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　　1、电子封装材料2009 2010学年第二学期 第六章基板技术 陶瓷基板 1 陶瓷基板概论陶瓷基板应具备的条件陶瓷基板的制作方法陶瓷基板的金属化 各类陶瓷基板氧化铝基板莫来石基板氮化铝基板碳化硅基板氧化铍基板 低温共烧陶瓷多层基板 基板应具有的性能玻璃陶瓷材料 的制作方法及烧结特征 多层基板的应用 多层基板的发展动向 第六章基板技术 陶瓷基板 4 其他类型的无机基板液晶显示器 用玻璃基板等离子体显示板 用玻璃基板5 复合基板复合基板 功能复合复合基板 结构复合复合基板 材料复合 第六章基板技术 陶瓷基板概述 为什么要用陶瓷基板 优势 1 耐热好 2 热导率高 3 热膨胀系数小 4 微细化布线 尺寸稳定性高高密度实装要求 1 布线 微细化 高密度化 低电阻化 2 基板材料 低介电常数 低热膨胀系数 高热导率上述要求陶瓷基板比有机基板更容易达到近年开发成功了计算机封装基板 汽车控制电路用基板 高密度封装基板等的多层布线陶瓷基板 第六章基板技术 陶瓷基板陶瓷基板概论1 陶瓷基板应具备的条件 基板应具备的条件如下表所列 第六章基板技术 陶瓷基板陶瓷基板概论1 陶瓷基板应具备的条件 电路布线是决定陶瓷基板性能的关键之一 基板的作用 1 搭载电子元件和部件 2 实现电气连接因此 导体电路布线十分重要形成电路布线 薄膜光刻法其中 薄膜光

　　3、刻法最有利于高密度封装布线 基板要表面平滑化学性能稳定 布线与基板间附着性好 第六章基板技术 陶瓷基板陶瓷基板概论2 陶瓷基板的制作方法 陶瓷烧成前典型的成形方法有下述四种 粉末压制成形 模压成形 等静压成形 挤压成形 流延成形 射出成形其中 流延成形法特点 易实现多层化生产效率较高近年来在 封装及混合集成电路用基板的制造中多被采用下图为流延法制作生片而后制成各类基板的流程图 第六章基板技术 陶瓷基板陶瓷基板概论2 陶瓷基板的制作方法 陶瓷基板的制作工艺流程 流延法 首先 根据不同的使用及工艺要求 在陶瓷原料粉末中添加0 5 的添加物 对于Al2O3陶瓷来说 为MgO Si

　　4、O2 CaO等氧化物 目的在于降低烧成温度且便于布线用导体材料的金属化 然后混入聚乙烯醇缩丁醛或聚异丁基丙烯酸酯等有机粘结剂及其相应的有机溶剂等 经球磨制成流延机用陶瓷浆料 为了防止浆料中陶瓷粉末的凝聚 使其均匀分散 必须加入一定量的表面活性剂 分散剂 将陶瓷浆料倒入流延机中 浆料通过金属刃口的间隙以一定的膜厚流延在匀速运动的 等有机带基上 经干燥得到具有一定可塑性的柔软陶瓷生片 经干燥得到具有一定可塑性的柔软陶瓷生片 经定尺裁片 冲定位孔等 再根据不同的使用要求 按图所示的三条工艺路线制取不同类型的基板 第六章基板技术 陶瓷基板陶瓷基板概论2 陶瓷基板的制作方法 陶瓷基板的制作工艺流程 流延

　　5、法 叠片 热压 脱脂 基片烧成 形成电路图形 电路烧成 在烧成的基片上可以利用厚膜法或薄膜法形成电路 由于基片烧成和电路烧成分别进行 工艺参数选择灵活 导体可采用熔点较低的贵金属 对烧结气氛无特殊要求 一般的 封装及混合集成电路多采用这种陶瓷基板 叠片 表面印刷电路图形 热压 脱脂 共烧 由于采取陶瓷基板与电路图形共烧工艺 故当陶瓷烧成温度较高 如Al2O3的烧结温度为 时 导体材料只能选用熔点高的难熔金属 如 等 为了防止其氧化 需要在氮等保护性气氛及氢等还原性气氛中烧成 一般说来 烧成金属的电阻率也较高 印刷电路图形 叠层 热压 脱脂 共烧 用以制取多层共烧基板 共烧条件与 相同 这是目前

　　6、多层陶瓷基板的主要制作方法之一 第六章基板技术 陶瓷基板陶瓷基板概论2 陶瓷基板的制作方法 陶瓷多层基板各种制作方法的比较湿法在烧成前的生片上丝网印刷形成导体图形由陶瓷与导体共烧而成干法在烧成的陶瓷基板上通过丝网印刷交互印刷 烧成导体层和绝缘层或采用厚膜 薄膜混成法形成下表给出陶瓷多层基板各种制作方法的比较 第六章基板技术 陶瓷基板陶瓷基板概论2 陶瓷基板的制作方法 湿法例举 陶瓷生片多层积层法采用最多如以Al2O3多层基板 陶瓷生片上冲孔形成电路图形 用Mo或W等难熔金属导体浆料两次丝网印刷充填层间电路埋孔叠层热压成形脱脂烧成形成导体层与陶瓷一体化的共烧Al2O3多层基板AlO3多层基板结构

　　7、图 第六章基板技术 陶瓷基板陶瓷基板概论2 陶瓷基板的制作方法 湿法例举 陶瓷生片生片多层印刷基本工艺丝网印刷浆料导体层印刷与生片相同材质的绝缘层层间互连孔的连接按层数要求 重复进行多次一体化烧成结构如图 第六章基板技术 陶瓷基板陶瓷基板概论2 陶瓷基板的制作方法 干法例举 厚膜多层印刷法厚膜 薄膜混成法下图为厚膜 薄膜混成法多层基板的结构 第六章基板技术 陶瓷基板陶瓷基板概论2 陶瓷基板的制作方法 四种方法 陶瓷生片积层 陶瓷生片印刷 厚膜多层印刷 厚膜薄膜混成 比较讨论 陶瓷生片多层积层法 大量采用 因为 共烧体 结构致密 无针孔等缺陷绝缘层 耐压高导体层 电阻率低整体散热性 好层间导体连

　　8、接 可靠 检查较方便共烧体的层数 可达数十层输入 输出端子连接方式 可用引线连接式 针脚插入式 焊盘钎焊式 QFP BGA等多种类型 第六章基板技术 陶瓷基板陶瓷基板概论2 陶瓷基板的制作方法 四种方法 陶瓷生片积层 陶瓷生片印刷 厚膜多层印刷 厚膜薄膜混成 比较讨论 生片多层印刷法 厚膜多层印刷法 适于多品种小批量生产 因为 缺点 积层数增加 膜表面凹凸严重 需用高超印刷技术或配合表面研磨连接 易形成层间埋孔成本 低 印刷法形成绝缘层 不要生片冲孔用模具 设备及冲孔工序导体的电阻率 最低烧成温度 低设计 比较灵活 第六章基板技术 陶瓷基板陶瓷基板概论3 陶瓷基板的金属化 概念陶瓷基板表面 内

　　9、部金属化形成电路图形实现元器件搭载及输入 输出端子的连接分为 厚膜法薄膜法共烧法 第六章基板技术 陶瓷基板陶瓷基板概论3 陶瓷基板的金属化 厚膜法 概念丝网印刷形成导体层电路布线 电阻烧结形成电路 引线 百分之几的玻璃粘结剂 3 有机载体 包括有机溶剂 增稠剂和表面活性剂等 球磨混炼而成烧成后的导体断面结构图 陶瓷基板概论3 陶瓷基板的金属化 厚膜导体层与陶瓷基板之间起结合作用的玻璃粘结剂 分三种类型 即 玻璃 玻璃结合 系 氧化物 化学结合 系 玻璃与氧化物的混合 混合结合 系 特点 软化点 要在粉末金属的烧结温度附近形成表面金属含量高 界面玻璃含量高的

　　10、梯度结构烧结过程 玻璃软化 由导体侧向基板侧流入基板表面的凹凸之中网络结构收缩 玻璃与其形成相互钩连结构表面金属含量高 利于提高电导率 便于焊接键合界面附近玻璃含量高 利于导体层与基板机械结合 陶瓷基板概论3 陶瓷基板的金属化 特点 选用与陶瓷发生反应形成固溶体的氧化物Al2O3基板 用CuO及Bi2O3比玻璃系更易获得较强结合力 导体层焊接性能好 但烧成温度较高 陶瓷基板概论3 陶瓷基板的金属化 特点 降低烧成温度 同时保证较高的结合力 第六章基板技术 陶瓷基板陶瓷基板概论3 陶瓷基板的金属化 薄膜法概念 导体层为厚度 1微米的薄膜制备技术 真空蒸镀 离子镀 溅射镀膜等特点 气相沉积法原则上

　　11、 无论任何金属都可成膜 无论对任何基板都可金属化金属膜层与陶瓷基板的热膨胀系数应尽量一致 应设法提高金属化层的附着力 第六章基板技术 陶瓷基板陶瓷基板概论3 陶瓷基板的金属化 薄膜法多层结构中的材料选用 与陶瓷基板相接触的薄膜金属一般选有充分反应性 结合力强的 A族金属Ti Zr及 A族金属Cr Mo W等上层金属选用Cu Au Ag等延展性金属电导率高 不易氧化由热膨胀系数不匹配造成的热应力易被缓解 第六章基板技术 陶瓷基板陶瓷基板概论3 陶瓷基板的金属化 共烧法概念 烧成前的陶瓷生片上 丝网印刷Mo W等难熔金属厚膜浆料一起脱脂烧成陶瓷与导体金属烧的一体结构也适用于多层基板制造 即陶瓷生片

　　12、多层积层法 第六章基板技术 陶瓷基板陶瓷基板概论3 陶瓷基板的金属化 共烧法特点 电路布线可微细电路化布线能实现高密度布线易实现多层化 可实现气密封装绝缘体与导体的一体化结构 第六章基板技术 陶瓷基板陶瓷基板概论3 陶瓷基板的金属化 共烧法特点 烧结收缩率可以控制通过选择成分 成形压力 烧结温度 可用于高密度封装平面方向零收缩率基板的研制成功BGA CSP 裸芯片等高密度封装应用 第六章基板技术 陶瓷基板陶瓷基板概论3 陶瓷基板的金属化 上述金属化方法形成的导体表面电阻比较 对于厚膜与薄膜来说 可使用各种不同的导体材料 通过膜厚的控制 可以获得较低的电阻率 普通共烧法中 陶瓷烧结温度高 导体材

　　13、料必须选用熔点高的 等难熔金属 电阻率较高 且要在保护性气氛中烧成 第六章基板技术 陶瓷基板 各类陶瓷基板氧化铝基板莫来石基板氮化铝基板碳化硅基板氧化铍基板 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板1 氧化铝基板 概况 价格较低综合性能最好 综合考虑机械强度 绝缘性 导热性 耐热性 耐热冲击性 化学稳定性等方面加工技术最先进与其他材料相比Al2O3基板典型制造方法 Buyer法原料铝矾土 水铝矿 一水软铝石及相应的化合物 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板1 氧化铝基板 Al2O3典型制造方法 Buyer法过程 NaOH水溶液溶解 形成铝酸苏打溶液加入形核剂 析出水铝矿 Al2O3 3H2O 过

　　14、滤烧成脱水 旋转炉 1100 1200 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板1 氧化铝基板 Al2O3典型制造方法 Buyer法特点 Al2O3含0 3 左右的Na2O作为基板 Na2O对形成的电路布线及厚膜 薄膜元件会产生不利影响近年来 为获得更高纯度的Al2O3 一般用金属铝重熔的方法来制取 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板1 氧化铝基板 原料结构高温稳定相 Al2O3 即刚玉其他 Al2O3 Al2O3工业上多使用 Al2O3 特殊情况采用 Al2O3原料粉末促进烧结 因为在烧成加热时 伴随着 Al2O3向 Al2O3的相变 有热量放出 利于烧结下图为 Al2O3结构图 铝离子与氧离

　　15、子间 离子键 Al位于 个O构成的 面体中心因此 Al2O3结构的充填极密实Al2O3的物理性能 化学性能稳定 密度高 机械强度大 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板1 氧化铝基板 制作方法 一般用生片叠层法成形厚膜用基板助烧剂Al2O3 SiO2 MgOCaO系共晶成分附近的组成目的 提高与金属化层的浸润性 达到足够金属化强度 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板1 氧化铝基板 制作方法 薄膜用基板助烧剂添加质量分数0 2 左右MgO目的 抑制烧成时Al2O3晶粒异常长大 获得致密烧结体其他特点 MgO易在基板表面蒸发 不能防止表面部位异常晶粒长大除了MgO外再添加Cr2O3 抑制MgO蒸

　　16、发 保证基板表面十分平滑 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板1 氧化铝基板 制作方法 粘结剂一般用聚乙烯醇聚丁醛 树脂表面活性剂邻苯二甲酸二丁脂 鱼油 合成油防止浆料中Al2O3粉末凝聚 使其均匀分散 烧成温度与助烧剂有关1550 1600 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板1 氧化铝基板 制作方法 烧成气氛加湿氢气 氢 氮混合气体 氨的分解混合气体调节水分比例目的 防止金属导体材料氧化 调整烧成收缩率 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板1 氧化铝基板 制作方法 Al2O3基板的各种金属化方法如下图所示 厚膜法及共烧法从使用的浆料到工艺技术都比较成熟 目前可满足各方面的使用要求 关于薄膜

　　17、法 包括电阻及电容器等无源元件的成膜在内 技术上也已确立 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板1 氧化铝基板 难熔金属法按照所用金属分为Mo法 Mo Mn法 Mo Ti法其中 Mo Mn法用得最多工艺过程配料 主成分 耐热金属钼 Mo 粉末 副成分 氧化物的锰 Mn 粉末制作浆料 均匀混合涂布 基板表面 预先表面研磨及表面处理高温烧成加湿氢气气氛 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板1 氧化铝基板 难熔金属法特点 水的作用 被水分氧化形成 与Al2O3反应形成 Al2O3 作为中间层增加了金属化层与Al2O3基板的结合力导体层直接焊接困难表面电镀 改善 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板1

　　18、氧化铝基板 应用 可用于如下方面 混合集成电路用基板 封装用基板 多层电路基板 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板1 氧化铝基板 应用 混合集成电路用基板 依纯度 分厚膜用 薄厚膜混合IC膜用两大类厚膜用多用纯度为96 的Al2O3基板 因为 纯度严重影响基板表面粗糙度 纯度低 玻璃相多 表面粗糙度大表面粗糙度大 价格较低 与布线导体间的结合力强纯度不同 电学性质几乎不受影响 但机械性能及热导率变化很大 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板1 氧化铝基板 应用 混合集成电路用基板 依纯度 分厚膜用 薄厚膜混合IC膜用两大类厚膜用特点用丝网印刷法在基板上形成贵金属浆料图形在烧成过程中 浆料中的

　　19、玻璃粘结剂与基板中的玻璃相起作用Al2O3中的玻璃相 较粗糙表面会明显提高厚膜导体的结合力 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板1 氧化铝基板 应用 混合集成电路用基板 依纯度 分厚膜用 薄厚膜混合IC膜用两大类薄厚膜混合 用使用纯度99 以上的Al2O3 因为 纯度高 采用表面粗糙度小 烧成状态表面非常平滑 可形成缺陷较少的高品质薄膜薄膜厚度一般 数百纳米 薄膜物理性能 电气性能与基板表面粗糙度关系很大 特别是对像电容器等采用多层结构的薄膜元件 影响更大 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板1 氧化铝基板 应用 混合集成电路用基板 依纯度 分厚膜用 薄厚膜混合IC膜用两大类在基板表面涂覆一层

　　20、热膨胀系数与Al2O3基板相同 厚度为数十微米的玻璃釉 可保证表面更平滑被釉基板表面导热性 耐热性 耐药性等都低于Al2O3 因此 常用局部被釉基板微波领域 Al2O3基板作为介电质可用作基板 波导 共振器 透射窗等 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板1 氧化铝基板 应用 LSI封装用基板陶瓷LSI封装中 几乎都采用Al2O3 因为烧成技术制作的LSI封装 气密性好 可靠性高Al2O3在从DIP LCC PGA BGA CSP 裸芯片实装的发展历程中 一直起着十分关键的作用 因为机械强度高热导率高其他优点Al2O3在高密度封装中发挥着不可替代的作用多端子 细引脚节距 高散热性 第六章基板技术

　　21、 陶瓷基板各类陶瓷基板1 氧化铝基板 应用 多层电路基板发展历史20世纪60年代起 IBM 开始研发Al2O3多层电路基板最早应用 IBM4300系列计算机代表性应用 IBM308X系列的TCM 结构如下图所示 尺寸 布线共烧的 布线总长 可同时搭载 块 倒装芯片 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板1 氧化铝基板 应用 分 多层电路基板是 开发的 的Al2O3多层电路基板 Al2O3陶瓷多层电路基板与聚酰亚胺多层薄膜布线板构成的复合基板信号线 聚酰亚胺绝缘层薄膜多层布线 由于聚酰亚胺的介电常数低 故可提高信号传输速度其他Al2O3基板 单晶形态 蓝宝石 用于 单晶外延 制作微波

　　22、器件及其他半导体器件 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板2 莫来石基板 概况成分 3Al2O3 2SiO2特点Al2O3 SiO2二元系中最稳定的晶相之一机械强度 热导率比Al2O3低 介电常数比Al2O3低 可进一步提高信号传输速度热膨胀系数也低 可减小搭载 的热应力与导体材料Mo W的热膨胀系数差小 共烧时与导体间出现的应力低 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板2 莫来石基板 概况制造方法与金属化方法基本上与Al2O3所用的相同添加MgO 可在降低介电常数的同时 减小热膨胀系数 减小基板弯曲变形及应力如下图所示 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板2 莫来石基板 应用日立公司开发的莫来

　　23、石多层电路基板已用于大型计算机 作导体层 共44层如下图所示 在这种基板搭载了莫来石为基板材料 由 层 导体层构成的芯片载体 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板3 氮化铝基板 概况 热导率是Al2O3的10倍以上热膨胀系数CTE与硅片相匹配对于大功率半导体芯片的封装及高密度封装至关重要 特别是作为MCM封装基板有良好应用前景原料 1862年由Genther等人最早合成的人造矿物闪锌矿型结构 强共价键化合物 质量轻 密度3 26 强度高 耐热性高 3060 分解 耐腐蚀 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板3 氮化铝基板 原料 高热导性强共价键 其传热机制为晶格振动 声子 Al和N的原子序数均

　　24、小热导率理论值高达320 AlN单晶的热导率达到 250 但陶瓷材料过去仅到40 60 相当低 因为原料中的杂质在烧结时固溶于 晶粒中产生各种缺陷或发生反应 生成低热导率化合物 对声子造成散射 致使热导率下降如下图所示 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板3 氮化铝基板 原料 高热导性提高AlN陶瓷热导率的方法控制陶瓷微结构排除点阵畸变 位错 层错 非平衡点缺陷等晶体缺陷 保证晶体结构的完整性减少气孔 第二相析出等AlN原料粉末及烧结技术 采取必要措施AlN粉末的代表性制作方法还原氮化法直接氮化法其他方法 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板3 氮化铝基板 原料 AlN粉末的代表性制作方法还原

　　25、氮化法原料 Al2O3 高纯碳 N2反应式 Al2O3 3C N2 2AlN 3CO吸热反应特点 所用Al2O3粉末粒径小 粒度分布整齐容易获得粒径小 粒度分布一致性好的AlN粉末 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板3 氮化铝基板 原料 AlN粉末的代表性制作方法直接氮化法Al粉末与N2发生反应直接氮化 后将生成物粉碎成所需要的AlN粉末 反应式为 Al N2 AlN放热反应比较直接氮化法节约能量 提高生产效率将较粗AlN粉末粉碎 不易获得理想粒度分布其它新方法 Al的卤化物与NH3发生反应生成AlN气相合成法 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板3 氮化铝基板 制造方法制造Al2O3基板的

　　26、各种方法均可用于AlN基板制造生片叠层法用得最多 将AlN原料粉末 有机粘结剂及溶剂 表面活性剂混合制成陶瓷浆料经流延 叠层 热压 脱脂 烧成制得 要严格控制原料粉末的选择和处理 烧结助剂 烧成条件等 而控制金属杂质及氧 碳等杂质的含有量及存在状态 提高热导率下表是氮化铝烧结添加剂及效果 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板3 氮化铝基板 制造方法金属化膜的形成 各种方法都可以适用 但要注意 AlN烧成温度很高 要用高熔点金属厚膜共烧浆料AlN与金属化层的结合力不如Al2O3 必须采用特殊玻璃粘结剂的厚膜浆料在共烧法中 AlN生片上丝网印刷W和Mo的厚膜浆料 用同时法烧成后烧法先在烧成的AlN

　　27、基板上印刷AlN专用的Ag Pd厚膜浆料 再烧成 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板3 氮化铝基板 制造方法金属化膜的形成 混合电路IC用基板印刷Ag Pd导体及RuO2电阻的厚膜浆料烧成厚膜浆料要加入不同于Al2O3用的专用玻璃粘结剂因为AlN基板中不含玻璃 厚膜浆料中添加的玻璃粘结剂不能渗入到基板晶界中 会在界面上形成较厚的玻璃层 结合力差 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板3 氮化铝基板 制造方法金属化膜的形成 薄膜法中一般采用Au Pd Ti及Au Pd NiCr等积层膜真空蒸镀或溅射法形成也可用化学镀成膜 先用碱溶液腐蚀 使基板表面粗化后 再化学镀Cu及Ni膜层直接覆铜等特殊的方

　　28、法 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板3 氮化铝基板 AlN基板的特性下表表示AlN与其他基板特性的比较 材料相对于Al2O3来说 绝缘电阻 绝缘耐压更高些 介电常数更低些特别是 的热导率是Al2O3的 倍左右 热膨胀系数与 相匹配上述特点对于封装基板应用来说是十分难得的 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板3 氮化铝基板 AlN基板的特性下图表示 基板的热导率 热导率受残留氧杂质含量的影响很大有效降低氧含量 可明显地提高热导率工业生产水平的热导率可达到 以上 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板3 氮化铝基板 AlN基板的特性下表表示 基板的介电常数在 MHz及 GHz的测定结果 测定是针

　　29、对添加Y2O3的AlN基板 在其上形成Pd Ag厚膜导体的传输线 采用直线线路共振法进行测试从表中可见 AlN的介电常数在 MHz下与Al2O3不相上下 但在 GHz下要比Al2O3低 即在高频领域其介电常数较低 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板3 氮化铝基板 AlN基板的特性下表及下图给出了 SiC Al2O3 及 的热膨胀系数的对比 的热膨胀系数 RT 300 为3 10 6 AlN为 3 5 4 3 10 6 与SiC Al2O3 BeO基板相比 AlN基板与Si半导体元件间的热应力小特别适用于裸芯片的实装 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板3 氮化铝基板 应用下图

　　30、是 基板作为 封装的实用化实例 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板3 氮化铝基板 应用下图是 超高频 频带功率放大器模块采用 结构的剖面图 AlN基板上用激光加工通孔用丝网印刷 在通孔中填入Ag Pd浆料形成电路图形与用Al2O3与BeO相组合的复合基板相比 结构简单 热阻为7 4 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板4 碳化硅基板 原料人工制造的矿物由硅石 SiO2 焦炭 C 及少量食盐 NaCl 以粉末状混合石墨炉将其加热到2000 以上发生反应 生成 SiC再通过升华析出 得到的暗绿色块状多晶集合体易获得高纯度制品加热及升华过程中 金属性杂质及卤化物等因挥发会自动排除具有优良的耐磨性

　　31、耐药品性强共价键化合物 硬度仅次于金刚石 立方氮化硼 BN 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板4 碳化硅基板 原料高纯度单晶体的热导率仅次于金刚石 制造方法化学稳定性 热稳定性非常好 普通方法烧成难以达到致密化 要添加烧结助剂并采用特殊烧成方法SiC基板通常采用如下图所示的真空热压法烧成 配料研磨制成粉末原料添加烧结助剂 0 1 3 5 wt 的BeO 粘结剂 溶剂等 利用喷雾干燥机造粒 将造粒粉在室温及100MPa压力下加压成板状 放入石墨模具中加压的同时 热压 在大约2100 下烧成 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板4 碳化硅基板 制造方法该工艺 可制得平均粒径大约 相对密度达98

　　32、以上的致密黑灰色SiC基板SiC材料不适合制作多层电路基板烧成温度2100 导体材料很难找到可利用基板表面 形成薄膜多层电路基板SiC基板的特性SiC基板的主要特性见下表 SiC最具特色的性质是 热扩散系数特别大 甚至比铜 1 1cm2 s 还大热膨胀系数与Si更为接近 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板4 碳化硅基板 SiC基板的特性下图表示SiC基板的热导率与温度的关系 室温下其热导率比Al 239W m K 还高可达Al2O3基板的20倍以上 热导率随温度升高而下降比较明显在实用封装的允许温度80 附近 其热导率为220W m K 相对于室温热导率仅降低20 左右 第六章基板技术 陶瓷

　　33、基板各类陶瓷基板4 碳化硅基板 SiC基板的特性下图SiC基板的热膨胀系数与温度的关系 SiC与 之间的热膨胀系数极为接近可大大降低LSI运行 停止温度循环中产生的应力有利于延长LSI元件中焊接部位的疲劳寿命 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板4 碳化硅基板 SiC基板的特性缺点介电常数比Al2O3等基板的高1MHz为40 在1GHz时为15不适用于通信机等高频电路基板对于某些LSI封装 当介电常数的影响比电路系统的整个布线长度可忽略时 可用绝缘耐压差 当电场强度达到数百伏 厘米以上时 SiC基板会迅速丧失绝缘性 很容易击穿应用低电压电路VLSI高散热封装的基板下图表示SiC基板用于高速 高

　　34、集成度逻辑LSI带散热结构封装的实例 与采用Al2O3的封装相比 结构要简单得多SiC与Si的热膨胀系数相匹配 不必采用Mo等应力缓冲材料SiC的热扩散系数比Cu还高 LSI产生的热量会迅速在SiC基板上散开 再通过由硅胶粘结的Al散热片高效率地散热 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板4 碳化硅基板 应用下图表示采用SiC基板的MCM封装的情况 从芯片到散热片外界的总热阻 采用Al2O3基板时为8 5 采用SiC基板时为4 9 后者降低一半即同样尺寸的封装 采用后者 可满足放热量大一倍的芯片的要求 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板5 氧化铍基板 下图是BeO基板的特性 热导率是Al2O3

　　35、基板的十几倍 适用于大功率电路介电常数又低 可用于高频电路 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板5 氧化铍基板 制造方法 干压法 主要方法 工艺 成形后先经300 600 预烧 再经1500 1600 烧成特点 烧成收缩小 尺寸精度较高在烧成后的基板上打孔时 孔径及孔距较难控制生片法在BeO中添加微量的MgO及Al2O3 第六章基板技术 陶瓷基板各类陶瓷基板5 氧化铍基板 制造方法 金属化 采用薄膜金属化时 表面必须研磨BeO基板烧成后的粒径很难控制 其粒径一般比Al2O3的大 Cu与之的结合力要优于Mo或W等 BeO粉尘有毒 第六章基板技术 陶瓷基板低温共烧陶瓷多层基板 LTCC 0 概述

　　36、发展低温共烧陶瓷多层基板的必要性 Al2O3基板 莫来石及 基板烧结温度相当高 1500 1900 高烧结温度对同时烧成法的限制导体材料只能选择难熔金属Mo和W造成一系列较难解决问题 共烧工艺难度高 还原性气氛 过高烧结温度要求采用特殊烧结炉 Mo W电阻率高 布线电阻大 引起信号传输失真 增大损耗 限制布线微细化 介质材料介电常数都偏大 增大信号传输延迟时间 特别是不适用于超高频电路 Al2O3热膨胀系数 7 10 6 与Si的热膨胀数 3 0 10 6 相差太大 用于裸芯片实装 热应力不易解决 第六章基板技术 陶瓷基板低温共烧陶瓷多层基板 LTCC 0 概述 发展低温共烧陶瓷多层基板的必要

　　37、性 为了解决上述问题 开发了玻璃与陶瓷混合共烧的LTCC 低温共烧陶瓷基板 下表LTCC的组成与特性 烧成温度低 900 可采用电阻率低的Au Ag Ag Pd Ag Pt Cu等导体布线等 可实现微细化布线 贵金属浆料可在大气中烧成介电常数较低热膨胀系数通过调整材料成分及结构可以与Si的接近易实现多层化基于这些优点 LTCC基板近年来发展很快 在高速MCM封装 以及BGA CSP等高密度封装中 应用越来越广泛 第六章基板技术 陶瓷基板低温共烧陶瓷多层基板 LTCC 1 LTCC基板应具有的性能 主要要求如下 烧成温度必须能控制在950 以下应具有的最重要性能 兼顾其他性能的基础上 做到低温烧

　　38、成下表列出了常用导体材料的熔点与电阻率电阻率比较低的金属Ag Au Cu等熔点都在1000 以下因此基板烧结温度必须控制在850 950 采用Ag Au Cu等低电阻率材料 电路图形可作到更微细 便于高密度布线 第六章基板技术 陶瓷基板低温共烧陶瓷多层基板 LTCC 1 LTCC基板应具有的性能 主要要求如下 介电常数要低适应高速电路需要 降低信号延迟时间 热膨胀系数要与搭载芯片的热膨胀系数相接近MCM中用大尺寸LSI裸芯片实装 实装工程及实际工作状态下都处于热循环中确保焊接部位的可靠性并保护芯片 要求基板材料与LSI芯片的热膨胀系数尽量接近 有足够高的机械强度基板组装 实装等工程中会承受各种

　　39、各样的机械的或热的应力 第六章基板技术 陶瓷基板低温共烧陶瓷多层基板 LTCC 2 玻璃陶瓷材料 硼硅酸铅玻璃 Al2O3系成分 硼硅酸铅晶化玻璃 Al2O3 45 质量分数 烧结温度850 950 下烧成下图为烧结收缩曲线 从 附近烧结收缩开始 至 基本烧成 第六章基板技术 陶瓷基板低温共烧陶瓷多层基板 LTCC 2 玻璃陶瓷材料 硼硅酸铅玻璃 Al2O3系下图为烧成温度与三点弯曲强度的关系 左右烧成材料的最大弯曲强度达 与 不相上下一般认为 强度高的原因是在烧结过程中 与玻璃界面发生反应 生成新的晶相富硅高岭石 所致 第六章基板技术 陶瓷基板低温共烧陶瓷多层基板 LTCC 2 玻璃陶瓷材料

　　40、 硼硅酸铅玻璃 Al2O3系烧成后不易发生变形材料中玻璃的一部分为晶态烧成后直到 900 不发生变形可在烧成的基板表面印刷厚膜导体浆料 烧成电路图形缺点 含铅 不利于环境保护硼硅酸玻璃 石英玻璃 堇青石系特点 低介电常数热膨胀系数接近Si 第六章基板技术 陶瓷基板低温共烧陶瓷多层基板 LTCC 2 玻璃陶瓷材料 硼硅酸玻璃 石英玻璃 堇青石系下图表示玻璃陶瓷中硼硅酸玻璃的含量与烧结温度的关系 对应900 附近的烧成温度 硼硅酸玻璃的含量 质量分数 65 固定硼硅酸玻璃的含量 质量分数 为 使堇青石与石英玻璃的相对含量发生变化 第六章基板技术 陶瓷基板低温共烧陶瓷多层基板 LTCC 2 玻璃陶瓷

　　41、材料 硼硅酸玻璃 石英玻璃 堇青石系下图为热膨胀系数的变化 为使其与 的热膨胀系数 一致 系统组成 质量分数 为 石英玻璃 堇青石 硼硅酸玻璃为 该组成下 烧成体的介电常数为4 4 比较低 第六章基板技术 陶瓷基板低温共烧陶瓷多层基板 LTCC 2 玻璃陶瓷材料 硼硅酸玻璃 Al2O3 镁橄榄石系可达最高密度组成 质量分数 Al2O3 镁橄榄石 硼硅酸玻璃 35 25 40 900 烧成时相对密度可达97 弯曲强度为200 介电常数为6 5热膨胀系数为6 0 10 硼硅酸玻璃 Al2O3系最佳烧成温度也随硼硅酸玻璃的含量而变化下图表示随硼硅酸玻璃与Al2O3组成 质量分数 的变化 相对密度与烧

　　42、成温度的关系 在该系统最佳组成 质量分数 即Al2O3 硼硅酸玻璃50 左右 900 烧成体的介电常数为5 6 热膨胀系数为4 6 10 弯曲强度为245 第六章基板技术 陶瓷基板低温共烧陶瓷多层基板 LTCC 2 玻璃陶瓷材料 硼硅酸玻璃 Al2O3处理的氧化锆系组成 硼硅酸玻璃 质量分数 Al2O3处理的氧化锆 最佳900 烧成特征 在相当宽度范围内热膨胀系数与GaAs单晶的热膨胀系数相近硅酸玻璃 Al2O3处理的氧化锆系材料的热膨胀系数与温度的关系可用作 高电子迁移率三极管 实装基板 第六章基板技术 陶瓷基板低温共烧陶瓷多层基板 LTCC 2 玻璃陶瓷材料 硼酸锡钡系组成与前几种略有差异

　　43、具有白云石结构的BaSn BO3 2单一晶相900 1000 烧成低烧基板材料可在很宽的范围内选择与之相配的导体材料材料无玻璃相 耐Ag迁移性好在氧化性气氛 还原性气氛中均可烧成 第六章基板技术 陶瓷基板低温共烧陶瓷多层基板 LTCC 3 LTCC的制作方法及烧结特征 各公司技术机密 细节未公开 就硼硅酸玻璃CaO Al2O3 B2O3 SiO2与Al2O3粉末的复合玻璃陶瓷基板的制作方法及烧结特征作简要介绍 LTCC多层基板的制作方法首先将CaO Al2O3 B2O3 SiO2与Al2O3系的硼酸玻璃粉末与Al2O3粉末按重量比6 4混合 加入有机粘结剂 溶剂及增塑剂等 经球磨调制成流延浆料

　　44、下图流延法的工艺流程 第六章基板技术 陶瓷基板低温共烧陶瓷多层基板 LTCC 3 LTCC的制作方法及烧结特征 LTCC多层基板的制作方法下图为流延机结构示意图 第六章基板技术 陶瓷基板低温共烧陶瓷多层基板 LTCC 3 LTCC的制作方法及烧结特征 下图为由LTCC基板制作高密度多功能模块的工艺流程 流延出 厚的玻璃陶瓷生片定尺切片按电路设计要求冲孔 孔径一般为0 1 0 3 孔距0 5 以上在同一片生片上通过多次印刷 形成埋孔 电路图形 除电路引线之外 还可形成内层电容 电阻等 叠层 热压使其一体化在 脱脂后 烧成 得到三维布线 导体构成的高密度电路在烧成后的基板两面 通过后烧 后烧 法

　　45、形成实装 封装 电容 电感等部件用的 电极焊盘 以及布线电路 同时烧成法也可形成 厚膜电阻等 由此获得高密度实装基板最后搭载各种芯片部件或其他电子元件 经塑料包封及模注等 完成高密度多功能部件 第六章基板技术 陶瓷基板低温共烧陶瓷多层基板 LTCC 3 LTCC的制作方法及烧结特征 LTCC多层基板的制作方法下图为由LTCC基板构成的高密度实装结构示意图 第六章基板技术 陶瓷基板低温共烧陶瓷多层基板 LTCC 3 LTCC的制作方法及烧结特征 LTCC基板的烧结特征在从室温到900 的整个烧结过程中 系列的埋孔导体 布线导体与生片的烧成曲线尽可能接近极为重要下图表示Ag布线叠层LTCC基板的烧

　　46、结收缩曲线 图中同时给出两种材料单独烧结时的收缩曲线 玻璃陶瓷生片埋孔中由厚膜印刷法形成的Ag系列布线导体浆料由 Ag及少量其他金属 玻璃粘结剂 有机粘结剂 表面活性剂及溶剂构成为满足某些特殊要求 有时还要添加无机填料依Ag粉末的含量 粒度 比表面积 结晶性等不同 厚膜导体烧成收缩开始温度一般在400 600 之间 相当低 范围相当宽而生片的收缩开始温度取决于构成玻璃的屈服点 本例中大致为730 相当高的因此 使二者尽量接近是需要解决的问题 第六章基板技术 陶瓷基板低温共烧陶瓷多层基板 LTCC 3 LTCC的制作方法及烧结特征 生片与厚膜导体共烧情况有机粘结剂在氧化气氛中气化 必须要在保持基

　　47、板 布线的形态不受影响的情况下 使其排出排除过程中 若构成玻璃的软化点太低 生片中的开气孔在4000 600 被玻璃封闭 则气体不能排除气体会在基板内部形成气泡 产生断线 凹凸 裂纹 翅曲等缺陷构成玻璃具有足够高的屈服点极为重要一般用PbO调整玻璃软化点PbO的存在 使脱胶及烧成过程中加速Ag向玻璃陶瓷中的扩散环境保护要求无铅化 下图为构成玻璃的屈服点与气泡生成的情况 第六章基板技术 陶瓷基板低温共烧陶瓷多层基板 LTCC 3 LTCC的制作方法及烧结特征 下图表明共烧基板对于后烧具有足够的耐热性 第六章基板技术 陶瓷基板低温共烧陶瓷多层基板 LTCC 4 LTCC多层基板的应用 LTCC适用

　　48、于高密度电子封装用的三维立体布线多层陶瓷基板 因其如下优点 导体电阻率低 介质的介电常数小 热导高 与硅芯片相匹配的低热膨胀系数 易于实现多层化特别适合于射频 微波 毫米波器件等 随电子设备向轻 薄 短 小方向的发展 设备工作频率的提高 军用设备向民用设备的转化 LTCC多层基板将以极大优势成为无线通讯 军事及民用等领域重要发展方向之一 用途主要分四个方面 第六章基板技术 陶瓷基板低温共烧陶瓷多层基板 LTCC 4 LTCC多层基板的应用 超级计算机用多层基板满足元器件小型化 信号超高速化的要求目前世界上的超级计算机的CPU基本上都采用MCM封装基板材料多采用玻璃陶瓷由玻璃陶瓷布线、胺布线层构成的复合基板玻璃陶瓷中的多层布线层主要形成时钟信号线 接地线 电源线等基板上装有 个 芯片的封装模块 见下图 第六章基板技术 陶瓷基板低温共烧陶瓷多层基板 LTCC 4 LTCC多层基板的应用 下一代汽车用多层基板 部件 利用其高密度 多层化 混合电路化等特点 以及其良好的耐热性 作为下一代汽车电子控制系统部件 受到广泛注意汽车部件要求 承受高温 高湿 大温差 强振动等 工作环境恶劣传统的汽车电子控制系统多采用PCB基板或厚膜多次烧结型陶瓷基板 前者难以实现混合电路 且耐环境性较差 后者要重复多次印刷 干燥 烧结过程 成品率及生产效率都存在一定问题 一般只作到 层 为了满足日益迫切的

　　50、高可靠性 轻量小型 多功能的要求 目前正越来越多地采用 多层基板 第六章基板技术 陶瓷基板低温共烧陶瓷多层基板 LTCC 4 LTCC多层基板的应用 下一代汽车用多层基板 部件 BOSCH公司开发的 混合集成模块就采用了LTCC多层基板采用LTCC多层基板的ABS 反馈刹车系统 由于实现了高密度 小型化 38 25 可以与油压系统作成一体 见下图 因此在油压系统小型化 重量减少 的同时 电气连接及引线系统大为简化上述 通过 不间断地对四个车轮进行监测 并能迅速检测急刹车时产生的摇摆振动状况 再通过与 连接的油压系统 控制刹车油压 实现安全可靠的制动 第六章基板技术 陶瓷基板低温共烧陶瓷多层基板