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无机封装基板 一 陶瓷基板概论 陶瓷基板同由树脂材料构成的PWB相比 耐热性好 热导率高热膨胀系数小微细化布线较容易尺寸稳定性高点它作为LSI封装及混合电路IC用基板得到广泛应用 多层布线陶瓷基板 1 作为陶瓷基板应具有的条件 电路布线的形成基板主要作用是搭载电子元件或部件 实现相互之间电器连接 因此导体电路布线很重要 陶瓷基板电路布线方法 薄膜光刻法厚膜多次印制法同时烧成法 基本表面平滑化学性能稳定微细图形与基板之间良好的附着 2 电学性质 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 上述性质不随温度和湿度的变化而变化 3 热学性质 耐热性高导热率低热膨胀系数 基板与硅的热膨胀系数 后者大约为3 10 6 尽量接近 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 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 容易实现多层化且生产效率较高射出成形 图1流延法制作生片 greensheet 而后制成各类基板的流程图 图2流延机结构示意图 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形 再一次烧结制成多层基板 3 陶瓷基板的金属化 1 厚膜法厚膜金属化法 在陶瓷基板上通过丝网印刷形成导体 电路布线 及电阻等 经烧结形成电路及引线接点等 厚膜导体浆料一般由粒度1 5 m的金属粉末 添加百分之几的玻璃粘结剂 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通过不同的结合机制 与基板结合在一起 图3厚膜导体的断面结构 对于玻璃系来说 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 2 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 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 一般选用具有充分的反应性 结合力强的IVB族金属Ti Zr 及VIB族金属Cr Mo W等 上层金属多选用Cu Au Ag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 3 共烧法 烧成前的陶瓷生片上 丝网印刷Mo W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成为一体结构 LSI封装及混合电路IC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 a 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 b 由于绝缘体与导体做成一体化结构 可以实现气密封装 c 通过成分 成形压力 烧结温度的选择可以控制烧结收缩率 二 各类陶瓷基板 1 氧化铝基板 氧化铝 Al2O3 价格较低 从机械强度 绝缘性 导热性 耐热性 耐热冲击性 化学稳定性等方面考虑 其综合性能好 作为基板材料 使用最多 其加工技术与其他材料相比也是最先进的 1 Al2O3原料的典型制造方法 Buyer法金属铝液重熔法 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 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 3 Al2O3陶瓷基板制作方法 难熔金属法 作为Al2O3基板表面的金属化方法 是在1938年由德国的得利风根公司和西门子公司分别独立开发的 按难熔金属种类 分Mo法 Mo Mn法和Mo Ti法等 Mo Mn法是以耐热金属钼 Mo 的粉末为主成分 副成分采用易形成氧化物的锰 Mn 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Al2O3基板表面 在加湿氢气气氛中经高温烧成金属化层 在本方法中 Mn及气氛中的水起着重要的作用 Mn被水分氧化成MnO MnO与Al2O3反应生成MnO Al2O3 MnAl2O4 作为中间层增加了金属化层与Al2O3基板的结合力 化学反应式为Mn H2O MnO H2MnO Al2O3 MnO Al2O3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Ni Au Ag等 4 应用 混合集成电路用基板LSI封装用基板多层电路基板 a 混合集成电路用基板 厚膜混合IC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 因此多采用纯度质量分数为96 的Al2O3基板 采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 浆料中的玻璃粘结剂会与基板中的玻璃相起作用 因此Al2O3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 薄膜混合IC用基板 薄膜厚度一般在数千埃以下 薄膜的物理性能 电气性能等受基板表面粗糙度的影响很大 特别是对像电容器等采用多层结构的薄膜元件 影响更大 为了保证表面平滑 可以在厚膜用Al2O3基板表面被覆一层热膨胀系数与Al2O3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Al2O3 因此 通常采用局部被釉基板 近年来 在薄膜混合IC中越来越多的采用表面粗糙度小 纯度99 以上的Al2O3基板 高纯度Al2O3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 在陶瓷LSI封装中 前几年几乎都采用Al2O3 利用同时烧成技术制作的LSI封装 气密性好 可靠性高 在电子封装从DIP LCC PGA BGA CSP 裸芯片实装的整个发展历程中 Al2O3一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 高散热性等高密度封装中 Al2O3正发挥着不可替代的作用 b LSI封装用基板 C 多层电路基板 NEC开发的100mm 100mm的Al2O3多层电路基板 IBM308X系列的TCM thermalconductionmodule 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 2 莫来石基板 莫来石 3Al2O3 2SiO2 是Al2O3 SiO2二元系中最稳定的晶相之一 与Al2O3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信号传输速度 其热膨胀系数也低 可减小搭载LSI的热应力 而且与导体材料Mo W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 基于上述理由 作为Al2O3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Al2O3所采用的方法相同 为了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MgO 由于莫来石的热膨胀系数较低 再通过添加少量的MgO 确实能减小基板的弯曲变形及应力 日立公司开发的莫来石多层电路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 3 氮化铝 AlN 基板 氮化铝的热导率是Al2O3的十倍以上 CTE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 特别是作为MCM封装的基板具有良好的应用前景 AlN非天然存在而是人造矿物的一种 于1862年由Genther等人最早合成 AlN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Al和N置换 为强共价键化合物 具有轻 密度3 26g cm3 高强度 高耐热性 大约在3060 耐腐蚀等优点 由于AlN为强共价键 其传热机制为晶格振动 声子 且Al和N的原子序数均小 从本性上决定了AlN的高热导性 热导率的理论值为320W m K 过去虽然在AlN单晶中达到较高的热导率 大约为250W m K 但对于陶瓷材料来说仅达到40 60W m K 是相当低的 其原因是原料中的杂质在烧结时因溶于AlN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 为了提高AlN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 第二相析出等 影响AlN陶瓷热导率的各种因素 AlN粉末制作方法 1 还原氮化法以Al2O3为原料 通过高纯碳还原 再与N2反应形成AlN 其反应为Al2O3 3C N2 2AlN 3CO 该反应为吸热反应 为维持反应进行要持续加热 一般所采用的Al2O3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AlN粉末 2 直接氮化法使Al粉末与N2反应进行直接氮化 而后将生成物粉碎成所需要的AlN粉末 其反应为2Al N2 2AlN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 这两种方法直到目前仍处于不断完善中 AlN陶瓷基板制作方法 Al2O3基板制造的各种方法都可以用于AlN基板的制造 其中用的最多的是生片叠层法 即将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 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AlN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措施 严格控制这些杂质 AlN基板金属化 金属化膜的形成 各种方法都可以适用 但有两点需注意 一点是AlN的烧成温度很高 必须采用高熔点金属后膜共烧浆料 另一点是 一般说来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 AlN基板的特性 AlN基板热导率受残留氧杂质的影响 AlN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 这些特点对于封装基板来说十分难得 AlN基板的应用 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 频率及输入 输出特性也基本相同 3 碳化硅 SiC 基板 碳化硅是非天然出产而是由人工制造的矿物 由硅石 SiO2 焦碳及少量食盐以及粉末状混合 用石墨炉将其加热到2000 以上发生反应 生成 SiC 再通过升华析出 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会自动排除 因此很容易获得高纯度制品 SiC是强共价键化合物 硬度仅次于金刚石 立方氮化硼 c BN 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石 碳化硅 SiC 基板制作方法 采用普通方法烧成难以达到致密化 需要添加烧结助剂并采用特殊方法烧成 将暗绿色SiC块状多晶体经研磨精制成粉末原料 添加作为烧结助剂的质量分数0 1 3 5 的BeO以及粘结剂 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 然后放入石墨模具中加压的同时 热压 在大约2100 下烧成 利用这种工艺 可以获得平均粒径大约6 m 相对密度达98 以上的的密的黑灰色SiC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 形成薄膜多层电路基板 碳化硅 SiC 基板特性 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 会迅速丧失绝缘性 很容易击穿 各种基板与Si的热膨胀系数的对比 SiC基板的热导率与温度关系 碳化硅 SiC 基板应用 低电压电路及VLSI高散热封装的基板 由于SiC与Si的热膨胀系数向匹配 不必采用Mo等的应力缓冲材料 且SiC的热扩散系数比Cu还高 因此 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散热片高效率的扩散 在此例中 二者的热阻基本相同 大致都为9 W 而采用SiC基板的一方要略低些 SiC基板用于高速高集成度逻辑LSI带散热结构封装的实例 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4 9 W 后者降低50 换句话说 同样尺寸的封装 采用后者 可以满足防热量大1倍的芯片的要求 除此之外 SiC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 多芯片模块 MCM 中采用Al2O3基板和SiC基板时热阻的对比 5 氧化铍 BeO 基板 氧化铍基板的热导率是Al2O3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 BeO基板 基本上采用干压法制作 成型后先经300 600 预烧 再经1500 1600 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 此外 也可在BeO中添加微量的MgO及Al2O3等 利用生片法制作BeO基板 BeO基板烧成后的粒径很难控制 一般说来 其粒径也比Al2O3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 Cu与之的结合力要优于Mo或W等 由于BeO粉尘的毒性 存在环境问题 6 低温共烧陶瓷 LTCC 多层基板 Al2O3 莫来石及AlN基板烧结温度在1500 1900 若采用同时烧成法 导体材料只能选择难熔金属Mo和W等 这样势必造成下述一系列不太好解决的问题 1 共烧需要在还原性气氛中进行 增加工艺难度 烧结温度过高 需要采用特殊烧结炉 2 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 3 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 4 Al2O3的热膨胀系数 7 10 6 与Si的热膨胀系数 3 0 10 6 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 LTCC基板应具有的性能 低温共烧陶瓷基板 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在850 950 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 1 硼硅酸铅玻璃 Al2O3 硼硅酸铅晶化玻璃 质量分数45 Al2O3 质量分数55 组成 最大弯曲强度达350MPa 2 硼硅酸盐玻璃 石英玻璃 堇青石系 石英玻璃15 堇青石20 硼硅酸玻璃为65 在该组成下 烧成体的介电常数为4