《无机封装基板》ppt课件

1、无无 机机 封封 装装 基基 板板 无无 机机 封封 装装 基基 板板一、陶瓷基板概论一、陶瓷基板概论 陶瓷基板同由树脂资料构成的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用基板得到广泛运用。多层布线陶瓷基板 无无 机机 封封 装装 基基 板板1 、 作为陶瓷基板应具有的条件作为陶瓷基板应具有的条件 n电路布线的构成 n基板主要作用是搭载电子元件或部件，实现相互之间电器衔接，因此导体电路布线很重要。n陶瓷基板电路布线方法：n薄膜光刻法n厚膜多次印制法n同时烧成法根本外表平滑化学性能稳定微细图形与基板之间良好的附着 无无 机机

2、 封封 装装 基基 板板2电学性质电学性质 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。 无无 机机 封封 装装 基基 板板3热学性质热学性质 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310-6/尽量接近 无无 机机 封封 装装 基基 板板 无无 机机 封封 装装 基基 板板陶瓷基板的运用分两大类：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。 无无 机机 封封 装装 基基 板板2

3、、 陶瓷基板的制造方法陶瓷基板的制造方法 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：容易实现多层化且消费效率较高 射出成形 无无 机机 封封 装装 基基 板板图1 流延法制造生片green sheet而后制成各类基板的流程图 无无 机机 封封 装装 基基 板板图2 流延机构造表示图 无无 机机 封封 装装 基基 板板陶瓷多层基板的制造方法：陶瓷多层基板的制造方法：湿法：在烧成前的生片上，经过丝网印刷构成湿法：在烧成前的生片上，经过丝网印刷构成导体图形，由陶瓷与导体共烧而成；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，经过丝网印刷、干法

4、：在烧成的陶瓷基板上，经过丝网印刷、交互印刷、烧成导体层和绝缘层，或在烧成的交互印刷、烧成导体层和绝缘层，或在烧成的陶瓷基板上，采用厚膜、薄膜混成法构成多层陶瓷基板上，采用厚膜、薄膜混成法构成多层电路图形，再一次烧结制成多层基板。电路图形，再一次烧结制成多层基板。 无无 机机 封封 装装 基基 板板3、陶瓷基板的金属化、陶瓷基板的金属化 1 厚膜法厚膜法厚膜金属化法：在陶瓷基板上经过丝网印刷构厚膜金属化法：在陶瓷基板上经过丝网印刷构成导体电路布线及电阻等，经烧结构成电成导体电路布线及电阻等，经烧结构成电路及引线接点等。路及引线接点等。厚膜导体浆料普通由粒度厚膜导体浆料普通由粒度15m的金属粉末

5、，的金属粉末，添加百分之几的玻璃粘结剂，再加有机载体，添加百分之几的玻璃粘结剂，再加有机载体，包括有机溶剂、增稠剂和外表活性剂等，经球包括有机溶剂、增稠剂和外表活性剂等，经球磨混炼而成。烧成后的导体在其与基板的界面磨混炼而成。烧成后的导体在其与基板的界面经过不同的结合机制，与基板结合在一同。经过不同的结合机制，与基板结合在一同。 无无 机机 封封 装装 基基 板板图图3 厚膜导体的断面构造厚膜导体的断面构造 无无 机机 封封 装装 基基 板板对于玻璃系来说，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，普通用与陶瓷发生反响构成固溶体的氧化物。例如，对于Al2O3基板来说，采用CuO及B

6、i2O3等。普通说来，氧化物系比玻璃系更容易获得较高的结合力。 无无 机机 封封 装装 基基 板板2 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展金属化。 由于为气相堆积法，原那么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。 在多层构造中，与陶瓷基板相接触的膜金属，普通选器具有充分的反响性，结合力强的IVB族金属Ti、Zr、及VIB族金属Cr、Mo、W等。上层金属多项选择用Cu、Au、Ag等电导率高，不易氧化，而且由热膨胀系数不匹配呵斥的热应力容易被缓解的延展性金属。 无无 机机 封封 装

7、装 基基 板板3共烧法共烧法 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，一同脱脂烧成，使陶瓷与导体金属烧成为一体构造。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，有以下特征： a可以构成微细的电路布线，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构造，可以实现气密封装。c经过成分、成形压力、烧结温度的选择可以控制烧结收缩率。 无无 机机 封封 装装 基基 板板二、各类陶瓷基板1、氧化铝基板、氧化铝基板 -氧化铝氧化铝Al2O3价钱较低，价钱较低，从机械强度、绝缘性、导热性、耐热性、耐从机械强度、绝缘性、导热性、耐热性、耐热冲击

8、性、化学稳定性等方面思索，其综合热冲击性、化学稳定性等方面思索，其综合性能好，作为基板资料，运用最多，其加工性能好，作为基板资料，运用最多，其加工技术与其他资料相比也是最先进的。技术与其他资料相比也是最先进的。1 Al2O3原料的典型制造方法：原料的典型制造方法：Buyer法法金属铝液重熔法金属铝液重熔法 无无 机机 封封 装装 基基 板板2-Al2O3 的晶体构造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构造的充填极为密实，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。 无无 机机

9、 封封 装装 基基 板板3Al2O3陶瓷基板制造方法陶瓷基板制造方法 无无 机机 封封 装装 基基 板板难熔金属法，作为Al2O3基板外表的金属化方法，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，副成分采用易构成氧化物的锰Mn粉末，是二者均匀混合制成浆料，涂布在预先经外表研磨及外表处置的Al2O3基板外表，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反响生成MnOAl2O3MnAl2O4，作为中间层

10、添加了金属化层与Al2O3基板的结合力，化学反响式为 Mn +H2OMnO+H2 MnO+Al2O3 MnOAl2O3但是，这样获得的导体膜直接焊接比较困难，普通要在其外表电镀Ni, Au, Ag等。 无无 机机 封封 装装 基基 板板4运用运用混合集成电路用基板混合集成电路用基板LSI封装用基板封装用基板多层电路基板多层电路基板 无无 机机 封封 装装 基基 板板a、混合集成电路用基板、混合集成电路用基板 无无 机机 封封 装装 基基 板板厚膜混合厚膜混合IC用基板：用基板：粗糙度大的价钱较低，而且与布线导体间的结合力强等，因此多粗糙度大的价钱较低，而且与布线导体间的结合力强等，因此多采用纯

11、度质量分数为采用纯度质量分数为96的的Al2O3基板。基板。采用丝网印刷法在基板上构成贵金属浆料图形，在烧成过程中，采用丝网印刷法在基板上构成贵金属浆料图形，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外表会明显的提高厚膜导体的结合力。中的玻璃相及较粗糙的外表会明显的提高厚膜导体的结合力。薄膜混合薄膜混合IC用基板：用基板：薄膜厚度普通在数千埃以下，薄膜的物理性能、电气性能等受基薄膜厚度普通在数千埃以下，薄膜的物理性能、电气性能等受基板外表粗糙度的影响很大，特别是对像电容器等采用多层构造板外表粗糙度

12、的影响很大，特别是对像电容器等采用多层构造的薄膜元件，影响更大。为了保证外表平滑，可以在厚膜用的薄膜元件，影响更大。为了保证外表平滑，可以在厚膜用Al2O3基板外表被覆一层热膨胀系数与基板外表被覆一层热膨胀系数与Al2O3基板一样、厚度基板一样、厚度为数十微米的玻璃釉。为数十微米的玻璃釉。虽然被釉基板外表变得平滑，但其导热性、耐热性等都低于虽然被釉基板外表变得平滑，但其导热性、耐热性等都低于Al2O3 。因此，通常采用部分被釉基板。因此，通常采用部分被釉基板。近年来，在薄膜混合近年来，在薄膜混合IC中越来越多的采用外表粗糙度小、纯度中越来越多的采用外表粗糙度小、纯度99以上的以上的Al2O3基

13、板。高纯度基板。高纯度Al2O3基板烧成形状外表就非常基板烧成形状外表就非常平滑，由此可构成缺陷较少的高质量薄膜。平滑，由此可构成缺陷较少的高质量薄膜。 无无 机机 封封 装装 基基 板板在陶瓷LSI封装中，前几年几乎都采用Al2O3。利用同时烧成技术制造的LSI封装，气密性好，可靠性高。在电子封装从DIP-LCC-PGA-BGA-CSP-裸芯片实装的整个开展历程中， Al2O3不断起着非常关键的作用。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正发扬着不可替代的作用。b、LSI封装用基板封装用基板 无无 机机 封封 装装 基基 板

14、板C、多层电路基板、多层电路基板NEC开发的100mm100mm的Al2O3多层电路基板 IBM308X系列的TCMthermal 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。 无无 机机 封封 装装 基基 板板2、莫来石基板、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

15、搭载LSI的热应力，而且与导体资料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的替代资料进展过广泛的开发。莫来石基板的制造及金属化方法根本上与Al2O3所采用的方法一样。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，再经过添加少量的MgO。确实能减小基板的弯曲变形及应力。 无无 机机 封封 装装 基基 板板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资料、由7层W导体层构成的芯片载体。 无无 机机 封封 装装 基基 板板3、氮化铝

16、、氮化铝AlN基板基板 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运用前景。 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具有纤锌矿型晶体构造金刚石构造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，从本性上决议了AlN的高热导性，热导率的实际值为320W/mK。 无无 机机 封封 装装

17、 基基 板板过去虽然在AlN单晶中到达较高的热导率大约为250 W/mK，但对于陶瓷资料来说仅到达4060 W/mK，是相当低的。其缘由是原料中的杂质在烧结时因溶于AlN颗粒中产生各种缺陷，或发生反响生成低热导率化合物，对声子呵斥散射，致使热导率下降。为了提高AlN的热导率，必需对陶瓷的微构造进展控制，诸如点阵畸变、位错、层错、非平衡点缺陷等晶体缺陷，尽量保证晶体构造的完好性，同时减少气孔、第二相析出等。影响影响AlN陶瓷热导率的各种要素陶瓷热导率的各种要素 无无 机机 封封 装装 基基 板板AlN粉末制造方法粉末制造方法1、复原氮化法、复原氮化法以以Al2O3为原料，经过高纯碳复原，再与为原

18、料，经过高纯碳复原，再与N2反响构成反响构成AlN,其反响为其反响为 Al2O33CN22AlN3CO该反响为吸热反响，为维持反响进展要继续加热。普通所该反响为吸热反响，为维持反响进展要继续加热。普通所采用的采用的Al2O3原料粉末粒径小、粒度分布整齐，因此由复原料粉末粒径小、粒度分布整齐，因此由复原氮化法比较容易获得粒径小、粒度分布一致性好的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。粉末。2、直接氮化法、直接氮化法使使Al粉末与粉末与N2反响进展直接氮化，而后将生成物粉碎成反响进展直接氮化，而后将生成物粉碎成所需求的所需求的AlN粉末，其反响为粉末，其反响为 2AlN22Al

19、N该氮化反响为放热反响，一旦反响开场，就不用再提供能该氮化反响为放热反响，一旦反响开场，就不用再提供能量，反响可自发进展。量，反响可自发进展。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。 无无 机机 封封 装装 基基 板板AlN陶瓷基板制造方法陶瓷基板制造方法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、外表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形状对AlN基板的热导率有很大影响，必需从原料粉末的选择和处置、烧结助

20、剂、烧成条件等方面采取措施，严厉控制这些杂质。 无无 机机 封封 装装 基基 板板AlN基板金属化基板金属化金属化膜的构成，各种方法都可以适用。但有两点需留意： 一点是AlN的烧成温度很高，必需采用高熔点金属后膜共烧浆料； 另一点是，普通说来AlN与金属化层的结合力不如Al2O3，必需采用特殊玻璃粘结剂的厚膜浆料。 无无 机机 封封 装装 基基 板板AlN基板的特性基板的特性 无无 机机 封封 装装 基基 板板AlN基板热导率受残留氧杂质的影响AlN资料相对于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

21、于封装基板来说非常难得。 无无 机机 封封 装装 基基 板板 无无 机机 封封 装装 基基 板板AlN基板的运用基板的运用VHF(超高频)频带功率放大器模块采用AlN构造的表示图。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浆料并构成电路图形，同图 (a)所示采用Al2O3与BeO相组合的复合基板相比，构造简单，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、输出特性也根本一样。 无无 机机 封封 装装 基基 板板3、碳化硅、碳化硅SiC基板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

22、热到2000以上发生反响，生成- SiC，再经过升华析出，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。 无无 机机 封封 装装 基基 板板碳化硅碳化硅SiC基板制造方法基板制造方法采用普通方法烧成难以到达致密化，需求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，利用喷雾枯燥机造粒。将造粒粉在

23、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6m，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，能接受这么高温度的导体资料很难找到，本质上说，SiC资料不适宜制造多层电路基板，但可以利用基板的外表，构成薄膜多层电路基板。 无无 机机 封封 装装 基基 板板碳化硅碳化硅SiC基板特性基板特性优点：热分散系数突出热导率高热膨胀系数与Si相近缺陷：与Al2O3等基板相比，介电常数高不适用于通讯机等高频电路基板 绝缘耐压差 电场强度到达数百伏每厘米以上时，会迅速丧失绝缘性，很容易击

24、穿 无无 机机 封封 装装 基基 板板各种基板与Si的热膨胀系数的对比 SiC基板的热导率与温度关系 无无 机机 封封 装装 基基 板板碳化硅碳化硅SiC基板运用基板运用 -低电压电路及低电压电路及VLSI高散热封装的基板高散热封装的基板 由于SiC与Si的热膨胀系数向匹配，不用采用Mo等的应力缓冲资料，且SiC的热分散系数比Cu还高，因此，LSI产生的热量会迅速在SiC基板上散开，再经过由硅胶粘结的Al散热片高效率的分散。在此例中，二者的热阻根本一样，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基板用于高速高集成度逻辑LSI带散热构造封装的实例带散热构造封装

25、的实例 无无 机机 封封 装装 基基 板板采用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，光通讯誉二极管的基板运用等方面还有不少实例。 多芯片模块多芯片模块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 无无 机机 封封 装装 基基 板板5、氧化铍、氧化铍BeO基板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，根本上采用干压

26、法制造。成型后先经300600预烧，再经15001600烧成。这种方法烧成收减少，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，利用生片法制造BeO基板。BeO基板烧成后的粒径很难控制，普通说来，其粒径也比Al2O3的大。因此，采用薄膜金属化时，外表必需研磨。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。 无无 机机 封封 装装 基基 板板由于BeO粉尘的毒性，存在环境问题。 无无 机机 封封 装装 基基 板板6、低温共烧陶瓷、低温共烧陶瓷LTCC多层基板多层基板 Al2O3、莫来石及AlN基板烧结温度在15001

27、900，假设采用同时烧成法，导体资料只能选择难熔金属Mo和W等，这样势必呵斥下述一系列不太益处理的问题：1、共烧需求在复原性气氛中进展，添加工艺难度，烧结温度过高，需求采用特殊烧结炉。2、由于Mo和W本身的电阻率较高，布线电阻大，信号传输容易呵斥失真，增大损耗，布线微细化遭到限制。3、介质资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710-6/与Si的热膨胀系数3.010-6/相差太大，假设用于裸芯片实装，那么热循环过程中产生的热应力不益处理。 无无 机机 封封 装装 基基 板板LTCC基板应具有的性能基板应具有的性能低温共烧陶瓷基板：

28、兼顾其它性能的根底上，能做到低温烧成。基板的烧结温度必需能控制在850950。 无无 机机 封封 装装 基基 板板LTCC基板的要求主要有：烧成温度必需能控制在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。 无无 机机 封封 装装 基基 板板1 硼硅酸铅玻璃硼硅酸铅玻璃-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45+ Al2O3质量分数质量分数55%组成组成 ，最大弯曲强度达，最大弯曲强度达350MPa2 硼硅酸盐玻璃硼硅酸盐玻璃-石英玻璃石英玻璃-堇青石系堇青石系 ：石英玻璃：石英玻璃15%，堇青，堇青石石20%，硼硅酸玻璃为，硼硅酸玻璃为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4.4，是比较低的，是比较低的 3 硼硅酸玻璃硼硅酸玻璃- Al2O3-镁橄榄石系镁橄榄石系 ：组成为：组成为Al2O335%，镁，镁橄榄石橄榄石25%，硼硅酸玻璃，硼硅酸玻