LTCC技术-I课件

第7讲LTCC技术基本理论和应用LowTemperatureCo-firedCeramic1.1MCM技术简介[1]1.2LTCC技术简介[2]1.2.1LTCC技术特点1.2.2LTCC中使用的基本材料1.2.3LTCC的生产工艺流程1.2.4LTCC技术的发展趋势1.2.5LTCC技术存在的不足和解决途径1.3国内外研究现状[3]第2章LTCC无源单元电路结构2.1LTCC波导-微带过渡结构及设计方法2.1.1传统波导-脊波导-微带过渡结构2.1.2传统波导-微带探针过渡结构2.1.3LTCC波导-微带探针过渡结构2.2基于LTCC技术的带通滤波器设计2.3信号屏蔽和层间互连[1]2.3.1信号屏蔽2.3.2层间互连2.4电容、电感、电阻3.参考文献图1-1MCM基本结构示意图与印刷电路相比，MCM体积优势非常明显，相对于芯片制造来讲，MCM工艺要求较低，成本适中，是目前系统组装的主要发展方向之一。1.1MCM技术简介[1]SMT，即表面组装技术(SurfaceMountTechnology)，称为表面贴装或表面安装技术。它是一种将无引脚或短引线表面组装元器件(中文称片状元器件)安装在印制电路板(PrintedCircuitBoard，PCB)的表面或其它基板的表面上，通过回流焊或浸焊等方法加以焊接组装的电路装连技术。组装密度高、体积小、重量轻，贴片元件的体积和重量只有传统插装元件的1/10左右，一般采用SMT之后，电子产品体积缩小40%~60%，重量减轻60%~80%。多芯片组件(Multi-ChipModule，简称为MCM)技术1.1MCM技术简介[1]在大多数不需要小型化的产品上仍然在使用穿孔(TH)或混和技术线路板，比如电视机、家庭音像设备以及数字机顶盒等，仍然都在用穿孔元件，因此需要用到波峰焊。从工艺角度上看，波峰焊机器只能提供很少一点最基本的设备运行参数调整。1.1MCM技术简介[1]波峰焊典型工艺流程波峰焊錫機主要是由運輸帶，助焊劑添加區，預熱區，錫爐組成。1.1MCM技术简介[1]波峰焊过炉夹具波峰焊的工艺与波形1.1MCM技术简介[1]波峰焊是指将熔化的软钎焊料(铅锡合金)，经电动泵或电磁泵喷流成设计要求的焊料波峰，亦可通过向焊料池注入氮气来形成，使预先装有元器件的印制板通过焊料波峰，实现元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。根据机器所使用不同几何形状的波峰，波峰焊系统可分许多种。1.1MCM技术简介[1]波峰焊流程：将元件插入相应的元件孔中→预涂助焊剂→预烘(温度90-1000°C，长度1-1.2m)→波峰焊(220-2400°C)→切除多余插件脚→检查。波峰焊随着人们对环境保护意识的增强有了新的焊接工艺。以前的是采用锡铅合金，但是铅是重金属对人体有很大的伤害。于是现在有了无铅工艺的产生。它采用了*锡银铜合金*和特殊的助焊剂且焊接温度的要求更高，更高的预热温度。PCB板过焊接区后要设立一个冷却区工作站。这一方面是为了防止热冲击，另一方面如果有ICT(InCircuitTester)的会对检测有影响。回流焊工艺是通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的膏状软钎焊料，实现表面组装元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。1.1MCM技术简介[1]SMT可靠性高、抗振能力强。焊点缺陷率低。高频特性好。减少了电磁和射频干扰。易于实现自动化，提高生产效率。降低成本达30%~50%。节省材料、能源、设备、人力、时间等。SMT，已渐渐地取代传统“人工插件”的波焊组装方式，已成为现代电子组装产业的主流，因它可以组装制造出相当轻、薄、短、小且品质良好的电子产品。据统计资料显示大约百分之九十的个人计算机，都是利用表面贴装生产线，而非由传统的波焊生产方法所装配起来的。其主要原因是由于现代的电子产品要求小型化、高密度化，及更高的电子讯号传输效率。这也就是表面组装生产技术逐渐地取代传统波焊生产技术的主要原因。SMT技术的核心内容包括组装材料、组装工艺、在线检测及组装设备等。多芯片组件(Multi-ChipModule，简称为MCM)技术是继表面安装技术(SMT)之后，日益兴起的一种高密度封装技术。其核心是将多个裸芯片在水平方向上通过较短的布线连接，在垂直方向上使用金属化通孔连接，从而实现组件的高密度组装。其基本结构如图1-1所示。MCM最突出的特点就是高密度集成，并以实现高速度、高可靠性、低成本和多功能为目标。1.1MCM技术简介[1]图1-1MCM基本结构示意图与印刷电路相比，MCM体积优势非常明显，相对于芯片制造来讲，MCM工艺要求较低，成本适中，是目前系统组装的主要发展方向之一。基于Al2O3陶瓷基板，通过薄膜多层布线工艺，内埋置电阻、电容、电感等无源元件，使用减薄芯片丝焊及倒扣焊组装技术；同时，以板级叠层互连方式进行板间集成，形成3D-MCM。3D-MCM基本结构示意图内埋置无源元件及多层布线结构基板局部图陶瓷多层布线基板中，顶层需要焊接IC和元件的焊盘采用Cu/Ni/Au金属结构。陶瓷多层布线基板的局部结构如图所示。1.1MCM技术简介[1]从基板材料、生产工艺的角度，MCM主要可以分为：MCM-L、MCM-C、MCM-D三类。MCM-L采用多层印制电路板，生产工艺成熟，成本低廉，但其电性能较差，可靠性不高，在频段较低的民用产品中应用广泛。MCM-C采用高密度多层布线陶瓷基板，生产工艺与芯片制造相似，封装效率较好、可靠性较高、电性能优良，适用频段较高，在航天领域和国防领域应用较多。1.1MCM技术简介[1]目前的印制电路板，主要由以下组成线路与图面(Pattern):线路是做为原件之间导通的工具，在设计上会另外设计大铜面作为接地及电源层。线路与图面是同时做出的。介电层(Dielectric):用来保持线路及各层之间的绝缘性，俗称为基材。孔(Throughhole/via):导通孔可使两层次以上的线路彼此导通，较大的导通孔则做为零件插件用，另外有非导通孔(nPTH)通常用来作为表面贴装定位，组装时固定螺丝用。1.1MCM技术简介[1]防焊油墨(Solderresistant/SolderMask):并非全部的铜面都要吃锡上零件，因此非吃锡的区域，会印一层隔绝铜面吃锡的物质(通常为环氧树脂)，避免非吃锡的线路间短路。根据不同的工艺，分为绿油、红油、蓝油。丝印(Legend/Marking/Silkscreen):此为非必要之构成，主要的功能是在电路板上标注各零件的名称、位置框，方便组装后维修及辨识用。表面处理(SurfaceFinish):由于铜面在一般环境中，很容易氧化，导致无法上锡(焊锡性不良)，因此会在要吃锡的铜面上进行保护。保护的方式有喷锡，化金，化银(ImmersionSilver)，化锡(ImmersionTin)，有机保焊剂(OSP)，方法各有优缺点，统称为表面处理。1.1MCM技术简介[1]MCM-C按照烧结温度高低可以分为高温共烧陶瓷(HTCC)和低温共烧陶瓷(LTCC)。前者烧结温度1600℃，导电介质采用比较贵重的钨、锰、钼等高熔点金属；后者烧结温度850℃-900℃，采用铜、银等相对廉价和熔点较低的金属。LTCC较HTCC具有成本较低和在烧结时银元素不会氧化，无需电镀保护的优点。MCM-D采用薄膜多层布线基板，按使用的基体材料不同又可细分为：MCM-D/C(陶瓷基体薄膜多层布线基板多芯片组件)、MCM-D/M(金属基体薄膜多层布线基板多芯片组件)和MCM-D/Si(硅基体薄膜多层布线基板多芯片组件)等。1.1MCM技术简介[1]表1-1MCM基本类型的性能比较1.2LTCC技术简介[2]下面将介绍LTCC的技术特点、采用的基本材料、工艺实现流程、发展趋势及缺点和改进措施。这对后续电路的讲解是一个铺垫。1.2.1LTCC技术特点LTCC是低温共烧陶瓷技术的简称，它是与高温共烧陶瓷HTCC(HighTemperatureCo-firedCeramic)相对而言的。LTCC技术是在800～950℃的温度下，将印刷有导电金属图形与具有互连通孔的多层陶瓷生片，在实现精确对位后叠在一起，最后共烧结成为一块整体多层互连结构。1.2.1LTCC技术特点这种技术能够使布线密度增大，使互连线距离缩短，并可以在各层基板上独立设计电路，因而可以实现具有三维立体结构的电路。此外，多层陶瓷基板表面还可以通过挖腔安装裸芯片或者以表贴的方式安装其他电路元件，利用层间通孔和内部电路相连。这就使得电路的组装密度得到了极大的提高，从而可以满足电子整机对电路小型化、高密度、多功能、高可靠性和高传输速率的要求。1.2.1LTCC技术特点LTCC技术属于多芯片组件(MCM)技术中的一个分支，最早由美国休斯公司于1982年开发。它兼具高温共烧陶瓷(HTCC)技术和厚膜技术的许多优点，拥有极其广阔的应用前景。表列出了三者之间的性能比较。1.2.1LTCC技术特点除以上表格中列举的优点外，LTCC技术还具有温度系数好，热膨胀系数可与硅半导体匹配的独特优点。LTCC相对传统的微波混合集成电路(HMIC)而言，其特点和优势可从以下几个方面来说明：1、内层基板中可以埋入无源电路元件，这使基板的表面将有更多的区域可以用来安装有源器件和铺设大面积地。这有两方面好处，一可以使组装密度获得提高，生产效率得到改善，系统可靠性得到增强；二可以通过大面积地的设计来实现微波的良好接地，进一步获得优良的高频特性。2、不同材料配方制作的LTCC基板的介电常数不同，可以设计在一个较大范围内，这可以提高设计电路时的灵活性。1.2.1LTCC技术特点3、温度特性较好，与传统的PCB板电路相比，导热性更好。还具有与半导体材料能够匹配的热膨胀系数，这能够减小裸芯片在安装时与基板的热应力，使得安装更加方便。4、生产方式是不连续的，能够在共烧前对每层布线基板进行检查，有利于提高基板的质量和成品率，使生产周期缩短，成本降低。目前，以片式元件、无源功能组件、无源集成基板、有源功能组件等为代表的一系列LTCC产品，目前已广泛应用于汽车电子、航空航天、无线通讯、军事及生物医疗等领域。1.2.1LTCC技术特点LTCC(Low-TemperatureCo-firedCeramic，即低温共烧陶瓷)技术为共烧陶瓷多芯片组件(MCM-C)中的一种多层布线类型的基板技术。该技术将还未进行烧结的陶瓷材料层叠在一起而制成多层电路。互连导体和单元电路印制在基板内层，LSI、IC等裸芯片则安装在基板表面，从而可以实现高可靠性及高集成度特点的微波毫米波器件、组件和系统(如下图所示)。LTCC多层电路侧面图1.2.1LTCC技术特点芯片之间的距离由于LTCC基板技术而更加接近，同理互连线之间的距离也更加缩短，因而该技术实现了小的系统封装尺寸和短的信号延迟等功能。同时，一系列附加的问题也相应被避免，比如杂散电容耦合、串扰噪声、杂散电感以及电磁场辐射等等，且元器件所特有的电性能能够被最大限度地保持。1.2.1LTCC技术特点1为顶层表面导体，2为共烧或烧银于顶层表面的电阻，3为内埋电阻，4为埋孔，5为内埋电容，6为叠孔，7为盲孔，8是通孔覆盖盘。1.2.1LTCC技术特点LTCC基板内埋置无源器件，通过通孔间的互连能够使得表面无源器件数量的减少和所占空间的缩小，有源器件从而具有更多的安装空间和尺寸；另外采取通孔互连能够使得互连寄生参量的减小、系统性能的提高以及系统带宽的增加等。由此我们可以看出在工程中应用LTCC技术是实现高可靠性、小型化和高集成度等的关键技术之一，同时也是解决微波毫米波系统高可靠性、多功能化、前端小型化等实际问题的有效途径之一。1.2.2LTCC中使用的基本材料1、介质材料目前LTCC技术中主要使用两种介质材料，其一是玻璃陶瓷，其二是结晶玻璃。前一种材料是将如氧化铝粉末这类的陶瓷材料添加到玻璃当中。陶瓷粉料和玻璃之间事实上并不产生反应，只是相互间均匀散布。玻璃会在烧结时软化，并将润湿与其混合的陶瓷材料。两者进而会形成一种致密结构，且可以和用于烧结的垫板平