无机封装基板学习教案.pptx

无机无机(wj)封装基板封装基板第一页，共52页。第1页/共52页第二页，共52页。一、陶瓷一、陶瓷(toc)基板基板概论概论 陶瓷基板同由树脂材料构成的陶瓷基板同由树脂材料构成的PWBPWB相比：相比：耐热性好，耐热性好，热导率高热导率高 热膨胀系数小热膨胀系数小 微细化布线较容易微细化布线较容易 尺寸稳定性高点尺寸稳定性高点它它作作为为LSILSI封封装装及及混混合合(hnh)(hnh)电电路路ICIC用用基基板板得得到到广广泛应用。（多层布线陶瓷基板）泛应用。（多层布线陶瓷基板）第2页/共52页第三页，共52页。1、作为陶瓷基板应具有作为陶瓷基板应具有(jyu)的条件的条件 电路布线的形成电路布线的形成 基板主要作用是搭载电子元件或部件，实现相互基板主要作用是搭载电子元件或部件，实现相互之间电器连接，因此之间电器连接，因此(ync)(ync)导体电路布线很重要。导体电路布线很重要。陶瓷基板电路布线方法：陶瓷基板电路布线方法：薄膜光刻法薄膜光刻法厚膜多次印制法厚膜多次印制法同时烧成法同时烧成法基本表面平滑化学(huxu)性能稳定微细图形与基板之间良好的附着第3页/共52页第四页，共52页。（2 2）电学性质）电学性质）电学性质）电学性质(xngzh)(xngzh)对基板电学性质的要求：绝缘电阻高；介电常数要低（信号传输速度高）；介电损耗要小；上述(shngsh)性质不随温度和湿度的变化而变化。第4页/共52页第五页，共52页。（3 3）热学）热学）热学）热学(rxu)(rxu)性质性质性质性质 耐热性高导热率低热膨胀系数(png zhng xsh)：基板与硅的热膨胀系数(png zhng xsh)（后者大约为310-6/）尽量接近 第5页/共52页第六页，共52页。第6页/共52页第七页，共52页。陶瓷基板的应用分两大类：一类主要要求适用于高速(o s)器件，采用介电系数低、易于多层化的基板（如Al2O3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AlN基板、BeO基板等）。第7页/共52页第八页，共52页。2、陶瓷陶瓷(toc)基板的制作方法基板的制作方法 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(j y)成形流延成形：容易实现多层化且生产效率较高 射出成形第8页/共52页第九页，共52页。图1 流延法制作(zhzu)生片（green sheet）而后制成各类基板的流程图 第9页/共52页第十页，共52页。图2 流延机结构(jigu)示意图 第10页/共52页第十一页，共52页。陶瓷多层基板的制作方法：陶瓷多层基板的制作方法：陶瓷多层基板的制作方法：陶瓷多层基板的制作方法：湿法：在烧成前的生片上，通过丝网印刷形成导湿法：在烧成前的生片上，通过丝网印刷形成导湿法：在烧成前的生片上，通过丝网印刷形成导湿法：在烧成前的生片上，通过丝网印刷形成导体图形体图形体图形体图形(txng)(txng)，由陶瓷与导体共烧而成；，由陶瓷与导体共烧而成；，由陶瓷与导体共烧而成；，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、交干法：在烧成的陶瓷基板上，通过丝网印刷、交干法：在烧成的陶瓷基板上，通过丝网印刷、交干法：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，或在烧成的陶瓷互印刷、烧成导体层和绝缘层，或在烧成的陶瓷互印刷、烧成导体层和绝缘层，或在烧成的陶瓷互印刷、烧成导体层和绝缘层，或在烧成的陶瓷基板上，采用厚膜、薄膜混成法形成多层电路图基板上，采用厚膜、薄膜混成法形成多层电路图基板上，采用厚膜、薄膜混成法形成多层电路图基板上，采用厚膜、薄膜混成法形成多层电路图形形形形(txng)(txng)，再一次烧结制成多层基板。，再一次烧结制成多层基板。，再一次烧结制成多层基板。，再一次烧结制成多层基板。第11页/共52页第十二页，共52页。3、陶瓷、陶瓷(toc)基板的基板的金属化金属化（1）厚膜法厚膜法厚膜金属化法：在陶瓷基板上通厚膜金属化法：在陶瓷基板上通过丝网印刷形成导体（电路布线）过丝网印刷形成导体（电路布线）及电阻等，经烧结形成电路及引及电阻等，经烧结形成电路及引线接点等。线接点等。厚膜导体浆料一般由粒度厚膜导体浆料一般由粒度15m的金属粉末，添加的金属粉末，添加(tin ji)百分百分之几的玻璃粘结剂，再加有机载之几的玻璃粘结剂，再加有机载体，包括有机溶剂、增稠剂和表体，包括有机溶剂、增稠剂和表面活性剂等，经球磨混炼而成。面活性剂等，经球磨混炼而成。烧成后的导体在其与基板的界面烧成后的导体在其与基板的界面通过不同的结合机制，与基板结通过不同的结合机制，与基板结合在一起。合在一起。第12页/共52页第十三页，共52页。图图3 厚膜导体厚膜导体(dot)的断面结构的断面结构第13页/共52页第十四页，共52页。对于(duy)玻璃系来说，其软化点要选择在粉末金属的烧结温度附近。在氧化物系中，一般用与陶瓷发生反应形成固溶体的氧化物。例如，对于(duy)Al2O3基板来说，采用CuO及Bi2O3等。一般说来，氧化物系比玻璃系更容易获得较高的结合力。第14页/共52页第十五页，共52页。（2 2）薄膜法薄膜法薄膜法薄膜法 用真空蒸镀、离子镀、溅射镀膜等真空镀膜法进行金属化。用真空蒸镀、离子镀、溅射镀膜等真空镀膜法进行金属化。由于为气相沉积法，原则上讲无论任何金属都可以成膜，无论对任何基板都可由于为气相沉积法，原则上讲无论任何金属都可以成膜，无论对任何基板都可以金属化。但是，金属膜层与陶瓷基板的热膨胀系数应尽量一致，而且应设法提以金属化。但是，金属膜层与陶瓷基板的热膨胀系数应尽量一致，而且应设法提高金属化层的附着力。高金属化层的附着力。在多层结构中，与陶瓷基板相接触的膜金属，一般选用在多层结构中，与陶瓷基板相接触的膜金属，一般选用(xunyng)(xunyng)具有充分的具有充分的反应性，结合力强的反应性，结合力强的IVBIVB族金属族金属TiTi、ZrZr、及、及VIBVIB族金属族金属CrCr、MoMo、WW等。上层金属等。上层金属多选用多选用(xunyng)Cu(xunyng)Cu、AuAu、AgAg等电导率高，不易氧化，而且由热膨胀系数不匹等电导率高，不易氧化，而且由热膨胀系数不匹配造成的热应力容易被缓解的延展性金属。配造成的热应力容易被缓解的延展性金属。第15页/共52页第十六页，共52页。（3 3）共烧法）共烧法）共烧法）共烧法 烧成前的陶瓷生片上，丝网印刷烧成前的陶瓷生片上，丝网印刷MoMo、WW等难熔金属等难熔金属的厚膜浆料，一起脱脂烧成，使陶瓷与导体金属烧的厚膜浆料，一起脱脂烧成，使陶瓷与导体金属烧成为成为(chngwi)(chngwi)一体结构。一体结构。LSILSI封装及混合电路封装及混合电路ICIC用基板，特别是多层电路基板，用基板，特别是多层电路基板，主要是由共烧法来制造，有下列特征：主要是由共烧法来制造，有下列特征：（a a）可以形成微细的电路布线，容易实现多层化，）可以形成微细的电路布线，容易实现多层化，从而能实现高密度布线。从而能实现高密度布线。（b b）由于绝缘体与导体做成一体化结构，可）由于绝缘体与导体做成一体化结构，可以实现气密封装。以实现气密封装。（c c）通过成分、成形压力、烧结温度的选择可）通过成分、成形压力、烧结温度的选择可以控制烧结收缩率。以控制烧结收缩率。第16页/共52页第十七页，共52页。二、各类陶瓷(toc)基板1、氧化铝基板、氧化铝基板-氧化铝氧化铝（Al2O3）价格较低，从机械）价格较低，从机械强度、绝缘性、导热性、耐热强度、绝缘性、导热性、耐热性、耐热冲击性、化学稳定性性、耐热冲击性、化学稳定性等方面考虑，其综合性能好，等方面考虑，其综合性能好，作为基板材料作为基板材料(cilio)，使用，使用最多，其加工技术与其他材料最多，其加工技术与其他材料(cilio)相比也是最先进的。相比也是最先进的。（1）Al2O3原料的典型制造方原料的典型制造方法：法：Buyer法法金属铝液重熔法金属铝液重熔法 第17页/共52页第十八页，共52页。（2）-Al2O3 的晶体结构铝离子与氧离子之间为强固的离子键，每个铝原子位于由6个氧原子构成的八面体的中心(zhngxn)。因此，-Al2O3结构的充填极为密实，铝与氧靠离子间的库仑力相结合，因此，Al2O3的物理性能，化学性能稳定，具有密度高、机械强度大等特性。第18页/共52页第十九页，共52页。（3 3）Al2O3Al2O3陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷(toc)(toc)基板基板基板基板制作方法制作方法制作方法制作方法第19页/共52页第二十页，共52页。难熔金属法，作为难熔金属法，作为Al2O3Al2O3基板表面的金属化方法，是在基板表面的金属化方法，是在19381938年由年由德国的得利风根公司德国的得利风根公司(n s)(n s)和西门子公司和西门子公司(n s)(n s)分别独立开分别独立开发的。按难熔金属种类，分发的。按难熔金属种类，分MoMo法，法，Mo-MnMo-Mn法和法和Mo-TiMo-Ti法等。法等。Mo-MnMo-Mn法是以耐热金属钼（法是以耐热金属钼（MoMo）的粉末为主成分，副成分采用）的粉末为主成分，副成分采用易形成氧化物的锰（易形成氧化物的锰（MnMn）粉末，是二者均匀混合制成浆料，涂）粉末，是二者均匀混合制成浆料，涂布在预先经表面研磨及表面处理的布在预先经表面研磨及表面处理的Al2O3Al2O3基板表面，在加湿氢气基板表面，在加湿氢气气氛中经高温烧成金属化层。气氛中经高温烧成金属化层。在本方法中，在本方法中，MnMn及气氛中的水起着重要的作用，及气氛中的水起着重要的作用，MnMn被水分氧化被水分氧化成成MnOMnO，MnOMnO与与Al2O3Al2O3反应生成反应生成MnOAl2O3MnOAl2O3（MnAl2O4MnAl2O4），作），作为中间层增加了金属化层与为中间层增加了金属化层与Al2O3Al2O3基板的结合力，化学反应式为基板的结合力，化学反应式为 Mn+H2OMnO+H2 Mn+H2OMnO+H2 MnO+Al2O3 MnOAl2O3 MnO+Al2O3 MnOAl2O3但是，这样获得的导体膜直接焊接比较困难，一般要在其表面电但是，这样获得的导体膜直接焊接比较困难，一般要在其表面电镀镀Ni,Au,AgNi,Au,Ag等。等。第20页/共52页第二十一页，共52页。（4 4）应用）应用）应用）应用(yngyng)(yngyng)混合集成电路混合集成电路混合集成电路混合集成电路(jchng-dinl)(jchng-dinl)用基板用基板用基板用基板LSILSI封装用基板封装用基板封装用基板封装用基板多层电路基板多层电路基板多层电路基板多层电路基板第21页/共52页第二十二页，共52页。a a、混合、混合、混合、混合(hnh)(hnh)集成电路用基板集成电路用基板集成电路用基板集成电路用基板第22页/共52页第二十三页，共52页。厚膜混合厚膜混合厚膜混合厚膜混合ICIC用基板：用基板：用基板：用基板：粗糙度大的价格较低，而且与布线导体间的结合力强等，因此多粗糙度大的价格较低，而且与布线导体间的结合力强等，因此多粗糙度大的价格较低，而且与布线导体间的结合力强等，因此多粗糙度大的价格较低，而且与布线导体间的结合力强等，因此多采用采用采用采用(ciyng)(ciyng)纯度质量分数为纯度质量分数为纯度质量分数为纯度质量分数为9696的的的的Al2O3Al2O3基板。基板。基板。基板。采用采用采用采用(ciyng)(ciyng)丝网印刷法在基板上形成贵金属浆料图形，在烧成丝网印刷法在基板上形成贵金属浆料图形，在烧成丝网印刷法在基板上形成贵金属浆料图形，在烧成丝网印刷法在基板上形成贵金属浆料图形，在烧成过程中，浆料中的玻璃粘结剂会与基板中的玻璃相起作用。过程中，浆料中的玻璃粘结剂会与基板中的玻璃相起作用。过程中，浆料中的玻璃粘结剂会与基板中的玻璃相起作用。过程中，浆料中的玻璃粘结剂会与基板中的玻璃相起作用。因此因此因此因此Al2O3Al2O3中的玻璃相及较粗糙的表面会明显的提高厚膜导体中的玻璃相及较粗糙的表面会明显的提高厚膜导体中的玻璃相及较粗糙的表面会明显的提高厚膜导体中的玻璃相及较粗糙的表面会明显的提高厚膜导体的结合力。的结合力。的结合力。的结合力。薄膜混合薄膜混合薄膜混合薄膜混合ICIC用基板：用基板：用基板：用基板：薄膜厚度一般在数千埃以下，薄膜的物理性能、电气性能等受基薄膜厚度一般在数千埃以下，薄膜的物理性能、电气性能等受基薄膜厚度一般在数千埃以下，薄膜的物理性能、电气性能等受基薄膜厚度一般在数千埃以下，薄膜的物理性能、电气性能等受基板表面粗糙度的影响很大，特别是对像电容器等采用板表面粗糙度的影响很大，特别是对像电容器等采用板表面粗糙度的影响很大，特别是对像电容器等采用板表面粗糙度的影响很大，特别是对像电容器等采用(ciyng)(ciyng)多层结构的薄膜元件，影响更大。为了保证表面平多层结构的薄膜元件，影响更大。为了保证表面平多层结构的薄膜元件，影响更大。为了保证表面平多层结构的薄膜元件，影响更大。为了保证表面平滑，可以在厚膜用滑，可以在厚膜用滑，可以在厚膜用滑，可以在厚膜用Al2O3Al2O3基板表面被覆一层热膨胀系数与基板表面被覆一层热膨胀系数与基板表面被覆一层热膨胀系数与基板表面被覆一层热膨胀系数与Al2O3Al2O3基板相同、厚度为数十微米的玻璃釉。基板相同、厚度为数十微米的玻璃釉。基板相同、厚度为数十微米的玻璃釉。基板相同、厚度为数十微米的玻璃釉。虽然被釉基板表面变得平滑，但其导热性、耐热性等都低于虽然被釉基板表面变得平滑，但其导热性、耐热性等都低于虽然被釉基板表面变得平滑，但其导热性、耐热性等都低于虽然被釉基板表面变得平滑，但其导热性、耐热性等都低于Al2O3 Al2O3。因此，通常采用。因此，通常采用。因此，通常采用。因此，通常采用(ciyng)(ciyng)局部被釉基板。局部被釉基板。局部被釉基板。局部被釉基板。近年来，在薄膜混合近年来，在薄膜混合近年来，在薄膜混合近年来，在薄膜混合ICIC中越来越多的采用中越来越多的采用中越来越多的采用中越来越多的采用(ciyng)(ciyng)表面粗糙度小、表面粗糙度小、表面粗糙度小、表面粗糙度小、纯度纯度纯度纯度9999以上的以上的以上的以上的Al2O3Al2O3基板。高纯度基板。高纯度基板。高纯度基板。高纯度Al2O3Al2O3基板烧成状态表面基板烧成状态表面基板烧成状态表面基板烧成状态表面就非常平滑，由此可形成缺陷较少的高品质薄膜。就非常平滑，由此可形成缺陷较少的高品质薄膜。就非常平滑，由此可形成缺陷较少的高品质薄膜。就非常平滑，由此可形成缺陷较少的高品质薄膜。第23页/共52页第二十四页，共52页。在陶瓷在陶瓷LSILSI封装中，前几年几乎都采用封装中，前几年几乎都采用Al2O3Al2O3。利用同时。利用同时(tngsh)(tngsh)烧成技术制作的烧成技术制作的LSILSI封装，气密性好，可靠性高。封装，气密性好，可靠性高。在电子封装从在电子封装从DIP-LCC-PGA-BGA-CSP-DIP-LCC-PGA-BGA-CSP-裸芯片实装的整个发展裸芯片实装的整个发展历程中，历程中，Al2O3 Al2O3一直起着十分关键的作用。特别是基于其机械强一直起着十分关键的作用。特别是基于其机械强度高及热导率高两大优势，近年来在多端子、细引脚节距、高散度高及热导率高两大优势，近年来在多端子、细引脚节距、高散热性等高密度封装中，热性等高密度封装中，Al2O3 Al2O3正发挥着不可替代的作用。正发挥着不可替代的作用。b b、LSILSI封装用基板封装用基板封装用基板封装用基板第24页/共52页第二十五页，共52页。C C、多层电路、多层电路、多层电路、多层电路(dinl)(dinl)基板基板基板基板NECNEC开发开发(kif)(kif)的的100mm100mm100mm100mm的的Al2O3Al2O3多层电路基板多层电路基板 IBM308X系列(xli)的TCM（thermal conduction module）的Al2O3多层电路基板由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。信号线采用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，可提高信号传输速度。第25页/共52页第二十六页，共52页。2 2、莫来石基板、莫来石基板、莫来石基板、莫来石基板莫来石（莫来石（3Al2O3.2SiO23Al2O3.2SiO2）是）是Al2O3-SiO2Al2O3-SiO2二元系中最二元系中最稳定的晶相之一，与稳定的晶相之一，与Al2O3Al2O3相比虽然机械强度和热导相比虽然机械强度和热导率要低些，但其介电常数低，因此可望能进一步提高率要低些，但其介电常数低，因此可望能进一步提高信号传输速度。其热膨胀系数也低，可减小搭载信号传输速度。其热膨胀系数也低，可减小搭载LSILSI的热应力，而且与导体材料的热应力，而且与导体材料MoMo、WW的热膨胀系数的差的热膨胀系数的差也小，从而共烧时与导体间出现的应力低。基于上述也小，从而共烧时与导体间出现的应力低。基于上述理由，作为理由，作为Al2O3Al2O3的替代材料进行过广泛的开发。的替代材料进行过广泛的开发。莫来石基板的制造及金属化方法基本上与莫来石基板的制造及金属化方法基本上与Al2O3Al2O3所采所采用的方法相同。用的方法相同。为了为了(wi le)(wi le)在降低莫来石介电系数的同时，减小其热在降低莫来石介电系数的同时，减小其热膨胀系数，可以添加膨胀系数，可以添加MgOMgO。由于莫来石的热膨胀系数。由于莫来石的热膨胀系数较低，再通过添加少量的较低，再通过添加少量的MgOMgO。确实能减小基板的弯。确实能减小基板的弯曲变形及应力。曲变形及应力。第26页/共52页第二十七页，共52页。日立公司开发的莫来石多层电路(dinl)基板已用于大型计算机，这种基板由W做导体层，共44层，在这种基板上还搭载了以莫来石为基板材料、由7层W导体层构成的芯片载体。第27页/共52页第二十八页，共52页。3 3、氮化铝（、氮化铝（、氮化铝（、氮化铝（AlNAlN）基板）基板）基板）基板 氮化铝的热导率是氮化铝的热导率是Al2O3Al2O3的十倍以上，的十倍以上，CTECTE与硅片相匹配，这对与硅片相匹配，这对于大功率半导体芯片的封装及高密度封装无疑是至关重要的，特别于大功率半导体芯片的封装及高密度封装无疑是至关重要的，特别是作为是作为MCMMCM封装的基板具有良好的应用前景。封装的基板具有良好的应用前景。AlN AlN非天然存在而是人造矿物的一种，于非天然存在而是人造矿物的一种，于18621862年由年由GentherGenther等人最等人最早合成早合成(hchng)(hchng)。AlNAlN具有纤锌矿型晶体结构（金刚石结构中两个具有纤锌矿型晶体结构（金刚石结构中两个阵点上的碳原子分别由阵点上的碳原子分别由AlAl和和N N置换），为强共价键化合物，具有轻置换），为强共价键化合物，具有轻（密度（密度3.26g/cm33.26g/cm3）、高强度、高耐热性（大约在）、高强度、高耐热性（大约在30603060）、耐腐）、耐腐蚀等优点。蚀等优点。由于由于AlNAlN为强共价键，其传热机制为晶格振动（声子），且为强共价键，其传热机制为晶格振动（声子），且AlAl和和N N的原子序数均小，从本性上决定了的原子序数均小，从本性上决定了AlNAlN的高热导性，热导率的理论值的高热导性，热导率的理论值为为320W/320W/（mKmK）。）。第28页/共52页第二十九页，共52页。过去过去(guq)(guq)虽然在虽然在AlNAlN单晶中达到较高的热导率（大约为单晶中达到较高的热导率（大约为250 W/250 W/（mKmK），），但对于陶瓷材料来说仅达到但对于陶瓷材料来说仅达到404060 W/60 W/（mKmK），是相当低的。其原因是原料中），是相当低的。其原因是原料中的杂质在烧结时因溶于的杂质在烧结时因溶于AlNAlN颗粒中产生各种缺陷，或发生反应生成低热导率化合颗粒中产生各种缺陷，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。物，对声子造成散射，致使热导率下降。为了提高为了提高AlNAlN的热导率，必须对陶瓷的微结构进行控制，诸如点阵畸变、位错、的热导率，必须对陶瓷的微结构进行控制，诸如点阵畸变、位错、层错、非平衡点缺陷等晶体缺陷，尽量保证晶体结构的完整性，同时减少气孔、层错、非平衡点缺陷等晶体缺陷，尽量保证晶体结构的完整性，同时减少气孔、第二相析出等。第二相析出等。影响影响(yngxing)AlN陶瓷热导率的各种因陶瓷热导率的各种因素素第29页/共52页第三十页，共52页。AlNAlN粉末粉末粉末粉末(fnm)(fnm)制作方法制作方法制作方法制作方法1 1、还原氮化法、还原氮化法、还原氮化法、还原氮化法以以以以Al2O3Al2O3为原料，通过高纯碳还原，再与为原料，通过高纯碳还原，再与为原料，通过高纯碳还原，再与为原料，通过高纯碳还原，再与N2N2反应形成反应形成反应形成反应形成AlN,AlN,其其其其反应为反应为反应为反应为 Al2O3 Al2O33C3CN22AlNN22AlN3CO3CO该反应为吸热反应，为维持反应进行要持续加热。一般所采该反应为吸热反应，为维持反应进行要持续加热。一般所采该反应为吸热反应，为维持反应进行要持续加热。一般所采该反应为吸热反应，为维持反应进行要持续加热。一般所采用用用用(ciyng)(ciyng)的的的的Al2O3Al2O3原料粉末粒径小、粒度分布整齐，因此原料粉末粒径小、粒度分布整齐，因此原料粉末粒径小、粒度分布整齐，因此原料粉末粒径小、粒度分布整齐，因此由还原氮化法比较容易获得粒径小、粒度分布一致性好的由还原氮化法比较容易获得粒径小、粒度分布一致性好的由还原氮化法比较容易获得粒径小、粒度分布一致性好的由还原氮化法比较容易获得粒径小、粒度分布一致性好的AlNAlN粉末。粉末。粉末。粉末。2 2、直接氮化法、直接氮化法、直接氮化法、直接氮化法使使使使AlAl粉末与粉末与粉末与粉末与N2N2反应进行直接氮化，而后将生成物粉碎成所需反应进行直接氮化，而后将生成物粉碎成所需反应进行直接氮化，而后将生成物粉碎成所需反应进行直接氮化，而后将生成物粉碎成所需要的要的要的要的AlNAlN粉末，其反应为粉末，其反应为粉末，其反应为粉末，其反应为 2Al 2AlN22AlNN22AlN该氮化反应为放热反应，一旦反应开始，就不必再提供能量，该氮化反应为放热反应，一旦反应开始，就不必再提供能量，该氮化反应为放热反应，一旦反应开始，就不必再提供能量，该氮化反应为放热反应，一旦反应开始，就不必再提供能量，反应可自发进行。反应可自发进行。反应可自发进行。反应可自发进行。这两种方法直到目前仍处于不断完善中。这两种方法直到目前仍处于不断完善中。这两种方法直到目前仍处于不断完善中。这两种方法直到目前仍处于不断完善中。第30页/共52页第三十一页，共52页。AlNAlN陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷(toc)(toc)基板制作方法基板制作方法基板制作方法基板制作方法Al2O3Al2O3基板制造的各种方法都可以用于基板制造的各种方法都可以用于AlNAlN基板的制造。基板的制造。其中用的最多的是生片叠层其中用的最多的是生片叠层(di cn)(di cn)法，即将法，即将AlNAlN原料原料粉末、有机粘结剂及溶剂、表面活性剂混合制成陶瓷浆粉末、有机粘结剂及溶剂、表面活性剂混合制成陶瓷浆料，经流延、叠层料，经流延、叠层(di cn)(di cn)、热压、脱脂、烧成制得。、热压、脱脂、烧成制得。但应特别指出的是，由于金属杂质及氧、碳等杂质的含但应特别指出的是，由于金属杂质及氧、碳等杂质的含量及存在状态对量及存在状态对AlNAlN基板的热导率有很大影响，必须从原基板的热导率有很大影响，必须从原料粉末的选择和处理、烧结助剂、烧成条件等方面采取料粉末的选择和处理、烧结助剂、烧成条件等方面采取措施，严格控制这些杂质。措施，严格控制这些杂质。第31页/共52页第三十二页，共52页。AlNAlN基板金属化基板金属化基板金属化基板金属化金属化膜的形成，各种方法都可以金属化膜的形成，各种方法都可以(ky)(ky)适用。但有适用。但有两点需注意：两点需注意：一点是一点是AlNAlN的烧成温度很高，必须采用高熔点金属后的烧成温度很高，必须采用高熔点金属后膜共烧浆料；膜共烧浆料；另一点是，一般说来另一点是，一般说来AlNAlN与金属化层的结合力不如与金属化层的结合力不如Al2O3Al2O3，必须采用特殊玻璃粘结剂的厚膜浆料。，必须采用特殊玻璃粘结剂的厚膜浆料。第32页/共52页第三十三页，共52页。AlNAlN基板的特性基板的特性基板的特性基板的特性(txng)(txng)第33页/共52页第三十四页，共52页。AlN基板热导率受残留氧杂质(zzh)的影响AlN材料相对于(duy)Al2O3来说，绝缘电阻、绝缘耐压更高些，介电常数更低些，特别是AlN的热导是Al2O3的10倍左右，热膨胀系数与Si相匹配，这些特点对于(duy)封装基板来说十分难得。第34页/共52页第三十五页，共52页。第35页/共52页第三十六页，共52页。AlNAlN基板的应用基板的应用基板的应用基板的应用(yngyng)(yngyng)VHF(超高频)频带功率放大器模块采用 AlN结构的示意图。在AlN基板上用激光加工通孔，用丝网印刷在通孔中填入 Pd-Ag浆料并形成电路图形，同图 (a)所示采用Al2O3与BeO相组合的复合基板相比，结构简单，其热阻为 7.4/W，同图(b)的热阻7.1/W相比，不相上下(b xing shng xi)，频率及输入、输出特性也基本相同。第36页/共52页第三十七页，共52页。3 3、碳化硅（、碳化硅（、碳化硅（、碳化硅（SiCSiC）基板）基板）基板）基板碳化硅是非天然出产而是由人工制造碳化硅是非天然出产而是由人工制造(zhzo)(zhzo)的矿物。由硅石的矿物。由硅石(SiO2)(SiO2)、焦碳及少量食盐以及、焦碳及少量食盐以及粉末状混合，用石墨炉将其加热到粉末状混合，用石墨炉将其加热到20002000以以上发生反应，生成上发生反应，生成-SiC-SiC，再通过升华析出，再通过升华析出，可得到暗绿色块状的多晶集合体。由于加热和可得到暗绿色块状的多晶集合体。由于加热和升华过程中，金属性杂质及卤化物等由于挥发升华过程中，金属性杂质及卤化物等由于挥发会自动排除，因此很容易获得高纯度制品。会自动排除，因此很容易获得高纯度制品。SiCSiC是强共价键化合物，硬度仅次于金刚石、是强共价键化合物，硬度仅次于金刚石、立方氮化硼立方氮化硼(c-BN)(c-BN)，而且具有优良的耐磨性、，而且具有优良的耐磨性、耐药品性。高纯度单晶体的热导率仅次于金刚耐药品性。高纯度单晶体的热导率仅次于金刚石。石。第37页/共52页第三十八页，共52页。碳化硅（碳化硅（碳化硅（碳化硅（SiCSiC）基板制作方法）基板制作方法）基板制作方法）基板制作方法采用普通方法烧成难以采用普通方法烧成难以达到致密化，需要添加达到致密化，需要添加烧结助剂并采用特殊方烧结助剂并采用特殊方法烧成。将暗绿色法烧成。将暗绿色SiCSiC块块状多晶体经研磨精制成状多晶体经研磨精制成粉末原料，添加作为烧粉末原料，添加作为烧结助剂的质量分数结助剂的质量分数(fnsh)0.1%3.5%(fnsh)0.1%3.5%的的BeOBeO以及粘结剂、溶剂以及粘结剂、溶剂等，利用喷雾干燥机造等，利用喷雾干燥机造粒。将造粒粉在室温及粒。将造粒粉在室温及100MPa100MPa压力下加压成板压力下加压成板状，然后放入石墨模具状，然后放入石墨模具中加压的同时中加压的同时(热压热压)，在大约在大约21002100下烧成。下烧成。利用这种工艺，可以获利用这种工艺，可以获得平均粒径大约得平均粒径大约6m6m，相对密度达相对密度达98%98%以上的以上的的密的黑灰色的密的黑灰色SiCSiC基板。基板。由于SiC基板的烧成温度为2100，能承受这么高温度的导体材料很难找到，本质上说，SiC材料不适合制作多层电路基板，但可以利用基板的表面(biomin)，形成薄膜多层电路基板。第38页/共52页第三十九页，共52页。碳化硅（碳化硅（碳化硅（碳化硅（SiCSiC）基板特性）基板特性）基板特性）基板特性(txng)(txng)优点：热扩散系数突出热导率高热膨胀系数与Si相近缺点：与Al2O3等基板相比，介电常数高（不适用于通信机等高频电路基板）绝缘(juyun)耐压差（电场强度达到数百伏每厘米以上时，会迅速丧失绝缘(juyun)性，很容易击穿）第39页/共52页第四十页，共52页。各种(zhn)基板与Si的热膨胀系数的对比 SiC基板的热导率与温度(wnd)关系第40页/共52页第四十一页，共52页。碳化硅（碳化硅（碳化硅（碳化硅（SiCSiC）基板应用）基板应用）基板应用）基板应用(yngyng)(yngyng)-低电压电路及低电压电路及低电压电路及低电压电路及VLSIVLSI高散热封装的基板高散热封装的基板高散热封装的基板高散热封装的基板 由于由于SiCSiC与与SiSi的热膨胀系数向匹配，不必采用的热膨胀系数向匹配，不必采用MoMo等的应力缓冲材料等的应力缓冲材料(cilio)(cilio)，且，且SiCSiC的热扩散系数比的热扩散系数比CuCu还高，因此，还高，因此，LSILSI产生的热量会迅速在产生的热量会迅速在SiCSiC基板上散开，再通基板上散开，再通过由硅胶粘结的过由硅胶粘结的AlAl散热片高效率的扩散。在此例中，二者的热阻基本相同，大致都散热片高效率的扩散。在此例中，二者的热阻基本相同，大致都为为9 9/W/W，而采用，而采用SiCSiC基板的一方要略低些基板的一方要略低些 SiC基板用于高速基板用于高速(o s)高集成度逻辑高集成度逻辑LSI带散热结构封装的实例带散热结构封装的实例第41页/共52页第四十二页，共52页。采用采用SiCSiC基板的基板的MCMMCM封装的情况，从芯片到散热片外界的总热阻，封装的情况，从芯片到散热片外界的总热阻，采用采用Al2O3Al2O3基板时，为基板时，为4.94.9/W/W，后者降低，后者降低(jingd)50%(jingd)50%。换句话说，。换句话说，同样尺寸的封装，采用后者，可以满足防热量大同样尺寸的封装，采用后者，可以满足防热量大1 1倍的芯片的要求。倍的芯片的要求。除此之外，除此之外，SiCSiC基板在超大型计算机，光通信用二极管的基板应用等基板在超大型计算机，光通信用二极管的基板应用等方面还有不少实例。方面还有不少实例。多芯片多芯片(xn pin)模块（模块（MCM）中采用）中采用Al2O3基板和基板和SiC基板时热阻的对比基板时热阻的对比第42页/共52页第四十三页，共52页。5 5、氧化铍（、氧化铍（、氧化铍（、氧化铍（BeOBeO）基板）基板）基板）基板氧化铍基板的热导率是氧化铍基板的热导率是Al2O3Al2O3基板的十几倍，适用于大功率电路，基板的十几倍，适用于大功率电路，而且其介电常数又低，又可用于高频电路。而且其介电常数又低，又可用于高频电路。BeOBeO基板，基本上采用干压法制作。成型后先经基板，基本上采用干压法制作。成型后先经300300600600预预烧，再经烧，再经1500150016001600烧成。这种方法烧成收缩小，因此尺寸烧成。这种方法烧成收缩小，因此尺寸精度好。但在烧成后的基板上打孔时，孔径及孔距较难控制。精度好。但在烧成后的基板上打孔时，孔径及孔距较难控制。此外，也可在此外，也可在BeOBeO中添加中添加(tin ji)(tin ji)微量的微量的MgOMgO及及Al2O3Al2O3等，利等，利用生片法制作用生片法制作BeOBeO基板。基板。BeOBeO基板烧成后的粒径很难控制，一般说来，其粒径也比基板烧成后的粒径很难控制，一般说来，其粒径也比Al2O3Al2O3的大。因此，采用薄膜金属化时，表面必须研磨。其金属化的的大。因此，采用薄膜金属化时，表面必须研磨。其金属化的另一个特征是，另一个特征是，CuCu与之的结合力要优于与之的结合力要优于MoMo或或WW等。等。第43页/共52页第四十四页，共52页。由于BeO粉尘的毒性，存在(cnzi)环境问题。第44页/共52页第四十五页，共52页。6 6、低温、低温、低温、低温(dwn)(dwn)共烧陶瓷（共烧陶瓷（共烧陶瓷（共烧陶瓷（LTCCLTCC）多层基板）多层基板）多层基板）多层基板 Al2O3Al2O3、莫来石及、莫来石及AlNAlN基板烧结温度在基板烧结温度在1500150019001900，若，若采用同时烧成法，导体材料只能选择难熔金属采用同时烧成法，导体材料只能选择难熔金属MoMo和和WW等，等，这样势必造成下述一系列不太好解决的问题：这样势必造成下述一系列不太好解决的问题：1 1、共烧需要在还原性气氛、共烧需要在还原性气氛(qfn)(qfn)中进行，增加工艺难度，中进行，增加工艺难度，烧结温度过高，需要采用特殊烧结炉。烧结温度过高，需要采用特殊烧结炉。2 2、由于、由于MoMo和和WW本身的电阻率较高，布线电阻大，信号传本身的电阻率较高，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。输容易造成失真，增大损耗，布线微细化受到限制。3 3、介质材料的介电常数都偏大，因此会增大信号传输延迟、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。时间，特别是不适用于超高频电路。4 4、Al2O3Al2O3的热膨胀系数（的热膨胀系数（710-6/710-6/）与）与SiSi的热膨胀系数的热膨胀系数（3.010-6/3.010-6/）相差太大，若用于裸芯片实装，则热循环）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不好解决。过程中产生的热应力不好解决。第45页/共52页第四十六页，共52页。LTCCLTCC基板应具有基板应具有基板应具有基板应具有(jyu)(jyu)的性能的性能的性能的性能低温共烧陶瓷低温共烧陶瓷(toc)(toc)基板：兼顾其它性能的基础基板：兼顾其它性能的基础上，能做到低温烧成。基板的烧结温度必须能控制上，能做到低温烧成。基板的烧结温度必须能控制在在850850950950。第46页/共52页第四十七页，共52页。LTCC基板的要求主要有：烧成温度必须能控制在950以下；介电常数(ji din chn sh)要低；热膨胀系数要与搭载的芯片接近；有足够的高的机械强度。第47页/共52页第四十八页，共52页。（1 1）硼硅酸铅玻璃硼硅酸铅玻璃硼硅酸铅玻璃硼硅酸铅玻璃-Al2O3-Al2O3：硼硅酸铅晶化玻璃（质量分数：硼硅酸铅晶化玻璃（质量分数：硼硅酸铅晶化玻璃（质量分数：硼硅酸铅晶化玻璃（质量分数(fnsh)45(fnsh)45）+Al2O3+Al2O3（质量分数（质量分数（质量分数（质量分数(fnsh)55%(fnsh)55%）组成）组成）组成）组成 ，最大弯曲，最大弯曲，最大弯曲，最大弯曲强度达强度达强度达强度达350MPa350MPa（2 2）硼硅酸盐玻璃硼硅酸盐玻璃硼硅酸盐玻璃硼硅酸盐玻璃-石英玻璃石英玻璃石英玻璃石英玻璃-堇青石系堇青石系堇青石系堇青石系 ：石英玻璃：石英玻璃：石英玻璃：石英玻璃15%15%，堇青石，堇青石，堇青石，堇青石20%20%，硼硅酸玻璃为，硼硅酸玻璃为，硼硅酸玻璃为，硼硅酸玻璃为65%65%，在该组成下，烧成体的介电常数为，在该组成下，烧成体的介电常数为，在该组成下，烧成体的介电常数为，在该组成下，烧成体的介电常数为4.44.4，是，是，是，是比较低的比较低的比较低的比较低的 （3