LTCC基板内嵌金属柱多层微流道技术.pdf

2023年5月电子工艺技术Electronics Process Technology第44卷第3期35摘要：针对混合模块功率集成密度增加带来的热管理效率提升困难问题，开展了LTCC基板内嵌金属柱多层微流道结构设计、工艺制造与散热性能研究。结果显示多层微流道内嵌金属柱能有效提升LTCC基板热管理效率，对于典型发热功率15 W的热源，微流道工作时热源温度由175 以上降低到80 以内，为提升高集成密度模块热管理效率提供新思路与方法。关键词：LTCC基板；内嵌金属柱；微流道中图分类号：TN605文献标识码：文章编号：1001-3474（2023）03-0035-04Abstract:In order to solve the diffi cult problem of improving thermal management effi ciency caused by the increase of power integration density of hybrid modules,the structural design,process manufacturing and heat dissipation performance of multi-layer micro-channels with metal columns embedded in LTCC substrate are studied.The results show that the metal column embedded in multi-layer micro-channel can effectively improve the thermal management effi ciency of LTCC substrate.For a typical heat source with 15 W heating power,the temperature of heat source is reduced from more than 175 to less than 80 when the micro-channel is working.It provide a new idea and methods for improving the thermal management effi ciency of high integrated density modules.Keywords:LTCC substrate;embedded metal columns;micro-channel Document Code:A Article ID:1001-3474(2023)03-0035-04LTCC基板内嵌金属柱多层微流道技术Technology of Multi-layer Micro-channel with Embedded Metal Microstructure in LTCC Substrate张遇好，袁海，王明琼，肖刚，郭竞飞ZHANG Yuhao,YUAN Hai,WANG Mingqiong,XIAO Gang,GUO Jingfei（西安微电子技术研究所，西安 710000）(Xian Microelectronic Technology Institute,Xian 710000,China)0 引言低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramics，LTCC）材料因具有良好热稳定性、与单晶硅接近的热膨胀系数及无源器件一体化集成优势，使得LTCC基板广泛应用于各种类型封装模块1-2。由于其低介电常数及其腔体制作灵活性，也是微波毫米波前端的首选材料3。LTCC封装模块性能提升随之带来功率集成密度的增加，导致热管理效率成为模块性能与可靠性进一步提升的关键技术难点4。模块传统热管理一般以对流和接触散热为主。模块气密性与体积的限制导致对流散热模式难以满足大功率器件短时快速散热需求；受限于LTCC材料自身导热系数较低23 W/（mK）缺陷，仅通过接触散热模式同样难以满足高功率密度模块热管理需求5-6。针对上述热管理模式不足，使得基于微流道的强制液冷散热模式显示了独特优势，成为目前模块热管作者简介：张遇好（1 9 9 6-），男，硕士研究生，主要从事L T C C 工艺的研究工作。doi:10.14176/j.issn.1001-3474.2023.03.0102023年5月电子工艺技术Electronics Process Technology36理领域研究热点。现有的LTCC微流道热管理设计构型多样，如直插型、螺旋型、蛇型、曲线型、H型、树型等7，通过微流道承载冷却液并借助外部驱动的方式对热源进行强制散热，实现热管理效率的提升，但现有LTCC微流道存在流阻高、冷却液与热源接触面积小等问题8-9，限制了基于微流道模式的热管理效率进一步提升。针对此类问题，本文在多层微流道内引入内嵌金属柱，通过对比研究内嵌金属柱对多层微流道散热性能的影响，探索提升LTCC微流道热管理效率的新方法。1 内嵌金属柱多层微流道参数设计图1给出了内嵌金属柱多层微流道LTCC基板结构示意图，分别定义为承载电路层、腔体流道层、纵向流道层、横向流道层及进出水口层。LTCC基板腔体微流道层为尺寸10 mm10 mm0.56 mm的空腔，并且在腔体与上层热源之间的基板内部嵌入77阵列的金属柱。第二层和第三层微流道设计为垂直交错分布于LTCC基板内部。内嵌金属柱多层微流道 LTCC基板详细参数见表1。图1 内嵌金属柱多层微流道L T C C 基板结构示意图图2 内嵌金属柱多层微流道L T C C 基板制造图3 分层层压生瓷图(b)制造加工过程实物照片(a)内嵌金属柱多层微流道L T C C 基板制造流程表1 内嵌金属柱多层微流道 L T C C 基板参数表基板层层数/层流道数/条流道尺寸/(mm3)(长宽高)腔体尺寸/(mm3)(长宽高)进出水口尺寸/(mm)(直径高)承载电路层80腔体流道层613 0 2 0.5 61 0 1 0 0.5 6纵向流道层623 0 2 0.5 6横向流道层633 0 2 0.5 6（1）3 0 1 0.5 6（2）进出水口层802 0.7 5（进水口）1 0.7 5（出水口）与常规LTCC基板相比，分层层压工艺与低温烧结参数等直接决定微流道/内嵌金属柱的质量与可靠性，使得上述工艺成为内嵌金属柱多层微流道LTCC基板制造的关键技术。2.1 分层层压参数影响本设计需要将三层流道分别填充牺牲材料，故将层压分三步进行，分别为8层（承载电路层）+6层（腔体层）、6层（纵向散热层流道）、6层（横向散热流道）+8层（进出水口），层压后填入牺牲层材料，层压填充完毕的生瓷如图3所示。2 内嵌金属柱多层微流道L T C C 基板制造如图2(a)所示，内嵌金属柱多层微流道LTCC基板制造流程主要包括：生瓷激光打孔/开腔、分步叠片与层压、牺牲材料填充、整体叠片层压、低温共烧等工艺步骤。图2(b)为过程加工工艺实物照片图。以70、10 MPa条件层压5 min，过高的压强及层压时间会导致生瓷表面硬化，在整体层压时三层生瓷之间可能会不完全黏合，留有一定间隙，图4（a）为正常层压的侧面剖面图，图4（b）为层压压强过高，在整体层压时，有明显分层现象。2.2 低温烧结参数影响本设计低温烧结共持续2 270 min，图5为有牺牲层的LTCC基板烧结温度曲线，20500 之间为生瓷排胶阶段，为保证生瓷充分排胶，在500 持续第44卷第3期37图4 层压后的剖面图图7 散热性能测试(a)L T C C 基板照片 (b)测试装置示意图时间/mi n温度/图5 L T C C 基板低温烧结温度曲线图6 制备的内嵌微流道L T C C 基板图8 热源温升对比图(a)有无微流道散热对比 (b)微流道有无金属柱对比 基板外观图 样品X-r a y 检测图 腔体剖面(a)正常 (b)压强过高500 min左右；500850 为生瓷收缩与牺牲层氧化阶段。与常规LTCC相比，由于内嵌微流道与牺牲层的出现，在烧结过程中要考虑微流道的变形以及牺牲层的氧化对基板结构产生的影响，过高的温升速度会使得微流道应力不平衡以及牺牲层剧烈氧化，从而导致微流道变形、破裂。因而在此阶段温升速度控制在0.875/min；850 为生瓷烧结阶段，牺牲层完全氧化，基板烧结完成、退火。3 结果与分析 3.1 外观分析图6给出制备内嵌金属柱多层微流道LTCC基板实物及X光扫描照片。按照GJB 548B基板检测标准，外观检测显示基板无裂纹与变形，翘曲度控制在千分之三范围内；微流道导通性和水密性测试结果表明流道进出口连通性良好，流道内部无堵塞与渗漏现象；腔体内部金属柱阵列形状规则，排列整齐，达到设计预期指标。将基板进行温度循环检验，温度循环条件为-65150，循环周期为60 min，累计循环100次，完成循环后无破损、流道漏水等情况，该设计满足系统对基板寿命要求。3.2 散热性能测试如图7(a)所示，将模拟热源样品焊接在LTCC基板表面，LTCC基板背面进/出水口焊接快插管，图7(b)给出散热性能测试相关装置实物图，其中LTCC基板通过软管与微型水泵互连，模拟热源测温采用FLIR T600红外测温仪，散热介质为去离子水，测试条件参数见表2。表2 散热测试条件项目测试值环境温度2 3 环境湿度8 6%R H发热电阻功率5 2 4 W发热电阻尺寸1 0 mm1 0 mm水泵流量5 0 mL/mi n散热风扇功率1.7 5 W3.3 散热结果分析如图8(a)所示，当LTCC基板不含微流道时，发热功率在10 W左右，热源最高温度为175，已经达到硅基芯片工作温度极限，而对于内部嵌有微流道的基板温度，在热源功率为10 W时，热源温度仅60 左右，保证了芯片正常工作。此外由图8(a)对比可以看出，在热功率密度为18 W时，芯片任处于一个正常的工作温度，微流道的引入，极大地提升了LTCC基板的功率密度。由图8(b)可以看出腔体内有无内嵌金属柱的热源温升曲线走势基本相同，当热源功率在5 W左右内嵌金属柱可少量降低热源温升，而随着热源功率增加，内嵌金属柱的散热效果开始明显提升，当热源功率达18 W时，内嵌金属柱的微流道散热基板热源比不含金属柱的热源温度降低10 左右。发热功率/W发热功率/W热源温升/热源温升/由于微流道的存在，将LTCC基板由传统的风冷被动散热转变为水冷主动散热，可大幅度降低LTCC基板的温升问题，而在腔体内嵌金属微结构，改变了冷却液相对流速的同时增加了冷却液与热源的接触面积，对于高功率密度热源，可进一步提升散热效率。（下转第5 9 页）张遇好，等：L T C C 基板内嵌金属柱多层微流道技术第44卷第3期59图1 2 金相分析结果 焊接界面 焊盘侧界面 焊球侧界面可以看出组装后BGA焊接界面良好，在器件侧与印制板焊盘侧形成均匀的、厚度适中的、为2.47 m与1.71 m厚度的金属间化合物。4 结论综上，BGA采用红外加热方式进行植球，获得了一种参数可控的植球方法，在PCBA生产与返修活动中可以运用该方式进行植球。从振动加速度力、PCB动态弯曲位移和胶固化应力角度评估后可以得到结论为：1）植球底部加热温度控温在最高140，可以进行有效植球；2）红外植球时焊接峰值温度对植球后焊点推力影响最大；3）红外植球时焊接峰值温度和液相线以上温度时间对植球后金属间化合物层厚度影响最大；4）采用助焊剂或焊膏作为介质植球，对植球效果的影响较小。参考文献1 董义.BGA装配工艺与技术J.新技术新工艺,2011(7):10.2 刘英.SBGA器件焊点缺陷原因分析及工艺改进J.电子工艺技术,2019(5):264.3 岳帅旗,王贵化,游世娟,等.LTCC基板BGA焊接剪切强度影响因素分析J.电子工艺技术,2021(5):261.（收稿日期：2023-02-03）4 结论本文针对混合电路越来越高的功率密度与LTCC基板热导率低所带来的热管理困难的问题，提出了内嵌金属柱多层微流道结构设计，在保证基板结构可靠性的同时，可以有效提升LTCC基板的散热效率，在典型值15 W/cm2的功率密度下，可将热源温度降低至80 以下。通过散热测试数据证明，该散热结构散热效率可观，预计通过完善内嵌金属柱结构、增加冷却液流速等方法，可进一步提升基板的散热效率，满足更大功率密度混合电路的散热需求。参考文献1徐洋,余雷,张剑,等.国产LTCC微流道集成T/R组件的设计与实现J.电子工艺技术,2022,(3):131.2 MALECHA K,MAEDER T,JACP C,et al.Structuration of the low temperature co-fired ceramics(LTCC)using novel sacrificial graphite paste with PVA-propylene glycol-glycerol-water vehicle J.Microelectronics Reliability,2011,51:805.3汪鑫,刘丰满,吴鹏,等.Ka-K波段收发模块的3D系统级封装(SiP)设计J.微电子学与计算机,2017,34(8):113.4焦鸿浩,唐丽,朱思雄,等.微系统热阻模型研究及其应用J.微电子学与计算机,2022,39(12):125.5胡海霖,刘建军,张孔.基于LTCC的微流道散热技术J.电子与封装,2021,21(4):040402.6毕波.基于LTCC的微流道结构设计和优化D.西安:西安电子科技大学,2015.7李燚.某天线射频组件的LTCC微通道液冷设计J.数字化用户,2017(12):46.8刘俊超.基于LTCC微流道制作技术研究J.机械,2016(6):22.9刘晓红,孙翔宇,王飞,等.内嵌微流道LTCC基板的流动传热性研究C/中国航天科工集团第七届环境与可靠性技术交流会.贵阳:中国航天科工集团有限公司和中国航天科技集团有限公司,2019.（收稿日期：2022-12-12）（上接第3 7 页）符云峰，等：B G A 红外植球技术