陶瓷基板简介

第六章基板技术Ⅱ—陶瓷基板

时间:2009-12-07-分类:《电子封装工程》,学习笔记点击数：405views

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（3Al2O3.2SiO2）：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（3ppm/℃）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