CN103500737A - 一种基于ltcc基板的耐过载一体化lcc封装 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LTCC基板的耐过载一体化LCC封装，包括带空腔LTCC基板、金属围框和金属盖板，金属围框与LTCC基板顶面共晶焊接后形成一体化LCC封装壳体，在一体化LCC封装壳体上的金属围框上平行缝焊金属盖板形成整体封装；带空腔LTCC基板的底面四边以一设定节距引出金属膜层，与四周侧壁同一节距排列的半圆柱孔金属膜层连通，构成SMT焊区端子。本发明的一体化LCC封装，体积小，重量轻，结构紧凑，能够承受25000g机械冲击的高过载；具有底面金属膜层与侧面半圆柱面金属膜层相组合的引线端子区，适于表面安装，安装连接强度高；带空腔LTCC多层基板作为封装的载体，封装效率高。

Description

一种基于LTCC基板的耐过载一体化LCC封装

 

技术领域

本发明以带空腔LTCC（低温共烧陶瓷）基板加工技术、共晶焊接工艺技术及平行缝焊气密熔封技术为基础，涉及一种耐高过载的LTCC一体化城堡式LCC封装。

背景技术

LCC（Leadless Chip Carrier，无引线片式载体）是一种周边带有金属膜层端子（而不是金属引线）的表面安装型封装外壳，基本都是采用90%～96%Al₂O₃的多层HTCC（高温共烧陶瓷）工艺制作，互连导体为W（钨）、Mo（钼）等难熔金属，在1500℃～1850℃的高温下及还原性气氛中完成烧结，在W或Mo导体层表面镀Ni（镍）或Ni及Au（金）后形成芯片及封口环安装区、互连键合区及封装端子区，金属封口环的安装则采用600℃以上的高温钎焊（如银铜焊）工艺实现。

目前的HTCC类LCC属于陶瓷气密性封装，具有优良的热性能、机械强度和耐恶劣环境能力，互连线路短、寄生参数小、封装端子密，一般仅能用于封装单个大规模单片IC（集成电路）芯片。然而，由于存在互连导体导电性差、工艺复杂、工艺温度高、不能印制电阻、需要进行镀膜加工等缺点，它并不适宜于作为由多个IC芯片、多种电子元器件（半导体器件、片式阻容元件、传感器等）构成的HIC（混合集成电路）、MCM（多芯片组件）、MEMS（微机电系统）集成组件、高频微波集成组件等微电子模块产品的封装。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于LTCC基板的耐过载一体化LCC封装。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于LTCC基板的耐过载一体化LCC封装，其特征是，包括带空腔LTCC基板、金属围框和金属盖板，LTCC基板顶面设置环状共晶焊道膜层，金属围框与LTCC基板顶面共晶焊接后形成一体化LCC封装壳体，在一体化LCC封装壳体上的金属围框上平行缝焊金属盖板形成整体封装。

带空腔LTCC基板的底面四边以一设定节距e引出金属膜层，与四周侧壁同一节距e排列的半圆柱孔金属膜层连通，构成SMT焊区端子。

所述带空腔LTCC基板的底面四边引出金属膜层宽度为0.5e～0.7e，长度为e。

所述带空腔LTCC基板的四周侧壁半圆柱孔金属膜层高度为0.67T，半径R为0.2e～0.3e，其中，T为LTCC基板厚度。

LTCC基板顶面设置的环状共晶焊道膜层，膜层宽度为1.2W～1.5W，W为金属围框壁厚。

LTCC基板底面金属膜层和四周侧壁半圆柱孔金属膜层、顶面共晶焊道膜层均采用PdAg厚膜导体浆料制作。

LTCC基板的面积尺寸A×B≤15mm×15mm；方框形金属围框的长度C＝A－(0.8～1)mm、宽度D＝B－(0.8～1)mm、高度h＝0.5mm～2mm、壁厚W＝0.8mm～1mm，采用可伐合金制作，表面先镀底层镍、后镀表层金。

薄片形金属盖板的长度E＝C－0.1mm、宽度F＝D－0.1mm、四周缝焊方框形边厚度h2＝0.1mm，盖板中部区域厚度h1＝0.25mm、长度E1＝E－2(W＋0.2mm)、宽度F1＝F－2(W＋0.2mm)，采用可伐合金制作，表面先镀底层镍、后镀表层金。

基于LTCC基板的耐过载一体化LCC封装，制作工艺过程为：

加工带空腔LTCC基板，

制作LTCC基板四周侧壁半圆柱孔端子金属膜层，

金属围框与带空腔LTCC基板共晶焊接为一体化LCC封装壳体，

LTCC基板四角倒角加工，

在一体化LCC封装壳体内组装元器件，

平行缝焊金属盖板与一体化LCC封装壳体。

本发明所达到的有益效果：

1） 本发明的一体化LCC封装，体积小，重量轻，结构紧凑，能够承受25000g机械冲击的高过载；

2） 带空腔LTCC多层基板作为封装的载体，其表面上和空腔内可高密度组装IC芯片、MEMS传感器芯片，封装效率高；

3） LTCC基板加工工艺比之HTCC工艺，工艺路线短、共烧温度低、无需金属镀膜、可控性较好，且采用Au、Ag（银）等高导电率贵金属互连使封装的电学性能优；

4） 封装采用金属与陶瓷的致密材料组合及金属合金焊料共晶焊接、金属熔焊封盖的焊接工艺，可以达到氦（He）质谱细检漏测量漏率R₁≤5×10^－3Pa·cm³/s的高气密性要求，使微电子模块具备封装的长期可靠性特征；

5） 一体化LCC封装具有底面金属膜层与侧面城堡状半圆柱面金属膜层相.组合的引线端子区，适于表面安装应用，安装连接强度高。

附图说明

图1a为带空腔LTCC基板主视图；

图1b为带空腔LTCC基板俯视图；

图1c为带空腔LTCC基板仰视图；

图1d为1c中I部放大图；

图2a为金属围框主视图；

图2b为金属围框俯视图；

图3a为金属盖板主视图；

图3b为金属盖板俯视图；

图4a为一体化LCC封装壳体主视图；

图4b为一体化LCC封装壳体俯视图；

图4c为一体化LCC封装壳体仰视图；

图5a为基于LTCC基板的耐过载一体化LCC封装结构主视图；

图5b为基于LTCC基板的耐过载一体化LCC封装结构俯视图；

图5c为基于LTCC基板的耐过载一体化LCC封装结构仰视图；

图6a为冲击试验子夹具俯视图；

图6b为冲击试验子夹具剖视图；

图7为样品冲击试验方向示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

本发明的基于LTCC基板的耐过载一体化LCC封装结构设计如下：

1） 组成“基于LTCC基板的耐过载一体化LCC封装”的3个基本零件分别是带空腔LTCC基板1（图1a－图1d）、金属围框2（图2a－图2b）和金属盖板3（图3a－图3b），金属围框2与带空腔LTCC基板1共晶焊接后形成一体化LCC封装壳体4（图4a－图4c），在一体化LCC封装壳体4上平行缝焊金属盖板3形成整体封装（图5a－图5c）；

2）如图1a－图1d所示，带空腔LTCC基板1的面积尺寸长A×宽B≤15mm×15mm、空腔底板厚度t≥1mm，基板制作出节距e＝1.27mm（或1mm）的底面四边引出金属膜层（宽度为0.5e～0.7e、长度为e）与四周侧壁半圆柱孔（高度为0.67T、半径R＝0.2e～0.3e，T为LTCC基板厚度）金属膜层构成的城堡状SMT焊区端子16，基板四角倒角1mm×45°，基板中的1个或多个方形半通空腔11用于安装厚度大一些的芯片等元器件，多层电学互连的LTCC基板采用DuPont 951PT生瓷带及其配套填孔与网印电子浆料共烧制作，基板底面12与侧壁13城堡状端子膜层及顶面14环状共晶焊道膜层15（宽度为1.2W～1.5W，W为金属围框壁厚）采用厚膜PdAg（钯银）导体浆料制作；

3） 如图2a－图2b所示，四角倒圆的方框形金属围框2的长度C＝A－(0.8～1)mm、宽度D＝B－(0.8～1)mm、高度h＝0.5mm～2mm、壁厚W＝0.8mm～1mm，采用GB4J29型可伐合金制作，表面镀Ni＋Au（先底层镍、后表层金，金层厚度1.27μm～2μm）；

4） 如图3a－图3b所示，四角倒圆的薄片形金属盖板3的长度E＝C－0.1mm、宽度F＝D－0.1mm、四周缝焊方框形边厚度h2＝0.1mm，盖板中部区域厚度h1＝0.25mm、长度E1＝E－2(W＋0.2mm)、宽度F1＝F－2(W＋0.2mm)，采用GB4J29型可伐合金制作，表面镀Ni＋Au（先底层镍、后表层金，金层厚度0.8μm～1.27μm）。

实施例2

本实施例中详细说明本发明的LCC封装制造工艺过程：

（1） 封装工艺流程

基于LTCC基板的耐过载一体化LCC封装制造的简要工艺流程为：带空腔LTCC基板1的加工→→四周侧壁半圆柱孔城堡状端子金属膜层制作→→金属围框2与带空腔LTCC基板1共晶焊接→→（封装内元器件组装完成后）平行缝焊金属盖板3与一体化LCC封装壳体4。

（2） LTCC基板加工

四个侧壁上具有城堡状半通半圆柱孔SMT端子的带空腔小尺寸LTCC基板的制作，按基本LTCC工艺联片加工，过程如下：

1） 将型号、尺寸合格的LTCC生瓷片打孔，每一生瓷片上的通孔包括中部待填充的相应层互连孔及四角（边）区不填充的填孔/网印用对准组孔、叠片用定位组孔、基板四角区1mm×45°倒角联片合成1.41mm×1.41mm方孔和基板下部0.67倍厚度侧壁城堡状半圆柱孔的各生瓷层上联片合成圆孔；

2） 通过各片生瓷片上的填孔/网印用对准组孔对准，用Au或Ag填孔导体浆料逐层完成生瓷片的通孔填充和干燥；

3） 通过各片生瓷片上的填孔/网印用对准组孔对准，用Au或Ag网印导体浆料逐层完成生瓷片的导电带印刷和干燥；

4） 使用激光划切机，在基板上部LTCC空腔的各生瓷层上切割出生瓷片窗口；

5） 逐层将生瓷片的四角叠片定位孔套挂在叠片台的对应销钉上，层叠为疏松的整件生瓷坯；

6） 用外形与尺寸正确的空腔塞填充叠好联片整件生瓷坯上部的各个空腔、盖好金属压板后，用塑料袋真空包封，并置入压力大于200个大气压、温度70℃的水介质中等静压层压10分钟，将疏松生瓷坯压制为密实生瓷体；

7） 使用生瓷热切机，按压实生瓷体表面的切割标记线对准，将整件生瓷体切割为单元基板生瓷块，联片的各个整体合成圆柱孔被分切为各单元基板生瓷块四周侧壁上的城堡状半圆柱孔；

8） 使用LTCC烧结炉，在最高温度约850℃的大气环境中使LTCC生瓷介质材料与厚膜导体材料共同排胶和烧结，将各个单元基板生瓷块烧成为单元LTCC基板；

9） 采用厚膜网印、干燥、烧结工艺，完成LTCC基板顶面方框形共晶焊道、底面四边SMT端子的PdAg（钯银）膜层的制作。

（3） 侧壁膜层制作

采用手工涂抹方式，完成基板底部侧壁上城堡状半圆柱孔端子膜层的侧印制作：

1） 侧印浆料为厚膜PdAg（钯银）导体，使用拨针蘸取浆料，均匀涂抹在基板侧壁上的半圆柱形凹坑中，为保证膜层厚度及其均匀性，应进行二次涂抹，并特别注意保证基板棱边挂上适量浆料；

2） 完成后，先将涂抹好浆料的LTCC基板静置约10分钟，再送入150℃烘箱中干燥10分钟；

3） 取出后在20倍放大的体视显微镜下检查，观察凹坑与底面交接的棱边是否有漏出瓷体的部分，如果有，使用拨针蘸取浆料进行修补，再次烘干；

4） 将基板送入厚膜烧结炉中完成侧壁厚膜层的烧结，烧结曲线为周期60分钟、峰值温度850℃、峰温持续10分钟。最后得到图1a－图1d所示的带空腔LTCC基板。

（4） 共晶焊接

采用真空共晶炉完成金属围框在LTCC基板顶面的共晶焊接：

1） 清洗如图2a、图2b所示的金属围框和如图1a－图1d所示的LTCC基板，去除表面污染，烘干；

2） 设置好共晶炉焊接的温度曲线、真空-氮气-蚁酸气氛曲线，最高焊接温度320℃～330℃、峰温持续3分钟～5分钟；

3） 将厚0.05mm的Au80Sn20合金焊料片裁剪成与图1中LTCC基板顶面共晶焊道膜层相同的形状和尺寸；

4） 在共晶炉的焊接平台表面上，依次堆叠放置好LTCC基板（空腔面朝上）、方框形Au80Sn20合金焊料片、订制的可伐合金金属围框，使共晶焊道膜层、焊料片与金属围框对准后用重量适宜的钨铜块在围框顶面压住；

5） 开启共晶炉，按设置的焊接温度曲线、焊接气氛曲线完成共晶焊，得到如图5a－图5c所示的一体化LCC封装壳体。

（5） 平行缝焊

平行缝焊在完成IC芯片、MEMS传感器芯片等内部元器件的组装后进行：

1） 清洗金属盖板，并用酒精棉擦拭LCC封装壳体上的金属围框上表面、外侧面，去除表面污染，烘干；

2） 将如图5a－图5c所示的LCC封装壳体（含内部元器件）和如图3a－图3b所示的金属盖板放入平行缝焊系统的真空烘箱，使之在10微米汞柱～50微米汞柱气压、110℃～140℃的热真空环境中烘烤4小时～8小时；

3） 编排平行缝焊程序，设置好缝焊电流、运行速度、运行距离、电极压力等焊接参数；

4）  将LCC封装壳体放入平行缝焊机工作台上的焊接夹具中，按方位要求放置并对准好金属盖板；

5） 启动缝焊程序，在平行缝焊系统的充氮气操作箱中熔封外壳金属盖板与金属围框，实现气密性LTCC一体化LCC封装，如图5a－图5c所示。

实施例3

本实施例中，进行耐高过载考核：

以按照上述工艺过程制作的未封盖一体化LCC封装壳体样品和已平行缝焊封盖耐过载一体化LCC封装样品为试验对象，通过“机械冲击”试验，考核这种封装的耐高过载应力水平：

1） 设计和加工冲击试验夹具，主要应保证有效夹持样品，使之在承受了试验设定的机械冲击自身应力的同时而不受到其他构件施加的多余破坏力。如图6a、图6b所示，在子夹具上设计和制作阵列凹槽，每一凹槽的长宽与样品长宽相同而凹槽的深度比样品的厚度略大，使得样品恰好能够装进底部垫有一层滤纸的凹槽内而不高出凹槽上表面，在样品上面垫上一至二层滤纸后用铝合金压条限位固定，再将子夹具固定在冲击台承面上进行冲击试验，能够保证冲击试验时压条产生的惯性力作用在子夹具表面上而不会刚性地直接作用在样品上，使试验结果能真实地反映样品的抗机械冲击应力水平；

2） 机械冲击方向分别为Y1、Y2、X和Z向，如图7所示；

3） 机械冲击应力依次有：2000g/0.3ms，3000g/0.3ms，5000g/0.3ms，8000g/0.2ms，10000g/0.1ms，15000g/0.1ms，20000g/0.1ms，25000g/0.1ms；

4） 每一方向各承受5次冲击，每次冲击试验结束后在20倍放大的体视显微镜下进行目检，试样不应出现变形、裂纹及其它机械损伤；

5） 目检如无异常，则通过该方向该应力的冲击试验，该样品继续进行下一应力/下一方向的试验；目检如不合格，则总结失效现象，分析失效原因，停止该样品的后续试验。

试验结果表明，以按照上述工艺过程制作的全部样品在Y1、Y2、X、Z四个方向均能通过加速度2000g～20000g的每次（各5次）机械冲击应力试验，两类样品各抽1只进行的Y1方向（样品抗冲击能力的机械强度最薄弱方向—LTCC基板中空腔底板厚度悬空受冲方向）、加速度25000g、5次冲击试验也都正常通过。因此，这种小型化基于LTCC基板的耐过载一体化LCC封装及其基础部件一体化LCC封装壳体能够达到抗25000g（2.5万g）机械冲击应力的耐高过载水平。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1. 一种基于LTCC基板的耐过载一体化LCC封装，其特征是，包括带空腔LTCC基板、金属围框和金属盖板，LTCC基板顶面设置环状共晶焊道膜层，金属围框与LTCC基板顶面共晶焊接后形成一体化LCC封装壳体，在一体化LCC封装壳体上的金属围框上平行缝焊金属盖板形成整体封装；

带空腔LTCC基板的底面四边以一设定节距e引出金属膜层，与四周侧壁同一节距e排列的半圆柱孔金属膜层连通，构成SMT焊区端子。

2.根据权利要求1所述的基于LTCC基板的耐过载一体化LCC封装，其特征是，所述带空腔LTCC基板的底面四边引出金属膜层宽度为0.5e～0.7e，长度为e。

3.根据权利要求1所述的基于LTCC基板的耐过载一体化LCC封装，其特征是，所述带空腔LTCC基板的四周侧壁半圆柱孔金属膜层高度为0.67T，半径R为0.2e～0.3e，其中，T为LTCC基板厚度。

4.根据权利要求1所述的基于LTCC基板的耐过载一体化LCC封装，其特征是，LTCC基板顶面设置的环状共晶焊道膜层，膜层宽度为1.2W～1.5W，W为金属围框壁厚。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的基于LTCC基板的耐过载一体化LCC封装，其特征是，LTCC基板底面金属膜层和四周侧壁半圆柱孔金属膜层、顶面共晶焊道膜层均采用PdAg厚膜导体浆料制作。

6.根据权利要求1所述的基于LTCC基板的耐过载一体化LCC封装，其特征是，LTCC基板的面积尺寸A×B≤15mm×15mm；方框形金属围框的长度C＝A－(0.8～1)mm、宽度D＝B－(0.8～1)mm、高度h＝0.5mm～2mm、壁厚W＝0.8mm～1mm，采用可伐合金制作，表面先镀底层镍、后镀表层金。

7.根据权利要求6所述的基于LTCC基板的耐过载一体化LCC封装，其特征是，薄片形金属盖板的长度E＝C－0.1mm、宽度F＝D－0.1mm、四周缝焊方框形边厚度h2＝0.1mm，盖板中部区域厚度h1＝0.25mm、长度E1＝E－2(W＋0.2mm)、宽度F1＝F－2(W＋0.2mm)，采用可伐合金制作，表面先镀底层镍、后镀表层金。

8.根据权利要求1所述的基于LTCC基板的耐过载一体化LCC封装，其特征是，制作工艺过程为：

加工带空腔LTCC基板，

制作LTCC基板四周侧壁半圆柱孔端子金属膜层，

金属围框与带空腔LTCC基板共晶焊接为一体化LCC封装壳体，

LTCC基板四角倒角加工，

在一体化LCC封装壳体内组装元器件，

平行缝焊金属盖板与一体化LCC封装壳体。

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