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第六章 基板技术Ⅱ—陶瓷基板

一、陶瓷基板概论
1、机械性质:(电路布线的形成)
a.有足够高的机械强度,除搭载元器件外,也能作为支持构件使用;
b.加工性好,尺寸精度高,容易实现多层化;
c.表面光滑,无翘曲、弯曲、微裂纹等;
2、电学性能:
a.绝缘电阻及绝缘破坏电压高;
b.介电常数低、介电损耗小;
c.在温度高、湿度大的条件下性能稳定,确保可靠性;
3、热学性质:
a.热导率高;
b.热膨胀系数与相关材料匹配(特别是与Si的热膨胀系数要匹配);
c.耐热性优良;
4、其他性质:
a.化学稳定性好、容易金属化、电路图形与之附着力强;
b.无吸湿性、耐油、耐化学药品、α射线放出量小;
c.所采用的物质无公害、无毒性、在使用温度范围内晶体结构不变化;
d.原材料资源丰富、技术成熟、制造容易、价格低;

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、射出成形。其中流延成形法由于容易实现多层化且生产效率较高,近年来在LSI封装及混合集成电路用基板的制造中多被采用。常见的三种工艺路线如下:
■叠片—热压—脱脂—基片烧成—形成电路图形—电路烧成;
■叠片—表面印刷电路图形—热压—脱脂—共烧;
■印刷电路图形—叠层—热压—脱脂—共烧;

3、陶瓷基板的金属化:
a.厚膜法:厚膜金属化法,是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;(常见的玻璃粘接剂有玻璃系、氧化物系和玻璃与氧化物混合系)
b.薄膜法:采用真空蒸镀、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进行金属化,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;
c.共烧法:在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的结构,此方法具有以下特性:
■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;
■由于绝缘体与导体作成一体化结构,可以实现气密封装;
■通过成分、成形压力、烧结温度的选择,可以控制烧结收缩率,特别是平面方向零收缩率基板的研制成功为其在BGA、CSP、裸芯片等高密度封装方面的应用创造了条件;

二、各类陶瓷基板:
1、氧化铝基板:
a.原料:Al2O3原料的典型制造方法是Buyer法,在这种方法中原材料采用铝矾土(水铝矿/一水软铝石以及相应的化合物);
b.制作方法:Al2O3陶瓷的成形一般采用生片叠层法,粘接剂一般采用聚乙烯醇聚丁醛(PVB)数字,烧成温度因添加的助烧剂不同而异,通常为1550~1600℃。Al2O3基板的金属化方法目前主要采用厚膜法及共烧法、从使用的浆料到工艺技术都比较成熟,目前可满足各方面应用的要求;
c.应用:混合集成电路用基板、LSI封装用基板、多层电路基板;
2、莫来石基板(3 Al2O3.2SiO2):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一些,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;
3、氮化铝基板:
a.原料:AlN为非天然存在而是一种人造矿物,于1862年由Genther等人最早合成。AlN粉末的代表性制作方法是还原氮化法和直接氮化法,前者以Al2O3为原料,通过高纯碳还原,再与氮气反应形成,后者直接是Al粉末与N2发生反应进行直接氮化;
b.制造方法:Al2O3基板制造的各种方法都可用于AlN基板的制造,其中用得最多的是生片叠层法,即将AlN原料粉末、有机粘接剂及溶剂、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;
c.AlN基板的特性:AlN的热导率 为Al2O3的10倍以上,CTE与硅片相匹配,AlN材料相对与Al2O3来说,绝缘电阻、绝缘耐压要高些,介电常数更低些,这些特点对于封装基板应用来说是十分难得的;
d.应用:用于VHF(超高频)频带功率放大器模块、大功率器件及激光二极管基板等;
4、碳化硅基板:
a.原料:SiC不是天然产生而是由人工制造的矿物,由硅石、焦炭及少量食盐以粉末状混合,用石墨炉将其加热到2000℃以上发生反应,生成α-SiC,再通过升华析出,可得到暗绿色块状的多晶集合体;
b.制造方法:SiC的化学稳定性及热稳定性都非常好,采用普通方法烧成难以达到致密化,因此需要添加烧结助剂并采用特殊方法烧成,通常采用真空热压法烧成;
c.SiC基板的特性:其最具特色的性质是,与其他材料相比,其热扩散系数特别大,甚至比铜还大,而且其热膨胀系数与Si更为接近。当然它也存在一些缺点,相对而言其介电常数高、绝缘耐压要差一些;
d.应用:对于SiC基板,扬长避短,多用于耐压性不大存在问题的低电压电路及VLSI高散热封装的基板,例如高速、高集成度逻辑LSI带散热机构封装、在超大型计算机、光通信用激光二极管的基板应用等;
5、氧化铍基板(BeO):其导热率是Al2O3的十几倍,适用于大功率电路,而且其介电常数又低,可用于高频电路。BeO基板基本上采用干压法制作,此外也可在其中添加微量的MgO及Al2O3等利用生片法制作BeO基板。由于BeO粉末的毒性,存在环境问题,在日本不允许生产BeO基板,只能从美国进口;

三、低温共烧陶瓷多层基板LTCC:
上述讨论的基板由于其烧结温度在1500~1900℃,相当高,因此若采用同时烧成法,则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较难解决的问题:
■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,需采用特殊烧结炉;
■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;
■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;
■Al2O3的热膨胀系数(7ppm/℃)与Si的热膨胀系数(3 ppm/℃)相差太大,若采用裸芯片实装,则热循环过程中产生的热应力不易解决;
为解决上述问题,开发了玻璃与陶瓷混合共烧的LTCC(low temperature co-fired ceramic substrate,低温共烧陶瓷基板),由于其烧成温度在900℃左右,故可采用多种电阻率低的材料,可实现微细化布线,其中贵金属浆料可以在大气中烧成。
1、LTCC基板应具有的性能:顾名思义,应具有的最重要的性能应该是在兼顾其他性能的基础上,能做到低温烧成,综合起来如下:
a.烧成温度必须能控制在950℃以下;
b.介电常数要低;
c.热膨胀系数要与搭载芯片的热膨胀系数相接近;
d.有足够高的机械强度;
2、玻璃陶瓷材料:
a.硼硅酸铅玻璃—Al2O3系;
b.硼硅酸玻璃—石英玻璃—堇青石系;
c.硼硅酸铅玻璃—Al2O3—镁橄榄石(forsterite)系;
d.硼硅酸铅玻璃—Al2O3系;
e.硼硅酸铅玻璃—Al2O3处理的氧化锆(ZrO2)系;
f.硼酸锡钡系;
3、LTCC的制作方法及烧结特征:
a.LTCC多层基板的制作方法:(制作高密度多功能模块的工艺流程)
玻璃浆料原料—流延片—生片—制作通孔—印刷导体布线图形—印刷介电体、电阻体图形—叠层、热压—脱脂—烧成—烧成基板—后烧附电极/布线的形成—高密度混合集成基板—各种芯片、封装、片式元件实装—外壳封接、安装I/O端子—高密度多功能部品
b.LTCC基板的烧结特征:在从室温到900℃的整个烧结过程中,Ag系列的埋孔导体、布线导体与生片的烧成曲线尽可能接近极为重要;
4、LTCC多层基板的应用:LTCC适用于高密度电子封装用的三维立体布线多层陶瓷基板,因其具有导体电阻率低、介质的介电常数小、热导率高、与硅芯片相匹配的低热膨胀系数、容易实现多层化等优点,特别适合于射频、微波、毫米波器件等。LTCC多层基板的用途主要分为以下四个方面:
a.超级计算机用多层基板,用以满足元器件小型化、信号超高速化的要求;
b.下一代汽车用多层基板ECU(electronic control unit 电子控制单元系统)部件;
c.高频部件VCO(voltage control oscillator 电压控制振荡器)和TCXO(temperature control crystal oscillator 温度控制水晶振荡器)等;在从800MHz到3GHz甚至更高的频带范围内存在着广泛的应用背景,例如:
■手机(cellular phones: 800~900MHz;1.8~2.4GHz);
■呼机(pagers, 900MHz);
■无线局域网(wireless local area networks,2.4GHz);
■无线局域环(wireless local loop,1.5~3GHz);
■地球定位系统GPS(global positioning system,1.2~1.6GHz);
■私人通信服务系统(personal communication services,1.8~2GHz);
■军事及航空电子学(3~15GHz);
■空间通信(地球到卫星:6~14GHz;卫星到地球:4~12GHz);
■汽车防撞系统(35~77GHz);
d.光通信用界面模块及HEMT(high electron mobility transistor 高电子迁移率三极管)模块;
5、LTCC多层基板的发展动向:LTCC材料的发展必须兼顾到介电常数、机械强度、热膨胀系数、热导率等各个方面,使其综合性能得以提高,这就需要在原材料的成分、粒度、形貌、基板结构、制作工艺、复合材料的微观等方面进行系统的研究开发;

四、其他类型的无机基板:液晶显示器LCD用玻璃基板、等离子体显示板PDP用玻璃基板等;

五、复合基板:
1、复合基板—功能复合:
a.多层印刷CR内含基板(以氧化铝基板为例了解其制造工艺):
氧化铝流延生片—加工通孔—填孔—印刷导体—印刷介电质层(氧化铝)—烧成—电镀(Ni、Au)—预处理—印刷电阻体PTF—烧附—印刷外覆层—烧附—多层印刷CR复合基板;
b.生片叠层CR内含多层基板(以玻璃陶瓷低温共烧了解其制造工艺):
陶瓷原料(玻璃系)—球磨混料—生片流延—制作通孔—内层导体印刷—绝缘层印刷—外层导体印刷(Ag-Pd系、Ag系)—外层电阻印刷—外覆层印刷—烧成—激光调阻—多层印刷低温共烧复合基板;
2、复合基板—结构复合:
a.树脂/陶瓷复合基板:一类是在多层布线比较容易的陶瓷多层积层基板(烧成后)上,以介电常低的树脂为介电层,形成薄膜多层布线构成复合基板,另一类是在不含布线的陶瓷基板表面形成薄膜多层布线构成复合基板;
b.数字/多孔陶瓷复合基板:陶瓷材料的优点是热膨胀系数小,热导率大,但缺点是介电常数略高,韧性差,容易破碎,陶瓷材料与数字复合,相互取长补短,可以构成树脂/多孔陶瓷复合基板;
c.树脂/硅复合基板:硅是半导体材料,但作为基板材料也有不少优势,如表面容易绝缘化/热膨胀系数与硅芯片相同,热导率也较高等。与树脂/硅复合基板结构相似的还有其他种类的复合基板,如不采用树脂而采用SiO2做介电层,不用Cu而采用Al作导体层等,其实用意义很大,主要是充分利用了半导体硅技术,不采用树脂,可以在半导体超净工作间中操作;
3、复合基板—材料复合:例如在Fe或Al等金属的表面,包覆数十到数百微米的有机或无机绝缘层构成复合基板,电路的形成方法如下,在复合基板上贴附铜箔,经蚀刻形成;或利用丝网印刷厚膜浆料,经烧结而成。仅在金属板表面形成绝缘层的成为金属基复合基板,在金属表面和背面全部形成绝缘层的称为芯复合基板。此类复合基板最开始用于电源模块基板,目前其应用范围正向模拟电路/数字电路及热写头模块等扩展。

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