第三章 陶瓷和玻璃.ppt

第三章第三章 陶瓷和玻璃陶瓷和玻璃一、用于微电子的陶瓷互连1.薄膜薄膜的制作方法介绍：a.物理气相沉积(PVD)指的是利用某种物理的过程，如物质的热蒸发或在受到粒子束轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质从源物质到薄膜的可控的原于转移过程。这种薄膜制备方法相对于化学气相沉积方法而言，具有以下几个特点：(1)需要使用固态的或者熔化态的物质作为沉积过程的源物质(2)源物质要经过物理过程进入气相；(3)需要相对较低的气体压力环境：(4)在气相中及衬底表面并不发生化学反应。物理气相沉积技术中最为基本的两种方法就是蒸发法和溅射法。真空蒸发装置原理示意图溅射装置原理示意图溅射法：溅射法：它利用带有电荷的离于在电场中加速后具有一定动它利用带有电荷的离于在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的靶电极。在离子能量合适的能的特点，将离子引向欲被溅射的靶电极。在离子能量合适的情况下，入射的离子将在与靶表面的原子的碰撞过程中使后者情况下，入射的离子将在与靶表面的原子的碰撞过程中使后者溅射出来。这些被溅射出来的原子将带有一定的动能，并且会溅射出来。这些被溅射出来的原子将带有一定的动能，并且会沿着一定的方向射向衬底，从而实现在衬底上薄膜的沉积。沿着一定的方向射向衬底，从而实现在衬底上薄膜的沉积。溅射与蒸发方法的原理和特性比较溅射与蒸发方法的原理和特性比较溅射与蒸发方法的原理和特性比较溅射与蒸发方法的原理和特性比较b.b.化学气相沉积化学气相沉积化学气相沉积化学气相沉积(CVD)(CVD)：顾名思义，化学气相沉积技术利用的是：顾名思义，化学气相沉积技术利用的是气态的先驱反应物，通过原子、分子间化学反应的途径生成固气态的先驱反应物，通过原子、分子间化学反应的途径生成固态薄膜的技术。利用这种方法可以制备的薄膜种类范围也很广，态薄膜的技术。利用这种方法可以制备的薄膜种类范围也很广，包括固体电子器件所需的各种薄膜，轴承和工具的耐磨涂层，包括固体电子器件所需的各种薄膜，轴承和工具的耐磨涂层，发动机或核反应堆部件的高温防护涂层等。在高质量的半导体发动机或核反应堆部件的高温防护涂层等。在高质量的半导体晶体外延技术以及各种绝缘材料薄膜的制备中大量使用了化学晶体外延技术以及各种绝缘材料薄膜的制备中大量使用了化学气相沉积技术。比如，在气相沉积技术。比如，在MosMos场效应管中，应用化学气相方法场效应管中，应用化学气相方法沉积的薄膜就包括多晶沉积的薄膜就包括多晶SiSi、SOSO2 2、SiNSiN等。等。广泛采用化学气相沉积技术的原因：它可以用于各种高纯晶态、广泛采用化学气相沉积技术的原因：它可以用于各种高纯晶态、非品态的金属、半导体、化合物薄膜的制备之外，还包括它可非品态的金属、半导体、化合物薄膜的制备之外，还包括它可以有效地控制薄膜的化学成分，低的设备和运转成本，与其他以有效地控制薄膜的化学成分，低的设备和运转成本，与其他相关工艺具有较好的相容性等。相关工艺具有较好的相容性等。一、用于微电子的陶瓷互连2.厚膜所谓厚膜混合集成电路，是指将互连导线、电感、电阻、电容、半导体元器件等通过印刷、烧成、焊接等工序，在一块不大的陶瓷基片上制成的具有一定功能的电路单元。“混合集成”一般是指在厚、薄膜完成的基础上，再混合小型元器件或半导体集成电路。实际的厚薄膜电路一般都以混合集成电路的形式出现，因此，称它们为厚、薄膜混合集成电路，或简称为厚、薄膜混合电路或厚、薄膜电路。厚膜与薄膜这两个概念并非单从膜的厚薄来区分，主要是它们代表着两种就然不同的工艺特征。厚膜指的是采用丝网印刷、烧成这种工艺，而薄模的工艺特征则为采用真空蒸发、溅射、化学沉积等方法。当然，从膜元件的厚度来看，两者确实也有差别，一般，厚膜元件的膜厚比薄膜元件大几个数量级。厚膜与薄膜的区分丝网印刷方法分为非接触法和接触法两类。非接触印刷法：在印刷前后丝网与基片不直接接触，当刮板沿丝网移动肘，丝网才与基片接触并发生弹性变形；接触印刷法：丝网与基片在印刷前就直接接触，而且当刮板沿丝网移动时，丝网不发生弹性变形。在厚膜混合积成电路路制造中常用非接触印刷法。一般来说，丝网印刷工艺主要包括如下步骤：制作原图、照相、制作掩模、浆料配制及印刷。丝网印刷工艺丝网印刷示意图二、陶瓷材料概述1、陶瓷材料的定义及制备工艺1.1定义：陶瓷是无机高分子材料，用天然的或人工合成粉状化合物通过成型、高温烧结而制成的多晶固体材料。也可以这样定义：陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称。2.2 陶瓷材料的制备工艺 制粉 压坯 烧结 成品2 陶瓷材料的组织结构2.1 晶相：主要组成相，由离子键或共价键结合而成，决定陶瓷的性能：高熔点、高耐热性、高化学稳定性、高绝缘性、高脆性。2.2 玻璃相：非晶态固体，将晶相粘结在一起，降低烧结温度，抑制晶相晶粒长大和填充气孔。2.3 气相：气孔（510）。对性能的不利影响：增加脆性、降低强度、电击穿强度降低，绝缘性能降低。对性能的有利影响：提高吸振性，使陶瓷密度减小3、陶瓷的性能3.1 力学性能：硬度极高：（1500HV）高弹性模量;高脆性；高的抗压强度；低的抗拉强度：低的塑性、韧性；抗热振性能较低。晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定陶瓷材料物理化学性质的主要是晶相。玻璃相的作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料致密度、降低烧结温度和抑制晶粒长大。气相是在工艺过程中形成并保留下来的。3.2 物理化学性能 高熔点 （Tm 2000C）(高温强度、高温蠕变抗力)低的热膨胀系数、热导率，良好的绝缘性。特殊的光、电、磁性能：如压电性能、激光性能等 结构稳定，化学稳定高。4 陶瓷的分类及应用（按用途分）4.1 普通陶瓷：由粘土、长石、石英为原料配制，烧结而成。组织：主晶相 莫来石（3Al2O32SiO2）2530%，次晶相 SiO2；玻璃相 3560%气相 13%总之：陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高化学稳定性，耐高温、耐氧化、耐腐蚀等特性。陶瓷材料还具有密度小、弹性模量大、耐磨损、强度高等特点。功能陶瓷还具有电、光、磁等特殊性能。性能特点：质地坚硬，不氧化、不生锈、耐高温；成型性好，成本低。强度低，绝缘性、耐高温性不如其它陶瓷。应用：生活中常用的各类陶瓷制品；电瓷绝缘子，耐酸、碱的容器和反应塔管道，纺织机械中的导纱零件。4.2 特种陶瓷 （1）氧化铝陶瓷组织：AL2O3 主晶相，还有少量SiO2；性能：硬度高；耐高温（抗氧化性能，高的蠕变抗力）；耐腐蚀，绝缘性好；缺点：脆性大，抗热振性差；景景德德镇镇瓷瓷器器绝绝缘缘子子应用：内燃机火花塞；火箭导弹的导流罩；用于制造耐磨零件，如轴承，纺织机上的导纱器等；用于冶炼金属的坩埚；合成纤维喷嘴，和各种切削刀具等（2）氮化硅陶瓷主要成分：Si3N4 制备有两种方法：热压烧结；反应烧结热压烧结；反应烧结性能特点：硬度高，摩擦系数小，极优异的耐磨材料。蠕变抗力高，热膨胀系数小，抗热振性能最好。化学稳定性好(除氢氟酸外)，优异的绝缘性能。应用：用于耐磨、耐高温、耐腐蚀、且形状复杂、尺寸精度高的陶瓷制品，如高温轴承、燃气轮机转子叶片。热电偶套管、石油化工泵的密封环（动密封）；切削刀具。（3）碳化硅陶瓷：主要成分：SiC.制备：反应烧结；热压烧结；性能特点：高温强度高，导热性好。耐放射元素辐射；热稳定性、抗蠕变、耐腐蚀性能好；应用：高温结构材料；火箭尾喷管的喷嘴；高温轴承；热交换器，核燃料包封材料。（4）氮化硼陶瓷：主要成分：BN；晶体结构为六方结构，与石墨相似，称“白石墨”。性能特点：耐热性、导热性好；热稳定好，抗热振性好；核反应堆中吸收热中子的控制棒 常压烧结常压烧结碳化硅碳化硅三、陶瓷在电子基板上的应用1.电子基板应具有的性能条件三、陶瓷在电子基板上的应用 a.电路布线的形成 陶瓷基板电路布线的形成方法有薄膜法、厚膜多次印刷法、同时烧成法等。通常滴密度封装用基板的布线线宽要求在100微米以下，对此，薄膜光刻法最为有利，要求基板表面平滑，化学性能稳定，对光刻工艺过程中所用的各种化学药品(酸、碱及有机溶剂等)要求不变质、不被腐蚀。同时还要求微刻图形与基板之间有良好的附着性。b.电学性质 对基板电学性质的要求，主要是绝缘电阻要高、介电常数要低、介电损耗要小，而且要求这些性质不随温度的变化而变化。特别是为了满足超高速LSI元件的封装，对于元件间信号传输速度提出更高的要求。信号传输速度与基板介电常数的平方根成反比，因此要求基板有更低的介电常数。2.陶瓷材料在电子基板上应用的优缺点c.热学性质 随着LSI的高集成化以及封装密度的提高，放热密度增加很快，要求基板有良好的散热性以及耐热性。陶瓷基板本身由高温烧成，耐热性优良。一般，在混合集成电路中，电路布线及无源元件多由厚膜形成，在这种情况下，一般是通过丝网印刷在基板上形成电路图形，再经850950烧结而成，这比陶瓷基板的最高使用温度要高得多，因此耐热性不存在问题.考虑材料间的热应力问题，基板材料的热膨胀系数应该尽量和硅（3106/）材料的热膨胀系数相一致或接近。2.陶瓷材料在电子基板上应用的优缺点对陶瓷基板的应用分两大类，一类主要要求适用于高速器件，采用介电常数低、易于多层化的基板(如Al203基板、玻璃陶瓷共烧基板等)，另一类主要适用于高散热的要求，采用高热导率的基板(如A1N基板、BeO基板等)。使用量大面广的主要还是Al203陶瓷基板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。3.陶瓷基板的制作方法流延成形法工艺过程示意图a.叠片热压一脱脂基片烧成一形成电路图形一电路烧成。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LSI封装及混合集成电路多采用这种陶瓷基板。流延成形法三个流程简介b.叠片一表面印制电路图形一热压一脱脂一共烧。由于采取陶瓷基板与电路图形共烧工艺，当陶瓷烧成温度较高(如Al203的烧结温度为15001650)时，导体材料只能选用熔点高的难熔金属，如Mo、W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；c.印制电路图形叠层一热压一脱脂共烧，用以制取多层共烧基板。共烧条件与b相同。这是目前多层陶瓷基板的主要制作方法之一。一般流延设备结构示意图各种厚膜基板构造陶瓷基板生成的干法和湿法 总结：1.生片多层积层法的共烧体结构致密、无针孔等缺陷，绝缘层耐压高、导体层电阻率低，整体的散热性也好，层间导体连接可靠，检查也比较方便，共烧体的层数可达数十层。而且，输入、输出端子可采用引线连接式、引脚插入式、焊盘钎焊式等各种类型。基于这些优点，一般多被采用。2.生片多层印刷法和厚膜多层印刷法随着积层层数的增加，膜表面的凹凸会越来越严重，需要采用高超的印刷技术或配合表面研磨等其他技术。但是，这两种方法形成层间埋孔比较容易，而且由于采用印刷法形成绝缘层，不需要生片冲孔用的模具、设备及冲孔工序，从而可实现低价格。此外，厚膜多层印刷法导体的电阻率也最低，烧成温度也低设计比较灵活。基于这些理由，它适用于多品种小批量生产。厚膜导体与陶瓷基板结合形态分类与特征 a.共烷需要在还原性气氛中进行，增加工艺难度，烧结温度过高，需采用特殊烧结炉。b.由于Mo和W本身的电阻率较高，布线电阻大，信号传输容易造成失真，增大损耗，布线微细化受到限制。c.介质材料的介电常数都偏大，因此会增大信号传输延迟时间，特别是不适用于超高频电路。d.Al2O3的热膨胀系数(7x106/)与5i的热膨胀数(3.0106)相差太大，若用于裸芯片实装，则热循环过程中产生的热应力会对连接产生不良影响。高温共烧陶瓷的缺点对LTCC基板的要求a.烧成温度必须能控制在950以下；b.介电常数要低；c.热膨胀系数要与搭载的芯片接近；d.有足够高的机械强度。a.硼硅酸铅玻璃Al2O3系 由硼硅酸铅晶化玻璃(质量分数45)Al2O3(质量分数55)组成的玻璃陶瓷粉末材料可以在850950下烧成。其中，在930左右烧成材料的最大弯曲强度高达350MPa，与Al203不相上下；这种材料中玻璃的一部分是晶态，因此烧成后在900左右也不会发生变形，而且在烧成的基板表面通过印刷厚膜导体浆料，可烧成电路图形 这种材料系统的问题是含有铅，从环境保护的角度看，应该用无铅系统取而代之.介绍几种可用的LTCC用陶瓷玻璃材料b.硼硅酸玻璃石英破璃董青石系 这种玻璃陶瓷系统的特点是具有低介电常数及与Si接近的热膨胀系数。当其系统组成的质量分数分别为：石英玻璃15，董青石20，硼硅酸玻璃为65时，烧成体的介电常数为4.4，是比较低的。c.硼硅酸玻璃Al203系 这种系统玻璃陶瓷的最佳烧成温度也随硼硅酸玻璃的含量而变化。在该系统最佳组成，即A120350，硼硅酸玻璃50左右，900烧成体的介电常数5.6，热膨胀系数4.6106/，弯曲强度245MPa。介绍几种可用的LTCC用陶瓷玻璃材料d.硼硅酸玻璃A1203处理的氧化锆(ZrO2)系 该系统玻璃陶瓷的组成以硼硅酸玻璃质量分数4060，Al203处理的氧化锆(ZrO2)质量分数4060为最佳，900烧成。该材料的特征是，在相当宽的温度范围内，其热膨胀系数与GaAs单晶的热膨胀系数相近，从而可以用做HEMT(高电子迁移率三极管)的实装基板。LTCC的工艺流程LTCC的工艺流程由LTCC多层陶瓷基板制作的高密度混合集成电路基板结构示意图