無機封裝基板

1、無無 機機 封封 裝裝 基基 板板 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板一、陶瓷基板概論一、陶瓷基板概論 陶瓷基板同由樹脂材料構成的PWB相比： 耐熱性好， 熱導率高 熱膨脹系數小 微細化布線較容易 尺寸穩(wěn)定性高點它作為LSI封裝及混合電路IC用基板得到廣泛應用。（多層布線陶瓷基板） 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板1 、 作為陶瓷基板應具有的條件作為陶瓷基板應具有的條件 電路布線的形成 基板主要作用是搭載電子元件或部件，實現相互之間電器連接，因此導體電路布線很重要。陶瓷基板電路布線方法：陶瓷基板電路布線方法：薄膜光刻法厚膜多次印制法同時燒成法基本表面平滑化學性能穩(wěn)定微細圖形與基板之間良好的附

2、著 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板（2）電學性質）電學性質 對基板電學性質的要求：絕緣電阻高；介電常數要低（信號傳輸速度高）；介電損耗要??；上述性質不隨溫度和濕度的變化而變化。 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板（3）熱學性質）熱學性質 耐熱性高導熱率低熱膨脹系數：基板與硅的熱膨脹系數（后者大約為310-6/）盡量接近 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板陶瓷基板的應用分兩大類：n一類主要要求適用于高速器件，采用介電系介電系數低、易于多層化數低、易于多層化的基板（如Al2O3基板，玻璃陶瓷共燒基板等），n另一類主要適用于高散熱高散熱的要求，采用高熱導率的基

3、板（如AlN基板、 BeO基板等）。 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板2、 陶瓷基板的制作方法陶瓷基板的制作方法 陶瓷燒成前典型的成形方法有下述四種:粉末壓制成形（模壓成形、等靜壓成形）擠壓成形流延成形：容易實現多層化且生產效率較高 射出成形 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板圖1 流延法制作生片（green sheet）而后制成各類基板的流程圖 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板圖2 流延機結構示意圖 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板陶瓷多層基板的制作方法：陶瓷多層基板的制作方法：濕法：濕法：在燒成前的生片上，通過絲網印刷形成導體在燒成前的生片上，通過絲網印刷形成導體圖形，由陶瓷與導體共

4、燒而成；圖形，由陶瓷與導體共燒而成； 干法：干法：在燒成的陶瓷基板上，通過絲網印刷、交互在燒成的陶瓷基板上，通過絲網印刷、交互印刷、燒成導體層和絕緣層，或在燒成的陶瓷基板印刷、燒成導體層和絕緣層，或在燒成的陶瓷基板上，采用厚膜、薄膜混成法形成多層電路圖形，再上，采用厚膜、薄膜混成法形成多層電路圖形，再一次燒結制成多層基板。一次燒結制成多層基板。 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板3、陶瓷基板的金屬化、陶瓷基板的金屬化 （1） 厚膜法厚膜法厚膜金屬化法：在陶瓷基板上通過絲網印刷形成導體（電路布線）及電阻等，經燒結形成電路及引線接點等。厚膜導體漿料一般由粒度15m的金屬粉末，添加百分之幾的玻璃粘結

5、劑，再加有機載體，包括有機溶劑、增稠劑和表面活性劑等，經球磨混煉而成。燒成后的導體在其與基板的界面通過不同的結合機制，與基板結合在一起。 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板圖圖3 厚膜導體的斷面結構厚膜導體的斷面結構 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板對于玻璃系來說，其軟化點要選擇在粉末金屬的燒結溫度附近。在氧化物系中，一般用與陶瓷發(fā)生反應形成固溶體的氧化物。例如，對于Al2O3基板來說，采用CuO及Bi2O3等。一般說來，氧化物系比玻璃系更容易獲得較高的結合力。 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板（2） 薄膜法薄膜法 用真空蒸鍍、離子鍍、濺射鍍膜等真空鍍膜法進行金屬化。 由于為氣相沉積法，原

6、則上講無論任何金屬都可以成膜，無論對任何基板都可以金屬化。但是，金屬膜層與陶瓷基板的熱膨脹系數應盡量一致，而且應設法提高金屬化層的附著力。 在多層結構中，與陶瓷基板相接觸的膜金屬，一般選用具有充分的反應性，結合力強的IVB族金屬Ti、Zr、及VIB族金屬Cr、Mo、W等。上層金屬多選用Cu、Au、Ag等電導率高，不易氧化，而且由熱膨脹系數不匹配造成的熱應力容易被緩解的延展性金屬。 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板（3）共燒法）共燒法 燒成前的陶瓷生片上，絲網印刷Mo、W等難熔金屬的厚膜漿料，一起脫脂燒成，使陶瓷與導體金屬燒成為一體結構。LSI封裝及混合電路IC用基板，特別是多層電路基板，主要

7、是由共燒法來制造，有下列特征： （a）可以形成微細的電路布線，容易實現多層化，從而能實現高密度布線。（b）由于絕緣體與導體做成一體化結構，可以實現氣密封裝。（c）通過成分、成形壓力、燒結溫度的選擇可以控制燒結收縮率。 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板二、各類陶瓷基板1、氧化鋁基板、氧化鋁基板 -氧化鋁（Al2O3）價格較低，從機械強度、絕緣性、導熱性、耐熱性、耐熱沖擊性、化學穩(wěn)定性等方面考慮，其綜合性能好，作為基板材料，使用最多，其加工技術與其他材料相比也是最先進的。（1） Al2O3原料的典型制造方法：Buyer法金屬鋁液重熔法 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板（2）-Al2O3 的晶體

8、結構鋁離子與氧離子之間為強固的離子鍵，每個鋁原子位于由6個氧原子構成的八面體的中心。因此，-Al2O3結構的充填極為密實，鋁與氧靠離子間的庫侖力相結合，因此，Al2O3的物理性能，化學性能穩(wěn)定，具有密度高、機械強度大等特性。 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板（3）Al2O3陶瓷基板制作方法陶瓷基板制作方法 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板難熔金屬法，作為Al2O3基板表面的金屬化方法，是在1938年由德國的得利風根公司和西門子公司分別獨立開發(fā)的。按難熔金屬種類，分Mo法，Mo-Mn法和Mo-Ti法等。Mo-Mn法是以耐熱金屬鉬（Mo）的粉末為主成分，副成分采用易形成氧化物的錳（Mn）粉末，

9、是二者均勻混合制成漿料，涂布在預先經表面研磨及表面處理的Al2O3基板表面，在加濕氫氣氣氛中經高溫燒成金屬化層。在本方法中，Mn及氣氛中的水起著重要的作用，Mn被水分氧化成MnO，MnO與Al2O3反應生成MnOAl2O3（MnAl2O4），作為中間層增加了金屬化層與Al2O3基板的結合力，化學反應式為 Mn +H2OMnO+H2 MnO+Al2O3 MnOAl2O3但是，這樣獲得的導體膜直接焊接比較困難，一般要在其表面電鍍Ni, Au, Ag等。 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板（4）應用）應用混合集成電路用基板混合集成電路用基板LSI封裝用基板封裝用基板多層電路基板多層電路基板 無無 機

10、機 封封 裝裝 基基 板板a、混合集成電路用基板、混合集成電路用基板 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板厚膜混合厚膜混合IC用基板：用基板：粗糙度大的價格較低，而且與布線導體間的結合力強等，因此多采用純度質量分數為96的Al2O3基板。采用絲網印刷法在基板上形成貴金屬漿料圖形，在燒成過程中，漿料中的玻璃粘結劑會與基板中的玻璃相起作用。因此Al2O3中的玻璃相及較粗糙的表面會明顯的提高厚膜導體的結合力。薄膜混合薄膜混合IC用基板：用基板：薄膜厚度一般在數千埃以下，薄膜的物理性能、電氣性能等受基板表面粗糙度的影響很大，特別是對像電容器等采用多層結構的薄膜元件，影響更大。為了保證表面平滑，可以在厚膜

11、用Al2O3基板表面被覆一層熱膨脹系數與Al2O3基板相同、厚度為數十微米的玻璃釉。雖然被釉基板表面變得平滑，但其導熱性、耐熱性等都低于Al2O3 。因此，通常采用局部被釉基板。近年來，在薄膜混合IC中越來越多的采用表面粗糙度小、純度99以上的Al2O3基板。高純度Al2O3基板燒成狀態(tài)表面就非常平滑，由此可形成缺陷較少的高品質薄膜。 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板在陶瓷LSI封裝中，前幾年幾乎都采用Al2O3。利用同時燒成技術制作的LSI封裝，氣密性好，可靠性高。在電子封裝從DIP-LCC-PGA-BGA-CSP-裸芯片實裝的整個發(fā)展歷程中， Al2O3一直起著十分關鍵的作用。特別是基于

12、其機械強度高機械強度高及熱導率高熱導率高兩大優(yōu)勢，近年來在多端子、細引腳節(jié)距、高散熱性等高密度封裝中， Al2O3正發(fā)揮著不可替代的作用。b、LSI封裝用基板封裝用基板 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板C、多層電路基板、多層電路基板NEC開發(fā)的100mm100mm的Al2O3多層電路基板 IBM308X系列的TCM（thermal conduction module）的Al2O3多層電路基板由Al2O3陶瓷多層電路基板與聚酰亞胺多層薄膜布線板構成的復合基板。信號線采用聚酰亞胺絕緣層薄膜多層布線，由于聚酰亞胺的介電常數低，可提高信號傳輸速度。 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板2、莫來石基板、

13、莫來石基板莫來石（3Al2O3.2SiO2）是Al2O3-SiO2二元系中最穩(wěn)定的晶相之一，與Al2O3相比雖然機械強度和熱導率要低些，但其介電常數低，因此可望能進一步提高信號傳輸速度。其熱膨脹系數也低，可減小搭載LSI的熱應力，而且與導體材料Mo、W的熱膨脹系數的差也小，從而共燒時與導體間出現的應力低。基于上述理由，作為Al2O3的替代材料進行過廣泛的開發(fā)。莫來石基板的制造及金屬化方法基本上與Al2O3所采用的方法相同。為了在降低莫來石介電系數的同時，減小其熱膨脹系數，可以添加MgO。由于莫來石的熱膨脹系數較低，再通過添加少量的MgO。確實能減小基板的彎曲變形及應力。 無無 機機 封封 裝裝

14、 基基 板板日立公司開發(fā)的莫來石多層電路基板已用于大型計算機，這種基板由W做導體層，共44層，在這種基板上還搭載了以莫來石為基板材料、由7層W導體層構成的芯片載體。 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板3、氮化鋁（、氮化鋁（AlN）基板）基板 氮化鋁的熱導率是Al2O3的十倍以上，CTE與硅片相匹配，這對于大功率半導體芯片的封裝及高密度封裝無疑是至關重要的，特別是作為MCM封裝的基板具有良好的應用前景。 AlN非天然存在而是人造礦物的一種，于1862年由Genther等人最早合成。AlN具有纖鋅礦型晶體結構（金剛石結構中兩個陣點上的碳原子分別由Al和N置換），為強共價鍵化合物，具有輕（密度3.2

15、6g/cm3）、高強度、高耐熱性（大約在3060）、耐腐蝕等優(yōu)點。 由于AlN為強共價鍵，其傳熱機制為晶格振動（聲子），且Al和N的原子序數均小，從本性上決定了AlN的高熱導性，熱導率的理論值為320W/（mK）。 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板過去雖然在AlN單晶中達到較高的熱導率（大約為250 W/（mK），但對于陶瓷材料來說僅達到4060 W/（mK），是相當低的。其原因是原料中的雜質在燒結時因溶于AlN顆粒中產生各種缺陷，或發(fā)生反應生成低熱導率化合物，對聲子造成散射，致使熱導率下降。為了提高AlN的熱導率，必須對陶瓷的微結構進行控制，諸如點陣畸變、位錯、層錯、非平衡點缺陷等晶體缺陷

16、，盡量保證晶體結構的完整性，同時減少氣孔、第二相析出等。影響影響AlN陶瓷熱導率的各種因素陶瓷熱導率的各種因素 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板AlN粉末制作方法粉末制作方法1、還原氮化法、還原氮化法以Al2O3為原料，通過高純碳還原，再與N2反應形成AlN,其反應為 Al2O33CN22AlN3CO該反應為吸熱反應，為維持反應進行要持續(xù)加熱。一般所采用的Al2O3原料粉末粒徑小、粒度分布整齊，因此由還原氮化法比較容易獲得粒徑小、粒度分布一致性好的AlN粉末。2、直接氮化法、直接氮化法使Al粉末與N2反應進行直接氮化，而后將生成物粉碎成所需要的AlN粉末，其反應為 2AlN22AlN該氮化反

17、應為放熱反應，一旦反應開始，就不必再提供能量，反應可自發(fā)進行。這兩種方法直到目前仍處于不斷完善中。 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板AlN陶瓷基板制作方法陶瓷基板制作方法Al2O3基板制造的各種方法都可以用于AlN基板的制造。其中用的最多的是生片疊層法，即將AlN原料粉末、有機粘結劑及溶劑、表面活性劑混合制成陶瓷漿料，經流延、疊層、熱壓、脫脂、燒成制得。但應特別指出的是，由于金屬雜質及氧、碳等雜質的含量及存在狀態(tài)對AlN基板的熱導率有很大影響，必須從原料粉末的選擇和處理、燒結助劑、燒成條件等方面采取措施，嚴格控制這些雜質。 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板AlN基板金屬化基板金屬化金屬化膜

18、的形成，各種方法都可以適用。但有兩點需注意： 一點是AlN的燒成溫度很高，必須采用高熔點金屬后膜共燒漿料； 另一點是，一般說來AlN與金屬化層的結合力不如Al2O3，必須采用特殊玻璃粘結劑的厚膜漿料。 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板AlN基板的特性基板的特性 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板AlN基板熱導率受殘留氧雜質的影響AlN材料相對于Al2O3來說，絕緣電阻、絕緣耐壓更高些，介電常數更低些，特別是AlN的熱導是Al2O3的10倍左右，熱膨脹系數與Si相匹配，這些特點對于封裝基板來說十分難得。 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板AlN基板的應用基板

19、的應用VHF(超高頻)頻帶功率放大器模塊采用AlN結構的示意圖。在AlN基板上用激光加工通孔，用絲網印刷在通孔中填入Pd-Ag漿料并形成電路圖形，同圖 (a)所示采用Al2O3與BeO相組合的復合基板相比，結構簡單，其熱阻為7.4/W，同圖 (b)的熱阻7.1/W相比，不相上下，頻率及輸入、輸出特性也基本相同。 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板3、碳化硅（、碳化硅（SiC）基板）基板碳化硅是非天然出產而是由人工制造的礦物。由硅石(SiO2)、焦碳及少量食鹽以及粉末狀混合，用石墨爐將其加熱到2000以上發(fā)生反應，生成- SiC，再通過升華析出，可得到暗綠色塊狀的多晶集合體。由于加熱和升華過程中

20、，金屬性雜質及鹵化物等由于揮發(fā)會自動排除，因此很容易獲得高純度制品。SiC是強共價鍵化合物，硬度僅次于金剛石、立方氮化硼(c-BN)，而且具有優(yōu)良的耐磨性、耐藥品性。高純度單晶體的熱導率僅次于金剛石。 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板碳化硅（碳化硅（SiC）基板制作方法）基板制作方法采用普通方法燒成難以達到致密化，需要添加燒結助劑并采用特殊方法燒成。將暗綠色SiC塊狀多晶體經研磨精制成粉末原料，添加作為燒結助劑的質量分數0.1%3.5%的BeO以及粘結劑、溶劑等，利用噴霧干燥機造粒。將造粒粉在室溫及100MPa壓力下加壓成板狀，然后放入石墨模具中加壓的同時(熱壓)，在大約2100下燒成。利用

21、這種工藝，可以獲得平均粒徑大約6m，相對密度達98%以上的的密的黑灰色SiC基板。由于SiC基板的燒成溫度為2100，能承受這么高溫度的導體材料很難找到，本質上說，SiC材料不適合制作多層電路基板，但可以利用基板的表面，形成薄膜多層電路基板。 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板碳化硅（碳化硅（SiC）基板特性）基板特性優(yōu)點：熱擴散系數突出熱導率高熱膨脹系數與Si相近缺點：與Al2O3等基板相比，介電常數高（不適用于通信機等高頻電路基板 ） 絕緣耐壓差 （電場強度達到數百伏每厘米以上時，會迅速喪失絕緣性，很容易擊穿 ） 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板各種基板與Si的熱膨脹系數的對比 SiC基

22、板的熱導率與溫度關系系 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板碳化硅（碳化硅（SiC）基板應用）基板應用 -低電壓電路低電壓電路及及VLSI高散熱封裝的基板高散熱封裝的基板 由于SiC與Si的熱膨脹系數向匹配，不必采用Mo等的應力緩沖材料，且SiC的熱擴散系數比Cu還高，因此，LSI產生的熱量會迅速在SiC基板上散開，再通過由硅膠粘結的Al散熱片高效率的擴散。在此例中，二者的熱阻基本相同，大致都為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邏輯基板用于高速高集成度邏輯LSI帶散熱結構封裝的實例帶散熱結構封裝的實例 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板采用SiC基板的MCM封裝的

23、情況，從芯片到散熱片外界的總熱阻，采用Al2O3基板時，為4.9/W，后者降低50%。換句話說，同樣尺寸的封裝，采用后者，可以滿足防熱量大1倍的芯片的要求。除此之外，SiC基板在超大型計算機，光通信用二極管的基板應用等方面還有不少實例。 多芯片模塊（多芯片模塊（MCM）中采用）中采用Al2O3基板和基板和SiC基板時熱阻的對比基板時熱阻的對比 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板5、氧化鈹（、氧化鈹（BeO）基板）基板氧化鈹基板的熱導率是Al2O3基板的十幾倍，適用于大功率電路，而且其介電常數又低，又可用于高頻電路。BeO基板，基本上采用干壓法制作。成型后先經300600預燒，再經1500160

24、0燒成。這種方法燒成收縮小，因此尺寸精度好。但在燒成后的基板上打孔時，孔徑及孔距較難控制。此外，也可在BeO中添加微量的MgO及Al2O3等，利用生片法制作BeO基板。BeO基板燒成后的粒徑很難控制，一般說來，其粒徑也比Al2O3的大。因此，采用薄膜金屬化時，表面必須研磨。其金屬化的另一個特征是，Cu與之的結合力要優(yōu)于Mo或W等。 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板由于BeO粉塵的毒性，存在環(huán)境問題。 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板6、低溫共燒陶瓷（、低溫共燒陶瓷（LTCC）多層基板）多層基板 Al2O3、莫來石及AlN基板燒結溫度在15001900，若采用同時燒成法，導體材料只能選擇難熔

25、金屬Mo和W等，這樣勢必造成下述一系列不太好解決的問題：1、共燒需要在還原性氣氛中進行，增加工藝難度，燒結溫度過高，需要采用特殊燒結爐。2、由于Mo和W本身的電阻率較高，布線電阻大，信號傳輸容易造成失真，增大損耗，布線微細化受到限制。3、介質材料的介電常數都偏大，因此會增大信號傳輸延遲時間，特別是不適用于超高頻電路。4、Al2O3的熱膨脹系數（710-6/）與Si的熱膨脹系數（3.010-6/）相差太大，若用于裸芯片實裝，則熱循環(huán)過程中產生的熱應力不好解決。 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板LTCC基板應具有的性能基板應具有的性能低溫共燒陶瓷基板：兼顧其它性能的基礎上，能做到低溫燒成?；宓臒Y溫度必須能控制在850950。 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板LTCC基板的要求主要有：燒成溫度必須能控制在950以下；介電常數要低；熱膨脹系數要與搭載的芯片接近；有足夠的高的機械強度。 無無 機機 封封 裝裝 基基 板板（1） 硼硅酸鉛玻璃硼硅酸鉛玻璃-Al2O3 ：硼硅酸鉛晶化玻璃（質量分數45）+ Al2O3（質量分數55%）組成 ，最大彎曲強度達350MPa（2） 硼硅酸鹽玻璃硼硅酸鹽玻璃-石英玻璃石英玻璃-堇青石