厚膜混合集成電路課件

1、第二章第二章 厚膜元件與材料厚膜元件與材料2.1 2.1 厚膜基板厚膜基板2.2 2.2 厚膜導體與材料厚膜導體與材料2.3 2.3 厚膜電阻及材料厚膜電阻及材料 2.4 2.4 厚膜介質材料厚膜介質材料2.5 2.5 厚膜鐵氧體磁性材料及厚膜電感器厚膜鐵氧體磁性材料及厚膜電感器2.6 2.6 其他厚膜材料其他厚膜材料2.1 2.1 厚膜基板厚膜基板一、基板的作用與要求一、基板的作用與要求 1. 1. 作用作用承載作用：厚膜元件、外貼元器件、互承載作用：厚膜元件、外貼元器件、互連導體以及整個電路；連導體以及整個電路；絕緣作用：提供元器件之間的電絕緣；絕緣作用：提供元器件之間的電絕緣；導熱、散熱

2、作用：將元器件工作時產生導熱、散熱作用：將元器件工作時產生的熱量即時散發(fā)出去；的熱量即時散發(fā)出去； 2 2、要求、要求 基板的性能對厚膜元件和整個電路性能、工藝基板的性能對厚膜元件和整個電路性能、工藝有很大的影響，特別在可靠性和工藝重現(xiàn)性等有很大的影響，特別在可靠性和工藝重現(xiàn)性等方面關系十分密切。方面關系十分密切。 基板要求基板要求: : 1 1）表面性能）表面性能 表面平整、光滑，具有適當?shù)谋砻婀鉂嵍?。表面平整、光滑，具有適當?shù)谋砻婀鉂嵍取?2 2）電性能）電性能 v v 、s s 高，高，tgtg小，保證絕緣性能。小，保證絕緣性能。3 3）熱性能）熱性能 導熱性高導熱性高 基板的熱膨脹系數(shù)

3、應與電路所用的材料相基板的熱膨脹系數(shù)應與電路所用的材料相 匹配。匹配。4 4）機械性能）機械性能 機械強度和硬度高機械強度和硬度高-能經受機械振動、沖能經受機械振動、沖 擊和熱沖擊擊和熱沖擊 良好的加工性能良好的加工性能-切割、加工和鉆孔等切割、加工和鉆孔等 5 5）化學性能）化學性能 化學穩(wěn)定性高化學穩(wěn)定性高-不受各種化學試劑和溶劑不受各種化學試劑和溶劑 的影響。的影響。 與電路材料有很好的相容性。與電路材料有很好的相容性。6 6）其他性能）其他性能 耐高溫，經受多次高溫燒結不變形耐高溫，經受多次高溫燒結不變形; ; 成本要低成本要低; ; 重量輕重量輕; ;二、常用的基板材料二、常用的基板

4、材料 常用基板種類：常用基板種類： 陶瓷基板；陶瓷基板； 金屬（包括金屬芯型）基板；金屬（包括金屬芯型）基板； 樹脂基板；樹脂基板；氧化鋁陶瓷基板氧化鋁陶瓷基板金屬基板樹脂基板樹脂基板 1 1、陶瓷基板：、陶瓷基板： 優(yōu)點優(yōu)點：耐高溫（：耐高溫（10001000），熱脹系數(shù)小，導熱性），熱脹系數(shù)小，導熱性 好，絕緣強度高。好，絕緣強度高。 缺點缺點：脆、易碎。：脆、易碎。 種類種類：氧化鋁陶瓷（：氧化鋁陶瓷（AlAl2 2O O3 3）、氧化鈹（）、氧化鈹（BeOBeO）、）、 氮化鋁（氮化鋁（AlNAlN）、碳化硅）、碳化硅 （SiCSiC）、多層陶）、多層陶 瓷基板。瓷基板。1 1）氧化鋁

5、基板：）氧化鋁基板： 主要成分主要成分AlAl2 2O O3 3 ，AlAl2 2O O3 3含量越高，基板性能含量越高，基板性能（電性能、機械強度、表面光潔度等）越好。但燒（電性能、機械強度、表面光潔度等）越好。但燒結溫度高、價格貴。結溫度高、價格貴。 厚膜電路一般采用厚膜電路一般采用9494AlAl2 2O O3 3瓷（晶粒尺寸瓷（晶粒尺寸3 35m5m）。）。 85 85瓷和瓷和7575瓷性能較前者稍差，但成本較低，所瓷性能較前者稍差，但成本較低，所以目前國內外也有采用。以目前國內外也有采用。氧化鋁基板的性能熱導率和氧化鋁含量的關系 優(yōu)點：優(yōu)點： 價格適中；價格適中； 各種性能基本滿足厚

6、膜電路的要求；各種性能基本滿足厚膜電路的要求； 與厚膜混合集成電路相容性比較好，目前使與厚膜混合集成電路相容性比較好，目前使用最廣泛；用最廣泛； 缺點：缺點： 熱導率沒有熱導率沒有氧化鈹基板氧化鈹基板、氮化鋁基板高。、氮化鋁基板高。2 2）氧化鈹基板：）氧化鈹基板： 優(yōu)點：優(yōu)點： 熱導率高（常溫下熱導率高（常溫下2.64J/cm s2.64J/cm s），僅），僅次于銀、銅、金與鋁相近，為氧化鋁的次于銀、銅、金與鋁相近，為氧化鋁的1010倍；倍； 體積電阻率大；體積電阻率大； 介電系數(shù)小、高頻下?lián)p耗小、適于高頻、大介電系數(shù)小、高頻下?lián)p耗小、適于高頻、大功率電路；功率電路； 能與大多數(shù)厚膜漿料相

7、容。能與大多數(shù)厚膜漿料相容。 缺點：缺點： 粉末有毒，價格較貴、機械強度不如氧化鋁。粉末有毒，價格較貴、機械強度不如氧化鋁。 如果不考慮成本和毒性，氧化鈹是一種理想的基如果不考慮成本和毒性，氧化鈹是一種理想的基 片材料。片材料。 密度（g/cm3)2.95抗彎強度(N/cm2)18620熱脹系數(shù)(10-6)8.5熱導率(J/cm）2.64介電常數(shù)(J/cm）6.8介電損耗（ 10- ） 2體電阻率（ cm）1017 （25）絕緣強度（/cm）與基板的厚度有關最高使用溫度(）1800氧化鈹（.）基板的性能 氧化鈹陶瓷有氧化鈹陶瓷有負的電阻率溫負的電阻率溫度系數(shù)。度系數(shù)。99.5%99.5%氧化鈹

8、電阻率與溫度的關系氧化鈹電阻率與溫度的關系3 3）氮化鋁基板）氮化鋁基板 是一種新型陶瓷基板。是一種新型陶瓷基板。優(yōu)點：優(yōu)點： 熱導率高（與熱導率高（與99.5%BeO99.5%BeO陶瓷大致相同，為氧化鋁陶瓷大致相同，為氧化鋁 的的8 81010倍）；倍）； 熱導率與溫度的關系比氧化鈹瓷小；熱導率與溫度的關系比氧化鈹瓷??； 抗彎強度大、硬度小、機械加工比較容易（抗彎抗彎強度大、硬度小、機械加工比較容易（抗彎強度比氧化鋁大但硬度僅為氧化鋁的一半）；強度比氧化鋁大但硬度僅為氧化鋁的一半）； 熱脹系數(shù)比氧化鈹?。崦浵禂?shù)比氧化鈹?。?.4ppm/4.4ppm/），與），與SiSi接近，接近， 這有

9、利于組裝大規(guī)模這有利于組裝大規(guī)模ICIC芯片；芯片； 與與AuAu、Ag-PdAg-Pd和和CuCu漿料的相容性較好，可作高頻、漿料的相容性較好，可作高頻、 大功率電路基板，還適于高密度、大功率的微波大功率電路基板，還適于高密度、大功率的微波 電路以及大規(guī)模厚膜電路以及大規(guī)模厚膜ICIC。缺點：缺點： 成本高；對雜質含量敏感；成本高；對雜質含量敏感；AlNAl2O3BeO密度（g/cm3)3.33.92.9抗彎強度(N/cm2)392002352018620熱脹系數(shù)(10-6)4.57.3 8熱導率(J/cm）11.60.22.51介電常數(shù)(J/cm）8.88.56.5介電損耗（ 10- ）

10、51035體電阻率（/cm）1011011014絕緣強度（/cm）140170 100 100氧化鋁、氧化鈹、氮化鋁基板性能比較氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹?shù)臒釋逝c溫度的關系氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹?shù)臒釋逝c溫度的關系 幾種陶瓷基板熱膨脹系數(shù)的比較幾種陶瓷基板熱膨脹系數(shù)的比較4 4）碳化硅基板：）碳化硅基板： 以以-SiC-SiC為主，摻以微量為主，摻以微量 BeO (0.1-0.35%) BeO (0.1-0.35%)的新型基板。的新型基板。 優(yōu)點：優(yōu)點：熱導率是金屬鋁的熱導率是金屬鋁的1.21.2倍，比倍，比BeOBeO瓷還要高，瓷還要高，從熱擴散系數(shù)、熱容量看該基板傳熱比從熱擴散系數(shù)、熱容量看

11、該基板傳熱比CuCu還還要好。要好。 SiCSiC基板的抗彎強度為基板的抗彎強度為44100N/44100N/2 2與氧化鋁相與氧化鋁相近。近。熱脹系數(shù)與單晶硅幾乎相同，所以適合組熱脹系數(shù)與單晶硅幾乎相同，所以適合組裝大規(guī)模裝大規(guī)模ICIC芯片。芯片。缺點缺點 體積電阻率比氧化鋁和氧化鈹?shù)?。體積電阻率比氧化鋁和氧化鈹?shù)汀?介電系數(shù)高，因此高頻性能不如氧化鋁。介電系數(shù)高，因此高頻性能不如氧化鋁。新型SiC陶瓷與其它材料的性能比較 性能材料熱導率(J/cm)體電阻率（/cm）熱脹系數(shù)0400(10-6/ )介電常數(shù)（室溫，1MHz）新型SiC陶瓷2.71410133.740一般SiC陶瓷0.671

12、0134.2-BeO陶瓷2.41101386.8Al2O3陶瓷0.1710146.88.5Si單晶1.283.54.01195 5）多層陶瓷基板：）多層陶瓷基板： 為了提高組裝密度，使電路高密度化、小型化、為了提高組裝密度，使電路高密度化、小型化、高速化而研制的陶瓷基板（多為氧化鋁瓷）。高速化而研制的陶瓷基板（多為氧化鋁瓷）。 多層化的方法有三種：多層化的方法有三種： a. a.厚膜多層法：厚膜多層法： 在氧化鋁基板上交替印燒導體（在氧化鋁基板上交替印燒導體（AuAu、Ag-PdAg-Pd等）和等）和 介質漿料。介質漿料。特點：特點： 制造靈活性大制造靈活性大; ; 可在空氣中燒結，溫度可在空

13、氣中燒結，溫度1000;1000; 層內含電阻、電容等，制造過程容易實現(xiàn)自動層內含電阻、電容等，制造過程容易實現(xiàn)自動 化?；?。 缺點：缺點： 制作微細線困難，層數(shù)也不能太多；制作微細線困難，層數(shù)也不能太多； 可焊性、密封性不如其它二種方法。可焊性、密封性不如其它二種方法。 厚膜電路底層布圖 厚膜電路介質層布圖 厚膜電路頂層布圖b.b.印刷多層法：印刷多層法： 將與生基板成分相同的氧化鋁制成漿料；將與生基板成分相同的氧化鋁制成漿料； 交替在氧化鋁基板上交替在氧化鋁基板上印刷和干燥印刷和干燥 MoMo、W W等導等導 體以及氧化鋁介質漿料；體以及氧化鋁介質漿料； （此時各層間的印刷導體就可以通過層

14、間的通孔（此時各層間的印刷導體就可以通過層間的通孔實現(xiàn)層間連接）。實現(xiàn)層間連接）。 在在1500150017001700的還原氣氛中燒成；的還原氣氛中燒成； 在燒成導體部分鍍在燒成導體部分鍍NiNi、AuAu形成焊接區(qū)；形成焊接區(qū)；c. c. 生基板疊層法：生基板疊層法： 在生基板上沖好通孔；在生基板上沖好通孔； 在生基板上印刷在生基板上印刷MoMo、W W等導體；等導體； 重疊所需層數(shù)，在重疊所需層數(shù)，在490-1470N/cm490-1470N/cm2 2壓力和壓力和80 80 150 150下疊壓；下疊壓； 在在1500-17001500-1700的還原氣氛中燒成。的還原氣氛中燒成。 在

15、燒結過程中，薄片里的在燒結過程中，薄片里的SiOSiO2 2、CaOCaO、MgOMgO擴散擴散到導體層中形成中間層，從而可得牢固的結合強度到導體層中形成中間層，從而可得牢固的結合強度 優(yōu)點：優(yōu)點：（后兩種二種方法）（后兩種二種方法） 利用生基板有柔軟性、容易吸收有機溶劑的特利用生基板有柔軟性、容易吸收有機溶劑的特 性，可印出高分辨率的微細線，容易實現(xiàn)多性，可印出高分辨率的微細線，容易實現(xiàn)多 層化和高密度布線。層化和高密度布線。 由于導體和絕緣層燒結成整體，所以密封性由于導體和絕緣層燒結成整體，所以密封性 好，可靠性高。好，可靠性高。缺點：缺點： 設計靈活性不如厚膜多層法，燒結溫度也偏高。設計

16、靈活性不如厚膜多層法，燒結溫度也偏高。 2.2.金屬基板金屬基板 陶瓷基板缺點：脆、易碎。陶瓷基板缺點：脆、易碎。 不易制成大面積的基板，為此開發(fā)了金不易制成大面積的基板，為此開發(fā)了金屬基板。屬基板。 金屬基板：金屬基板：在金屬板（主要是鋼板和鋁板）在金屬板（主要是鋼板和鋁板） 上涂復絕緣膜而成。上涂復絕緣膜而成。金屬鋁基板 優(yōu)點：價格比陶瓷低；優(yōu)點：價格比陶瓷低； 散熱性良好；散熱性良好； 加工和成形簡單，可用于通孔連接；加工和成形簡單，可用于通孔連接； 缺點：通孔周圍和基板邊緣的釉層會凸起，影響缺點：通孔周圍和基板邊緣的釉層會凸起，影響 印刷；印刷； 釉層中的堿離子也會發(fā)生遷移；釉層中的堿

17、離子也會發(fā)生遷移； 工作溫度低工作溫度低 600600 分類：分類： 1 1）涂釉鋼板）涂釉鋼板 低碳鋼上涂敷玻璃釉層，低碳鋼上涂敷玻璃釉層，850850燒成燒成 2 2）金屬芯基板：）金屬芯基板： 3 3）襯銅金屬基板：）襯銅金屬基板： 4 4）絕緣金屬基板（）絕緣金屬基板（IMSTIMST基板）基板） 3 3、樹脂基板、樹脂基板 分類：分類：硬質硬質樹脂基板樹脂基板 柔性柔性樹脂基板樹脂基板硬質板的主要材料：紙酚醛樹脂、紙環(huán)氧硬質板的主要材料：紙酚醛樹脂、紙環(huán)氧樹脂、玻璃環(huán)氧樹脂。樹脂、玻璃環(huán)氧樹脂。柔性板主要材料：聚酯、聚酰亞胺、玻璃柔性板主要材料：聚酯、聚酰亞胺、玻璃環(huán)氧樹脂等。環(huán)氧樹脂等。優(yōu)點：優(yōu)點： 加工簡便；加工簡便； 成本低；成本低；可電鍍制作細線，適于自動化生產?？呻婂冎谱骷毦€，適于自動化生產。缺點：缺點：耐熱性差；耐熱性差；熱沖擊性差；熱沖擊性差； 高溫下的化學穩(wěn)定性差。高溫下的化學穩(wěn)定性差。各種樹脂基板的特性 性能材料體積電阻率 cm介電常數(shù) 耐熱性/min熱導率J/cm尺寸精度 %紙酚醛樹脂1013-10144.2-4.8130/30-0.1紙環(huán)氧樹