CLCC陶瓷无引线片式载体外壳设计

摘 要：本文阐述了CLCC陶瓷无引线片式载体外壳设计的基本要点。为便于大家探讨和选用，同时介绍了国内目前研制的部分产品的型号及规格。

关键词：CLCC，外壳设计，产品结构，工艺流程

中图分类号：TN305.94 文献标识码：A 文章编号：1681-1070（2005）08-16-07

1 引言

随着集成电路向着大规模和超大规模方向发展，要求基片和印制线路板有较高的装配密度，二十世纪七十年代中期，片式载体就是按照这个要求而发展起来的一种集成电路封装外壳。众所周知，片式载体具有以下特点：

①片式载体的面积为对应得双烈封装面积的1/5-1/7;

②分布电感和引线间电容大约比对应得双列封装小一个数量及；

③结构有正方形、长方形、双列形，可以进行四边布线；

④片式载体与对应得双列外壳一样，可以在封盖之前进行预先检验和老化测试；

⑤成本降低，特别是64线以上更为显著。

CLCC型外壳到二十世纪就是年代发展迅速，并且进入了一个成熟的规模化生产阶段，形成了适于不同用途的系列外壳。 此时，手机、笔记本电脑、电动玩具、遥控器及视频/音频器件、数码相机等消费类电子产品的体积越来越小，工作速度越来越快，智能化程度越来越高。这些都为电子封装与组装技术带来的许多挑战和机遇，并且逐步应用到国防军事领域。

微电子技术的发展主要是芯片设计、制造与封装技术的发展，现代武器对封装的要求也越来越高。CLCC型外壳以其体积小、重量轻、布线面积小、长寿命、分布电感和线间电容小、I/O数目大、高可靠、低成本等优势，在军事装备及各种现代化通讯系统设备、电子仪器中地位越来越显著。 在国外，CLCC型外壳发展极快，特别是日本京瓷已经研制出适用于高密度、高可靠、表面贴装用的标准型产品，目前国内几家研制单位大都还处于CLCC型外壳的小批量供货阶段，与国外同类产品相比，国内CLCC型外壳差距较大，主要表面在：尺寸和产品性能参数一致性差、表面粗糙、可靠性差、无法形成大批量生产，远远不能满足各种工程的需要，因此国内所需CLCC型外壳大多依赖进口。近几年，国家也不惜投入了大量资金，扶持该项目的发展。

2 产品结构设计

CLCC无引线陶瓷片式载体外壳根据需要，设计成正方形、长方形、双列形。其基体采用Al2O3陶瓷与W金属化高温共烧的上、中、底三层结构。层为封接环焊区；第二层为键合区；第三层为芯片放置区。

2.1 封接环设计

CLCC无引线陶瓷片式载体外壳分为外壳上表面带封接环和不带封接环两种。

①上表面带封接环，是通过基体表面印上W金属化，用银铜焊料钎焊实现封接环和陶瓷的紧密结合，产品通过0.10mm或0.30mm铁镍合金或可伐盖板与封接环进行平行封焊或熔封。

②上表面不带封接环，是通过基体表面印上W金属化，用0.30mm带金锡焊料环的铁镍合金或可伐盖板与基体进行熔封。

因此，根据不同要求设计成不同的形式。但带金锡焊料环的铁镍合金或可伐盖板成本较高，国内目前更多地采用外壳表面带封接环的这种结构。

2.2 底面焊盘设计

焊盘的几何形状和尺寸决定了陶瓷无引线片式载体与焊接板的结合强度，根据多年的实践，焊盘一般设计成矩形与城堡状区对接，焊盘尺寸根据产品节距，长设计在0.85mm-1.91mm范围内，宽设计在0.64mm-1.0mm范围内。

2.3 布线设计

布线影响外壳的电参数、整个结构和工艺性。因此，在设计时，布线长度尽可能取短，以利于减小引出线导通电阻、电感。在保证线条间距和绝缘电阻的前提下，尽量加大线条宽度以满足合同对导通电阻等电参数的要求。

2.4 大版多工位设计

根据产品尺寸，在127mm×127mm生瓷片上尽可能分布多个图形。采用127mm×127mm片上分布四小块方阵，方阵中的密排设计，既考虑到合理利用面积，又考虑到工艺可行性。

2.5 电性能设计

(1)导通电阻

设计上，我们可通过公式(1)来计算导通电阻：

R=R□·L／W (1)
(1)式中，R：内引线电阻(Ω)；
R□：方块电阻(Ω／m m2)；
L：线条长度(m m)；
W：线宽(m m)。

(1)式中的R□为印刷导线的方阻值，通过计算每根线条的方块数可获得其阻值。

由于普遍采用纯钨浆作为导体浆料，其方阻值小于13m Ω／口，同时CLCC外壳的引线较短，因此，导通电阻满足以下技术指标是没有问题的。技术指标为：

引线数8～24线以下，电源线R≤0.10 Ω；信号线R≤0．30 Ω。

引线数28～52线以下，电源线R≤0.20 Ω；信号线R≤0.40 Ω。

引线数64～68线以下，电源线R≤0.20 Ω；信号线尺≤0.60 Ω。

(2)绝缘电阻设计

外壳绝缘电阻的降低会导致电极间的漏电流增大，使整个集成电路的性能下降或变坏。设计时，在保证外壳导通电阻尽可能小的前提下，保证一定的线条间距。同时还必须充分考虑材料选取、制造环境中温度、湿度、洁净度和制作工艺的控制。我公司目前采用的92％氧化铝瓷，其体积电阻均大于1×114Ω·cm，因此，在严格控制工艺条件的情况下，可保证满足绝缘电阻1×1010Ω的技术指标要求。

(3)电感设计

矩形截面引线电感计算公式为：

L=2l{[ln2l／(b+c)]+0.5+0.2235(b+c)／l}(nH)(2)

(2)式中，L为矩形截面引线电感(n H)；
l为矩形截面引线长度(cm)；
6为矩形截面引线宽度(cm)；
c为矩形截面引线厚度(cm)。

(4)电容设计

在CLCC无引线陶瓷片式载体外壳中，两根平行的金属引线间产生的电容，根据高斯定理求出，电容为：

C：πεl／ln(d／r)(pF)(3)

(3)式中：l为引线长度(cm)；
ε为两引线问绝缘体的介电系数；
d为两引线间的距离(cm)；
r为引线的半径(cm)。

从上式可知，当相线间的长度愈长、引线间距离愈短时，ε愈大，其电容量愈大。这就要求在设计CLCC无引线陶瓷片式载体外壳结构时，应尽量注意引线不宜过长或间距不宜过窄。

2.6 可靠性设计

外壳在使用过程中，遇到环境变化和机械冲击等情况时，焊盘的牢固性、外壳的抗机械冲击能力和气密性是影响外壳质量的重要因素。

(1)焊盘的牢固性

外壳对变频振动和恒定加速度等项目都有着严格的要求，焊盘的牢固性是至关重要的。因此，要着重考虑陶瓷粉料和金属粉料的纯度、颗粒尺寸及颗料分布；陶瓷与金属化层的匹配性以及排胶、烧结工艺；电镀层的纯度、致密度、厚度、均匀性等。

(2)抗机械冲击能力

外壳的抗机械冲击能力，由瓷体的结构强度决定，与外壳设计、流延片厚度均匀性、层压压力大小、排胶曲线、烧结温度等多种因素有关。为提高外壳抗机械冲击的能力，对上述工艺必须进行严格控制。

(3)气密性

我公司生产的CLCC外壳采用平盖板与封接环的熔封结构，盖板为0.3mm厚的铁镍合金镀金盖板，因此外壳气密性应通过以下两方面保证：

①陶瓷基体气密性。采用92％，紫色氧化铝瓷，通过控制加压压力、烧结温度曲线和烧成气氛，以保证陶瓷基体的气密性。 ②封口可靠性。为提高封口可靠性，对封口区加焊封接环(4J29或4J42)，以提高封口平整度和可焊性；封接环的设计宽度略小于瓷体上框金属化的宽度以利于钎焊后(经验表明，封接环的设计宽度比瓷体上框金属化的宽度小0.20mm较合适)焊料在该位置形成"弯月面"，同时将盖板和封接环的四周设计成圆角，通过上述方法以保证管壳封焊后的气密性。

(4)热设计

我公司采用92％紫色氧化铝瓷，其导热系数均大于25.2w．(mk)-1，因此采用其生产的CLCC外壳一般可满足芯片的散热要求。

3 工艺流程设计

CLCC型外壳的制造主要工艺流程。

4 CLCC陶瓷片式载体外壳工艺设计

由于设计所引起的产品质量问题在生产中是很难克服的，因此，设计师要了解CLCC陶瓷片式载体外壳的工艺特点，根据不同的工艺要求进行设计。

(1)大版设计要考虑到模具的强度，四小方阵的间隙应不小于6mm。

(2)上片、底片图版设计应有切痕标志，以利于生瓷体切割对准。

(3)根据正方形、长方形、双列形等不同的产品结构和孔壁金属化工艺，通过挂浆工装板抽真空吸附印刷实现。有的采有先挂浆后印刷；有的采用先印刷后挂浆；有的采用印刷、挂浆同时进行的办法，可较好地解决大版孔壁金属化工艺，大大提高产品的质量和产量。

(4)压痕技术关系到大版成品分离。因此，对压痕深度、宽度要求很高。既要对位准确，又要压痕深浅、宽窄适中。压痕太深易造成电镀引线断路，无法实现大版电镀，压痕太浅、宽度太窄易造成成品分离困难。经过反复工艺试验，压痕深度正面控制到上片厚度尺寸，反面控制到底片加中片厚度的1／3、宽度为0.20mm时较理想。

5 结束语

CLCC陶瓷片式载体外壳设计要遵循标准化、适用性、可行性的原则。以上是本文作者根据多年的工作经验对CLCC陶瓷片式载体外壳设计工艺的简单总结，以供广大设计人员参考，不足之处敬请指教。