摘要

半导体正在摩尔的周期中运行，带来了令人印象深刻的小型处理器、存储器、放大器和传感器芯片。然而，对开发人员和系统设计人员来说，它们的封装通常是一个挑战。本文描述了两种先进的3D芯片封装的需求和解决方案。

应用是在温度、轴向和径向负载的影响下，在电动机的转子和定子之间的狭窄间隙中需要磁场传感器。这种LTCC多层提供了双绞线布线和阶梯腔，包括降低的结合架，厚度为200μm。

具有7层阶梯腔的空间组件的挑战性封装。它能够将多级引线键合到间距小于50μm的探测器芯片上。除了大芯片之外，封装还带有多个焊接或粘接芯片和无源元件、柔性电路和一个坚固的LGA连接器。选择LTCC的其他原因是刚度、高可靠性预期以及在空间条件下与硅的热机械匹配。

介绍

电子学的优势要求电子设备具有更多的功能、快速而微小的半导体、灵巧的接口和经济的生产。不幸的是，打包并不是用户和开发人员首先想到的。解决方案需要更小、更轻、更复杂，以更高的频率工作，并且每单位面积容纳更多的元件。然而，任何东西都需要具有竞争力、快速可用性和灵活性，以便根据市场趋势进行修改。但这些事实不仅是对电路设计者和摩尔定律驱动的芯片行业的挑战，也是对封装工程师和电子材料供应商的挑战。」

「 LTCC多层膜被称为具有先进特性的射频封装:三维功能、良好的射频性能和无源器件(埋入元件、波导和天线功能)的集成。LTCC作为一种多层互连技术能够增加电路密度。老化解决方案也非常适合系统级封装集成。系统级封装集成能力、热管理、耐温性和异构系统集成是在微电子中利用陶瓷基板技术的驱动力。今天，由于其电气、功能、热机械特性以及长期稳定性和可靠性，LTCC特别适合先进封装和系统级封装。LTCC结合了小型化的潜力，较高频率的低损耗处理，并提供了集成额外功能的机会，如无源器件，射流或空腔。但并非不重要的是，它是一个系统级的密封封装。」

「与其半导体材料的热和机械匹配以及可靠性使这种玻璃陶瓷能够在传感器、汽车、医疗工程、石油/天然气和航空电子等市场或MEMS、生物传感器、MOEMS等新兴市场中发挥具有挑战性的作用。」

「 多层陶瓷基板技术是以连续的方式生产的。每个单层的几何结构(通过冲压、机械加工或激光切割)需要通过垂直和水平金属化步骤(通常是金属浆料的丝网印刷)来完成，然后进行堆叠、层压和共烧。」

「 但特别是这一顺序为构建电子封装的三维载体提供了特殊的前提条件和差异。」

LTCC技术——特别是特点和挑战

1. LTCC——适用于大批量和小众产品的技术

「与其他主要封装材料相比，LTCC封装的解决方案具有一些优势。它们与有机多层膜的不同之处在于其更高的可靠性，与氧化铝和AlN厚膜技术的不同之处在于更大程度的小型化，与硅的不同之处在于功能和可用性HTCC不同之处在于生产运行和加工成本。与有机技术相比，LTCC提供了可靠性。因此，FRX材料在x/y方向的高CTE会导致热循环和冲击过程中的疲劳，这通常是不使用FRx的原因。此外，吸湿、显著老化和低机械强度或寄生效应以及较大的损耗因数促使人们寻求替代材料，如果它们的应用需要更好的特性的话。另一方面，它们只是单片半导体集成所需开发成本的一小部分。」

「举例来说，LTCC在汽车工业中大量用于齿轮控制和发动机管理的电子设备。汽车电子主要需要COB/SMD组装和无源集成的热稳定性。LTCC用于医疗应用，例如起搏器或助听器。由于采用了贵金属导体和无机绝缘材料，这种医用设备主要要求具有设计寿命。」

「 高容量LTCC应用的其他领域是高频组件-天线、移动部件、发射/接收模块、射频滤波器、耦合器和移相器。他们利用陶瓷的优良射频特性。」

「 但也有高度专业化的利基产品的应用，这些产品通常结合了LTCC的许多优势。特别是创造垂直结构载体和防漏密封的机会是这些非标准操作区域的额外特征。」

「 诸如电阻、电容和电感元件的无源功能以及诸如通道、腔室和膜的流体结构可以以有限的方式集成。这些特征适用于感测或声学功能、热耦合或去耦。3D还支持复杂的阶梯式切口和空腔，允许芯片之间非常巧妙的引线键合，允许特定类型的引线键合，例如阻抗控制或尽可能回路高度或引线长度。LTCC有助于特殊布线，如带状线、波导或垂直屏蔽围栏。满足许多这样的特殊需求使得多层陶瓷技术，并为进入电子微系统的这些“专业”打开了大门。」

「 一些奇特的应用使用通道和中空空间作为微反应器，将化学物质应用于电泳电极或用于高功率多芯片模块中热点的液体冷却，这两者的主要任务都是用作复杂的电子封装。」

「 此外，这些应用中有许多需要中小容量、高度专业化和频繁采用新功能。因此，NRE成本应该是合理的，多年来完全自动化的高成本摊销不如高灵活性、定制和与特定要求的具体匹配重要。这种高潜力的集成和组合功能特性使得LTCC能够以模块集成为核心技术。许多有源和无源元件可以集成和组装成具有10至15层或甚至更多层的多层子系统。它们可能包含集成无源器件，如电容、电感和阻抗控制传输线，以及额外的表面贴装器件。但并非不重要的是，LTCC能够实现密封装，无论是本地或整个系统以及专门的电气和其他接口。」

「 LTCC在高度专业化产品中的其他优势包括:与有机基材(如Teflon和FR4)相比具有良好的导热性、抗热冲击性以及与普通芯片材料(如硅、SiGe、GaAs或石英)相比具有良好的热膨胀系数匹配性。这提供了许多组装机会，包括基于倒装芯片和微球凸块的芯片级封装技术。」

「 总而言之，LTCC是大型国际集团大批量生产的技术平台，也是大多数中小型公司小批量生产高度专业化产品的技术台。」

2. LTCC封装制造业面临的特殊挑战

「 制造高质量LTCC封装应用的挑战是高密度结构、小过孔、捕捉焊盘及其周围的间隙、对堆叠中的极端对准精度的高要求、紧邻芯片槽的阶梯陶瓷层上的微小焊盘以及尽可能低的电气和尺寸容差的组合。」

「 研究再烧制条件下层压生陶瓷叠层的行为，烧制条件适应具体情况，特别是对于具有大的空腔/通道、在基底表面上不利的分布或大量空腔/通道的层压材料。对于制造商来说，这是一个复杂的情况。通过使用非常特殊的工具和技术，烧结后的横向收缩公差必须降低到小于+/- 0.1%，同时保持非常低的基板翘曲。」

「 可行的精度在很大程度上取决于具体情况。存在布局的影响，例如电介质层的类型和数量、金属化材料、覆盖比、通孔穿孔和横向金属化图案的密度、空腔、切口或预切割。此外，所有制造步骤都会对后续特性产生影响，例如烧结曲线和单轴或等静压层压。」

「特别是这些先进的封装结合了几个对均匀和同质收缩有不利影响的特征。共烧过程中的陶瓷致密化遵循径向力，而不是正交力，而碎片袋和多种图案预计是方形的。技术特征的正确选择、微调和合适的工作流程对于满足功能、小型化和细节精度方面期望的封装至关重要。」

应用

以下章节中描述的例子代表了高度专业化的应用，这些应用基于一些不同的原因使用LTCC作为基础材料。在这两种情况下，从我们的角度来看，与其他技术或封装材料相比，这是比较合适的决定。」

1. 应用1–薄膜传感器封装

1.1 技术描述

「 由于电子电路几何尺寸的不断小型化，传感器应用的新领域变得可用。这种传感器应用的一个例子是将磁场传感器集成到例如人工膝盖的电机中。通过测量转子和定子之间间隙内的磁场可以提 高 效率，这对患者健康相关的生活质量有直接影响。更详细地说，该应用想要检测径向和切向磁场的数量和极性变化。然而，集成以保持电机功能的方式进行。这就是可用空间的宽度和高度受限的原因。」

图 1 : 安装位置草图

「尤其是高度不得超过220μm。整个封装能够处理发生的振动，并且具有足够的稳定性来保护嵌入的硅管芯。此外，由于外部磁场引起的电路路径上的电磁噪声也应小化。」

「 在这种应用中，使用LTCC作为封装材料的优点是可以为电路路径集成双绞线解决方案，以消除干扰信号。此外，用于组装和互连传感器管芯的空腔使得使用或多或少的标准技术进行互连和组装成为可能。陶瓷基材料和金银导体可承受定子块内部的热空气环境，多年不会出现问题。但并非不重要的是，空腔的底部适于保护厚度为40μm的薄裸芯片免受机械力。」

1. 2 LTCC衬底

「 这种应用需要非常薄的陶瓷板。封装基本材料系统是杜邦951。通常，这种材料的厚度约为90μm、135μm和200μm。但对于特殊应用，如埋入式电容器或基板表面上的绝缘层，也可使用50μm(烧结厚度40μm)的原胶带。选择这种带来制造烧结厚度约为100μm的板。传感器芯片放置在空腔中以获得所需的总高度。芯片的厚度为40μm，空腔底面的厚度仅为80μm。使用五层烧结厚度为40μm的胶带来制造该薄膜结构。在这五层中的三层中，空腔是激光结构的几何形状。金系统用于丝网印刷金属化。在共烧厚膜工艺中构造三个内层，以实现部分作为双绞线的芯片和连接线的焊盘。使用退火工艺在顶部制作焊盘。较薄LTCC片材的堆叠需要特殊的设备来处理较薄的胶带。」

「 层压过程是使用单轴和等静压层压的连续过程。注意空腔的形状，因为层压压力值超过100Bar。堆叠设置不当或固定不充分可能导致变形、裂缝或层压不完整。这将在随后的共烧过程中造成缺陷。与干燥的厚膜膏相比，特殊的挑战还在于非常薄的原始胶带。在层压过程中，每层50μm的原材料吸收额外的10μm至15μm的干燥金属膏。」

图 2 : 应用1 - LTCC-基板

1. 3 组装和封装

「 对于芯片连接，使用基于绝缘环氧树脂的粘合剂。为了在硅管芯下获得薄且大面积的粘合剂，可以用印模施加粘合剂。用特殊工具拾取和放置变薄的芯片。工具的设计方式使得拾取和放置过程中的机械应力保持很低。利用透射光实现用于管芯放置的空腔的自动图像识别。」

图 3 : 传感器

「 引线键合是用超声楔-楔技术和AlSi合金制成的直径为25μm的键合引线来完成的。为了获得非常扁平的焊线，焊线焊接机的夹钳固定焊线，在形成弧线时保持打开。连接器电缆焊接到焊盘上。这些导线的直径很细，以避免传感器组件在工作时受到机械应力。对于封装，使用低粘度(低于1500 Cps)的材料。对于所有的板上芯片工艺，固定都是通过真空吸附完成的，以避免机械应力造成的损坏。」

2. 应用2–辐射传感器封装

2.1 技术描述

「 另一个有趣的应用是特殊空间应用的电子装置。所有组件材料和部件的选择一般都要考虑高真空稳定性和低除气水平。应该完成放置在密封盒中堆叠的传感器元件和电子单元的构造。」

「 所述电子单元的主要电气功能是处理特殊传感器元件的128个信号。DAC和通信完成功能。」

「 主要部件是一个硅片，尺寸为5.4mm x 6.1mm，还需要放大器、电容和电阻等附加元件。」

2. 2 LTCC衬底

「 这种LTCC基板应用是一个具有挑战性的10层封装。这种封装也是由杜邦951胶带材料和金制金属制成的。设计和制造这些相对大量的层的主要原因是检测器芯片的要求。这是一种针对空间应用的特殊设计，除其他外，在芯片具挑战性的边缘上有四排140个焊盘，有效间距为40μm。因此，使用在7层空腔中具有交错接合焊盘的设计。由cofire gold制成的焊盘分布在6个架子上。」

图 4 : 应用2-传感器芯片-放置在LTCC腔中

「 这允许每个架子上的焊盘间距从220 μm到局部300 μm，以实现芯片级上相同的有效间距。空腔是通过激光构造单个带制成的。使用等静压工艺对其进行层压，以支持空腔几何形状和底部平坦性。平坦的空腔底板不仅对于芯片组件是必要的，对于封装背面的LGA型连接器也是必要的。在TOP层，印刷SMD焊盘和额外的接合区域，以通过焊接和芯片组装无源元件，以及通过引线接合组装大型多层柔性连接器。封装配备了机械基准，用于封装与其连接器和外壳的对准。」

图 5 : 应用2——总体视图

图 6 : 应用2–横截面

2.3 组装和封装

「 芯片用超过240条线连接到传感器元件和仪器的控制单元。因此，管芯具有248个尺寸为95μm×95μm的键合焊盘，其中138个输入信号焊盘以大约40μm的有效间距放置(串成4个交错的行)。其他产品的间距为115μm，需要引线键合用于将芯片连接到基板。选择直径为17.5μm的铝丝进行楔-楔键合。小直径减少了输入线之间的互连，铝材料防止了额外的热处理。」

「 该结构通过附加的柔性-刚性多层印刷板来完成，以将电子单元连接到仪器的控制单元。因此，特殊的单面多层设计允许在2个额外的焊接层中进行引线焊接。」

  图 7 ：多层陶瓷封装结构分布图

「 氧化铝或氮化铝上的有机PCB和陶瓷厚膜技术的许多弱点可以用LTCC克服。」

「 众所周知，陶瓷用于恶劣环境，例如汽车、长寿命户外、深孔钻探、航空航天或具有高级可靠性条件的工业传感器。与其他陶瓷技术相比，LTCC的主要优势是更好的小型化，但重要的是三维结构的可能性。这些选项有助于LTCC打开应用门，在恶劣的环境下应用的小型化，气密性和非常灵活的几种封装技术的金属化需求。」

「 本文中显示的应用是封装的例子，其中没有竞争技术有潜力在可比成本下实现相同等级的功能、可靠性和性能，明确涉及中小数量的单元。以特殊方式加工的多层陶瓷结合单独的封装技术，为这些应用提供了成功的解决方案。」