厚膜技术与LTCC材料在光电子封装中的应用

bomoaa · 发表于 2012-3-1 16:02:59

摘要：光电子封装就是把光电器件芯片与相关的功能器件和电路经过组装和电互连集成在一个特制的管壳内，通过管壳内部的光学系统与外部实现光连接。光电子封装是继微电子封装之后的一项迅猛发展起来的综合高科技产业，光电子封装不但要求将机械的、热的及环境稳定性等因素在更高层次结合在一起，以发挥电和光的功拖同时需要成本低、投放市场快。本文通过光电子封装对材料提出的各种要求，列举出厚膜与LTCC在光电子中的实用化产品，描述了厚膜和LTCC基板在环境恶劣的军事产品、无线通信产品及汽车电子上发挥出的显着特性优势，论述了厚膜与LTCC互连材料是光电子封装的理想材料。最后提出了目前光电子封装存在的问题与未来的挑战。关键词：厚膜；LTCC；光电子；封装
中图分类号：305．94 文献标识码：A
1光电子封装的发展需求
如果说微电子技术推动了以计算机、因特网、光纤通信等为代表的信息技术的高速发展，改变了人们的生活方式，那么随着信息技术的发展，光电子封装技术在宽带多媒体网络建设以及无线通信领域将起到越来越重要的作用。尤其在高速率发出、传送及复制数据和信号的功能上，光电子器件比微电子器件有着无可比拟的优越性。因此，光学在电子系统中、电子在光学系统中作用的相互扩展、协同，使得它们功能互补，增加了电子系统与光电子系统的价值。而在光电子器件中，封装往往占其成本的60％-90％，其中80％的制造成本又来自于组装和封装工艺，因此封装在降低成本上扮演了举足轻重的角色，成为近年发达国家研究的热门课题。光电子封装不仅需要大量的新型光学有源、无源元件、材料及其技术，而且还需要与大量的电子有源、无源元件、材料及其技术相结合才能形成。据报道，目前欧洲在电子封装领域占很强的地位，为适应当今无线通信和网络技术的发展，已有一些研究机构涉足于高速通信的光电子封装，有不少公司也进入了光电器件的市场。据最新资料统计，目前光电子器件市场年需求量的增长率已高达40％，而光通信系统的快速增长率使市场对相应光电器件的需求量也将在未来10至15年内以同样的速率增长。因此，就如人们所预计的，整个光电子器件的市场需求和现在的需求量相比，到2007年将增长15倍。换句话说，到2007年，所有光通信网络都需要使用光电子器件，并被广泛应用于长距离大容量光纤通信、光存储、光显示、光互联、光信息处理、激光加工、激光医疗和军事武器装备中，预期还会在未来的光计算中发挥重要作用。
2光电子封装对材料的要求
光电子封装技术(参见图1)是一个新兴的快速发展起来的高科技领域，它是为满足大容量高速光通讯系统开发的新一代封装技术。它与微电子封装一样，其中的电设计和机械设计占封装的主导部分。但是，光电子封装的电设计要求又与微电子封装不同，仅仅在机械设计上近于相同。其中的光学器件如激光源，就是将电信号转换为光信号，然后产生光束来传送数据信息。另外，在应用的材料上，光电子封装正如微电子封装一样，其中需要陶瓷、金属合金、玻璃、聚合物以及粘接剂来制作。这些材料特性如热膨胀系数、热导率、玻璃转化温度、蠕变、应力扩散及固化特性等的相互影响可决定封装模块的稳定性和可靠性。而且，不同的管壳结构和封装形式还影响模块的性能参数。无论是微电子封装还是光电子封装若选择了不合适的材料，经过各种疲劳工艺试验(如热疲劳)后将导致封装失效，影响封装件的长期可靠性。所以，对于光电子封装也必须注重综合设计能力，这主要包括光学设计、电设计、热设计以及机械设计。

2．1厚膜技术和LTCC的机遇
厚膜技术是集电子材料、多层布线技术、表面微组装及平面集成技术于一体的微电子技术。在满足大部分电子封装和互连要求方面，厚膜技术已历史悠久。特别是在高可靠小批量的军用、航空航天产品以及大批量工业用便携式无线产品中，该技术都发挥出了显着的优势。厚膜材料是有机介质掺人微细金属粉、玻璃粉或陶瓷粉末的混合物，通过丝网印刷工艺，印制到绝缘基板上。无机相的选择可确定厚膜成分的功能性，金属或金属合金无机相组成导体，金属合金或钉系化合物组成厚膜电阻。玻璃或玻璃陶瓷无机相用于组成多层介质。密封剂或高介电常数的电容层。通过连续印制的导体、介质，复杂的多层互连就形成了。再加入电阻。电容及电感(单层或多层)可以实现元件集成或功能化，例如应用于射频产品中的滤波器。基板一般为非导体，绝大多数常用基板材料为各种陶瓷，如96％或99％的氧化铝(A12O3)、氧化铍(BeO)和氮化铝(AIN)。在带式烧结炉内烧结，烧结温度控制在850℃~900℃之间。当今半导体IC不断增加输人／输出端、增大运算速度、增大热功耗，尺寸越做越小，这些都推动了封装技术向新阶段发展。因此，采用多种技术的低成本封装方案必须同时具有好的布线能力、良好的散热性能以及能灵活、可靠地互连裸IC或已封装的IC。新兴的光电子集成封装将需要综合模拟、数字、射频和光学技术、埋置的无源元件以及多层基板的功能。这就意味着厚膜材料与厚膜工艺将面临新的机遇和挑战。
近年来，针对射频器件和光电子产品的发展需求，世界各主要研究和供应厚膜材料的生产厂家开发出了许多突破性进展的新型厚膜材料和工艺，如美国Dupont公司的Fodel(一种制造细线条，小间距导体和微小介质孔的工艺技术)、扩散成形材料(Diffusion Patterning)及LTCC材料与工艺。并将它们成功地应用于光电子和光纤产品的封装中，特别是LCTF不断地向高性能、低成本应用领域提供其技术优势。其中以Dupont 公司的Fodel和Green TapeTM产品为例，着重介绍其技术与应用。Fodel是一种具有光敏特性的材料，用这种材料制成的介质层或导体层图形再采用紫外光照射及水喷淋方法形成。该光显介质能在125μm间距内形成75μm直径的通孔，光敏导体能在100μm间距内形成导体线宽50μm；在60μm间距内形成导体线宽40μm，真正达到高密度互连。Fodel光显金、银导体材料的电气衰减比传统材料要低。应用领域为高密度的厚膜电路、射频电路等(如图2所示)。

Green Tape TM材料是杜邦生瓷带低温共烧材料系统，是由玻璃／陶瓷介质带、印刷布线和填孔工艺、专门的低温共烧技术组成。烧结后的陶瓷收缩率与高导电率金属化材料相匹配。LTCC综合了高温共烧陶瓷技术和厚膜技术的特点，提供了一种高密度、高可靠性、高性能及低成本的互连封装形式。它最引人注目的特点是能够使用良导体做布线，并使用介电常数低的陶瓷，从而减小电路损耗和信号传输延迟。此外，LTCC优良的高频特性、热传导性、热膨胀系数(TCE)、成本低及制作周期短的特点使其完全满足宽带无线通讯产品的要求，同样成为光纤和光电子封装的理想材料。

图3示出了LTCC与其他材料的损耗与频率的对比，其中LTCC的电气损耗与介电常数要比传统材料低、其指标十分接近聚氟乙烯(FrEE)叠层印制板材料。然而，许多印制电路板材料在几个GHz的频率下，损耗值就很高，若达到几十GHz，其损耗值就更高了。而目前光电子产品的要求为高频工作且热性能好，这就要求光电子的材料既能达到高频率，又要求低损耗。因为损耗值越小，电特性越高。传统的厚膜混合电路技术加上12LTCC材料所具备的宽带特性正好满足光纤和光电子封装的需求。

图4示出了IC封装的各种材料的热膨胀系数，从图4中的数字可以看出，LTCC、氧化铝和其他陶瓷封装的TCE接近Si，砷化镓以及磷化铟的TCE值，而有机的印制电板路材料的TCE值都比Si、砷化镓高出很多。与硅和砷化镓的TCE值相接近的材料可以减小机械应力、以便使用较大的芯片，而不必使用有机叠层板。减小热不匹配性可以增强机械的整体性，降低温度特性的变化，以及增加集成模拟、数字和光学的、电子技术的能力。光电子产品如激光源在工作时会产生热，然而必须工作在窄温度范围内以保持密波分多路传送系统内的频率控制。

图5比较了陶瓷和有机印制电路板材料的热导率。从图中看出，陶瓷互连材料的热导率都很高，其中氧化铝基板的热导率是PCB有机材料的100倍，LTCC基板材料的热导率是有机叠层板的20倍。热导率越高，越能简化热设计，明显提高电路的寿命和可靠性，热通孔可以进一步增强热狰睦。当今有很多光学器件要求气密性封装且热性能好，但传统的气密性封装技术成本很贵，而要结合生瓷带材料的低温共蝴0具有成本低廉的优势，可以取代传统的气密性封装，并达到高可靠性。
图6示出采用钎焊馈通口的气密性光电子封装内部结构示意图。这种光电子封装采用普通的金属化框架，便于光信号和射频信号传输，LTCC基板具有很高的集成度，可以埋置电阻器和电容器，减少基版上表面贴装无源元件的数量，从而降低了基版高度，简化光信号的布线及互连。此外，该封装具有很好的散热性，这对于光电子器件来说，至关重要。

2．2厚膜与LTCC的应用
瑞典爱立信微电子公司(Ericsson Microele-ctronics)开发出了新型蓝牙收发模块(参见图7)。其特点是与原来的产品相比封装面积减小了约60％。工业样品预定从2001年第4季度开始供货。此次开发的是将基带处理LSI和RF收发器LSI封装到LTCC(低温共烧陶瓷)基板上。外形尺寸为12mm×16mm×1．8mm，与原产品(ROK 101 007／8)的33mm×17mm×3mm相比，外形尺寸大幅度减小。此前该公司产的收发模块与其它公司的同类产品相比外形尺寸较大，封装使用时有困难。此次开发的新模块通过将厚度减小至1．8mm，便于手机等产品使用。基带处理LSI及RE收发器LSI均使用爱立信自己的产品。RE收发器LSI计划采用以CMOS技术设计。此外，该公司还同时发表了可将发送输出能力提高至+20dBm、最大传送距离延长55100m~RE电路模块以及内置FlashEEPROM的基带处理LSI等。美国国家半导体公司的射频产品中结合生瓷带的低温共烧多层互连结构，并将引脚焊接在生磁带上。生瓷带浅腔结构可以按气密性分布元器件，低烧结温度能够埋置无源元件，无需电镀工艺，降低成本，并且具有环保特性。

2．3厚膜与LTCC材料在光电子封装中的优势

bomoaa · 发表于 2012-3-1 16:03:03

表1列出了光电子封装的需求以及厚膜和LTCC材料体系的优越性，从表中可以看出厚膜和LTCC材料体系在满足下一代光纤和光电子产品的封装要求上表现得很突出。借助厚膜与LTCC技术，将光学的和电的功能集成在一起，不但增强产品特性而且减小尺寸，这对设计人员来说，无疑是件好事。厚膜材料、技术在光电子封装应用中的发展趋势正是细线图形工艺与裸芯片组装技术的紧密结合，加上在制造成本方面的优势，特别是在高可靠性、高组装密度及内埋置无源元件技术上具有其他微组装技术无可比拟的优点。它在许多领域如无线通讯、数据传输与处理、宇航、军事及遥感遥测、汽车电子领域的成功应用均表明厚膜与LTCC的应用前景十分美好。但是，目前的产业化规模不及印制电路板组装技术，因此必须努力开展研究开发工作、扩大生产规模并继续开发新工艺与新产品，才能使其在技术发展与应用两方面跨上新时代的更高层次。

3光电子封装的优越性
光电子目前正在承担家庭、汽车、办公室和办公计算机等方面的任务，光电子互连提供了线互连技术难以实现的几种设计功能。光电子技术中，光纤互连在远距离通信系统中表现出低损耗、高可靠的优势。与传统的电子封装技术相比，光电子封装的作用主要是用光波导替代电线来提供芯片到芯片的通信；光耦合器替代了电子连接器，多芯导线提供了到其它板上的互连；发光源和探测器提供了电到光或光到电的转换。光互连的关键功能件包括无源器件如阵列波导光栅(AWG)、滤波器、分离器以及有源器件如激光器、调制器、探测器、放大器开关和衰减器。因此，光电器件具有更高性能、更高集成度的光互连网络，这一优越性使电互连望尘莫及。特特是在远距离通信场合下的优越十分明显，主要表现为：高数据速率、高带宽、低损耗互连、三维特性、简化热耗散(无机械互连)、低电磁干忧、抗敏感性和辐射、远距离通信时较低的媒介寄生干忧敏感性、低成本自由空间点对点和广播通信、重量轻、扇出数高及设计灵活。鉴于这些优势，光电子技术必将在21世纪成为主导产业，而随着这一产业的带动，光电子封装技术也会起着越来越重要的作用。
4光电子封装的前景展望
光电子技术使当今通信技术发生了显着的变化，而随着通信传输速率达到越来越高的水平，光电子的系统集成在增长，因此必将推动基础领域的技术的发展。其中最大的挑战就是研制光电子封装外壳的标准，使其对于光电子协调工作的部件来说，具有一致的焊盘和外形。标准必将鼓励设备供应商研制有效成本的用于光电子封装与组装的自动化设备。而令人高兴的是目前已经出现了一些研制自动化设备的供应商，他们不但便利了生产光电器件的厂商，最主要的是他们正在推动通信产业技术迈进一个前所未有的新时期。
对于封装产业的挑战就是要实现下一代既具有高性能又具有低成本的光电子封装目标，这主要是：1）应能满足对更快、更高性能、更小型化外壳的需求；2）有利于提高光电子技术的集成度；3）应能提高以有效成本为特性的组装技术；4）需要研制开发新型的光电子材料和设计技术来支持上述的1）、2）和3）点；5）需要低成本的热解决方案以便用于1~2W的激光器。

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