（材料物理与化学专业论文）aln陶瓷封装互连基板的低温共烧研究.pdf

p s s 6 2 3 0 a 1 n 陶瓷封装互连基板的低温共烧研究 廖淼( 复旦大学材料系材料物理专业) 指导教师李越生教授 摘要 为满足高密度封装的需要，本课题采用a 1 n 玻璃复合低温烧结系统，制各了 a 1 n 封装互连陶瓷基板。烧结温度为9 5 0 。c ，金属化采用丝网印刷技术，将银导 体浆料作为低温共烧布线材料。该工艺成本低廉，易于大规模应用，具有很大的 实用潜力。 本文在把握低温共烧陶瓷( l t c c ) 和a 1 n 陶瓷研究现状和动向的基础上， 对a 1 n 陶瓷基板的低温烧结和共烧银金属化进行了探讨研究，为a 1 n 封装互连 基板的低温共烧工艺积累了实验数据。主要研究内容如下： 本实验采用a i n 玻璃复合烧结体系，以低熔点玻璃相作为烧结助剂。烧成的 a i n 陶瓷基板介电常数为5 7 ( 室温1 m h z ) ，热导率最高达到1 0 w m k 以上， 满足作为高密度封装互连基板的需要。 研究了流延基板的排胶问题，并对烧结体的显微结构和物相进行了研究。研 究表明：流延坯片和银浆的排胶特性不同，氧化性气氛有利于两者的排胶：a i n 玻璃复合系统的烧结为液相烧结；引入微氧烧结气氛将改变烧结体晶相，出现 a 1 2 0 3 与a i n 颗粒发生表面固溶形成的a 1 0 n 多形体晶相。 本实验开发和研究了应用于a i n 陶瓷基板的流延坯的银共烧浆料。研究表 明，烧成银导体厚膜与基板的界面结合是互相交织成机械嵌连结构。本文系统探 讨研究了低温共烧过程中银导线球化机理。 结合上述的研究分析，本实验对所采用的排胶、烧结等工艺进行优化改进， 提高了a 1 n 陶瓷基扳低温共烧质量。并在分析研究导线球化机理的基础上，提 出解决球化问题的方法，成功消除球化现象，实现了低温共烧银金属化工艺。 关键词：氮化铝，低温共烧陶瓷，封装陶瓷基板 s t u d y o i ll o w t e m p e r a t u r ec o f i r i n gp r o c e s so f a i nc e r a m i c f o rp a c k a g ea n di i l t e r c o n n e c t i o n l i a om i a oi d e p a r lo f m a t e r i a l s js c i e n c e rf u d a nu n i v e r s i 啼1 d i r e c t e d 劬p r o f e s s o r l iy u e s h e n g a b s t r a c t i no r d e rt os a t i s f yt h en e e do f h i g h d e n s i t yp a c k a g e ，a i n g l a s sc o m p o s i t ec e r a m i c w a sp r e p a r e db yl o w t e m p e r a t u r ec o f i r i n gw i t hs i l v e rc o n d u c t o r , s i n t e r i n ga t9 5 0 。c t h es e l f - d e v e l o p e ds i l v e rp a s t ew a ss c r e e n p r i n t e do ng r e e nt a p ef o rm e t a l l i z a t i o n t h i sm a n u f a c t u r e p r o c e s sh a sg r e a tp r a c t i c ep o t e n t i a lb e c a u s eo f c o n v e n i e n c ea n dl o w c o s t b a s e do nt h ep r e s t u d yo fl t c ca n da i n c e r a m i c ，t h el o w t e m p e r a t u r es i n t e r i n g o f a i n g l a s sc o m p o s i t e a n d c o f i r i n gm e t a l l i z a t i o nw i t hs i l v e rw e r ei n v e s t i g a t e d m a i n r e s u l t sa r el i s t e da st h ef o l l o w i n g ： l o ws o f t e n - p o i n tg l a s sp o w d e r s ，a s s i n t e r i n ga s s i s t a n t ，a n ds h sa 1 np o w d e r w e r eu s e da sr a wm a t e r i a l s t h ed i e c l e c t r i cc o n s t a n t o f a l n g l a s sc o m p o s i t e i s5 - 7 ( a t r o o mt e m p e r a t u r e ，1 m h z ) ，a n dt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yi sa b o v e1 0 w m k ，w h i c h m a t c h e dt h eu s a g en e e d s t h eb u r n o u to f g r e e nt a p e ，c r y s t a lp h a s e sc o n s t i t u t i o na n dm i c r o s t r u c t u r eo ft h e s i n t e r e do b j e c tw e r es t u d i e di nt h i sw o r kt h e s t u d ys h o w s t h a tb u r n o u tc h a r a c t e r i s t i c o f g r e e nt a p ea n d s i l v e rp a s t ei sd i f f e r e n ta n dm o r ee f f e c t i v ei no x y g e n o u sa t m o s p h e r e m i c r o s t r u c t u r eo fa i n g l a s s c o m p o s i t ep r o v e st h a t i t s s i n t e r i n g i s l i q u i ds i n t e r i n g m i n i m - o x y g e n o u sa t m o s p h e r eo fs i n t e r i n gc h a n g e dt h ec r y s t a lp h a s e s ，a p p e a r i n gt h e a 1 0 n p l t y p o i d sc r y s t a lp h a s ew h i c h w a sm a d e b ys o l i d r e a c t i n go f a l 2 0 3a n d a 1 n o u rw o r k s u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d t h es i l v e rp a s t ef o rs c r e e n p r i n t i n go f g r e e nt a p e t h es t u d ys h o w e da gc o n d u c t o rw a sm e c h a n i c a l l ya d h e r e dt oa i n g l a s sc o m p o s i t e s u b s t r a t ew i t ht h ef l a m es t r u c t u r er e s e a r c ho nc o f i r i n gp r o c e s so fa 1 nc o m p o s i t e s b a s em e t a l i z a t i o nw a sc o n d u c t e ds y s t e m a t i c a l l y , a n dt h eb a i l - s h a p e ds h r i n k a g ew a s c o n t r o l l e ds u c c e s s f u l l yi nt h ew o r k k e yw o r d s ：a l u m i n u mn i t r i d e ，l t c c ，p a c k a g ec e r a m i c ss u b s t r a t e a 1 n 陶瓷封装互连基板的低温共烧研究第一章绪言 第一章绪言 自1 9 4 7 年贝尔实验室发明世界上第一只晶体管以来，以半导体技术为代表 的电子技术就一直以不可遏制的势头蓬勃兴起。半导体芯片技术已经历了分立器 件、集成电路、大规模集成电路( l s i ) 、超大规模集成电路( v l s i ) 四个发展 阶段，并继续向前发展，集成度不断提高。随着集成电路制造技术的发展不断深 入，人们逐渐地认识到制约电子电机设备进一步小型化、高速化和智能化发展趋 势的主要因素不再是元器件本身，而是目益起举足轻重作用的部件和系统组装方 式。封装不再只是简单的支撑保护电路，已经成为集成电路制造领域的核心技术 之一。 近几十年来，电子封装技术不断变革创新，尤其是进入上世纪九十年代以来 发展更为迅速，出现了多种新技术、新结构，如球栅阵列( b g a ) 、圆片级模块 封装( w s p ) 和多芯片封装( m c p ) 等，推动封装技术向高密度、高可靠性方 向发展。同时，新的封装技术也对封装材料提出更高的要求，封装材料的性能已 成为封装技术不可忽视的重要因素。目前，半导体封装按封装材料克大致分为： 塑料( 聚合物) 封装与陶瓷封装两大类。其中，陶瓷封装相比于塑料封装具有更 高的可靠性，适应性更强，性能更为优越。而上世纪八十年代末出现的低温共烧 陶瓷( l t c c ) 凭借其在性能、可靠性、制造工艺以及成本和价格等多方面的优 越性，已经逐渐成为陶瓷封装的主流技术，在多种封装领域，特别是在高密度、 高功率的先进微电子封装领域，获得了广泛的应用。 目前，国际上开发的低温共烧基板材料以微晶玻璃陶瓷、玻璃氧化铝( a 1 2 0 3 ) 复合材料等为主，但是这些材料作为未来高密度封装材料的仍有不足，尤其是在 导热性能方面较差。近二十年来，氮化铝( a 1 n ) 作为一种先进的陶瓷材料以其 优异的性能( 室温热导率高、热膨胀系数与硅相匹配、电结缘性好、介电常数和 介电损耗低、无毒性等) 引起了广泛的关注。大量的研究表明，a 1 n 陶瓷是高密 度集成电路封装用基板的理想候选材料，具有非常广阔的应用前景，对它的研究 是目前国内外封装陶瓷研究的热点之一。利用陶瓷基复合材料性能叠加的特点， 将a 1 n 和玻璃结合起来，就有可能制各出具有较低烧结温度( 1 0 0 0 以下) 和 a 1 n 陶瓷封蓑互连基板的低温共烧研究第一童绪言 良好的综合性能的封装基板材料。 本课题立足现有的研究基础和实验条件，采用类似玻璃+ 陶瓷的低温烧结方 法，烧结体属于a i n 玻璃复合材料。选用自蔓延高温法合成( s h s ) 的a i n 粉 为原料，引入硼硅酸铅玻璃粉体为第二相，同时加入有机载体和粘结剂，混和球 磨成陶瓷浆料，利用流延成型技术制各出基板素坯膜片，并经过丝网e p j 金属化 图形、叠压等工艺后，在常压下低温共烧( 9 5 05 c ) ，制备出多层a i n 低温共烧 互连基板。该多层共烧基板的电路布线材料为自行研究和配制的银导体浆料。本 实验工艺与目前普遍采用的l t c c 工艺接近，成本低廉，易于大规模应用，具有 很大的实用潜力。 a1n 陶瓷封装互连基板的低温共烧研究第二章背景介绍和文献综述 第二章背景介绍和文献综述 2 1 引言 本章对相关研究背景和文献资料进行了较为全面的综述，着重介绍了与本课题相关的高 密度微电子封装、低温共烧技术和a i n 陶瓷的研究应用进展等方面的内容，同时也分析探 讨了其中存在的问题和面临的挑战。最后，在上述开发和理论背景综述的基础上，探讨了本 课题的意义，确定本课题的研究任务。 2 2 高密度电子封装技术与封装材料的发展状况 2 2 1 电子封装技术发展的历史回顾和发展趋势 以微电子技术为代表的信息技术的迅猛发展，推动了全球从工业时代向信息 时代大步迈进。短短几十年，半导体集成电路( i c ) 的集成度经历了小规模、中 规模、大规模和超大规模等几个阶段，而且还在不断地提高。但是随着超大规模 集成电路和微型片式元器件的不断发展和广泛应用，理论和实践都证实了这样一 个客观存在的事实，即微电子系统封装组装技术在半导体制造技术的重要性日益 突出，逐渐成为制约电子器件进一步实现小型化和i c 芯片发挥高性能的主要因 素。先进的微米、亚微米级的半导体i c 芯片制造技术与毫米、亚毫米级的封装 组装技术存在着巨大的不适应，严重地影响了半导体i c 芯片性能的发挥和系统 集成度的进一步提高。 1 - 2 1 回顾历史，封装技术的发展正是在半导体制造技术发展的推动下，为解决上 述矛盾而不断向前进步。迄今为止，电子封装技术已经历多代发展i i 刈：第一代 封装技术是6 0 年代以前采用的接线板焊接方式，采用电路板框架，主要插装元 件是电子管；第二代封装技术是6 0 年代的印刷电路板( p c b ) 封装，主要元件 是晶体管和柱型元件；第三代，7 0 年代采用自动插装方式集成电路封装在p c b 板上，以双列直插式( d i p ) 为代表，这是穿孔式封装技术( t h t ) 的全盛时期， 几乎所有的电子产品都采用这种封装方式：第四代，从8 0 年代开始，采用表面 安装技术( s m t ) ，将表面安装元器件组装在p c b 表面上。这是电子封装技术的 革命性进展，极大的改变了元器件和电子产品的面貌；从9 0 年代开始崭露头角 alh 陶瓷封装互连基板的低温共烧研究第二章背景介绍和文献综述 的第五代封装技术是上一代封装技术的发展和延伸，是多层p c b 技术、高密度 互连技术、s m t 技术、微型元器件封装技术的综合和发展，代表性技术是多芯 片封装( m c p ) 技术，其典型产品就是多芯片组件( m c m ) 。 大量的研究表明，采用多层高密度互连基板的m c m 技术是实现芯片封装和 系统集成的最有效的方法之一，在组装密度、信号传输速度、电性能以及可靠性 等方面独具优势。m c m 可以有效的减小布线面积，提高芯片组装密度，大大减 小了系统体积，提高了工作速度和可靠性，是目前能最大限度发挥高集成度半导 体i c 性能、制作高频高速电子系统以及实现电子整机小型化、高性能、多功能 和高可靠性的最有效途径，成为上世纪9 0 年代至2 0 1 0 年前最有发展前途的高密 度封装技术。m c m 技术受到世界各国的高度重视，现已在多种电子信息领域取 得越来越广泛的应用，如无线通讯、计算机、微波器件高功率集成电路封装等领 域。 4 - 6 2 1 2 高密度封装材料的研究发展状况 现代科学技术的发展对材料的要求日益提高，在电子封装领域，随着电子器 件和电子装置中元器件的复杂性和密集性的不断上升，开发综合性能优异、可满 足各种要求的电子元器件封装基板材料已成为当务之急。 电子封装基板材料是一种底座电子元件，用于承载电子元件及其相互连线， 并具有一定良好电绝缘性的基体。因此，封装材料必须和置于其上的元器件在电 学性质、物理性质、化学性质等方面保持良好的匹配。通常，要求高密度封装材 料的具备以下几点性质【7 1 ：( 1 ) 导热性能良好。导热性能是电子封装基板材料 的主要性能指标之一，如果封装材料不能及时散热将影响电子设备的使用寿命和 运行状况；另外，温度的分布不均也会导致电子器件噪声大大增加；( 2 ) 热膨胀 系数匹配( 主要与s i 和g a a s 等) 。若二者热膨胀系数相差较大，电子器件工作 时的快速热循环易引入热应力而导致失效。( 3 ) 高频性能良好，即低的介电损耗 和低的介电常数。这是由于在高速传输信号的布线电路上，信号的延迟时间与基 板材料的介电常数平方根成正比。为满足用作高速传输器件的要求，应采用低介 电常数的封装基板材料。此外，电子封装基板还应具有机械性能高、电绝缘性能 好、化学性能稳定、易于加工等特点。当然在实际应用和大规模生产中，成本 a 【h 陶瓷封装互连基板的低温共烧研究 第二章背景介绍和文献综述 和价格因素也是不可忽视的一个方面。因此，未来高密度电子封装材料将向综合 性能优良、并具有非常突出的性能价格比的方向发展。 长期以来，绝大多数高密度封装材料一直沿用氧化铝( a 1 2 0 3 ) 和氧化铍( b e o ) 陶瓷【8 】。传统的微电子基板材料a 1 2 0 3 陶瓷，具有良好的绝缘性、力学性能和化 学稳定性、价格便宜等优点，但其缺点也非常明显；如：它的热导率低、介电常 数高、与硅片热膨胀系数匹配不好、烧结温度高等。因此作为高密度基板封装材 料，a 1 2 0 3 陶瓷的应用前景受到很大的限制。而另一类b e o 陶瓷材料是电子工 业用陶瓷中具有代表性的高热导陶瓷。它热导率高( 热导率为3 5 0 w m k ) 、电 绝缘性能高、介电强度和机械强度大，是高性能的陶瓷材料。但是由于b e o 陶 瓷价格高，而且是其粉体是一种有毒物质。出于环保考虑，b e o 己逐渐被取代。 目前，国际上许多国家，如日本和欧洲，已经禁止生产和使用含有b e o 材料的 产品。 因此，人们便将注意力集中到了一种综合性能优越的新型电子封装材料 氮化铝( a 1 n ) 陶瓷上。它无疑将成为传统的a 1 2 0 3 和b e o 封装基板的替代材料， 在高密度封装领域获得广泛的应用。目前，经过近二十年探索开发，a 1 n 陶瓷的 研究和应用已经取得令人瞩目的进展。表2 1 列出了几种陶瓷基板材料的主要性 能。 表2 1 各种陶瓷封装材料的特性对比 t a b l e 2 1p r o p e r t i e so fc o m m o nc e r a m i c ss u b s t r a t e s in 陶瓷封装互连基板的低温共烧研究 第二章背景介绍和文献综述 2 3 低温共烧陶瓷技术与材料的研究发展现状 2 3 , 1 低温共烧陶瓷( l t c c ) 发展现状和趋势 目前，在众多的多层互连基板制造技术中，低温共烧陶瓷技术 1 0 - 2 1 ( l o w t e m p e r a t u r ec o f i r e dc e r a m i c s ，简称l t c c ) 是其中最成熟、最有前途的一种。它 是由印有导电带图形和含有互连通孔的多层陶瓷生片相叠烧结而形成的一种互 连结构，提供了整合有源器件或无源器件及模块系统的能力，并能同时达到了系 统缩小化及低成本的要求，提高了组装密度，增强系统的性能和可靠性，缩短了 组装周期。l t c c 在许多领域，特别是无线通讯领域【b 】，有着非常重要的作用。 从工艺的角度来看，l t c c 基板制造技术是一种并行加工技术，是将所有层 单独加工，然后共同烧制成一个陶瓷封装的陶瓷基板。它首先将陶瓷生瓷带冲成 一定尺寸，然后冲通孔、印刷电路、叠压、最后烧成，从而形成单块陶瓷的多层 电路封装基板。低温共烧陶瓷的具体工艺流程如图2 2 所示。 l ：! r 导i | | _ i 。i 。f “。上刚。i! 。 刚上 i i i lr i n 冲t如，p t d撕卸e p r i n tb l l c k ，l l e ii 【一。三 l a i n n 0 1 i c 啦 1 日u t i c u l l c 讲l r e j t 删l i “d l b wi t c c 图2 - 1 低温共烧陶瓷工艺流程图 f i g 2 1m u l t i l a y e rl t c c p r o c e s sf l o w d i a g r a m h 【n 陶瓷封装互连基板的低温共烧研究 第二章背景介绍和文献综述 l t c c 是一种新型的陶瓷多层基板技术，具有以下几个突出特点： 1 ) 易于实现更多布线层数，提高组装密度。共烧陶瓷多层基板由于使用多层导 电带金属化烧结和多层陶瓷生片烧成同时完成的工艺，其层数可以做得较多( 理 论上没有限制) ，因此可以获得较高的布线密度： 2 ) 由于低温若烧的烧结温度低，可与r 、c 、l 等厚膜无源器件共烧，易于内 埋置元器件，提高组装密度，实现多功能； 3 ) 便于基板烧成前对每一层布线和互连通孔进行质量检查，有利于提高多层基 板的成品率和质量，缩短生产周期，降低成本； 4 ) 具有良好的高频特性和高速传输特性。l t c c 可以采用高导电材料( 如a 卧 c u 、a u 等) 进行多层金属化布线。减少了信号传输损耗，更有利于高密度多层 布线。同时，采用低介电常数材料也使其非常适合在高频领域的应用。 5 ) 易于形成多种形式的空腔结构，从而可实现性能优良的多功能微波多芯片组 件( m c m ) ： 6 ) 易于实现多层布线与封装一体化结构，进一步减小体积和重量，提高可靠性。 高密度多层l t c c 互连基板可以最大限度地增大布线密度和缩短连线长度，从而 提高组装密度和信号传输速度； 7 ) 工艺相容性好。与薄膜多层布线技术具有良好的兼容性，二者结合可实现更 高组装密度和更好性能的混合多层基板和混合型多芯片组件( m c m c d ) ； 正是由于以上的诸多的优点，l t c c 基板特别适合高密度组装技术，可作为 m c m 产品的理想基板，并已在高密度微电子封装领域获得广泛的应用。世界各 国在开发利用低温共烧技术方面投入了大量的人力、物力，以期占领这一关键技 术的制高点。目前，美国和日本在l t c c 领域处于主导和领先地位，其研发和技 术水平相对较高 2 3 。2 低温共烧陶瓷基板材料的研究现状 低温共烧陶瓷多层基板是目前高密度和高功率封装的主要形式，其结构是导 体和绝缘介质基板交替形成的一种致密的多层结构，多层间还可以有通孔相连， 以实现多层高密度互连封装结构，示意图如图2 - 2 所示。 a l h 陶瓷封装互连基板的低温共烧研究 第二章背号介绍和又献综述 i 。，。i l ：= ：- o ： 羔j ：i l r ：o ：t ：- ：- o ：_ ：一：- ：o o ： ：- ：- ：- ：一：- ：- ：t ：，：- ：一： 二j j ：- ：- o ：- ：o ：o ：- ：o ： ：o ：”：o ：o ：= ：t ：o ：- ：i - ：- ：一 ：- ：- ：，：二：- ：- ：，：- ： 图2 - 2多层l t c c 截面示意图 f i g2 - 2 c r o s ss e c t i o nm u l t i - l a y e rl t c cs u b s t r a t e r 低温共烧 陶瓷基板 目前，低温共烧陶瓷基板已开发出多种l t c c 基板材料，主要分为两大类【l ： 一是玻璃陶瓷系，即在烧结时使玻璃晶化而获得的微晶玻璃系，如钙长石系 ( c a o a 1 2 0 3 一s i 0 2 ) 、堇青石系( m g o a 1 2 0 3 s i 0 2 ) 、锂辉石系( l i 2 0 一a 1 2 0 3 一s i 0 2 ) 等：一是玻璃+ 陶瓷系，即在晶化陶瓷中添加玻璃烧结而成的陶瓷玻璃复合系统。 对于后者，由于加入低熔点玻璃是降低烧结温度，实现l t c c 技术的重要措施， 因此玻璃的性质和加入量是烧结致密化关键。表2 2 列出了几类典型的l t c c 基板材料的物理特性【1 8 - 2 2 1 。 表2 2 几种l t c c 基板材料的物理性能 t a b l e 2 2p h y s i c a lp r o p e r t i e so fl t c cs u b s t r a t em a t e r i a l s i h 陶瓷封装互连基板的低温共烧研究第二章背景介绍和文献综述 2 3 3 陶瓷玻璃复合材料的低温烧结机理 上世纪8 0 年代初，低温共烧陶瓷e t c c 技术开始兴起并崭露头角，同时也 极大的推动了l t c c 基板材料低温烧结机理的研究。其中，a 1 2 0 3 玻璃系统材料 是l t c c 应用较早，发展较成熟的l t c c 基板材料。e w s u k l 2 3 等针对a 1 2 0 3 玻璃 复合材料的低温烧结机理进行了研究。其研究表明，该系统的烧结机制是以粘性 流动为主的致密化过程。 由于l t c c 材料的烧结温度是通过加入低软化点玻璃相得以实现的，烧结温 度较低( 通常低于1 0 0 0 。c ) 。陶瓷晶粒，如a 1 2 0 3 、a 1 n 等，很难与玻璃生成共 熔物或发生化合物反应。在烧结过程中，溶解一沉淀、固体传质、晶粒长大等在 高温液相烧结下所存在的致密化过程很难发生。因而可以认为，该系统的烧结机 理是无反应的低温液相烧结。图2 3 所示的是陶瓷晶粒和玻璃的简单的低温烧结 过程。其致密化从显微结构可描述为如下三个阶段，如2 3 图所示( 2 4 j ： 暨stage1 掣唧m 譬s t a g e 3 a n d l o c a lr e a r r a n g e m e n t - - , - s t a g e 2 盟 图2 - 3 低温液相烧结过程示意图 f i g 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fl o wt e m p e r a t u r el i q u i dp h a s es i n t e r i n g 1h 陶瓷封装互连基板的低温共烧研究 第二章背号介绍和文献综述 当温度高于玻璃软化点时，玻璃开始熔化成为液相并渗入材料内部细小孔 隙。这可以认为是第一阶段：当产生足够的液相时，由于玻璃的软化和重新分布 使材料内部产生了固一液、固一气两相界面，所产生系统内应力促使陶瓷颗粒进 行重排。此为烧结的第二阶段；在烧结致密化的最后阶段，玻璃液相重新分布完 成，玻璃相完全包裹陶瓷颗粒。随着烧结温度的下降，陶瓷颗粒在玻璃表面张力 的作用下产生粘性流动并排除封闭气孔，即所谓玻璃化过程，从而最终完成致密 化过程。如前所述，在整个烧结过程中，玻璃相的引入对材料的致密化起到关键 的作用，因而玻璃的表面张力和玻璃对陶瓷颗粒的润湿能力是非常重要的，玻璃 在烧结温度下的分布将影响材料的烧结致密化。 界面能理论【2 5 】表明，液相的润湿能力决定于相邻两相的自由表面能之间的对 比关系，以表面张力的大小表示。杨式方程给出力的平衡关系： y i ，c o s 臼= y s 。一y s l 式中，y 。是液一气界面能( 表面张力) ，y 。和y ；。分别是固一气和固液界面能， 日为接触( 浸润) 角。如图2 4 所示，口愈小，润湿情况愈好：口愈大，润湿情况 愈差。在烧结过程中，液一气界面上的表面张力减小，有利于提高玻璃对陶瓷晶 粒的浸润性，使液相易于进入晶粒空隙，促进烧结致密化。 s o l i dp l a t e 捻一= e 图2 - 4 液体在固体表面润湿示意图 f i g 2 4s c h e m a t i cd i a g r a m o fs o l i d l i q u i d - v a p o re q u i l i b r i u mc o n d i t i o n s 型生堕! ! ! 堡三兰墨坚塑! ! 墨兰塑竺塞 堑三主堂墨坌丝塑兰苎竺兰 2 4a 1 n 陶瓷的基本特性及其研究和应用现状 2 4 1a i n 陶瓷的基本特性 f q 9 8 一3 i 1 a 图2 - 5 六方2 h 氮化铝晶体结构示意图 f i g 2 - 5t h e b a s i c2 hw u r t z i t es t r u c t u r eo f a i n 氮化铝( a 1 n ) 是一种具有六方纤锌矿型结构的共价键化合物。其空间群为 p 6 3 m c ；晶格参数为a 2 3 1 1 4 a ，c = 4 9 8 6 a ；理论密度为3 , 2 6 9 c m ：莫氏硬度 7 8 ：在2 2 0 0 2 2 5 0 分解。1 2 6 1 其晶体结构如图2 - 5 所示。 与其它高热导无机非金属材料，包括金刚石、氮化硼( b n ) 、碳化硅( s i c ) 、 氧化铍( b e o ) 相比较，a i n 在晶体结构方面具有以下四个共同特点，使其具备 高热导性能【2 7 ：( a ) 低的原子质量；( b ) 强的原子间键合：( c ) 简单的晶体结构： ( d ) 低的非简谐性。 氮化铝陶瓷作为新一代高密度封装的微电子基板材料，具有非常优异的综合 性能( 如图2 _ 6 1 2 8 。其主要表现为以下几个方面陟3 1 ： ( 1 ) 高的热导率：( 2 ) 高的电阻率：( 3 ) 与s i 及o a a s 相匹配的热膨胀系数： ( 4 ) 低介电常数：( 5 ) 高频的低损耗；( 6 ) 高的介电击穿强度；( 7 ) 良好的抗 热冲击性能；( 8 ) 优良的机械强度；( 9 ) 不论是烧结体还是粉体原料均无毒性。 【n 陶瓷封装互连基板的低温共烧研究第二章背景介绍和文献综述 ! 堕竺生! 型竺坚! ! f w 憎 离。 ：；7 浏4 0 0 、髟 a 乓0 5 图2 - 6 半导体封装基板材料性能比较 f i g 2 6p r o p e r t i e so fc e r a m i c sf o rs e m i c o n d u c t o rs u b s t r a t e s 2 4 2a i n 陶瓷的研究进展 近十几年来，a 1 n 陶瓷的开发和研究在国内外形成热潮，至今方兴未艾。其 研究主要集中在高热导率的获得，烧结温度的降低以及a 1 n 陶瓷的金属布线和 高温共烧等方面。 2 4 2 1a 1 n 陶瓷热导率的研究 a 1 n 晶体是一种良好的声子导热体( 理论热导在3 0 0 k 可达3 1 9 w m k i ”1 ) ， 但是多晶a l n 陶瓷的热导率受纯度、微观结构、烧结工艺过程等的影响，低于 理论热导率。目前文献报道的a 1 n 单晶的热导率最高为2 8 5w m k 左右f 3 3 1 。 s l a c k l 2 7 1 最早研究了晶格固溶氧对a i n 热导率的影响。认为由于与氧的强亲 和性，a 1 n 颗粒表面的氧化层中的氧极易固溶入a 1 n 晶格中并形成缺陷。反应 式如下式所示： a 1 2 0 3 2 a la 1 + 3 0 n + v 川 式中，a 1 表示a 1 2 0 3 中的a l 占据原来a i n 晶格中a l 的位置，o n 表示原来 l h 陶瓷封装互连基板的低温共烧研究第二章背号介绍和文献综述 a i n 晶格中的n 原子被o 取代，v a l 代表铝空位。由于杂质氧固溶到a i n 晶格 中形成铝空位，这些铝空位会散射声子，从而大大限制了平均自由程，进而降低 热导率。晶格中的溶解氧是降低a 1 n 陶瓷热导率的主要原因。进一步研究表明， 晶格固溶氧含量也决定了所形成缺陷的形式 3 4 - 3 6 1 ：固溶氧量较少时( 小于07 5 原子百分数) ，氧将取代氮的位置，形成铝空位；固溶氧量较高时( 大于o 7 5 原 子百分数) ，孤立的缺陷产生团聚，形成铝氧原子八面体：固溶氧量非常高时( 远 远超过07 5 原子百分数) ，将形成延展缺陷，如堆垛层错和多型体等。 此外，a 1 n 陶瓷的显微结构对其热导率也有重要的影响，通过控制显微结构 可以提高热导率。研究表nc ”】，a 1 n 陶瓷晶界相的形成：一方面把a 1 n 中的a 1 2 0 3 固结在晶界上，阻碍氧进入a 1 n 晶格，同时在形成过程中，能够促使a 1 n 晶格 中的杂质氧向晶界迁移，起到净化a i n 晶格的作用，一定程度上有助于热导的 提高；另方面，晶界相本身热导率往往较低，它的存在不利于整体的导热性能。 因此，晶界第二相的存在有双重作用。这就解释了添加一定烧结助剂，引入适量 晶界第二相可以提高热导，但是过量的晶界相又是对导热性能不利的现象。总之， 国内外的研究表明 3 7 4 0 1 ，理想的显微结构应该是气孔率小其它杂质少，致密度高； 晶粒晶型完整、细小均匀呈多面体，晶粒之间界面连接为面接触：尽可能少的晶 界第二相。 从烧结工艺方面来看，早期的研究试图通过提高a 1 n 粉体的纯度a 1 n 陶瓷 改善导热性能，但效果并不明显，因而逐渐将注意力转移到对烧结助剂的优化。 添加烧结助剂可以有效地提高热导率己被许多实验证实。引入烧结助剂是目前 a 1 n 烧结普遍采用的一种方法，但是烧结助剂的选择和组合、添加量以及添加方 式尚无统一的定论，还有待于进一步进行深入系统地探索。另外，诸如烧结温度、 烧结气氛、冷却速度以及后处理措施( 如退火热处理) 等a 1 n 烧结的具体工艺 方法对热导率影响的方面的研究，公开的文献报道并不多，许多研究是因涉及技 术专利而相当保密。 2 4 2 2a i n 陶瓷的低温烧结和金属化研究 低温烧结是a 1 n 陶瓷研究的一个重要课题。所谓a 1 n 陶瓷低温烧结，主要 是在1 6 0 0 。c 1 7 0 09 c 烧结a i n 陶瓷。人们尝试了许多方法，其中最有效的方法 1h 陶瓷封装互连基板的低温共烧研究第二章背景介绍和叉献综述 是引入添加剂，即烧结助剂。添加剂基本上可划分为两大类：稀土化合物和碱金 属化合物。目前，添加剂已经不限于采用单一化合物添加剂，而是倾向于多种化 合物的复合添加剂。表2 - 3 列出了几种添加不同烧结助剂的低温烧结a i n 陶瓷 4 1 _ 4 5 1 表2 - 3 几种低温烧结a i n 陶瓷实例 t a b l e 2 2l o w t e m p e r a t u r es i n t e r i n g a i nc e r a m i c s a i n 陶瓷的金属化也是a i n 陶瓷应用研究的一项重要课题。a 1 n 是共价键较 强的化合物，与离子键的金属氧化物相比，在高温下较难与金属湿润，金属化难 度较大。因此，寻求合适的方法使a 1 n 基板金属化并且实现图形化，成为将a 1 n 陶瓷引入微电子封装领域，获得广泛地应用的关键。目前a 1 n 陶瓷已开发出多 种金属化方法，如：合金溅射金属化；直接键合铜( d b c ) 金属化【4 7 1 ：a u 或 p d a g 厚膜金属化；a 1 n w 高温共烧金属化f 4 9 】；激光诱导化学镀5 0 3 等。其中， a u 或p d a g 厚膜金属化可以实现较精细的金属图形化要求。但是由于该工艺是 在烧成的a 1 n 陶瓷上进行的表面金属化，不适用于多层互连基板的制作，使其 在高密度高功率封装封装领域的应用受到很大的影响。 2 4 3a i n 陶瓷的应用现状和前景展望 从1 8 6 2 年g e u t h e r 首次人工合成a 1 n 至今，对a i n 的研究大致可以分成三 个阶段：】9 世纪末到2 0 世纪初，a 1 n 仅用作固氮中间体。2 0 世纪5 0 年代后期 开始，a i n 陶瓷作为一种新型非氧化物陶瓷受到重视，侧重于结构材料方面的应 1 4 t n 陶瓷封装互连基扳的低温共烧研究第二章背景介绍和文献综述 用，如耐高温耐腐蚀材料、高强度结构陶瓷材料、车辆用半导体设备散热材料等。 随着对a i n 逐步深入的探索研究，其优异性能的不断展现。到了9 0 年代，a 1 n 陶瓷凭借其优秀的热传导性能、优良的介电性能、机械性能和无毒性，获得愈来 愈广泛的应用，在多个领域正日益受到重视 5 1 - 5 s ： ( 1 ) 高密度封装用集成电路基板封装材料，可用于超大规模集成电路、功率混 合集成电路，以及陶瓷型多模块组件( m c m - - c ) ； ( 2 ) 用于热传导密封件和陶瓷制造化合物或散热绝缘的结构材料，例如各种石 英薄片整流器热浸没材料，以及各种高功率激光器、发光二极管的封装与 基底材料等： ( 3 j利用a 1 n 陶瓷高温耐火性和化学稳定性，可制作各种金属和合金的熔融 体承受器和坩埚、电解槽衬底，以及马弗炉管、喷嘴等。 ( 4 ) a 1 n 具有高硬度和高温强度性能，可作为金属增强和增硬的填充物，以及 砂轮、导热舟、切割工具等高温结构元件； ( 5 ) 利用a 1 n 陶瓷的高声波传导速度和压电特性，可用于制作高频信息处理 机中的表面声波装置； ( 6 ) 透明a 1 n 陶瓷具有良好的光透性，可以用来制作高温窗口、透明耐热涂 层，以及照明器的发光管： ( 7 ) a 1 n 还能有效地与陶瓷材料和有机聚合物材料结合得到高性能材料，如作 为碳化硅( s i c ) 陶瓷的添加剂，合成多聚物如硅橡胶的填充剂等； ( 8 ) 利用a i n 陶瓷光波发射性能，可用来制作雷达的荧光屏材料； ( g ) 可做为赛隆( s i a l o n ) 或s i a l o n 类材料的原料，或是改变和提高其性能的 添加剂成分； ( 1 0 ) 超细高纯a 1 n 粉末可用于生物陶瓷等高新技术领域。 a i n 陶瓷材料正是由于具有一系列优异的综合性能而深受瞩目。a 1 n 陶瓷的 研究和开发己成为世界各国的重点研究课题。 目前，全世界在电子陶瓷基板方面的需求正以每年1 0 一1 2 的幅度增长，从 国内市场看，预计今后几年对电子陶瓷基板的需求量大约会以2 5 的速度递增。 而我国的高品质的陶瓷基板基本依赖进口。据资料反映 5 6 】，国内“九五”期 间对金属化a i n 基板市场需求情况是：功率混合电路及微组装件、微波器件等 【n 陶瓷封装互连基板的低温共烧研究第二章背景介绍和又献综述 年需求量为1 0 0 0 万片；电力电子器件年需求量1 8 0 万片；半导体致冷堆年需 用量为5 0 万片。另据资料报道，国外需求量是国内的1 0 0 倍以上且处于上升趋 势。因此，积极研究和开发a 1 n 陶瓷的技术，促进我国a i n 陶瓷产业的发展， 也是迫切的现实需要。近年来，国内许多a 1 n 陶瓷的研究和专利成果已成功进 行了产业化，推动我国的a 1 n 陶瓷产业蓬勃向前发展。 2 5 本课题的意义和任务 目前，低温共烧陶瓷( l t c c ) 主要是传统的a 1 2 0 3 玻璃或玻璃一陶瓷( 微 晶玻璃) 系列。然而，随着半导体元器件的高功率化、高密度化和高集成化，目 前的低温共烧陶瓷的性能，尤其是热导性能，不能满足对高功率高密度封装的要 求。因此，研究和开发新型的高性能低温共烧陶瓷己成为当务之急，是目前国内 外的热点研究领域。本课题得到国家自然科学基金资助，是“九五”跨学科重点 项目一“高密度封装用新型材料与互连技术的研究”( 项目编号6 9 8 3 6 0 3 0 ) 的 子课题。 本课题在各种材料中选中了氮化铝( a i n ) 作为l t c c 材料，是由于其本身 的优异的综合性能。然而，a i n 是以共价键结合为主的化合物，自扩散系数小， 烧结非常困难。虽然经过多年的研究和开发，a 1 n 陶瓷的烧结温度已经大大降低， 但仍在1 5 0 0 以上。因而a 1 n 陶瓷的共烧是高温共烧，只能采用电导率不高的 w 、m o 等高熔点、电导率相对较低的金属作为共烧金属材料，不利于a 1 n 陶瓷 在高密度封装领域的推广应用。 本课题目的是试图将a i n 材料和低温共烧技术两者相互结合，把a i n 材料 作为烧结主体，引入低温共烧陶瓷技术中，在通常的l t c c 烧结温度( 8 0 0 9 5 0 , c ) 下实现烧结。虽然玻璃相的引入可能会一定程度降低陶瓷性能，如热导 率等，但“以性能换成本”，考虑综合性能价格比，该工艺技术极具竞争潜力，其 前景是相当诱人的。同时，低温共烧可采用等低熔点、高电导率的金属( 如a u 、 a g 、c u ) 进行布线，大大减少了信号传输损耗，使获得的共烧互连基板更适于 在高密度封装领域的应用。 在本实验中，采用a l n 玻璃复合材料烧结体系，烧结成a i n 陶瓷封装互连 基板。并将银导电浆料为共烧布线材料，采用丝网印刷金属化图形，流延制各基 a 1 陶瓷封装互连基扳的低温共烧研究第二章背号介绍和又献综述 板坯片。烧结温度为9 5 0 。c 。本文从以下几个方面，对低温共烧a i n 陶瓷进行研 究： 口低温共烧的排胶工艺问题研究。 口低温烧结a i n 陶瓷基板的显微结构、元素组分及其晶相组成的研究。 口a i n 陶瓷基板低温共烧银金属化工艺研究 总之，本课题对a 1 n 低温共烧进行了有益的尝试，并开展了一些探索研究工 作，为多层a i n 封装基板的进一步实际应用打下了良好的基础。然而，本课题 的研究工作也仅是初步的和探索性的，仍有许多问题有待今后继续深入地进行研 究和探讨。 ! ! ! 堕至苎墨兰堡垒坚塑! 垒兰苎堡堡壅 苎三兰墨兰堡塑兰! ：兰 第三章实验原料与方法 3 1 引言 本章对主要的实验原料、实验方法及测试手段分别进行了论述。着重探讨了自蔓延高温 合成法台成并经抗水化处理的a i n 粉体和硼硅酸铅玻璃粉体的性能；简单介绍了本实验的 工艺过程以及所采用的分析手段和测试仪器。 3 2 实验原料