1 前言

福建闽航电子有限公司长期从事高温陶瓷封装技术研究。"十五"期间，在完成产品的研制和生产任务的同时，对大腔体、高密度、高可靠陶瓷封装技术进行了深入的研究，并取得了显著成绩。

由于陶瓷管壳CPGA215和CLCC108体积大、腔体深、通孔多、叠层多，在收缩率控制、保证气密性、印刷精度、通孔互连、高频效应和散热等技术方面增加了难度，遇到了许多难以克服的问题。

利用1个CPGA215和2个CLCC108进行叠加，构成3层结构，每层独立密封并且都可以加散热片（CPGA215加散热片），层与层之间靠侧面引线槽连接固定，用这种方法，解决了LTCC-3D MCM多层基板的垂直互连和散热这两个国际性难题，这一新思路是由航天771所的沈绪榜院士提出的，虽然体积大一些，但切实有效可行，是国内首创。只是遇到的困难大、投资的人力多、费时时间长。

在相关部门和公司领导的大力支持下，经过较长时间的艰苦努力，终于攻下了最后一个技术难关--通孔互连，制造出正式样品，受到各方面的关注和好评。

2 设计技术

在设计大腔体陶瓷管壳时，根据用户需要，从高可靠性要求出发，全面综合考虑。

2.1 结构设计

CPGA215和CLCC108均是大腔体（54mm×54mm×4.5mm）陶瓷外壳，是92%氧化铝黑色陶瓷与钨金属化层高温共烧结构，焊有4J42可伐封接环，独立密封，盖板也为4J42可伐的0.3mm板，靠冲压和腐蚀成双弓字形，防止中间塌陷，最边缘为0.15mm厚，以利平行封焊，盖板与上面的CLCC108底座之间留有一定空隙，以利对流散热。

CPGA215放在最下层，根据用户要求，其底层内外测均进行大面积金属化，并通过121个孔径为0.3mm注浆孔互连，以有利于散热，防止热冲击引起炸裂。外侧留有安装散热板，靠215个插针与外连接。

CLCC108有两块，腔深略有不同，放在中间和上层，靠侧面的引线槽实现与CPGA215相互之间的互连，同时也起到3层之间的固定作用，具体见图1、图2和图3。

2.2 电性能的设计

2.2.1 引线间电容和负载电容

计算机系统的微组装，属于小引线节距和多引线的封装，必须考虑高频工作状态下遇到的问题，由于金属体所形成的分布电容常引起不必要的信号短路、串扰、反馈或自激，从而使损耗加大、功率增益下降、噪声增大等，所以在设计时要考虑尽量减少分布电容。

根据高斯定理，两平行引线之间的电容量为： C=πεL/1n（d/r）（1）

式中：

C为两平行引线之间的电容（pf）；

L为引线长度（cm）；

ε为两引线间绝缘体的介电常数；

d为两引线间的距离（cm）；

r为引线的半径（cm）。

从式（1）可知，当引线长度越长，引线间的距离越短，介电常数大，其电容量越大，我们在设计管壳时，引线不宜过长，间距不宜过窄、介电常数也应越小越好，92%氧化铝黑色陶瓷，其介电常数为8.5，99%的氧化铝黑色陶瓷为9.5，两者相差不大，都可以使用。

2.2.2 引线电感

在高频工作状态下，由于金属体所形成的分布电感也会引起不必要的反馈或自激，从而使损耗加大、功率增益下降、噪声增大，因此，要求引线电感越小越好，在小引线节距和多引线的封装设计中尤其要注意，据文献介绍，圆形引线和矩形引线相比，在两者的长度和截面积完全相等时，矩形引线的电感要比圆形电感小得多。 在我们研制的项目中，只有CPGA215的外引线为圆形，直径0.045cm，长0.6cm，根据圆形截面引线在l<100d时，可按式（2）估算：

式中：

L为电感（nH）；

l为引线长度；

d为引线截面直径。

因l=0.6cm，d=0.045cm，经计算L≈3.6nH，很小，可以忽略不计，其他都是矩形引线，电感更小。

2.2.3 趋肤深度对镀金层厚度的要求

当高频电流沿着导体传输时，它将均匀分布在一个厚度不大的表面层，这个表层称为趋肤深度，用δ表示，可用式（3）计算：

式中:

δ为高频电流在导体表面传输时的趋肤深度（cm）；

ρ为导体的电阻率（Ω·mm）；

μr为导体的相对导磁系数；

f为工作频率（Hz）；

陶瓷管壳内外引线的镀金，除了抗腐蚀、防氧化和易焊外，还有一个作用是减少铁磁涡流损耗，因铁镍合金是软磁材料，在超高频工作条件下铁磁涡流损耗比较严重，镀上一层金，当厚度超过趋肤深度后，高频电流只在金属上流过，就可减少铁磁涡流损耗，一般要求金层厚度比趋肤深度略厚2μm-3μm，我们考虑到镀金层的不均匀性，为保证内引线的金属厚度，定为3μm-5μm。

2.2.4 引线电阻

对于大规模集成电路的引线电阻是有严格要求的，电阻过大，会使电路增加一个不必要的电压降，从而使整个电路的功耗和噪声增大，并影响电路的性能。

在本项目中，由于大体积、深腔体、叠层多、引线多、注浆孔多，使内部连线加长，对引线电阻造成了明显的影响，需要采取一定措施。

现在具体分析一下影响引线电阻的因素，从下面的引线电阻示意图可以看出：

引线电阻：

R引=R1+R2+R3+R4+R5+R6+R7+R8+R9+R10+R11（4）

式中：

R1为柯伐镀金外引线电阻；

R2为外引线与银铜焊料接触电阻；

R3为银铜层电阻；

R4为银铜与镍层接触电阻；

R5为镍层电阻；

R6为镍层与金属化内部连线接触电阻；

R7为金属化内部连线电阻；

R8为镍层与金属化内部连线接触电阻；

R9为镍层电阻；

R10为镍层与金属接触电阻；

R11为金层电阻。

在正常情况下，R1、R3、R5、R6、R11是体电阻，都应很小，可以忽略不计，由于银铜与镍和柯伐润湿性很好，只要在钎焊前保证镍层、银铜焊料和柯伐件的清洁，R2、R4也应很小，正常电镀R10也非常小，同样都可以忽略不计，因此：

引线电阻：R引≈R6+R7+R8 （5）

R7是金属化层内部连线电阻，与金属化层的材料，形状尺寸有关，可按公式（6）计算。

R7=ρ/d×L/W=R□×L/W （6）

式中：

R7为内引线电阻（Ω）；

ρ为钨的电阻率（Ω×mm）；

R□为方块电阻（Ω/□）；

L为线条长度（mm）；

W为线条宽度（mm）；

d为线条厚度（mm）。

从式（6）中可以看出，在金属化层的电阻率一定的条件下，金属化线的形状是关键，在允许的条件下，线条应尽量短、宽、厚。在工艺上，印刷精度，线条厚度的一致性是否满足设计要求也是关键。

R6和R8是镍与金属化内部连线接触电阻，取决于烧结工艺控制，保证金属化层不氧化，或避免由于过烧使玻璃相跑到金属化层表面（即所谓球化），就能提高镀镍质量，使R6和R8变小。

2.2.5 绝缘电阻

绝缘电阻通常是指两相邻的引线间或任一引线与金属底座之间的电阻值，这个数值的大小不仅与引线间的距离和外壳结构有关，也与绝缘体的绝缘性能和环境条件有关。

外壳绝缘电阻的降低会导致电极间的漏电流增大，使整个电路的性能下降或变坏，对MOS电路更为突出。

绝缘电阻分为体电阻和表面电阻，应该是并联关系，可由式（7）表示：

式中：R绝为绝缘电阻；

R体为体电阻；

R面为表面电阻；

体电阻R体取决于陶瓷本身内在的物质结构，也就是说陶瓷材料的配方是关键，配方确定后，其大小就已确定，92%Al2O3陶瓷的体电阻率大小1013Ω·cm，在一般的应用中完全可以，但是对于高阻输入或高放大倍数的集成电路，就要另外考虑改为96%Al2O3陶瓷。

表面电阻R面则与所处环境状况及瓷体表面状态有关，特别是水分，潮气对表面电阻影响甚大，由于与R体是并联关系，从上式可以看出，R面变小直接影响绝缘电阻R绝，使其变小，所以在设计封装外壳时，充分考虑了这些因素的影响，我们设计的线间距最小值为0.38mm，做到尽量宽，而且做到在不论是埋层还是外露的引线间，保持其清洁和干净，尤其是及时清除印刷留下的金属残渣和烧结的挥发物，尽量使R面保持较高的电阻。

2.3 可靠性设计

2.3.1 瓷体的可靠性

影响外壳强度的主要因素是：结构设计、瓷浆配方的选择和烧结工艺。外壳强度可靠性主要是瓷体结构强度的可靠性，Al2O3粉料晶粒的大小，形状等都会影响陶瓷的强度，我们选择粒度小、分布合理均匀、杂质含量较低的Al2O3粉料为主原料，掺入适度的添加剂，通过控制烧结工艺曲线参数来控制烧结过程，使瓷体具有致密的显微结构，晶粒细小而分布均匀，气孔少甚至没有，从而保证瓷体的强度，在进行环境试验如机械振动、热冲击、离心加速度时，不会出现炸裂。

2.3.2 外引线焊接强度可靠性

外引线焊接强度与金属化层同瓷体的结合强度、金属化层镀镍层的结合强度、焊接接触面积、焊料量、钎焊工艺、瓷体平整度等有关。设计时要保证一定的焊接面积，工艺上严格控制烧结、化镀、钎焊质量，确保了外引线焊接强度达到要求。其中，将烧结作为重点，使烧结后的金属化层无氧化和球化现象，金属化层与镀镍层结合得好，外引线焊接强度就能得到保证。

2.3.3 内引线键合强度可靠性

在内引线键合区一定的情况下，要保证内引线的键合强度，则要求金属化层同瓷体，金属化层同镀镍层、镀镍层同镀金层结合要牢固，金属的质量尤其重要，重点控制烧结、电镀工艺，特别是加强镀金工艺的镀前镀后处理和采用脉冲电镀技术，提高金属质量，从而保证了键合拉力大于10gf。

3 关键技术和技术难点

大腔体陶瓷管壳，由于体积大、腔体深、壁薄，在工艺上遇到许多新问题，为了能通过环境试验，对工艺也提出了新的要求。

3.1 气密性问题

大腔体陶瓷管壳的气密性是一个技术难点，也是该项目的一个重要指标。

由于CPGA215是由21层0.3mm生瓷片叠加层压而成，两个CLCC108也是分别由25层和28层0.3mm生瓷片叠加层压而成。这么多层层压在一起，腔体的边缘又很窄，层压和烧结控制不好，很容易产生瓷体开裂，影响气密性。

腔体大封接环也大，要求封接环的金属化层同瓷体既要结合牢固，又要致密平整，才能保证封接环在镀镍钎焊后不漏气，而且，对化镀和电镀的质量控制也是关键。综合起来我们采取了如下保证气密性的措施：

（1）掌握层压的工艺条件，控制好压力、时间、温度；等静压和热压并用，解决腔深、壁薄易倒边问题；

2）选用合理的烧结温度、时间曲线，保证陶瓷基片致密平整；

（3）加强装配前对银铜焊料的预处理及保证环境、工艺卫生。 （4）控制封接环和封接环的金属化层之间银铜焊料的用量，银铜量太多，易溢出使内引线短路，银铜量太少，易造成焊接不致密产生缝隙漏气；

（5）采用脉冲电镀锌技术，提高镀镍和镀金层的均匀性和致密性。

3.2 收缩率的控制

大腔体陶瓷管壳，由于尺寸的，收缩率的一致性控制是另一个难点，陶瓷管壳是通过瓷料配制、加工成型以及高温烧结等多道工序后才完成的，因此，瓷料配制、加工成型、高温烧结都与收缩率有关，只有在这三个方面实行工艺质量控制，才能保证收缩率的一致性。

（1）严格按照材料的配方进行配料，对其材料的纯度、颗粒度都要按规定要求进行测量，并且做到计量准确、保证球磨时间、混合均匀，使收缩率一致性得到有效控制； （2）在加工成型的过程中，由于大腔体陶瓷外壳面积大、腔体深、引线多、冲孔多、叠层多、印刷、注浆、层压、冲孔、切割、挂浆反复多次，如果不注意，会使瓷体受到数次无规律的挤压和碰撞，对收缩率的控制影响很大，所以，在加工过程中，操作要特别小心，尽量避免生瓷件受到不必要的意外挤压和碰撞；

（3）通过试验设置了正确的排胶曲线，使掺入的有机胶合剂、吸附水和气体彻底清除，有效地控制了收缩率； （4）由于烧结是使瓷体经过一系列的物理过程和化学反应最终成型，是非常关键的工序，所以我们经过反复试验，设定了合理的烧结温度曲线，并严格按升温、保温和降温三个环节所规定的温度、时间进行控制，使烧结工艺条件稳定重复，保证瓷体收缩率的一致性。

在实际研制中严格按以上四点进行操作，尽管瓷体大，但还是找到了收缩率的大致规律：

X方向：1.171；Y方向：1.171，Z方向：1.250。

3.3 通孔互连技术

通孔互连技术，也是最难控制的工艺之一。因为它涉及浆料、冲孔、注浆、层压、烧结等多道工序，每一道工序都要严格控制： （1）浆料的配置非常关键，金属粉料的纯度应保证在99.9%以上，颗粒的粒度应当是1μm-2μm的占98%以上，最大颗粒不超过5μm，要求比表面积大于400cm2·kg-1，达不到要求的细度，应经球磨磨细后再用，罐、瓶、球一定要保持干净。少了哪一环节都会影响浆料的质量；

（2）要逐个检查冲孔是否光滑、是否有毛刺或裂纹、有没有堵死不通的，发现问题及时修改或淘汰；

（3）注浆的压力、时间要调整恰好，要一个也不能漏的逐个检查所有孔是否都饱满、是否有气泡等，发现要补浆；

（4）层压首先要对准、压力、时间、温度也要通过试验调整合适，否则欠压会出现开裂断路，过压会出现变形等问题；

（5）烧结是通孔互连技术的关键，所配的金属浆料与瓷体收缩率（Z方向的收缩率）要匹配，大腔体陶瓷管壳的排胶和烧结的时间都要比一般管壳长，重新设定排胶和烧结曲线，防止气泡、变形、开裂、短路等现象的出现。

经过努力，这个最难攻关之一的通孔互连技术已经基本攻下来了，包含有数百上千个通孔大腔体管壳，经烧结后全部通路一个也不断的成品率大幅度提高。

3.4 散热问题

大腔体陶瓷管壳是用来封装一个计算机系统的，必然要考虑到散热问题，我们知道，集成电路的散热方式通常有传导、对流和辐射3种。

一般的集成电路芯片内部所产生的热量，通过芯片与外壳底座间的焊料层（如金属合金材料或导电胶）传导到外壳的底座上，再由底座将热量传导到外壳其他部位或所附着的散热底板上，通过它们将热量散发到周围介质（如空气或冷却液）中去，因此热传导成为主要的散热方式。

其总传导热阻：Rk=Rk1+Rk2+Rk3 （8）

式中：

Rk为总传导热阻；

Rk1为导电胶热阻；

Rk2为HTCC陶瓷热阻；

Rk3为散热板热阻。

我们所研究的管壳，由于管壳内部装有一个LTCC（低温陶瓷封装）多层基板，在多层基板上粘芯片，比一般的集成电路的封装多一层导电胶的热阻Rk1和LTCC多层基板热阻Rk4，即：

Rk=Rk1+Rk2+Rk1+Rk4+Rk3=2Rk2+Rk3+Rk4 （9）

由热阻定义，传导热阻Rk为：

Rk=ΔT/Qk=L/K·A（10）

式中：

Rk为传导热阻（℃/W）；

Qk为传导热流量；

K为材料导热系数/W·（cm·℃）-1；

L为热流通路的总长度（cm）；

A为垂直于热导方向的截面积（cm2）；

由式（10）可知，要提高散热效果，或者说要想降低材料的热阻，就必须减小散热材料的厚度，增大散热材料的面积，或者选用导热性能好的材料。

按照这个思路，讨论一下怎样降低管壳的热阻。

先看Rk1，导电胶一般由环氧树脂掺银粉混合而成，虽然环氧树脂的导热系数非常小，为4W·（cm·℃）-1，但银的导热系数非常大，为4100W·（cm·℃）-1，所以，在保证一定粘结强度的前提下，可以选择适当比例的银粉，做到导电胶层尽量薄、导热系数足够大，使热阻Rk1小到可以忽略不计。

关于Rk2，如前面所提到的，采取使管壳底的正反面均进行大面积金属化的方法，并通过121个孔径为0.38mm注浆孔注钨浆互连，然后再镀镍镀金，使其导热系数尽量接近钨和金，可以较明显地降低Rk2。

关于Rk3，选紫铜或钼铜作散热板，其热阻也不会大。

对于Rk4，由于是LTCC多层基板热阻，其导热率为0.02W·（cm·℃）-1～0.09W·（cm·℃）-1，降低其热阻的唯一办法是使多层基板尽量薄，我们采用0.2mm低温生瓷带，10层烧结后约2mm左右，所以Rk4不能忽视，下一步打算采用0.1mm低温生瓷带，Rk4将减小一半。

综合以上考虑，总传导阻Rk主要应取决于Rk2和Rk4的大小，Rk2和Rk4由于采取了上面所说的措施后有所降低，所以总的散热措施比较理想。

另外，要补充的是，前面提到的下一管壳的盖板与上一管壳的底座之间留有空隙，主要考虑是防止上一管壳底座的热量通过盖板直接传到下一管壳内，因空隙的空气导热系数非常小，其值为0.00026W·（cm·℃）-1，可以认为其热阻很大，能起到一定的隔热效果。

3.5 可靠性试验

由于条件所限，只对CPGA215在广州进行测试，0组、1组、2组、3组试验全部通过，4组试验是在管壳内部填满塑料情况下通过的。

4 结论

大腔体陶瓷管壳用来封装计算机、尽管有许多问题还需要进一步研究，继续努力去解决，但这一尝试方向是对的，是成功的，结论是肯定的，为整机的小型化找到了一个新的途径。