一种基于AlN多层HTCC基板的SiP模块封装设计_许立讲.pdf

第39卷第3期2023年6月Electro-Mechanical Engineering制造工艺DOI:10.19659/j.issn.10085300.2023.03.009一种基于AlN多层HTCC基板的SiP模块封装设计*许立讲，陶然，顾春燕，黄璐（南京电子技术研究所，江苏 南京 210039）摘要：为了满足工作频带宽、传输速率高、功耗大、集成度高的要求，开展一种基于AlN多层高温共烧陶瓷（HighTemperature Co-fired Ceramic,HTCC）基板的系统级封装（System in Package,SiP）模块封装设计研究。通过设计制作AlN多层HTCC基板、SiP模块封装结构电性能仿真、模块安装结构热力学仿真设计、组装工艺优化等系列研究工作研制出了小型化、轻量化、高集成的SiP模块。环境试验结果表明该模块具有良好的可靠性。该研究结果可为小型化、轻量化、高集成的SiP模块设计研发提供借鉴。关键词：系统级封装；封装；高温共烧陶瓷中图分类号：TN305文献标识码：A文章编号：10085300(2023)03004004Design of a SiP Module Based on AlN Multilayer HTCC SubstrateXU Lijiang,TAO Ran,GU Chunyan,HUANG Lu(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039,China)Abstract:Due to requirements of the wideband,high transfer rate,high power consumption and high inte-gration,design of a system in package(SiP)module based on AlN multilayer high temperature co-fired ceramic(HTCC)substrate is studied in this paper.The AlN multilayer HTCC substrate is designed,the SiP moduledesign and simulation are carried out,thermal simulation and analysis of the module assembly structure areconducted and packaging process is optimized.A small,lightweight and highly integrated SiP module is devel-oped finally,which shows good reliability by environmental test.This research result can provide a referencefor design of the small,lightweight and highly integrated SiP module.Key words:system in package(SiP);packaging;high temperature co-fired ceramic(HTCC)引言系统级封装（System in Package,SiP）是一种新型系统级三维封装，是封装领域内最高级别的先进封装技术之一。国际半导体技术蓝图（InternationalTechnology Roadmap for Semiconductors,ITRS）明确将SiP列为半导体及封装技术的重要发展趋势，给出SiP技术的明确定义：将不同功能的多个有源器件与无源器件、微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystem,MEMS）、光学元器件以及其他传统封装元器件等高密度集成到一个封装体内，成为能提供多种功能的一体化标准封装，形成一个系统或子系统12。SiP封装可以灵活采用已有的封装技术进行集成，极大地满足了现代电子系统对小型化、轻量化、高密度化的需求。当前，采用AlN多层高温共烧陶瓷（High Temper-ature Co-fired Ceramic,HTCC）作为封装基体的SiP模块研制成为业内的研究热点3。AlN是一种具有纤锌矿结构的化合物，利用AlN陶瓷制成的多层陶瓷基板的热导率可达170W/(mK)，热膨胀系数仅为4.2106 C1，与Si、GaAs及GaN器件接近，其力学强度高，致密性好，能够满足封装气密性要求，是SiP封装优选的基板材料和封装材料36。因诸多优良特性，AlN材料引起国内外封装界的重视。国外主要有日本京瓷、NTK、富士通等公司，国内AlN陶瓷材料的研制厂家主要有成都宏明公司、中国电子科技集团公司第四十三研究所、宜兴电子器材总厂等。本文开展一种基于AlN多层HTCC基板的SiP模块封装设计研究，通过设计制作AlN多层HTCC基板、对SiP模块封装结构进行电性能仿真、对模块安装结构进行热力学仿真设计以及对组装工艺进行优化设计研制小型化、轻量化、高集成的SiP模块，并对其可靠性进行评估。*收稿日期：2022083140第39卷第3期许立讲，等：一种基于AlN多层HTCC基板的SiP模块封装设计制造工艺1AlN多层HTCC基板设计制作典型AlN多层HTCC制作工艺流程较复杂，包括下料冲孔填孔印刷叠压排胶烧结化学镀检测切割等过程。HTCC多层基板导体浆料本身不具备可焊接性，需在AlN多层 HTCC基板表面图形上进行可焊接、可键合金属化镀层制作，以满足后续封装过程中各种焊接及键合的需求。由于AlN多层HTCC基板表面图形大多是复杂分离图形，因此AlN多层 HTCC基板采用化学镀工艺制备可焊接表面金属化镀层。本文设计制备的AlN多层HTCC基板为6层，每层厚0.1 mm。AlN多层基板既为封装内部提供信号传输端口和内部电气连接，也为封装提供密封环境，而AlN的高导热性又为封装提供了良好的热通道。AlN多层HTCC基板的结构如图1所示。顶层中间层-1中间层-2中间层-3中间层-4顶层(a)Z向叠层(b)X向和Y向对外接口图 1AlN多层HTCC基板结构2SiP模块封装结构本文研究的基于AlN多层HTCC基板的SiP模块封装结构见图2。在AlN多层HTCC基板上焊接金属围框形成模块的封装外壳，在HTCC基板表面进行多类型元器件安装与电气互联，最后通过平行缝焊完成盖板和围框的焊接从而实现SiP模块的整体气密封装，保证模块内部元器件及电气互联的可靠性及长寿命。盖板围框焊盘AlN图 2SiP封装结构示意图3AlN多层HTCC微波射频性能仿真AlN多层HTCC封装的微波射频端口为垂直过渡结构，其端口仿真结构如图3所示。图 3端口仿真结构SiP封装端口射频性能仿真结果见图4。仿真结果表明，SiP封装在0 20GHz频带内的插损小于1.0 dB，回波损耗低于11dB，有着优异的信号传输性能。图 4端口射频仿真结果SiP封装谐振仿真结果见图5。仿真结果表明，SiP模块经平行封焊密封后，经本征模式仿真，在20 GHz内无腔体谐振。图 5谐振仿真结果上述性能仿真分析结果表明，该AlN多层 HTCC封装结构在0 20GHz宽带范围内有着优异的信号传输性能，适用于超宽带、高速数模混合的SiP模块等。4SiP模块封装热设计基于AlN多层HTCC封装的SiP模块通过表面组装技术（Surface Mount Technology,SMT）组装到微波多层印制电路上，如图6所示。铝蜂窝板进风PCB液冷冷板SiP模块接触面(焊接)环境温度60C图 6SiP模块安装示意图41制造工艺2023年6月SiP模块的无引脚设计减少了大量的互联结构件和电接插件，加上其自身的小型化设计，极大地减轻了系统重量，提高了系统集成度，适用于小型化、轻量化的应用场景。系统集成度的提高带来设计上的挑战，通过建模对SiP模块安装在印制电路板（Printed Circuit Board,PCB）上的应用场景进行热设计仿真。设定的应用场景为：SiP内装配有功率芯片，其尺寸为4 mm3 mm，热耗为1 W，峰值热耗为10 W，结壳热阻为3C/W，通过计算得到结壳温升为30C，为了满足降额，最高允许结温小于160C，最高允许壳温需小于130C。根据边界条件（功放芯片热耗为1 W，环境温度为60C，供液温度为30C）进行系统仿真以评估传热的影响。各材料的参数设置见表1。表 1材料参数材料名称导热系数/(Wm1K1)备注x向y向z向芯片500500500.0模拟热源，高导热系数HTCC170170170.0PCB板15150.4焊料（HTCC与PCB间）232323.0焊接面积80%以上通过系统仿真得到了SiP装配后在PCB基板上的温度云图（图7）。根据仿真结果得到以下结论：环境温度为60C、供液温度为30C时，针对图6所示的形式，功率芯片的壳温为117C，因此结温为117C+30C=147C，满足最高允许结温小于160C的要求，可以满足产品工程化的散热技术要求。图 7SiP安装在PCB基板上的温度云图5SiP模块研制SiP模块封装主要工艺流程如下：1）采用金锡焊料完成可伐围框在HTCC基板上的回流焊接；2）采用导电胶粘接的方式完成单片微波集成电路（MonolithicMicrowave Integrated Circuit,MMIC）芯片和专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit,ASIC）芯片的装配；3）完成芯片与封装外壳之间的引线键合互连；4）进行模块电性能测试；5）采用平行缝焊完成盖板与可伐围框的密封焊接。采用以上工艺流程完成了某型SiP模块的研制，其实物照片如图8所示。模块电性能满足设计要求。按照GJB 548C方法1014.3规定的示踪气体氦细检漏方法进行SiP模块的气密性检测，检测结果显示其漏率小于5 109Pam3/s，满足气密封装的要求。图 8SiP封装实物照片按照GJB 548C中的方法1010.1，1011.1，2001.1和1015.1对SiP模块进行了温度循环、热冲击、恒定加速度和老炼4项环境试验，并对环境试验后模块的电性能和气密性进行了测试，结果见表2。结果表明，研制的SiP模块满足温度循环、热冲击、恒定加速度和老炼等环境试验的考核要求，具有良好的可靠性。表 2SiP模块环境试验前后结果环境试验测试项目电性能气密性/(Pam3s1)温度循环试验前合格3.1 109试验后合格3.4 109热冲击试验前合格3.4 109试验后合格3.6 109恒定加速度试验前合格3.6 109试验后合格3.5 109老炼试验前合格3.5 109试验后合格3.6 1096结束语本文开展了一种基于AlN多层HTCC基板的SiP模块封装设计研究，实现了小型化、轻量化和高导热SiP模块的设计制作。设计制作了AlN多层HTCC基板，对SiP模块封装结构进行了电性能仿真设计，结果显示其在0 20GHz频带内有着优异的信号传输性能（频带内插损小于1.0 dB，回波损耗低于11dB），封装整体在20 GHz内无腔体谐振。对SiP模块安装结构进行了热力学仿真设计，通过工艺优化设计研制了某型SiP模块，并对SiP模块进行了热冲击、机械冲击环境试验，结果表明该模块具有良好的可靠性。研究结果可为小型化、轻量化、高集成的SiP模块设计研发提供借鉴。42第39卷第3期许立讲，等：一种基于AlN多层HTCC基板的SiP模块封装设计制造工艺参 考 文 献1 Sematec Incorporated.2003 International technologyroadmap for semiconductors:assembly and packagingR/OL.(2003-08-21)2022-03-10.https:/www.semi-conductors.org/resources/2003-international-technology-roadmap-for-semiconductors-itrs/.2 CHEN W,BOTTOMS W R,PRESSEL K,et al.Thenext step in assembly and packaging:system level in-tegration in the package(SiP)R/OL.2022-04-15.http:/web.cecs.pdx.edu/cgshirl/Documents/AP_Pa-per.pdf.3 王锋,徐海林,赵亮,等.基于AlN HTCC基板的宽带T/R组件设计 J.固体电子学研究与进展,2020,40(3):186190.4 张静波,牛通,崔凯,等.氮化铝多层共烧陶瓷基板的化学镀镍钯金技术J.电子机械工程,2020,36(1):4245,50.5 吴晶,王从香,牛通,等.基于氮化铝HTCC基板的化学镀镍硼工艺研究J.电子机械工程,2020,36(1):5154.6 李永彬,庞学满,胡进,等.一种毫米波表贴型外壳的微波设计J.固体电子学研究与进展,2015,35(3):263266.许立讲男，1984年生，高级工程师，主要从事微组装及先进封装工艺技术研究工作。(上接第14页)10 张文颖,朱浩然,李美萱,等.基于自准直仪的测角传感器实时在位校准方法J.中国激光,2019,46(4):17.11 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圆柱蜗杆、蜗轮精度S.北京:中国标准出版社,2018.10 程亚静,李扬,熊霞元,等.限位保护装置在转台中的应用研究J.航空精密制造技术,2012(2):5859.李德举男，1988年生，高级工程师，主要从事机械传动与结构设计工作。43