陶瓷基板制造技术

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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;
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日立公司开发莫来石用于多层电路板;
导体层:W,44层
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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)
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低温烧结 ( 1600 – 1800 ℃ ):

近几年,出于减少能耗,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。
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(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);

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

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。
过滤、煅烧、脱水
1100-1200 º C
a-Al2O3
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(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)。
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(b) Al2O3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,

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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。



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AlN的热导率理论值:320 W/(m· K);实际值:< 200 W/(m· K);

AlN主要靠声子传热,在热传输过程中,晶体中的缺 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
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(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 + NH3 → AlN + 3 HCl Al(C2H5)3 + NH3 → AlN + 3C2H6

AlC13与NH3反应一般在600~1100℃的温度范围内进
行。

此外,在表面电镀Ni、Au、Ag等,改善导体膜的 焊接性能。
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MnO -Al2O3系相图
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经Mo-Mn法处理的Al2O3基板焊接截面结构
焊料 Ni电镀层 Mo-Mn 中间层(MnO · Al2O3) Al2O3基板
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(6)Al2O3 陶瓷基板的应用
(a) 混合集成电路用基板
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①抗弯强度/10M
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)。
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(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

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(4) AlN 基板的制造

AlN自扩散系数小 常压下2440℃升华
常规烧结

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(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
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。
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(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 未定)、χ (六方)、κ(六方)、δ(四方)、θ(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。
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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。




直接键合铜金属化;
AlN-W共烧金属化。

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(6) AlN 基板的应用 (a) LSI封装
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(b) 超高频(VHF)频带功率放大器模块
散热基板结构剖面
(c) 大功率器件、激光二极管基板
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4、碳化硅(SiC)基板
(1) SiC基板的特性

热扩散系数大(> 铜1.1cm2/s); 热膨胀系数与Si更加接近; 缺点:
第三章 陶瓷基板制造技术
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
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1、氧化铝基板
(1)Al2O3陶瓷的基本性质

优良的机械强度;

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(3)Al2O3 陶瓷的分类及性能
99瓷:~99% 95瓷:~95%

按含量来分:
90瓷:~90%
高铝瓷:> 85% 刚玉瓷:> 99%
白色

按颜色来分:
紫色
黑色
6
7
(4)Al2O3 陶瓷原料生产 Buyer法 铝矾土 NaOH aq. 铝酸苏 打溶液 成核剂 水铝矿
Al2O3 · 3H2O
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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 º C

气氛:
加湿H2、H2-N2、NH3的分解混合气
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(b) Al2O3陶瓷金属化

共烧法 厚膜法 薄膜法 难熔金属法
难熔金属法
厚膜法
薄膜法
共烧法
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(c) Al2O3基板表面金属化 — 难熔金属法
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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。
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(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。
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(a) 铝粉直接氮化法
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。


介电常数高,不适用高频电路板; 绝缘耐压差。
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(2) 生产原料
硅石(SiO2)
焦炭 2000º C a-SiC 升华
暗绿色多 晶SiC
食盐
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(3) SiC基板的制造 真空热压法烧成(2100º C)
SiC不适合制作多层电子基板!
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(4) SiC基板的应用
艺会受到很大的局限性,无法用于电子封装基板的生 产。
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
(c) 常压烧结法:
助烧剂
选择原则:

在较低的温度与AlN颗粒表层的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。
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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2 200~2 450℃; 理论密度为3.26 g/cm3。
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(2) AlN 的导热机理

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)
②热导率/(W/m· K) ③绝缘耐压/(kV/mm)
④r
⑤莫氏硬度 ⑥表观密度/(103kg/m3)
⑦弹性模量/105MPa
⑧比热容/(10-1kcal/kg· º C) Al2O3% ⑨tan/10-4
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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。
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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。

散热性等高密度封装中,Al2O3基板作用重大。
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(c) 多层电路基板
IBM308X, TCM,
基板:90mm × 90mm,
布线:共烧Mo; L:120 m
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NEC, 100 mm 100mm, PI布线; PI介电常数低,提高信号传输速度。
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2、莫来石基板

3Al2O3 · 2SiO2, 是Al2O3-SiO2体系最稳定晶相之

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
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(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
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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。
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。
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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) 2Al(g) + N2(g) 2AlN(s) [或 Al2O(g) + N2(g) + C(s) 2AlN(s) + CO(g) ]
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