无机封装基板PPT课件

.1，武器封装基板，2，1，陶瓷基板概论，陶瓷基板与树脂材料构成的PWB相比：耐热性高，导热系数小微细化布线更容易的尺寸稳定性高LSI封装，并广泛应用于混合电路IC的基板。(多层布线陶瓷基板)，3，1，作为陶瓷基板必须具备的条件，电路布线的形成基板主要通过电子元件或零件实现互电连接，因此导体电路布线至关重要。陶瓷基板电路布线方法：薄膜光刻厚膜多印同时塑性方法，基本表面平滑化学性能稳定微图形与基板之间的良好附着，4，(2)电气特性，基板电气特性要求：高绝缘电阻；油田常数要低(信号传输速度高)；遗传损失要小。上述特性不会随着温度和湿度的变化而变化。5，(3)热特性，耐热性高导热系数低的热膨胀系数：基板尽可能接近硅的热膨胀系数(约310-6/c)，6，7，陶瓷基板的应用主要分为两类。一个是高速设备的主要要求。介电系数低、多层基板(例如Al2O3基板、玻璃陶瓷共烧基板等)，另一种主要适用于散热要求高、热导率高的基板(例如AlN基板、BeO基板等)。8，2，陶瓷基板制造方法，陶瓷烧成前一般成型方法为以下4种：粉末压制成型(成型，等压成型)挤压成型铸造成型。多层化容易，生产效率高的注射成型，9，图1流程扩展方法是制作原始薄板，然后制作各种基板的流程图，10，图2流延迟器结构图，11，陶瓷多层基板的制作方法：湿：在燃烧前生板上形成导体图形的丝网印刷干法工艺：在烧结陶瓷基板上进行丝网印刷、交互印刷、导体层和绝缘层塑料，或在烧结陶瓷基板上使用厚膜、薄膜混合制作多层电路板图形，再烧结制作多层基板。12，3，陶瓷基板金属化，(1)厚膜金属化方法：陶瓷基板的丝网印刷形成导体(电路布线)和电阻，烧结形成电路和引线触点。厚膜导体浆料一般是1 5m颗粒大小的金属粉末，添加了几%的玻璃粘结剂，由球磨混合有机载体，包括有机溶剂、增稠剂、表面活性剂等。燃烧的导体通过与基板的接口不同的耦合机制与基板相结合。13，图3厚膜导体截面结构，14，对于玻璃系统，软化点选择在粉末金属的烧结温度附近。在氧化物系统中，通常是与陶瓷反应形成固溶体的氧化物。例如，Al2O3基板使用CuO和Bi2O3等。一般来说，氧化物系统比玻璃系统更容易获得高结合力。15，(2)通过真空沉积、离子镀、溅射镀膜等真空镀膜法金属化。用气相沉积法，原则上可以制造任何金属膜，任何基板都可以金属化。但是，金属膜层应尽量与陶瓷基板的热膨胀系数保持一致，并努力提高金属化层的附着力。在多层结构中与陶瓷基板接触的膜金属通常结合反应能力强的IVB族金属Ti、Zr、和VIB族金属Cr、Mo、w等。上层金属使用了很多导电率高、不易氧化、热膨胀系数不一致、容易缓解热应力的软性金属，例如Cu、Au、Ag。16，(3)同时煅烧方法、煅烧前陶瓷生板、丝网印刷Mo、w等耐火金属厚膜浆料、脱脂和脱脂，使陶瓷和导体金属成为一个结构。LSI封装和混合电路IC基板，尤其是多层电路板，主要采用并行塑料制造，具有以下特点：(a)形成微电路布线，使多层化更容易，从而实现高密度布线。(b)使绝缘体和导体成为统一结构，可以获得机密包。(c)烧结收缩可以通过成分、成型压力、烧结温度选择来控制。17，2，各类陶瓷基板，1，氧化铝基板-氧化铝(Al2O3)是基板材料，综合性能好，使用最多，加工技术比其他材料发展最大(1)Al2O3原料的典型制造方法：Buyer金属铝液再熔法，18，(2)alpha-al2o 3的晶体结构，铝离子和氧离子之间的牢固离子结合，每个铝原子位于由6个氧原子组成的八面体的中心。因此，-Al2O3结构非常紧密，铝和氧结合离子之间的库仑作用力，使Al2O3的物理和化学性质稳定，具有密度、机械强度等特性。19，(3)Al2O3陶瓷基板制造方法，20，难熔金属法，Al2O3基板表面的金属化方法，1938年德国的利益风近似值和西门子分别独立开发。根据耐火金属种类、分母方法、Mo-Mn方法、Mo-Ti方法等。以耐热金属钼(Mo)粉末为主要成分的Mo-Mn方法，均匀混合氧化物中的锰(Mn)粉末，制作浆料，在经过预表面研磨和表面处理的Al2O3基板表面涂层，在加湿氢气氛下高温烘烤到金属化层。在此方法中，Mn和大气中的水起着重要作用，Mn被湿气氧化为MnO，MnO和Al2O3反应生成MnOAl2O3(MnAl2O4)，作为中间层，增加金属化层和Al2O3基板的结合力，化学反应式为Mn H2O MnO Al2O3 MnO Al2 o 3，但这样得到的导体，21，(4)应用程序，混合集成电路板LSI封装的基板多层电路板，22，a，混合集成电路板，23，厚膜混合IC基板：由于粗糙度价格低，与接线导体的结合力好，大量采用纯度高的质量分数为96%的Al2O3基板。贵金属浆料图形以丝网印刷方式在基板上形成，浆料的玻璃粘结剂在塑性过程中与基板的玻璃相互作用。因此，Al2O3的玻璃相和粗糙表面可以大大提高厚膜导体的结合力。用于薄膜混合IC的基板：薄膜厚度一般在数千er以下，薄膜的物理特性、电气特性等受到基板表面粗糙度的影响很大，尤其是对像电容器一样使用多层结构的薄膜器件有更大的影响。为了使表面平滑，厚膜Al2O3基板表面可以涂上与Al2O3基板相同的热膨胀系数和10微米厚的玻璃釉。釉基板表面柔软，但导热系数、耐热性等低于Al2O3。因此，通常使用局部釉基板。最近，在薄膜混合IC中，表面粗糙度小、纯度高99%以上的Al2O3基板被越来越多地使用。高纯度的Al2O3基板可以制作状态非常柔软、缺陷小的高品质胶片。24，陶瓷LSI封装最初几年几乎使用了Al2O3。同时塑料技术制造的LSI包具有高度的机密性和可靠性。在DIP-LCC-PGA-BGA-CSP-裸芯片的整个电子封装安装过程中，Al2O3一直扮演着非常重要的角色。特别是基于机械强度和热导率高两大优点，近年来，Al2O3在多端子、收缩间距、高散热性高的高密度封装中发挥了替代作用。b、LSI封装的基板、25，C，多层电路板，由NEC开发的100mm100mm Al2O3多层电路板，用于IBM308X系列散热模块(TCM)的Al2O3多层电路板，Al2O3多层陶瓷电路板和聚酰亚胺多层薄膜布线信号线采用聚酰亚胺绝缘层薄膜多层布线，聚酰亚胺的介电常数较低，提高了信号传输速度。，26，2，莫来石基板，莫来石(3Al2O3.2SiO2)是Al2O3-SiO2二元体系中最稳定的晶相之一，与Al2O3相比，机械强度和热导率低，但由于介电常数低，信号传输速度有望进一步提高。此外，热膨胀系数也较低，从而降低了LSI承载的热应力，减少了与导体材料Mo、w的热膨胀系数的差异，从而降低了同时塑性时与导体的应力。为此，广泛开发为Al2O3的替代品。莫来石基板的制造和金属化方法基本上与Al2O3相同。可以添加MgO以降低其热膨胀系数，同时降低莫来石遗传系数。由于莫来石的热膨胀系数低，因此添加了一些MgO。实际上可以减少基板的弯曲变形和应力。27，由日立公司开发的莫来石多层电路板为w，导体层共44层，采用莫来石作为基板材料，还装有由7层w导体层组成的芯片载体。28，3，氮化铝(AlN)基板对高功率半导体芯片的封装和高密度封装至关重要，因为氮化铝的热导率超过al2o 3 10倍，CTE与硅片匹配。特别是作为MCM封装的基板，应用前景很好。AlN不是自然的，而是人工矿物的一种，1862年由Genther等首先合成。AlN是纤维-锌晶体结构(钻石结构两个排列点中的碳原子分别替换为Al和n)、强烈的共价键化合物，具有轻质(密度3.26g/cm3)、高强度、耐热性(约3060)和耐腐蚀性等优点。由于AlN是强共价，因此传热机制为晶格振动(声子)，Al和n的原子数都很小，AlN的高热导率本质上是确定的，热导率的理论值为320W/(mK)。29，过去在AlN单晶中导热系数高(约250W/(mK)，但陶瓷材料只有40 60w/(MK)，相当低。这是因为原料中的杂质在烧结时溶于AlN粒子，产生多种缺陷，或发生反应，产生低热导率化合物，并在声子中散射，热导率下降。要提高AlN的热导率，必须控制晶格畸变、电位、层误差、非平衡点缺陷等陶瓷微结构，同时控制气孔、第二相析出，最大限度地保证晶体结构完整性的晶体缺陷。影响AlN陶瓷热导率的各种因素，30，AlN粉末制备方法，1，还原氮化以Al2O3为原料，通过高纯碳还原与N2反应，形成AlN，其反应为al2o 3 cN22 AlN 3co反应为吸热反应，持续加热以保持反应。Al2O3原料粉通常粒度小，粒度均匀分布，因此通过还原氮化获得粒度小、粒度分布均匀的AlN粉末更容易。2、直接硝化作用下的Al粉末与N2反应直接硝化。然后将产物粉碎成想要的AlN粉末。反应是2al吗？这两种方法到目前为止一直在改进。31，AlN陶瓷基板制造方法，用于制造Al2O3基板的各种方法均可用于制造AlN基板。AlN原料粉、有机粘结剂和溶剂、表面活性剂混合制成的陶瓷浆料最常用于铸造、层压、热压、脱脂、燃烧等。但是必须特别指出，金属杂质、氧、碳等杂质的含量和存在状态对AlN基板的热导率影响很大，因此要在原料粉末的选择和处理、烧结助剂、煅烧条件等方面严格控制这些杂质。32，AlN基板金属化，金属化成膜，多种方法均可应用。有一点需要注意。AlN必须使用塑料温度高、熔点高的金属厚膜共晶浆料。另一点是，AlN和金属化层的结合力低于Al2O3，必须使用特殊玻璃粘结剂的厚膜浆料。，33，AlN基板的特性，34，AlN基板的热导率受残余氧杂质影响。与Al2O3相比，AlN材料具有较高的绝缘电阻、较高的绝缘耐压和较低的介电常数。具体来说，AlN的导热系数大约是Al2O3的10倍，热膨胀系数与Si一致，这些特性在封装基板上非常困难。35，36，AlN基板应用，VHF (UHF)波段功率放大器模块使用AlN结构的示意图。用激光在AlN基板上加工通孔，用丝网印刷填充Pd-Ag浆料制作电路图，与图(a)所示的组合Al2O3和BeO的复合基板相比，结构简单，热阻力为7.4/W，与图(b)的热阻7.1/W相比，频率、输入和输出特性几乎相同。37，3，碳化硅(SiC)基板，碳化硅是非自然的，人工制造的矿物。将二氧化硅(SiO2)、草炭和少量盐和粉末混合物在石墨炉中加热到2000以上进行反应，生成-SiC，并升华，得到深绿色块状的多晶集合体。在加热和升华过程中，金属杂质和卤化物等挥发性自动去除，使纯度高的产品容易获得。SiC是继钻石、立方氮化硼(c-BN)之后硬度高的强共价化合物，具有良好的耐磨性和耐受性。高纯单晶的热导率仅次于钻石。38，碳化硅(SiC)基板制作方法，用一般方法燃烧难以实现致密化，应添加烧结助剂，用特殊方法燃烧。暗绿色块状多晶用粉末原料研磨精制，加入0.1%3.5%的BeO、粘结剂、溶剂等，作为烧结助剂，使用喷雾干燥器造粒。在室温下以100MPa的压力将颗粒粉末加压成板状，然后放入石墨模具中(热压)，在2100 左右烘烤。利用此过程，可以获得平均粒度约为6m、相对密度大于98%的深黑灰色SiC基板。因为SiC基板的塑料温度为2100 ，所以很难找到能承受这么高温度的导体材料。本质上，SiC材料不适合制造多层电路板，但是可以利用基板的表面形成薄膜多层电路板。39，碳化硅(SiC)基板特性，优点：热扩散系数具有较高热导率的热膨胀系数和Si相似缺点：与Al2O3等基板相比，遗传常数较高(不能用于通信器等高频电路板)，绝缘耐压差异(如果电场强度大于每数百伏cm，绝缘性会快速丢失，容易破坏)，40，Si的热膨胀系数与各种基板的比较，SiC基板的热导率与温度的关系，41，碳化硅(SIC)基板应用-低电压电路和VLSI高散热冷却封装基板、SiC和Si的热膨胀系数一致，因此无需使用应力缓冲材料(例如Mo)，SiC的热扩散系数高于Cu，从而使LSI生成的热量在SiC基板上快速分布，并通过硅胶粘合的Al散热器有效扩散。在此范例中，热电阻基本上是相同的。一般为9/W，使用SiC基板的一侧略低。SiC基板用于高速高密度逻辑LSI带散热结构封装的示例。42，对于使用SiC基板的MCM封装，芯片上散热器外部的总热阻，使用Al2O3基板时降低4.9c/W，后者降低50%。也就是说，同样大小的封装可以满足散热能力大