，系统级芯片）是高密度电路集成技术的典型代表。SiP是将多个具有不同功能的有源元件、无源元件以及光电子、MEMS等其他器件封装在一个壳体内，组装成为可以提供多种功能的单个标准封装件，形成一个系统或者子系统。SoC即通过在单一芯片上集成多个IC功能单元，从而实现产品完整的系统或子系统功能。但SoC设计开发时间较长，由于工艺复杂性和成本因素的影响，在单一芯片上集成数字逻辑、存储、模拟和RF等不同功能的电路，目前还面临着较大的难题，尚无比较理想的解决办法。SiP相对于SoC具有设计灵活、开发周期短、研制成本低等优势。而SiP产品相对于普通SMT产品，能最大限度优化系统布线，缩短互连线，故对高频高速下电路的信号噪声和延迟等能显著降低；且组装工艺灵活、组装效率高、可避免重复封装[1～3]。因此，在最大限度发挥高度集成的半导体集成电路性能，制作高频高速电子系统以及实现先进电子装备小型化、电子化、智能化等方面，SiP是目前最为有效的封装技术途径。

SiP的组装和封装载体是基板。常用的基板有有机树脂基板、陶瓷基板、金属基板、复合基板和衬底薄膜基板等[4]。由于高密度互连布线的需要，用于SiP的布线基板有有机多层树脂基板、多层陶瓷基板和多层薄膜基板。其中多层陶瓷基板有厚膜多层基板和共烧多层陶瓷基板，共烧多层陶瓷又分为低温共烧陶瓷（LTCC）和高温共烧陶瓷（HTCC）。

LTCC技术包含了厚膜技术和多层叠压烧结技术。LTCC是根据预先设计的结构，将通孔材料、厚膜电极与互连材料、无源元件等多层结构在低温下（≤950 ℃）一次性烧结形成的陶瓷。LTCC基板具有布线层数高、布线导体方阻小、介电常数低、烧结温度低、热膨胀系数小等优点，高频特性优异，适合高低频混合和数模混合设计，是军用电子装备进一步实现小型化、轻量化、多功能和高可靠性最为有效的技术途径。LTCC基板能充分发挥大规模集成电路和高速集成电路的性能优势。LTCC一次烧成，既提高组装密度，又简化工艺。本文结合SiP高密度集成的特点，介绍LTCC在SiP中的应用及发展趋势。

2 LTCC在SiP中的应用

根据SiP小型化、轻量化和高性能等特性，LTCC在SiP中的应用具体表现在以下几方面。

2.1 多层互连基板

SiP通常由多个元件和模块组成，电路布线往往比较复杂。LTCC基板绝缘电阻高、介质损耗小、高温稳定性好，热膨胀系数与芯片比较接近，满足芯片等元器件组装和使用要求，适合系统中电路之间信号的高速传输。LTCC由多层生瓷带叠压烧结形成，每层生瓷带上可以打孔和布线。通孔直径和布线导带的线宽/间距越小，则布线密度越高。现在国际上LTCC产品中已应用到0.1 mm的通孔直径和0.1 mm/0.1 mm线宽/线间距的布线导带。国内LTCC产品为了保证成品率，通孔直径和线宽/线间距一般都大于0.1 mm，但更小通孔直径和布线导带的线宽/间距的研制样品也已做出。图1为中国电科43所通孔直径为80 μm、布线线宽/间距为55 μm/65 μm的样品局部图。基板多层布线更是LTCC的优势（组成基板的布线层厚一般为0.1 mm左右）。已有很多单块LTCC产品的布线超过30层。国外不乏有超过60层的LTCC产品。SiP相对普通模块具有更复杂的电路结构和连线，需要更多的布线载体。因此，LTCC良好的信号传输性能、巨大的布线灵活性和多层布线空间给SiP复杂的布线以广阔的发挥和运用。

图1 通孔和导带线宽/间距样品图

在LTCC基板上还可以制作不同结构形式的空腔，用于SiP中芯片、MEMS等元器件的安装及微波信号的传输。空腔的形式通常有直通空腔、单面（非直通）空腔、台阶空腔和双面（非直通）空腔。对于功率较大的芯片等元器件，可以通过基板的直通空腔将其粘结或焊接在金属底板上，以减少热阻利于导热。利用台阶空腔，可以实现带状线或微带线的穿墙引出。非直通空腔和台阶空腔的尺寸可以根据待置元器件的大小和键合位置来确定。相对于PCB和氧化铝厚膜多层等平面基板而言，LTCC基板通过空腔的使用，可以降低元器件组装高度，减小系统体积，缩短传输线，提高系统散热能力。

2.2 内埋置无源元件

无源元件（电阻、电容和电感）在混合集成电路中的用量日益增加，在典型的手持装置和计算机等微电子产品中，超过80%为无源元件，元件占用了电路基板面积的约50%，焊盘占用电路基板面积约25%，无源元件对系统的成本、体积和可靠性有着十分明显的影响[5]。SiP中大量无源元件的存在不仅需要系统有更大的组装面积，也意味着大量焊点的存在。焊点增多，将导致系统因互连焊点失效的可能性增大。通过LTCC内埋置无源元件，可以减少SiP表面贴装无源元件的数量，提高了系统的组装密度和可靠性；另外埋置无源元件连接线短，具有较低的寄生效应，适用于更高频率和速度的电子系统。

在LTCC多层布线中，可以将不同特性的电阻、电容、电感等材料通过图形设计分布在不同生瓷带层上，经叠压烧结后与基板集成于一体，成为内埋置无源元件。对于精度要求不高的电阻可以埋置在基板内部。对于精度要求较高的电阻则需印烧在基板表面以便调阻，也可采用在厚膜电阻表面开调阻窗口的方法将电阻埋置在浅层内以便调阻[6]。对于几pF（10-12F）或几十pF的小容量电容，可用瓷体本身作为电容介质材料。对于更大容量的电容则需用电容介质浆料或高介生瓷带制作。将导带设计成直线、折线、螺旋线等形状可得到不同大小和性能的埋置电感。但在常用的LTCC材料中制作的埋置电感的电感量一般在两三百nH（10-9H）以下，适合高频使用。制作更大电感量的电感需要用铁氧体材料[7]。通过微带元件及与电阻、电容、电感组合设计，可以实现滤波器、天线、功分器等元件的内埋。

2.3 3D SiP

复杂的SiP常包含多个模块结构，要组装许多元器件。如果仅在二维（2D）表面组装元器件则要占据较大的组装面积，系统的体积难以缩小。若将系统分成多个模块，每个模块采用LTCC 2D-MCM模式，再将2D-MCM叠层垂直互连组装，则实现LTCC三维（3D）SiP结构。这种3D形式的电路不仅系统组装面积明显缩小，封装外壳重量减轻，而且由于2D模块叠层组装后，上下各层采取垂直互连或周边垂直互连，模块之间（层间）通过垂直互连点连线比单一2D-MCM上连线可大为缩短，因此传输延迟缩小，传输速度得到提高。同时，由于引线长度的缩短，减小了寄生电容和寄生电感，降低了能量损耗，有利于信号的高速传输，改善系统高频性能[7,8]。

除裸芯片较薄外，一般模块所用的无源元件和封装芯片均比裸芯片厚得多，因此组装成3D SiP时，相邻叠层的2D-MCM之间必须隔开。这种隔开可以采用LTCC制作的隔板来实现，不仅可以设置互连通孔和焊盘，还能保持与基板一致的收缩率，按需调节隔板厚度。LTCC 3D SiP结构如图2所示。若组装的元器件均为裸芯片，则层叠2D-MCM时仅用互连凸点即可分开上下基板，而不需用隔板。图3（a）、（b）分别为43所有隔板和无隔板LTCC 3D系统实物图。

图2 LTCC 3D SiP结构图

2.4 LTCC气密性封装

SiP封装为密封的系统元器件及模块提供良好的工作条件（机械支撑、环境保护等），并实现系统与外接电路之间的电连接。LTCC气密性封装是一种不用金属管壳的新型高密度封装，其在LTCC多层基板表面直接焊接适合封盖高度的柯伐框架（LTCC基板的热膨胀系数与柯伐匹配），然后平行缝焊盖板，使得多层基板既作为多层电路互连基板，又作为封装外壳的底座，从而实现LTCC基板与外壳一体化气密性封装。

LTCC一体化封装的引出端口既可为BGA（焊球阵列）、PGA（针栅阵列）形式，也可以是LGA（栅格阵列）和QFP（四边引线扁平封装）形式。系统的小型化和高性能是SiP的特性。对于需进行气密性封装的高可靠性SiP产品来说，采用LTCC作为SiP基板进行一体化气密性封装，不仅能替代金属管壳封装，提高单个封装内的集成度，而且不需金属封装的引脚引线键合，基板引出端直接与外部连接，缩短了互连线，减小了损耗和寄生效应，系统性能可以得到进一步提高。

图3 LTCC 3D系统实物图

图4为中国电科43所LTCC一体化气密性封装SiP样品几种不同I/O结构样品图。

3 LTCC在SiP中的发展

为满足SiP应用的要求和SiP技术未来发展的趋势，LTCC仍需解决基板散热、基板加工精度和异质集成方面的问题。

3.1 基板散热问题

随着SiP复杂程度增加，互连封装密度提高，SiP的功率密度也在提高，这就对LTCC基板的散热性能提出了更高的要求。目前LTCC采用的散热方式主要是：在功率元器件下方的基板中制作高热导率的金属化通孔阵列，连接到基板背面的金属化层或散热底板上，通过通孔阵列增大基板导热能力；或在基板上开直通空腔，将功率元器件通过空腔直接组装在散热板上散热。但有的系统为了气密性、整体结构和电气绝缘等要求考虑，基板不适合开直通空腔和加散热板。因此，为了提高系统的散热效果，需要另辟蹊径。

（1）在LTCC基板中制作微流道。通过在功率元器件下方的基板内制作蛇形或网状微流道，采用微泵驱动冷却液流过功率元器件背面的流道，液体在流道内与元器件进行热交换，带走所传递的热量。LTCC微流道技术是一种有效的散热方式，但由于需要增加液体驱动系统，增加了系统的复杂性和体积，因此需要从散热和复杂性等方面综合考虑[10,11]。目前，已有美国、波兰等国家采用LTCC微流道制作出了SiP产品，但关于LTCC微流道系统散热研究仍处于实验室阶段。随着LTCC微流道制作技术的成熟和散热器小型化的发展，LTCC微流道散热技术将广泛应用到大功率SiP电子器件中。

图4 LTCC气密性封装I/O图

（2）采用更高热导率的LTCC生瓷带材料。HTCC中Al2O3的热导率为15～30 W（m·K）-1，AlN的热导率是140～270 W（m·K）-1。常用LTCC的热导率是2.0～4.0 W（m·K）-1，虽然比有机多层树脂基板的热导率～0.2 W（m·K）-1高，但比HTCC低得多。因此，若能使用热导率更高的LTCC生瓷带，则LTCC在SiP中无疑将发挥更大的作用。目前中科院上海硅酸盐研究所已开发出具有较高热导率的低温共烧陶瓷材料，热导率为18.8 W（m·K）-1[12]，但要实现该生瓷带的批量化生产和应用则还有一段路要走。

3.2 基板精度问题

随着SiP产品向微波毫米波更高频段发展，高频产品对LTCC基板的加工精度要求较高。印制导线的线宽、线间距、通孔直径、多层对位精度、收缩率精度等因素的变化，均对高频产品性能产生影响。影响基板制造精度的因素除基板布线状态、工艺技术、条件设备和规范管理之外，LTCC原材料也是一个重要因素。目前主要LTCC生瓷带在烧结时存在10%～20%的收缩率，收缩率容差为±0.3%。±0.3%的容差对于边长为50 mm的基板将产生最大0.3 mm的误差，这种误差对系统组装及高频信号传输影响很大。因此，生产收缩率更稳定（容差更小）的生瓷带是LTCC生产和制造厂商的迫切愿望。目前虽有零收缩生瓷带，收缩率容差达到±0.05%，但品种单一，使用受限。如果能生产出适合高频等更多品种的零收缩LTCC生瓷带，则可显著扩大SiP的应用范围。

3.3 LTCC基板异质集成问题

对于拥有大量无源元件的SiP来说，无源元件集成化和微型化是实现SiP小型化和高可靠性的重要因素。采用低温共烧异质电介质材料和磁介质材料则可实现较大量值电容和电感的小型化，提高集成度。异质LTCC技术在国外应用较多，如日本村田公司已开发出多种高介电常数的低温共烧材料，大量生产片式滤波器、平衡非平衡转换器、片式天线、收发前端模块等。但异质LTCC技术应用于SiP时需考虑局部异质，工艺较复杂。制作时需要在LTCC陶瓷基板材料层中嵌入不同尺寸的介质材料和铁氧体材料；烧结时，不同材质的材料由于界面、烧结温度和收缩率等特性存在差别，基板容易出现分层、开裂、翘曲等现象，必须控制好烧结工艺参数。因此，要实现SiP中尽可能多的无源元件集成化和小型化，既要有与主体LTCC生瓷带共烧匹配良好的异质生瓷带材料，也要有可批量化生产的能嵌入不同尺寸生瓷带的设备。目前已有日本等公司生产嵌入式LTCC产品，但采用LTCC基板实现SiP多处局部异质的批量生产工艺仍有待于进一步完善。

4 结论

LTCC作为SiP的组装封装载体，可以实现SiP的高密度互连布线和制作各种不同用途的空腔，集成电阻、电容、电感、滤波器、天线等无源元件，进行多个叠层2D-MCM的垂直互连，与金属围框进行一体化封装。随着SiP向小型化和高可靠性方向发展，未来将会更多通过在LTCC基板中制作微流道实现液冷、应用高热导率LTCC基板来解决大功率SiP散热问题，采用适合不同频率的LTCC零收缩生瓷带来提高基板制作精度，通过成熟的LTCC生瓷片嵌入技术和共烧匹配良好的异质生瓷带材料提高SiP的集成度。

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