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嵌入式模块化技术

2005-03-21 10:38:02 来源:《国际电子变压器》2005年3月刊

1引言
目前的手机大约贴装500只左右的无源元件和有源元件。通常在贴装无源元件时,每贴装一只产品需要0.1秒钟左右,半导体产品贴装时间稍长一些。
2002年的手机产量超过了3亿部,在贴装成本中元器件成本占的比重很大。再加上PDA和手机的多功能化还在迅猛发展,其结果,元器件的数量还会大幅度增加。为了增加功能,需要减小过去电路所占的空间。随着电路的半导体化的进一步发展,无源元件正在从1005尺寸向0603和0402尺寸的小型化发展。半导体本身也从封装产品向WL-CSP化(Wafer Level Chip Size Package)进而向裸贴装的小型、薄形化方向发展。不过,谋求无源元件从0603尺寸至0402的小型化尺寸,即使其相邻间隔从0.15mm变更为0.1mm,贴装面积也不可能由1608缩小到1005那样的小尺寸而达到节省空间的目的。另外,无源元件的小型化,即使相邻贴装间距小,也不会减少元件的数量。因此,谋求模块的小型化, 光是个别元器件的小型化和贴装的高精度化,将要接近极限。作为解决的措施,提出了将元件埋入或布设在多层基片中,实现嵌入式模块化技术。
日本松下电子元件公司由过去制造ALIVH(登录商标)基片,推进了材料的精细化技术,并对实现超高密度贴装做出了贡献。目前,ALIVH基片中的ALIVH-B Ver.3已实用化,作为半导体CSP用的插入件和模块基片也在应用当中。在ALIVH基片上采用光刻法将铜箔制作成布线图案。为此,轻而易举地形成了L电极布线,利用基体材料的介电常数,可以简单的内置滤波器,并使高频器件用的内置滤波器基片实用化。
元器件内置化作为革新的发展技术,近年来,在手机等部分RF领域中,用量最多的是LTCC(低温共烧陶瓷)。这就是使用玻璃陶瓷等可在900℃下烧结的材料,利用陶瓷叠层技术,将滤波器等的LC元件连接IVH(Interstiai Via Hole),构成嵌入式模块。若采用这一技术,在每平方厘米上可内置约30只至50只L(电感器)和C(电容器)。包括30只至50只的价值和贴装成本,LTCC基片就属于高附加值基片。松下公司自1999年开始,面向手机的LTCC就已经大批量生产,这是对元器件小型化和轻量化做出的最大贡献。
另外,为了发展ALIVH技术,松下电器元器件开发中心正在同时开发内置三维LCR半导体的最终高密度贴装模块技术SIMPACT(System In Module using Passive and Active Components embedding Technology)。SIMPACT是使用合成树脂材料制作lVH结构的多层基片,其技术是内部设置有LCR和半导体,该公司提出的关键技术是充分发挥单个元件的性能,最终提供以小型、高功能模块为核心的"元器件集成"。表1归纳了前面所述的模块技术发展进程。
2LTCC模块
2.1何谓LTCC模块技术
LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramics)意思是“低温共烧陶瓷”。其低温就是要与氧化铝等烧结温度高于1500℃的陶瓷比较,相对温度要低,具体烧结温度跟银和铜的融点(分别为961℃和1083℃)大致相同,它是指这些金属在其内部形成的状态下可与陶瓷共烧。
银和铜具有电传导率高的特点,并可在陶瓷内部形成电极布线,构成电感器和电容器,这就形成了“LTCC元件”。由于在高频领域显示出良好的特性,自1990年起,高频滤波器就已实现了商品化。
在LTCC表面设置贴装用的脊背电极,贴装LCR片式元件、CPU和存储器等半导体器件,LTCC内部电路和布线连接的“LTCC基片”,作为高性能的电子电路基片和用于大型计算机以及汽车控制系统的基片已部分实现实用化。
近年来,特别关注的是“LTCC元件”和“LTCC基片”进一步的复合化,构成LTCC模块。伴随手机的小型化和高功能化技术,高频模块化小型产品的市场需求还将不断扩大。
自1999年已经商品化的多层天线开关滤波器(EZFL系列示于图1)就是具有代表性的采用LTCC模块技术实现的商品化产品。它与过去的在印刷线路板上贴装片式元件模块比较,实现了小型化。
LTCC模块展现了良好的高频特性,而且可将RF电路模块小型集成。在小型化、高功能化和系统的复合化等急速发展的手机终端,广泛采用模块元件。大多数陶瓷生产厂家都参与异常激烈的市场竞争。
2.2 高性能LTCC材料
由于LTCC在900℃的温度下进行烧结,故广泛用作填充物陶瓷和烧结助剂玻璃混合而成的玻璃陶瓷。另外,因内置电容器和电感器的特性要求,一般采用介电常数6~9的材料。
过去,LTCC的容量温度特性(τc)都大于+60ppm/℃以上,不能满足温度补偿用电容器±30ppm/℃的规格。若要在整个温度范围内能全面满足高性能的高频滤波器使用,这是τc高精度化的研究课题。
近年来,顾客要求提高LTCC材料的机械强度。在手机的可靠性试验中,坠落试验是一项非常重要的项目,坠下冲击时,元器件自身会产生裂纹,或从电路基片上脱落。今后,坠落试验条件有变得更加严格的趋势,而且要求材料的抗折强度应在200MPa以上。
另外,使用含有氧化铅玻璃的LTCC材料,通常是利用容易叠层这一优点。含有氧化铅的玻璃易熔融,玻璃和陶瓷具有良好的烧结特性,故被广泛应用。不过,由于它是属于环境负荷高的物质,今后必须实现铅游离化。
为了解决上述课题,开发出了满足温度特性(τc)、机械强度和铅游离化的高性能新型LTCC(称为AMSG材料)。该材料与过去的LTCC材料同样属于玻璃和陶瓷填充物混合的玻璃陶瓷。作为其主要特点,一部分陶瓷填充物使用了新开发的介质陶瓷。介质陶瓷是以Al2O3-MgO-Gd2O3为主成分,在显示出良好高频特性的同时,作为介电常数10~20的材料,呈现出优异的负的τc特点。
利用这种介质陶瓷和烧结性良好的硼硅碱土族系的部分结晶化玻璃及氧化硅,按一定的配比混合,开发出了如表2所示的具有良好特性的LTCC材料。
能够获得高机械强度的主要原因,估计是玻璃和陶瓷填充物的一部分成分,在烧结过程中产生反应,在界面上形成新的结晶化玻璃相的缘故。
2.3 无收缩烧结工艺
由于基片制作工艺的种种条件,普通的陶瓷基片在烧结过程中的收缩使烧结后的基片尺寸产生误差或弯曲现象,是防碍细栅距半导体和无源元件高密度贴装的主要原因。图2示出了无收缩烧结方法。
表3示出了采用无收缩烧结工艺的烧结基片规格。由于该工艺所用基片的尺寸精度与过去的陶瓷基片比较非常好,可以认为在4英寸的整个矩形基片上,以150μm间隔贴装0603的片式元件没有问题。
无收缩烧结方法是在LTCC基片上下形成氧化铝等的高温烧结无机材料的约束层烧结时,通过约束层抑制LTCC基片平面方向的收缩,使烧结收缩带来的基片尺寸误差和弯曲减小。
过去,铅游离化LTCC无收缩烧结非常困难。铅游离化LTCC与含有氧化铅的LTCC比较,由于在烧结开始时的收缩度高,内部形成的银(或铜)电极有很大的收缩变动差。约束层虽然可抑制LTCC的收缩,但不能抑制其内部的电极收缩。因此,在低温下开始收缩时,电极通常就产生三维收缩,故在电极和LTCC界面附近会产生大的缺陷。为了解决这一缺陷,在电极中添加氧化物等的抑制收缩物质,提出了使电极收缩的温度要高,收缩率要低的方案。不过,这将大大降低电极的电传导率,不适用于高频模块。
为了解决这一问题,不使电极的电传导率恶化,发现三氧化钼可用作提高烧结开始收缩温度的有效添加物。三氧化钼具有在800℃附近由固体向气体升华的性质。到了800℃它即在电极层内作为氧化物固体存在,起到电极收缩抑制剂的作用,在烧结800℃以上的高温下三氧化钼变为气体,向电极层的外侧排出。用X射线微量分析仪分析的结果,三氧化钼几乎不存在于银电极内部,确保在LTCC和电极层的界面附近偏析。对电极层附近的缺陷产生抑制作用,充分发挥了添加效果,几乎对高频特性不产生影响。
2.4 LTCC今后的发展
在介绍以上先行技术的同时,也在开发高性能、超小型和高集成化的手机用RF电路模块。另外,还应开发介电常数高于20的介质材料层的异种叠层,使内置电容器小型化的技术,并以目前超小型化的多层天线开关滤波器(底面积在三分之一以下)作为目标。
3树脂多层基片上的嵌入式技术
开发的内置元件模块SIMPACT的结构与特点示于图3。SIMPACT由流动性高的树脂和无机填充物的合成材料组成绝缘层,内置无源元件和半导体器件等,在全层设置的IVH上与层间连接,做成高密度三维贴装模块。在多层布线层所用的合成树脂,可使用各种无机材料制成过去树脂多层基片所没有的功能性基片。例如,将内置电容器基片和Al2O3合成制成高温传导性基片。
以下简单归纳SIMPACT的特点。
a.因可在多层基片的任意层中三维内置半导体和无源元件,故可实现高功能化和小型模块化。
b.将合成树脂用于多层布线层,根据选择的无机填充物,可赋与电容器、电感器的形成和热传导性等功能。
c.因内置元件间是内线路连接的最短布线,故能够降低在高频下的信号损耗和噪声。
d.具有金属屏蔽结构,不需要采取EMC措施。
e.采用MCM(Multi Chip Module)结构,具有良好的实装性。
3.1 嵌入式模块所使用的主要技术
如前面所述,以SIMPACT为代表的嵌入式模块,应用范围极广。伴随应用的不断扩大,为了实现关键技术的推广,以使用合成树脂的元件形成技术为代表,使用了ALIVH研制的高精度IVH技术、半导体与无源元件的混贴装技术、屏蔽技术和高频电路模拟技术等。下面阐述有关利用树脂多层基片的嵌入式技术。
3.2 嵌入式用的无源元件
可利用多种方法在合成多层基片上形成电感器和电阻器。例如,有关电感器可采用消除法形成,而电阻器则可利用树脂电阻浆料印刷形成。另外,无论是哪种方法,都要用激光等进行修整,并谋求高精度化。
不过,电容器所用的电路,因容量和所要求的特性有很大差异,故需要制作和埋入两项技术。电容器用合成膜片,一般使用BaTiO3作为无机填充物。例如,当使用介电常数约40、厚度为20μm的合成膜片,获取的容量为2pF/mm2。一般在RF系统电路中,33pF以下的电容器占80%以上。为了对应0603尺寸规格,普通的多层陶瓷电容器,全面形成在模块基片上电容量约1000pF,由前述的合成膜片组成的电容器的用途,以用在电脑上为主。
为确认合成树脂给电容器高频特性带来的影响,应检验3216尺寸规格0.4mm厚的薄形多层陶瓷电容器埋入合成树脂中的频率特性。其结果示于图4。这里,合成树脂的介电常数为7,埋入的多层陶瓷电容器容量为4.7μF,属于B特性。合成树脂的固化特性为170℃/小时(图4)。
由图4可知,向合成树脂中埋入前,频率特性几乎没有变化。当需要大容量电容器时,可将SPC(功能性铝电解电容器)埋入合成树脂中获得。而且埋入大容量的电容器,可制成电源系列超薄形模块。
3.3 半导体和无源元件的混贴装
制成多层模块,埋入元件要按三维内置,但模块的厚度变厚。特别是有关半导体贴装,为了达到模块的小型化和超薄化,必须采用比过去封装产品更薄的WL-CSP或裸片。另外,为了利用无源元件控制半导体周边的电路常数,必须采用半导体裸片和无源元件的相邻混贴装技术。
这里,作为裸片贴装方式,是采用ACF( Anisotoropic Conductive Film)贴装方式,并研究了半导体裸片和无源元件的模块化。对基片的评估,是使用ALIVH的6层基片,将0603片式元件用波峰焊贴装在半导体周围。半导体与无源元件相邻间隔为0.5mm~0.2mm。以热循环(-40℃~125℃、各30分钟)、高温高湿试验(85℃ 85%RH)、吸湿波峰焊(85℃ 60%RH  100h波峰焊3次)的条件,确认可靠性的评价项目。其结果为,即使在0.2mm的狭窄间隔贴装时,吸湿波峰焊达3次也没有异常。有关热循环和高温恒湿试验也获得了良好的结果。
3.4 超薄形基片技术
作为最终的ALIVH薄形基片,正在开发的ALIVH-FB是将ALIVH基片用在磁芯材料上,用聚酰亚胺膜片构成表层,可实现200μm以内的4层基片。使用这种4层基片,可实现最大尺寸为1.2mm的膜片。
一方面,为了贴装窄间距的半导体裸片,基片表层电极必须有精细的图案。利用消除法和叠加法的蚀刻加工和镀层技术的开发,实现了该多层基片的精细化。另外,为了提高半导体的贴装可靠性,在表层的Cu布线上可实施Ni-Au镀。用TEM分析镀Ni和焊接界面的连接状态,可以用低P系的镀Ni来谋求可靠性的提高。再者,伴随基片的超薄形化,由于树脂基础材料的操作性不好,故应研究由载体金属箔开始使用电极复制方法,并使其精细化。利用消除法可制成L/S=30μm,若利用叠层法,可制成L/S=5μm。
3.5 屏蔽技术
手机中用的PA、VCO和蓝牙模块等,一般都用金属外壳屏蔽。由这些模块产生的噪声对周围带来影响,是产生误动作等问题的主要原因。不过,由金属壳与内置元件的绝缘性问题来看,两者之间距离应在0.2mm左右,这是阻碍模块小型化和扁平化的主要原因。作为所采取的措施,整个用树脂屏蔽,其表面用镀层和导电性树脂覆盖,并研究接地的屏蔽方法。图5是用合成树脂屏蔽贴装高频放大器的基片,在其表面进行镀层屏蔽,来评价噪声的辐射特性。为了便于比较,也将过去的金属壳屏蔽的样品进行了评价。通过比较可知,采取镀层屏蔽和过去利用金属壳屏蔽,在抑制噪声水平上没有差异。采取适用技术,可获得最佳模块。
3.6 SIMPACT开发实例
该公司将SIMPACT技术分两个等级进行了开发。一个等级是以超薄形为目的,研究开发无源元件和半导体的嵌入式模块。其实现技术包括薄形多层基片技术、窄间距贴装技术、合成树脂模块技术和屏蔽技术等。另一个等级是将无源元件设置在合成多层基片上。该等级包括了等级1的各项技术,用上了合成树脂多层化技术。
图6示出了适用于SIMPACT等级1的技术,制作出了蓝牙模块的试制样品。基片是使用ALIVH4层基片,树脂材料是使用SiO2合成材料。半导体是使用封装产品和WL-CSP,包括无源元件,全部用Sn-Ag-Cu系的铅游离焊接贴装。整个采用镀层屏蔽。形状为11.2mm×8.2mm×1.4mm(最大W×D×H)。与公司过去的产品比较,实现了30%的小型化和28%的扁平化。在第二个等级方面,将半导体埋入合成多层基片中,两面进行贴装,使贴装面积进一步减少30%,尺寸高度1.2mm(最大)是开发中最终实现的目标。

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