数字电子技术Chapter 2

第二章基片2.1功能2.2表面特性2.3氧化铝基片2.4氧化铍基片2.5氮化铝基片2.6金属矩阵复合物2.7陶瓷基片的制造2.8上釉的金属基片2.9质量保证和测试方法第2章基片PCB电路基片第2章基片IC电路基片§2.1功能混合电路基片的三种主要功能：装配器件的机械支撑电气互连图案和批量制造膜电阻器的基底器件散热的媒质树脂基板金属铝基板氧化铝陶瓷基板§2.1功能基板的性能对厚膜元件和整个电路性能、工艺有很大的影响，特别在可靠性和工艺重现性等方面关系十分密切。基本要求：表面平整、光滑，具有适当的表面光洁度。ρv

、ρs

高，tgδ小，保证绝缘性能。基板的热膨胀系数应与电路所用的材料相匹配。机械强度和硬度高---能经受机械振动、冲击和热冲击良好的加工性能---切割、加工和钻孔等。化学稳定性高--不受各种化学试剂和溶剂的影响。与电路材料有很好的相容性。耐高温，经受多次高温烧结不变形;成本要低；重量轻。★表面粗糙度（光洁度）：与横贯表面上峰点和谷点中心线的平均偏差，单位为μin。★中心线的平均值（CLA）：若表面轮廓线用金刚石记录针（表面光洁度仪）记录，画一任意线，使线上面峰的面积等于线下面谷的面积，则距这线的平均偏差叫中心线平均值。§2.2表面特性※2.2.1表面粗糙度当薄膜电阻做在粗糙的表面上时，有较大的可能形成不完全的、有微裂的、应力的和不连续的膜，这种问题对厚膜不存在，它的厚度范围从0.5mil到几mil,这样它完全覆盖住粗糙的表面。图2-1用于薄膜电路的99.6%的氧化铝陶瓷基片表面粗糙度轮廓曲线图2-2用于厚膜电路的99.6%的氧化铝陶瓷基片表面粗糙度轮廓曲线※2.2.1表面粗糙度※2.2.2翘度翘度：基片的翘曲或与完美的平面总偏差。翘度可以用总翘曲（单位用in或mil）除以基片发生翘曲的方向上的最大尺寸来进行标准化表达。对方形可长方形式的基片，翘度是对角线的距离。如图2-3所示。图2-3翘度※2.2.3颗粒的粒度颗粒的尺寸和每单位面积内颗粒的数量，可以影响陶瓷表面的光洁度和气相沉积的金属化薄膜的附着力。颗粒的尺寸和密度由陶瓷配方中氧化物杂质的性质和数量及烧成条件所决定。注意：过烧会产生大的颗粒结构和粗糙的陶瓷表面。氧化钠或氧化钾会产生大的颗粒尺寸和多孔的陶瓷，应避免。氧化镁和氧化硅可促成细的颗粒结构，并有利于形成金属化薄膜附着的化学机理。§2.3氧化铝基片图2-4氧化铝陶瓷基板氧化铝陶瓷广泛用于薄膜电路和厚膜电路图2-5薄膜电路使用的99.6%氧化铝基片的SEM图图2-6厚膜电路使用的99.6%氧化铝基片的SEM图§2.3氧化铝基片氧化铝基片：主要成分Al2O3，Al2O3含量越高，基板性能（电性能、机械强度、表面光洁度等）越好。但烧结温度高、价格贵。厚膜电路一般采用94～Al2O3瓷（晶粒尺寸3～5μm）。85瓷和75瓷性能较前者稍差，但成本较低，所以目前国内外也有采用。图2-7热导率与氧化铝含量百分数优点：价格适中，基本满足厚膜电路的要求，与厚膜混合集成电路相容性比较好。缺点：热导率没有氧化铍基板、氮化铝基板高。§2.3氧化铝基片氧化铝基片的性能§2.4氧化铍基片热导率高（常温下2.64J/cm·℃·s），仅次于银、铜、金与铝相近，为氧化铝的10倍；体积电阻率大；介电系数小、高频下损耗小、适于高频、大功率电路；能与大多数厚膜浆料相容。优点粉末有毒，价格较贵，机械强度不如氧化铝。缺点如果不考虑成本和毒性，氧化铍是一种理想的基片材料密度（g/cm3)2.95抗弯强度(N/cm2)18620热胀系数(×10-6)8.5热导率

(J/cm·℃·ｓ）2.64介电常数(J/cm·℃·ｓ）6.8介电损耗（×10-４）2体电阻率（Ω·cm）1017（25℃）绝缘强度（ｋＶ/cm）与基板的厚度有关最高使用温度(℃）1800§2.4氧化铍基片氧化铍基片的性能图2-899.5%氧化铍介电强度与厚度的关系图2-999.5%氧化铍电阻率与温度的关系氧化铍陶瓷有负的电阻率温度系数§2.4氧化铍基片§2.4氧化铍基片图2-10陶瓷和金属的热导率与温度的函数关系§2.5氮化铝基片热导率高（与99.5%BeO陶瓷大致相同，为氧化铝的8～10倍）；热导率与温度的关系比氧化铍瓷小；抗弯强度大、硬度小、机械加工比较容易（抗弯强度比氧化铝大但硬度仅为氧化铝的一半）；热胀系数比氧化铍小（4.4ppm/℃），与Si接近，这有利于组装大规模IC芯片；与Au、Ag-Pd和Cu浆料的相容性较好，可作高频、大功率电路基板，还适于高密度、大功率的微波电路以及大规模厚膜IC。优点缺点：成本高；对杂质含量敏感§2.5氮化铝基片AlNAl2O3BeO密度（g/cm3)3.33.92.9抗弯强度(N/cm2)392002352018620热胀系数(×10-6)4.57.38热导率(J/cm·℃·ｓ）1~1.60.22.51介电常数(J/cm·℃·ｓ）8.88.56.5介电损耗（×10-４）5~1035体电阻率（Ω/cm）＞101４＞101４＞1014绝缘强度（ｋＶ/cm）140~170100100氧化铝、氧化铍、氮化铝基板性能比较§2.5氮化铝基片图2-11氮化铝和其它陶瓷的热膨胀与温度的关系的比较图2-13氮化铝、氧化铍、氧化铝的热导率作为温度的函数§2.6金属-陶瓷复合材料基片定义：金属-陶瓷结合的材料。最常用金属矩阵复合物：碳化硅/铝、铜/金刚石工艺：将熔融的金属铝注入到多孔的碳化硅中，采用流延法或干压法形成所需形成。工艺过程优点：将金属的高热导率和陶瓷可剪裁的低膨胀系数相结合。提供了更强的硬度和更轻的重量。制造净形产品的能力，不需要再进行机械加工。缺点：高电导率、高成本。不能共烧，因此不能做成多层电路基片。最先进且被广泛研究的复合材料基片碳化硅-铝（SiC/Al）§2.6金属-陶瓷复合材料基片§2.7陶瓷基片的制造生产氧化铝及陶瓷基片有两种方法：干压法：混合的陶瓷配方在金属模具中10000-20000psi压力压制盛开成形，然后烧结。制备尺寸精确，机械强度高。流延法：将配制的陶瓷料铸成薄片，干燥成为柔软的生坯带状态，切成所需要的尺寸，然后烧结。§2.8上釉的金属基片相比于陶瓷基片有以下优点：基片不易折断、开裂或掉屑，它们是抗冲击的。基片在上釉前能冲成小片或切成各种不规则的形状尺寸，钻上小孔。金属芯可当做内部散热板。金属芯（特别是钢）比陶瓷便宜。金属芯可作为内部的接地平面。介电常数8~22损耗因数（%）0.1~0.64击穿电压（V/mil）55~675表面绝缘电阻（Ω）1×107~2×1012体积绝缘电阻（Ω）1×107~7×1011厚度（mil）5~6上釉基片也叫瓷化基片或上釉金属基片。涂覆瓷釉性能如下表所示。§2.8上釉金属基片

陶瓷基板缺点：脆、易碎。上釉金属基片：也叫瓷化基片或上釉基片。在金属板（主要是钢板和铝板）上涂复绝缘膜而成。上釉金属基片适用于传真机、各类感热记录仪、微波介质滤波器、振荡器和微波集成电路。柔性基片分类：硬质树脂基板柔性树脂基板韩国三星电子开发出了厚度仅为1.8mm的10.1英寸液晶面板，开发品采用厚度为0.09mm的树脂基板。以+220℃以下的工艺形成了非晶硅TFT。利用精密模具挤压成形，树脂板多层结合，轻易形成最小宽为50μm的微細流路。激光微细熔覆布线技术实现无掩模下导线制备环氧树脂基板导线§2.9质量保证和测试方法表面特性（包括颗粒尺寸，含流物）扫描电镜（SEM）表面杂质电镜奥格显微镜基体的定性和定量分析辐射光谱电性能介电常数（ASTM-D-150）损耗因数（ASTM-D-150）体电阻率（ASTM-1829）机械性能抗弯强度（ASTM-F-394）硬度（ASTM-E-18）热性能