现有陶瓷基板制造技术.ppt

1、第一节 陶瓷基板概论,1、陶瓷基板具备条件 2、陶瓷基板的制造方法 3、流延成型工艺 4、陶瓷基板的金属化 第二节 各类陶瓷基板 1、氧化铝基板2、莫来石基板 3、氮化铝基板4、碳化硅基板 5、氧化铍基板,1,第三章 陶瓷基板制造技术,1、氧化铝基板 （1）Al2O3陶瓷的基本性质 优良的机械强度； 良好导热特性，适用于高温环境； 具有耐抗侵蚀和磨耗性； 高电气绝缘特性。,2,良好表面特性，提供优异平面度与平坦度； 抗震效果佳； 低曲翘度； 高温环境下稳定性佳； 可加工成各种复杂形状。,3,（2）Al2O3晶体结构 具有多种同质异晶体; a(三方)、b(六方)、g(四方)、h(等轴)、r(晶系

2、未定)、 (六方)、(六方)、(四方)、(单斜)-Al2O3等10多种变体； 主要有a(三方)、b(六方)、g(四方)相； a-Al2O3为高温稳定相，工业上使用最多。,4,a-Al2O3,Al3+与O2-之间为强固的离子键； O2-阴离子近似于密排六方排列； Al3+阳离子占据了2/3的八面体空隙位置，即每个Al3+位于6个O2-构成的八面体的中心; a-Al2O3结构的填充极为密实，其物理性能，化学性能稳定， 具有密度高、机械强度大等特性。,5,（3）Al2O3 陶瓷的分类及性能,6,7,（4）Al2O3 陶瓷原料生产,8,Buyer法,铝矾土,铝酸苏打溶液,成核剂,水铝矿,过滤、煅烧、脱

3、水,a-Al2O3,1100-1200 C,Al2O3 3H2O,NaOH aq.,（5）Al2O3 陶瓷基板制作方法 (a) Al2O3 陶瓷成型 助烧剂 厚膜用：Al2O3-SiO2-MgO、CaO，提高金属化层的浸润性； 薄膜用：0.2 w% MgO, 得到密度高、表面平滑基板，MgO抑制烧成时Al2O3颗粒长大（Cr2O3抑制MgO表面蒸发）。,9,10,粘结剂： PVB(聚乙烯醇聚丁醛树脂） 分散剂： DBP（邻苯二甲酸二丁酯）、鱼油、合成油 烧成温度： 1500-1600 C 气氛： 加湿H2、H2-N2、NH3的分解混合气,11,(b) Al2O3陶瓷金属化 共烧法 厚膜法 薄膜

4、法 难熔金属法,12,(c) Al2O3基板表面金属化 难熔金属法 1938年德利风根（德）、西门子公司 Mo法、Mo-Mn法、Mo-Ti法 Mo-Mn法 （常用）: 以耐热金属Mo粉为主成分，易形成氧化物Mn为副成分，混合成浆料，涂布在表面已研磨、处理的Al2O3基板表面，在加湿气氛高温烧成金属层。 Mn + H2O MnO + H2 MnO + Al2O3 MnO Al2O3 此外，在表面电镀Ni、Au、Ag等，改善导体膜的焊接性能。,13,MnO -Al2O3系相图,14,经Mo-Mn法处理的Al2O3基板焊接截面结构,15,（6）Al2O3 陶瓷基板的应用 (a) 混合集成电路用基板,

5、16,Al2O3%,17,厚膜混合IC用基板 表面粗糙度，价格 、与布线导体结合力; 常用96wt%的Al2O3基板。 薄厚膜混合IC用基板 厚度几百nm以下，薄膜的物理性能、电气性能受表面粗糙度影响很大; 保证表面平滑，表面被覆玻璃釉（几十微米）。 薄膜混合IC用基板 纯度99%以上，表面粗糙度小,18,(b) LSI用基板 同时烧成技术制作的LSI封装，气密性好、可靠性高； 机械强度高、热导率高，在多端子、细引脚节距、高散热性等高密度封装中，Al2O3基板作用重大。,19,(c) 多层电路基板,IBM308X, TCM， 基板：90mm 90mm, 布线：共烧Mo； L：120 m,20,

6、NEC, 100 mm 100mm, PI布线; PI介电常数低，提高信号传输速度。,21,2、莫来石基板 3Al2O3 2SiO2, 是Al2O3-SiO2体系最稳定晶相之一； 机械强度、热导率比Al2O3低； 介电常数比Al2O3低，有利提高传输速度； 制造、金属化方法与Al2O3基本相同；,22,日立公司开发莫来石用于多层电路板； 导体层：W，44层,23,3、氮化铝基板 （1） AlN 陶瓷性质 热导率高（ Al2O3） 热膨胀系数与Si匹配 (适用高密度封装、MCM),AlN晶体结构,a = 0.31 nm; c = 0.498 nm; 属六方晶系，是以【AlN4】四方体为结构单元的

7、纤维矿型； 共价键化合物； AIN晶体呈白色或灰色； 常压下分解温度为2 2002 450； 理论密度为3.26 gcm3。,24,25,(2) AlN 的导热机理 通过点阵或晶格振动，即借助晶格波或热波进行热传递; 载热声子通过结构基元(原子、离子或分子)间进行相互制约、相互协调的振动来实现热的传递； 如果晶体为具有完全理想结构的非弹性体，则热可以自由地由晶体的热端不受任何干扰和散射向冷端传递，热导率可以达到很高的数值； 热导率主要由晶体缺陷和声子自身对声子散射控制。,26,AlN的热导率理论值：320 W(mK）；实际值： 200 W(mK）; AlN主要靠声子传热，在热传输过程中，晶体中

8、的缺陷、晶界、气孔、电子以及声子本身都会产生声子散射，从而影响A1N基板的热导率; 声子散射对热导率K的影响关系式为: K =1/3cvl c: 比热容；v = 声子运动速度； l: 声子平均自由程,27,为了提高AlN的热导率： 必须对陶瓷的微结构进行控制，排除点阵畸变、位错、层错、非平衡点缺陷等晶体缺陷，尽量保证晶体的完整性； 减少气孔、第二相析出。,28,(3) AlN 粉的制备 电子级AlN粉要求纯度高、烧结性活性好； AlN粉中的杂质特别是氧的含量，对陶瓷基板的性能有显著影响；氧含量提高会严重降低基板的热导率； 粉体粒度、颗粒形态则是影响成型和烧结条件的关键因素。,29,(a) 铝粉

9、直接氮化法 2Al + N2 AlN 简单易行，已经用于大规模生产； 能够合成大量纯度较高的AlN粉，无副反应； 金属铝在660熔化，大约在800时开始与N2反应；(铝在2490完全气化) 强烈的放热反应，能够保证反应的顺利进行。,30,铝粉直接氮化法缺点： 强烈的放热反应，反应过程难以控制，产品质量不稳定； 制得的AlN粉往往有自烧结现象，一般难以得到颗粒微细、粒度均匀的AlN粉，需要后处理； 转化率：铝粉氮化后表面形成的AlN层会阻碍N2向铝颗粒内部的扩散，阻碍反应继续进行，需长时间才能反应完全； 为了得到高纯度的AlN粉，就需要采用高纯度的原料，相应的成本也高。,31,(b) Al2O3

10、碳热还原法： Al2O3 + N2 + 3C 2AlN + 3CO 两步完成: 第一步由C还原生成气相中间产物Al(g)、Al2O (g)；第二步氮化生成AlN； 常加入CaO、CaF2、Y2O3等作为催化剂；有效地降低活化能，提高反应速率； 加适当过量的碳，既能加快反应速率，提高转换率，也有助于控制粉末团聚，获得理想的粒径分布； AlN粉的纯度较高，成型和烧结性能都比较好； 缺点：合成温度高，反应时间长，颗粒度比较大。,Al2O3碳热还原机理： C还原Al2O3 Al2O3(s) + 3C(s) 2Al(g) + 3CO(g) Al2O3(s) + 2C(s) Al2O(g) + 2CO(g

11、) 2Al(g) + N2(g) 2AlN(s) 或 Al2O(g) + N2(g) + C(s) 2AlN(s) + CO(g) Al2O3分解 2Al2O3(s) 4Al(g) + 3O2(g) 2C(s) + O2(g) 2CO(g) 2Al(g) + N2(g) 2AlN(s) CO还原氧化铝 Al2O3(s) + 2CO(g) Al2O(g) + 2CO(g) Al2O(g) + 2CO(g) + N2(g) 2AlN(s) + CO(g),32,33,(c) 气溶胶(或气相反应)法： 用AlC13或金属铝的有机化合物为原料，通过与NH3进行气相反应合成AlN超细粉: AlCl3 +

12、 NH3 AlN + 3 HCl Al(C2H5)3 + NH3 AlN + 3C2H6 AlC13与NH3反应一般在6001100的温度范围内进行。,34,随着温度的升高和NH3的相对浓度的增大，转化率及生成AlN粉的结晶程度随之提高。(HCl产生影响） Al(C2H5)3 克服HCl影响，反应温度较低(400即可迅速反应生成高纯AlN粉)。 气溶胶法适合进行连续化生产的AlN粉制造工艺。 方便地控制AIN颗粒的成核和生长速率，从而可以获得颗粒度一致的超细AlN粉。,35,(4) AlN 基板的制造,36,(a) 使用超细粉制备基板： 纳米尺度的颗粒，在比该材料的熔化温度低的条件下熔融。颗粒

13、的尺度越小，熔化温度越低。在超细状态下的AlN粉可以在比它的升华温度低得多的时候完成烧结。 受粉体的性能影响较大，如果小粒径的AlN粉没有达到一定的含量，是无法在设定的温度下完成烧结; 生产大量的纳米状态的AlN粉会提高生产成本; 需要解决超细粉的团聚问题，（给后续工艺带来一定的困难，比如流延成型等）。,37,(b) 热压(或热等静压)烧结法： 用于制造高性能的块体AlN陶瓷材料的制备; 工艺条件复杂，不适合进行批量生产； 只能制作简单形状的瓷体，并且共烧基板采用这种工艺会受到很大的局限性，无法用于电子封装基板的生产。,38,(c) 常压烧结法： 助烧剂 选择原则: 在较低的温度与AlN颗粒表

14、层的A12O3发生共溶，形成液相，这样才能降低烧结温度; 产生的液相对AlN颗粒能够具有良好润湿性，有效起到烧结作用; 助烧剂与A12O3有较强地结合能力，有利于去除氧杂质，净化AlN晶格。,39,液相的流动性要好，烧结后期在AlN晶粒生长过程的驱动下向三角晶界处流动，而不致于在AIN晶粒间形成热阻层。 进一步的在烧结的过程中能够从三角晶界处流向基板表面，从而净化AlN的晶界; 助烧剂最好不与AlN发生反应，否则产生晶格缺陷，难以形成AlN完整晶形。 助烧剂：碱土金属或稀土金属的氧化物、氟化物等，如Y2O3、CaO、CaF2等。,40,低温烧结 （ 1600 1800 ）： 近几年，出于减少能

15、耗，降低成本，以及AIN与金属浆料共烧等方面的考虑，AlN低温烧结技术的研究工作取得了一些成果。 采用多元复合体系，降低助烧液相的熔点。,41,42,(5) AlN 基板的金属化 薄膜金属化; 厚膜金属化; 低温金属化(如Ag-Pd导体、Cu导体、Au导体金属化; 高温金属化(如Mo-Mn金属化和W金属化); 直接键合铜金属化; AlN-W共烧金属化。,43,(6) AlN 基板的应用 (a) LSI封装,44,(b) 超高频（VHF)频带功率放大器模块 (c) 大功率器件、激光二极管基板,散热基板结构剖面,45,4、碳化硅(SiC)基板 (1) SiC基板的特性 热扩散系数大（ 铜1.1cm

16、2/s); 热膨胀系数与Si更加接近; 缺点： 介电常数高，不适用高频电路板； 绝缘耐压差。,46,(2) 生产原料,硅石(SiO2),升华,暗绿色多晶SiC,a-SiC,2000C,焦炭,食盐,47,(3) SiC基板的制造,真空热压法烧成（2100C）,SiC不适合制作多层电子基板！,48,(4) SiC基板的应用,多用于耐压性不成问题的低电压电路及高散热封装的基板,高速、高集成度逻辑LSI带散热结构封装实例,49,50,5、氧化铍(BeO)基板 (1) BeO基板的特性 BeO基板的热导率是Al2O3的十几倍，适用于大功率电路； 介电常数低，又可适用高频电路。,51,52,(2) BeO基板的制造 干压法： 成型后，300-600 C预烧，1500-1600 C烧成； 烧成收缩小，尺寸精度好; 打孔时，孔径与孔距较难控制。 问题：BeO粉尘有毒，存在环境污染问题。,第二节 各类陶瓷基板,1、氧化铝基板 （1） Al2O3陶瓷的基本性质 （2） Al2O3晶体结构 （3） Al2O3 陶