开发高过载LTCC集成LCC封装。
何忠伟，李杰，周东莲，何彪，卢道万。
北方通用电子集团***微电子部）。
摘要：通过对封装结构设计及其制造工艺、LTCC衬底加工、框架与基板共晶焊接、平行缝焊与封盖等工艺的研究，成功研制出适用于多芯片、多器件微电子模块的LTCC集成LCC封装外壳，封装气密性满足第一标准要求， 并能达到25000g机械冲击应力的高过载水平。
LCC（无引线芯片载体）是一种表面贴装封装外壳，用金属膜端子代替金属引线[1,2]，基本上由质量分数为90%96%Al 2 O 3的多层HTCC（高温共烧陶瓷）制成，互连导体为W（钨）和MO（钼）等难熔金属，在1 500 1 800的高温和还原气氛中完成烧结。在W或Mo导体层表面镀镍（镍）或镍和金（金）后，形成芯片和密封圈安装区、互连键合区和封装端子区，金属密封圈的安装通过600多次高温钎焊（如银钎焊）工艺实现。HTCC LCC是一种陶瓷密封封装，具有优异的热性能、机械强度和耐恶劣环境性，但存在互连导体导电性差、工艺复杂、工艺温度高、无法打印电阻器、需要涂层处理等缺点[3]，一般只能用于封装单个大型单片IC（集成电路）芯片。
基于LTCC（低温共烧陶瓷）的集成LCC封装互连，线路短，寄生参数小，介电性能优异，封装端子致密，机械加工性好，易腔体，非常适合封装MCM（多芯片元件）、MEMS（微机电系统）集成元件、多IC芯片和各种IC芯片组成的高频微波集成元件等微电子模块产品电子元件（半导体器件、片式电阻电容元件、传感器等）[4,5].
本文开发了一种集成了高密度互连LTCC衬底的城堡式小型化LCC封装，可用于封装具有多芯片和多器件器件的微电子模块，并能满足25000 g（g为重力加速度）冲击加速度的高抗过载要求。
1.封装结构设计。
LTCC集成城堡LCC封装的结构设计如下。
1）构成“LTCC集成城堡LCC封装”的三个基本部件是“带腔的LTCC基板”（如图1所示），“金属框架”和“金属盖”、“金属框架”和“带腔的LTCC基板”进行共晶焊接，形成“集成LCC封装外壳”（如图2所示），将“金属盖”焊接在“集成LCC封装外壳”上平行焊缝，形成整体封装（如图3所示）;
2）面积尺寸A、B、15mm、15mm、型腔底板厚度为1mm，节距E1由基板制成27 mm（或 1 mm）的底面通向金属涂层（0.宽5 e ～0.7 e，长度为 e）。
带有周围侧壁的半圆柱形孔（高度 0.）。67 t 和半径 r 02 e ～0.3 e，t为基板厚度）由金属膜层组成的城堡形SMT焊料区端子，基板的四个角以1 mm 45°倒角，基板中的一个或多个方形半通腔用于安装较厚的芯片和其他元件，多层电气互连的LTCC基板由LTCC生瓷带及其配套孔填充和丝网印刷制成电子浆料，以及基板的底面和城堡形端子膜层的侧壁和环形共晶焊珠膜层的顶面（宽度为1.）。2 w ～1.5W，W为金属外壳的壁厚）由厚膜PDAG（钯银）导体浆料制成;
3）四角圆润的方形框架形状“金属外壳”的高度为05～2.0 mm，壁厚 08～1.0 mm，由 4J29 Kovar 合金制成，表面镀 Ni AU;
4）圆板“金属盖板”四角周围的缝焊框架形状边缘的厚度为01 mm，中间区域厚度 025 毫米，由 4J29 Kovar 合金制成，镀镍金。
2 包装制造工艺。
2.1 制造工艺。
LTCC集成城堡LCC封装制造的简要工艺流程如下：“LTCC基板带腔”加工，金属膜层制造半圆柱形孔城堡形端子，侧壁围绕金属膜“金属框架”和“LTCC基板带腔”共晶焊接（组装后组件在封装中）平行缝焊“金属盖”和“集成LCC封装外壳”。
2.2.LTCC衬底加工。
制造小尺寸LTCC基板，其腔体在四个侧壁上带有城堡形半通半圆柱孔SMT端子，并根据基本LTCC工艺进行多芯片加工。
1）将合格的LTCC瓷片的型号和尺寸穿孔，每块生瓷片打通孔，包括中间相应的互连孔层，并填充孔的四角（边缘）区域未填充对齐组孔，层压定位组孔，基板四角面积1毫米45°倒角片合成141 mm×1.41 mm 方孔和基板下部 067倍厚的侧壁城堡形半圆柱孔，每层瓷层在片上形成圆孔;
2）通过孔填充对每块生瓷片进行丝网印刷，用对准组对准孔，用AG孔填充导体浆料逐层完成生瓷片的通孔填充和干燥;
3）通过在每片生瓷片上填孔，丝网印刷与对准组孔对准，用丝网印刷导体浆料逐层完成生瓷片的导电胶带印刷和干燥;
4）使用激光切割机，在基板上部LTCC型腔的每个生瓷层上切割生瓷窗口;
5）逐层，将生瓷片的四个角挂在堆垛台对应的销钉上，堆叠成松散的整块生瓷坯;
6）用形状和尺寸正确的空腔塞填充整个生瓷坯上部的空腔，盖上金属压板，用塑料袋真空密封，以大于20的压力放置将265 MPa的水性介质和70°C的水性介质在介质静压下层压10 min。
7）使用生瓷热切机，将整块生瓷板根据压实的生瓷板表面切割标记线的对齐情况切割成单元基板生瓷块，将接头件每块整板的圆柱孔切割成每个单元基板的生瓷块周围侧壁上的城堡状半圆柱孔;
8）采用LTCC烧结炉，将各单元基板的原瓷块烧成单元LTCC基板;
9）采用厚膜丝网印刷、干燥、烧结工艺，完成LTCC基板顶面方框共晶焊道PDAG膜层和底侧SMT端子的PDAG膜层生产;
10）采用手工涂布方式，完成基板侧壁上城堡形半圆柱孔端子膜层的侧印。
2.3.框架和基板的共晶焊接。
采用真空共晶炉完成LTCC基板顶面上金属框架的共晶焊接。
1）清洗金属框架和LTCC基板，去除表面污染，干燥;
2）设置共晶炉焊接的温度曲线和真空-氮-甲酸气氛曲线，最高焊接温度为320 330，峰值温度为3 5 min;
3） 会很厚 0将05毫米AU80SN20合金焊片切割成与LTCC基板顶面上的共晶珠层相同的形状和尺寸。
4）在共晶炉焊接平台表面，依次堆叠放置LTCC基板（型腔面朝上）、箱形AU80SN20合金焊片和可伐合金框架，使共晶焊珠膜层、焊锡片与框架对齐，用适当质量的陶瓷块压在框架顶面上;
5）打开共晶炉，根据设定的焊接温度曲线和焊接气氛曲线完成共晶焊接，得到“集成LCC封装外壳”组件。
2.4 个平行缝焊帽。
在IC芯片和MEMS传感器芯片等内部元件组装完成后进行平行缝焊。
1）擦洗金属盖板和LCC封装外壳，清除盖板接口上的污染物，并干燥;
2）将LCC封装外壳（含内部元件）和金属盖板放入平行缝焊系统的真空烘箱中，在热真空环境中烘烤4 8 h;
3）安排平行缝焊程序，设置焊缝焊接电流、运行速度、运行距离、焊条压力等焊接参数;
4）将LCC封装外壳放入平行缝焊机工作台上的焊接夹具中，按方向要求放置并对准金属盖板;
5）启动缝焊工艺，在平行缝焊系统的充氮操作箱内熔化密封金属盖板和金属框架，达到“LTCC集成城堡LCC包”的气密性。
图 4 的左侧、中间和右侧分别显示了 LTCC 集成 LCC 封装的样品基板、外壳和整个部分。
3.密封密封性试验。
按 GJB548B-2005 “方法 1042”。2、“密封”条件A1要求完成9个无盖“集成LCC封装外壳”样品的示踪气体氦（HE）精细检漏试验，全部合格，测得泄漏率为8个0×10 －5 ～1.2×10 －4 pa·cm 3 /s（he）。
根据GJB548B-2005方法10422、条件A1和条件C1要求“LTCC集成LCC封装外壳”样品9盖后完成精细检漏试验和氟碳原油检漏试验，测得的检漏率为（1.）。5～2.3）×10 －3pa·cm 3 /s(he)。
4.封装电阻的高过载评估试验。
以无封盖“集成LCC封装外壳”和平行缝焊接帽“LTCC集成LCC封装外壳”9个样品为试验对象，采用GJB548B-2005“方法20021 机械冲击“测试，用于评估该套件的高水平过载应力。
1）冲击试验夹具的设计和加工应主要保证试样被有效夹紧，使其能够承受试验设定的机械冲击应力，而不会受到其他部件施加的过大破坏力。每个凹槽的长度和宽度与试样的长度和宽度相同，深度略大于试样的厚度，这样样品就可以装入底部有一层滤纸且不高于凹槽上表面的凹槽中， 铝合金珠子用铝合金珠固定，在试样顶面上铺上一到两层滤纸后，再将副夹具固定在冲击台的承载面上进行冲击试验。可以保证冲击试验时串珠产生的惯性力作用在分夹具表面，不会直接刚性作用在试样上，使试验结果能真实反映试样的力学冲击应力水平;
2）机械冲击方向分别为y 1、y 2、x和z（如图6所示）;
3）机械冲击应力有序：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）每个方向各应力5次冲击，每次冲击试验完成后，在20倍放大倍率的体视显微镜下目视检查，试样不得变形、开裂等机械损伤;
5）如果目测没有异常，则通过该方向的该应力冲击试验，该样品继续对下一个方向进行下一个应力的试验;如果目视检查不合格，将总结故障现象，分析故障原因，并停止样品的后续测试。
测试结果表明，18个样品均能通过机械冲击应力测试，在y 1、y 2、x和z四个方向上，加速度分别为2000 g和20000 g（各5次）。 Y 1方向（即试样抗冲击力机械强度最弱方向——LTCC衬底中型腔和底板厚度的方向）和加速度25000 g的两类试样也可以正常通过冲击试验。
5 结论。 基于上述发展，可以看出：
1）基于LTCC多层基板和集成封装技术的“LTCC集成LCC封装”具有结构紧凑、性能优异、可靠性高、应用范围广等特点。
2）LTCC基板加工、框架与基板共晶焊接、平行缝焊、旋盖等“LTCC集成LCC封装”成熟可操作;
3）“LTCC集成LCC封装”的密封性符合GJB548B-2005的要求，可以满足MEMS、MCM等器件和元器件的长期密封封装保护要求;
4）小型化的“LTCC集成LCC封装”外壳及其基本组件“集成LCC封装外壳”可实现25,000 g机械冲击应力的高过载水平。