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摘要：

系统级封装是将多个具有不同功能的有源电子元件与无源器件组装到一起，组成具有一定功能的封装体，从而形成一个系统或者子系统。在三维系统级封装技术中，基板堆叠是对芯片堆叠的有益补充。从基板堆叠的角度出发，分析了三维系统级封装所需 HTCC 一体化封装外壳形式以及各类三维系统级封装形式，提出系统级封装的发展趋势与面临的问题。

引 言

系统级封装技术采取多种裸芯片（晶圆）或模块进行排列组装，若就排列方式进行区分可分为平面式二维（2D）封装和立体式三维（3D）封装结构。采用堆叠的 3D 技术可以增加使用芯片或模块的数量，从而在垂直方向上增加层数，进一步增强系统级封装的功能整合能力。以多功能基板整合的方式也属于系统级封装的范围，此技术主要是将多层基板进行堆叠，以实现多芯片、多功能封装的目的。基板堆叠的三维封装技术是芯片堆叠型封装技术的有益补充，本文将重点研究基板堆叠三维封装技术的具体封装形式、存在问题以及未来发展方向。

1 基于陶瓷基板的系统封装形式

1.1 LTCC基板封装

系统级封装主要用于微波模块的封装技术，国内外在微波模块领域的封装设计制造的技术路径基本一致。一般而言，微波模块具备两种典型的封装形式：一是 PCB 形式，这种形式制造难度较低，是一种比较传统的封装形式，该类封装形式一般尺寸大，对复杂结构的设计和生产构成瓶颈，进一步小型化应用受限；另一种是低温共烧陶瓷（Low tem⁃perature co⁃firedceramic，LTCC）形式，LTCC 基板的介质损耗低、硬度高，可以实现多层复杂的布线要求，具备实现多通道传输的条件，是目前国内外较常用的系统级封装形式。如果对微波模块气密性有要求的话，一般提供铝基复合金属材料壳体为LTCC基板提供信号输入输出通道、散热通道、机械支撑和受保护的工作环境，这种封装形式尺寸通常也比较大。有采用毛纽扣弹性压接方式实现封装电路与基板之间的垂直互连，但毛纽扣需要较好的精确对位和组装，实用性不强，可靠性较低。为了减小 LTCC 基板与金属壳体气密封装体积，中电43所开发了 BGA 型 LTCC一体化封装外壳，采用Au88Ge12焊料将金属围框焊接在 LTCC 基板密封区 ，基 板 背 面 植 入 球 栅 阵 列（Ball Grid Array，BGA），由此形成 BGA 型 LTCC 一体化封装外壳，可实现封盖前漏率≤1×10-3Pa·cm3 /s（He）。

1.2 HTCC整体封装

随着微波模块性能指标越发严苛，必须向着更高的集成度和小型化的方向发展。相比于 LTCC技术，高温共烧陶瓷（High temperature co⁃fired ce⁃ramic，HTCC）技术具备更高的可靠性、更低的成本，并且可实现更高的集成度与小型化。同时，基于 HTCC 技术的多层陶瓷外壳可实现更多的封装形式，应用场景更为广阔；外形上通过设计多腔体多通道结构，可以省去为追求气密而设置的外围金属壳体结构，有利于微波模块的进一步小型化。因此，基于 HTCC 的整体封装技术将成为微波模块三维封装领域未来发展的重要方向。美国航空航天局（NASA）、欧洲太空局（EAS）研制的系统级封装组件主要采用陶瓷与金属一体式封装结构，如图1 所示。国外京瓷公司以及 NTK 公司应系统封装要求开发出各种双面腔封装结构，如图 2 所示。国内各外壳厂家在这方面开发了多种不同类型的HTCC 整体封装外壳。中电 55 所按照输出端的不同，定制开发了扁平引线表贴型、针栅阵列（Pin gridarray，PGA）型等一系列 HTCC整体封装形式，应用于各类组件系统，如图 3所示。

1.3 基板三维堆叠封装

（1）电路板堆叠封装

电路板堆叠封装是指在金属壳体内部采用多级基板垂直堆叠而形成的三维封装结构。为了克服毛纽扣带来的可靠性问题，中电 55所以栅格阵列（Land grid array，LGA）封装为基础，以多腔 LTCC⁃LTCC基板垂直互连的方式研制了一款高密度 X波段两通道三维接收模块，封装密度达到 100%，体现了三维立体封装在微波领域的优势。该结构的整体密封需要采用金属壳体进行封装，依靠同轴连接器将金属壳体内部信号传输出来，导致模块整体封装体积仍然较大。同时垂直堆叠基板之间的散热问题是该领域一直存在的问题。传统方法是通过

在金属壳体内部灌胶的方法解决垂直散热问题，但是受限于灌胶本身的热导率比较低，垂直散热效果并不理想。

（2）HTCC一体化堆叠封装

HTCC 一体化堆叠封装是采用 HTCC 工艺制作系统封装外壳，以此为基础进行三维堆叠封装。中电 55 所开发了内腔为多层台阶结构的 HTCC 一体化封装外壳，如图 4 所示。外壳内部分布多层BGA 焊盘面阵，陶瓷底座贴装复合金属热沉，陶瓷侧壁上特定位置贴装复合金属散热片提供垂直散热通道，可有效支撑传统射频前端模组从平面向板级 3D 结构发展。首先，外壳内部 BGA 传输结构替代传统射频模组中向外伸张的同轴连接器传输结构，在大大缩减射频微系统封装尺寸的同时，可确保微波信号的传输效果；其次，通过在外壳内部建立阶梯形式垂直传输结构，可以很容易实现多级基板在外壳腔体内部的垂直堆叠，既满足基板微波信号传输与隔离度要求，又可以通过提升 Z 轴堆叠贴装空间达到减少平面贴装空间与封装总体积的目的，使模块的集成度更上一个新的台阶；同时外壳腔体内部通过贴装垂直与水平的复合金属材料散热片，可以为堆叠的基板提供良好的散热通道，贴装的复合金属材料散热片热导率与传统三维堆叠内部灌胶的热导率相比，提升很大，可以满足数十瓦乃至上百瓦功率芯片散热的要求，这是传统灌胶形式实现垂直散热所难以比拟的优势。

以 HTCC 一体化封装外壳为基础，根据模块内部基板堆叠形式的不同，可以分为如下几种结构：

1）单面腔基板堆叠型封装

外壳内腔为多层台阶结构，基板堆叠在外壳内腔台阶表面，外壳底面引出端为水平引出的金属引线，外壳底面贴装可用于散热的热沉材料。基板材料为低温共烧多层陶瓷或者高温共烧多层陶瓷，表面有多个可局部密封的腔体，可用于封装芯片。基板背面 BGA 焊盘与外壳内腔台阶处的 BGA 焊盘一一对应，将基板通过 BGA焊球焊接到外壳内腔台阶上，最后对外壳整体进行封帽，得到具有三维堆叠形式的封装结构，如图 5所示。

2）双面腔基板堆叠型封装

外壳具有垂直散热通道和双面腔多层 BGA 焊盘面阵结构，采用陶瓷作为外壳射频信号传输的介质材料，可工作在微波至毫米波频段，传输结构为仿同轴形式；外壳为双面腔结构，内腔为双面多层台阶，分布多层 BGA 焊盘面阵结构，外壳底座腔体中间贴装复合金属散热片作为热沉，外壳内腔侧壁上特定位置贴装垂直散热通道。将基板通过 BGA焊球焊接到外壳内腔双面台阶上，最后对外壳双面腔体进行封帽，得到具有三维堆叠形式的双面腔封装结构，如图 6所示。

3）阵列型多通道封装

外壳内腔为多个阵列式腔体结构，对应多个传输通道。基板堆叠在外壳内腔上端面，外壳侧面引出端为水平引出的金属引线，平出式引线传输结构为微带线⁃带状线⁃微带线形式，外壳底面贴装可用于散热的热沉材料。将基板通过 BGA 焊球焊接到外壳内腔阵列台阶上，最后对外壳整体进行封帽，得到具有三维堆叠形式的多通道封装结构，如图 7所示。中电 55 所基于 HTCC 技术开发了多通道阵列腔系统级封装外壳，可用于阵列型基板堆叠与多通道封装，实物如图 8所示。

4）多面三维 SIP封装

还有一些其他形式的三维系统级封装结构，由二维多芯片模块（2D⁃multichip module，2D⁃MCM）向 三 维 多 芯 片 模 块（3D ⁃ multichip module，3D ⁃MCM）转换，将芯片贴装面从原来的单面或正反双面提升到立体六面，形成多面三维 SIP 封装。例如中电 43 所采用 HTCC/LTCC 的多层陶瓷技术、厚膜光刻技术、微组装技术等结合，实现“融合式架构”，满 足系 统微 小轻 薄的 需求 。基 于 HTCC/LTCC 多层基板实现六面体结构，将芯片、电阻、电容等元器件布局于结构件的六个面上，通过表面及内部的金属化连线，实现元器件的电气互联。如图 9所示。

2 基板堆叠型三维封装技术面临的问题与发展方向

2.1 基板堆叠型三维封装技术面临的问题

（1）散热问题

在二维平面型封装中，芯片发热已经对电路性能和可靠性产生了重要影响，采用三维立体型封装后，芯片功耗将随着集成密度的大幅提升而剧增，目前封装内部使用的电介质填充材料导热性能都不是很理想，因此三维集成电路芯片散热问题是必须要考虑的难点问题。目前各研究机构提出了很多解决三维封装散热问题的方案，例如采用高导热芯片衬底材料，或者采用微流道散热技术，但是并没有 形成 业界 公认 的可 有效 解决 散热 的统 一方案。

（2）三维设计电磁兼容问题

三维互连设计的问题主要表现在：第一，三维堆叠的基板结构不一致，要综合对不同的基板进行互连设计，同时还要综合不同通道之间的互连设计，难度很大；第二，由于电磁场是在空间中传播，三维传输电路在空间中堆叠交错布设，射频信号传输中势必造成互相干扰。电磁兼容问题是三维互连设计必然要面临的问题，其复杂性远远超过二维平面传输结构。

（3）可靠性问题

三维封装在使用过程中，由于材料的热膨胀系数存在差异，随着功率传输和环境温度的变化，在焊点中会产生相应的应力，导致焊点疲劳失效。需要研究焊点结构与封装结构可靠性之间的相互影响，研究热循环作用下焊点的应力应变规律，通过优化焊点结构、优化封装结构、设置引力缓冲区等等，提高焊点的可靠性，是三维封装可靠性设计的重要方面。

2.2 基板堆叠型三维封装技术发展方向

基板堆叠型三维封装技术是对硅基微系统发展过程中堆叠方案的有益补充，目前基板堆叠技术已经占据了一定的系统封装份额，未来将在较长一段时间内与硅基微系统堆叠技术并行发展。传统金属壳体内部封装多层基板的形式虽然在小型化方面还存在不足，但由于其具备较高的成熟度，因此在复合应用的情况下将继续长期存在。随着三维封装的发展，HTCC 一体化封装方案将逐步显示其小型化的优势。如何有效解决堆叠型组件的散热问题是三维封装技术领域一直存在的问题，在HTCC 一体化堆叠封装方案中，采用钎焊技术将散热片按照水平与垂直的方式贴装在组件外壳内部特定位置，将功率芯片设置在特定散热区域是解决堆叠型组件的散热问题的一个方案。但是 HTCC一体化封装由于其内导体为钨金属，内阻较大，与内阻较低的金银导体相比，高频传输的导体损耗相对较高，同时传输结构较为复杂，目前的设计仅能满足 40 GHz以下的传输要求，对于复杂结构下更高频率的传输要求还难以满足。随着模块集成度不断提高，体积不断缩小，HTCC 一体化封装堆叠方案有望成为 40 GHz以下的低频模块三维封装技术的首选方案而获得发展，而在高于 40 GHz的高频三维模块领域，需要开发更加先进更低损耗的封装技术。

3 结论

从基板堆叠的角度，分析了三维系统级封装结构，提出 HTCC 一体化封装外壳形式，用于基板堆叠型三维系统级组件封装。该外壳内腔可以提供基板堆叠的多级台阶，同时内腔特定位置设置垂直散热通道，满足堆叠基板的散热要求。基于 HTCC一体化封装外壳，根据基板的不同堆叠方式进一步提出三维封装组件结构，该组件封装结构可以作为芯片级三维系统封装的有益补充。在此基础上提出基板堆叠型系统级封装的发展趋势与面临的问题。散热、电磁兼容、可靠性等方面是系统级封装一直存在的行业难题，基于 HTCC 一体化封装外壳的三维系统级封装可以提供垂直散热通道，有望成为 40 GHz 以下的低频模块三维封装技术的首选方案。