AlN多層陶瓷基板一體化封裝

秦超，張偉，李富國，王穎麟

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024）

0 引言

隨著現代通訊技術的迅猛發展，多層陶瓷基板憑借其靈活布線、三維集成等優勢廣泛應用于航空航天、衛星通訊等射頻領域。為了實現電子整機向高密度，小型化，輕量化的方向發展，越來越多的電路組件使用多層陶瓷基板封裝一體化封裝技術（integrated substrate package，ISP）以實現模塊化和器件化。多層陶瓷基板一體化封裝是將陶瓷基板直接作為封裝的載體，不需要采用其他材料對電路基板進行再次封裝，可有效提高封裝密度和效率，減小封裝體積,實現氣密封裝[1]。同時一體化封裝可對不同信道的信號產生有效的屏蔽，避免信號互擾。

本文主要研究AlN[2]多層陶瓷基板的一體化封裝技術。AlN多層陶瓷相比較于低溫共燒陶瓷和Al2O3共燒陶瓷來說，其導熱系數高，熱膨脹系數與Si更接近。伴隨著電子設備的集成度大幅提高，電路中單位面積所散發的熱量不斷增大，系統對散熱要求也越來越高。中高功率耗散的微波組件采用AlN多層陶瓷基板一體化封裝技術無需在功耗芯片下安裝過渡散熱熱沉（一般為鎢銅、鉬銅等金屬），可大幅降低工藝難度和生產周期。

1 AlN一體化封裝工藝結構

1.1 AlN基板制備流程

ALN多層陶瓷基板的制備流程與傳統低溫共燒陶瓷工藝流程基本一致，由于材料體系和成分的差別，個別工藝略有不同。本試驗陶瓷材料采用厚度為0.13毫米的高純氮化鋁膜帶，通孔金屬化漿料和印刷漿料均選擇高溫燒結鎢漿，其中排膠過程需要在氮氣環境中進行排膠。而燒結過程中則引入助燒劑以提高材料密度和熱導率，一般AlN燒結需要在還原氣氛下進行[3]。排膠和燒結是AlN多層陶瓷基板制備流程中的關鍵工序，影響著基板的翹曲、開裂等，直接決定了多層板的性能和質量。陶瓷基板表面共燒的鎢漿無法直接進行焊接、鍵合且極易氧化，需要在表層進行化鍍鎳鈀金[4]進行后續裝配。

1.2 AlN一體化封裝結構

AlN多層陶瓷基板的一體化封裝主要由以下幾部分組成：AlN多層陶瓷基板，圍框和蓋板。具體結構如圖1所示。多層陶瓷基板內部布線，表面貼裝有源和無源器件。圍框一般采用焊接溫度較高的焊料與基板焊接，對于整體結構而言，圍框材質的熱膨脹系數需要與基板熱膨脹系數接近，以防在焊接時熱應力失配造成產品開裂。蓋板與圍框多采用平行縫焊的方式進行氣密封裝。

圖1 AlN陶瓷基板的一體化封裝結構

2 AlN一體化封裝工藝路徑

2.1 一體化封裝材料

具體相關材料以及特性詳見表1。

表1 一體化材料

2.2 圍框焊接及測試

框體采用釬焊方式與多層陶瓷基板形成封裝管殼，由于一體化管殼內部器件使用錫鉛（熔點183℃）焊接，為了拉開溫度梯度，不影響后續裝配，本次試驗采用Au80Sn20（熔點280℃）焊料作為圍框焊接焊料。考慮到整體結構的熱應力匹配，框體材料選擇與AlN陶瓷基板熱膨脹系數較為接近的可伐（Kovar）材料。將圍框、Au80Sn20焊料[5]、AlN多層陶瓷基板以及配套的焊接工裝夾具放入真空共晶爐進行框體焊接。

釬焊曲線如圖2所示，主要分為快速升溫、保溫、升溫、釬焊和降溫五個階段，一個焊接周期持續約25min左右。快速升溫是由室溫快速升到220℃，該階段升溫速率約為40～50℃/min，然后在220℃下保溫0.5min。后續溫度由220℃緩慢上升至焊接溫度310℃，此階段升溫速率約20～30℃/min。釬焊是在焊接溫度下保持0.5min，焊接完成后進行降溫處理。

圖2 圍框釬焊曲線

一體化封裝技術將圍框和基板作為封裝的一部分，圍框與基板的焊接強度直接影響著最終產品的可靠性，因此需對焊接強度進行剪切力測試。將焊接好圍框的陶瓷基板經過Dage 4000進行測試，圍框剪切強度滿足要求。

對于圍框焊接后的多層陶瓷基板，其結構形成一個未經封蓋的外殼。對于該種結構的外殼，焊接處的氣密性測試符合GJB548B-2005中1014.2密封測試A4條件。在測試氣密性時，將測試殼體使用橡皮膠墊和真空硅脂密封在氦質譜檢漏儀真空接頭處，抽真空將密封內腔氣壓抽至0.01Kpa，然后根據相關要求用噴槍使陶瓷基板焊接處受到一個236KPa的氦氣壓力作用，測得漏率為8.9×10-10（Pa·m3）/s，未超過國軍標中規定的“測量漏率”1×10-9（Pa·m3）/s，焊接處氣密滿足要求。

2.3 氣密封焊及測試

簡單來說，氣密封裝是指用密閉材料將電子器件所處的環境形成一個氣密空間，阻止工作環境中有害氣體、液體和懸浮顆粒的進入，保障電子元器件的長期可靠性。對于該AlN多層陶瓷基板一體化的氣密封裝需要實現可伐圍框與蓋板的金屬氣密封裝。一般對于金屬的氣密性封裝通常有平行縫焊、激光縫焊和釬焊等幾種封裝方式，該產品結合自身工藝條件以及結構選擇平行縫焊作為蓋板的氣密封裝方式。平行縫焊是通過連續電流脈沖產生的熱能集中在電極錐面與蓋板的兩個接觸點上，極高的熱能密度使這兩處蓋板與殼體的局部金屬體(柯伐合金)及其鍍層迅速加熱至約1500℃而熔合在一起。隨著電極在蓋板上的滾動和持續電流脈沖的供給，在各接觸點區域形成部分重疊的熔斑，從而在蓋板的邊沿上得到連續致密鱗狀的焊縫[6]，圖3為封蓋后的AlN多層陶瓷基板的一體化管殼。

圖3 封蓋后的AlN多層陶瓷基板的一體化管殼

氣密后的一體化管殼需要進行相關的密封測試。根據GJB548B-2005（微電子器件試驗方法和程序）中1014.2密封測試A1條件固定方法進行測試。該管殼內腔體積小于0.05cm3，使用壓氦平臺對密封管殼加壓到517KPa，保壓2h后氦質譜檢漏儀測得其漏率為2.3×10-9（Pa·m3）/s，遠小于規定中的拒收極限值5×10-9（Pa·m3）/s。后續將管殼按照試驗條件C1進行相關粗檢漏發現管殼無氣泡冒出，表明AlN多層陶瓷基板一體化管殼密封性滿足要求。

3 結語

AlN多層陶瓷基板既具備傳統多層陶瓷基板三維集成的優勢，同時又具備優越的散熱性能，既可以對電路熱量進行快速耗散又可以有效提升封裝密度同時還可匹配半導體材料的熱膨脹系數。因此基于AlN多層陶瓷基板一體化封裝是超大功率模塊、大規模集成電路的理想封裝形式。本文提出的一體化封裝是將化鍍后的氮化鋁多層基板與圍框經過釬焊形成管殼，最后利用平行封焊進行氣密封裝，經相關測試滿足使用要求。該一體化結構合理，工藝成熟度高，氣密性好，具有廣闊的應用前景。