无机封装基板

AlN非天然存在而是人造矿物的一种，于1862年由 Genther等人最早合成。AlN具有纤锌矿型晶体结构（金 刚石结构中两个阵点上的碳原子分别由Al和N置换），为 强共价键化合物，具有轻（密度3.26g/cm3）、高强度、 高耐热性（大约在3060℃）、耐腐蚀等优点。

由于AlN为强共价键，其传热机制为晶格振动（声子）， 且Al和N的原子序数均小，从本性上决定了AlN的高热导 性，热导率的理论值为320W/（m· K）。
AlN基板热导率受残留氧杂质的影响
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图1 流延法制作生片（green sheet）而后制成各类基板的流程图
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图2 流延机结构示意图
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陶瓷多层基板的制作方法：
湿法：在烧成前的生片上，通过丝网印刷形成导体
图形，由陶瓷与导体共烧而成；
干法：在烧成的陶瓷基板上，通过丝网印刷、交互
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（4）应用

混合集成电路用基板 LSI封装用基板 多层电路基板
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a、混合集成电路用基板
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厚膜混合IC用基板： 粗糙度大的价格较低，而且与布线导体间的结合力强等，因此 多采用纯度质量分数为96％的Al2O3基板。 采用丝网印刷法在基板上形成贵金属浆料图形，在烧成过程中， 浆料中的玻璃粘结剂会与基板中的玻璃相起作用。因此Al2O3中 的玻璃相及较粗糙的表面会明显的提高厚膜导体的结合力。 薄膜混合IC用基板： 薄膜厚度一般在数千埃以下，薄膜的物理性能、电气性能等受 基板表面粗糙度的影响很大，特别是对像电容器等采用多层结 构的薄膜元件，影响更大。为了保证表面平滑，可以在厚膜用 Al2O3基板表面被覆一层热膨胀系数与Al2O3基板相同、厚度为 数十微米的玻璃釉。 虽然被釉基板表面变得平滑，但其导热性、耐热性等都低于 Al2O3 。因此，通常采用局部被釉基板。 近年来，在薄膜混合IC中越来越多的采用表面粗糙度小、纯度 99％以上的Al2O3基板。高纯度Al2O3基板烧成状态表面就非常 平滑，由此可形成缺陷较少的高品质薄膜。
W等。上层金属多选用Cu、Au、Ag等电导率高，不易氧化，而且
由热膨胀系数不匹配造成的热应力容易被缓解的延展性金属。
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（3）共烧法

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 烧成为一体结构。 LSI封装及混合电路IC用基板，特别是多层电路基 板，主要是由共烧法来制造，有下列特征： （a）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。 （b）由于绝缘体与导体做成一体化结构，可以实 现气密封装。 （c）通过成分、成形压力、烧结温度的选择可以 控制烧结收缩率。
属后膜共烧浆料；

另一点是，一般说来AlN与金属化层的结合力不
如Al2O3，必须采用特殊玻璃粘结剂的厚膜浆料。
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AlN基板的特性
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AlN材料相对于Al2O3来说，绝缘电阻、绝缘耐压更高些， 介电常数更低些，特别是AlN的热导是Al2O3的10倍左右， 热膨胀系数与Si相匹配，这些特点对于封装基板来说十分 难得。
2、直接氮化法
使Al粉末与N2反应进行直接氮化，而后将生成物粉碎成所需要的 AlN粉末，其反应为 2Al﹢N2→2AlN 该氮化反应为放热反应，一旦反应开始，就不必再提供能量，反 应可自发进行。 这两种方法直到目前仍处于不断完善中。
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AlN陶瓷基板制作方法

Al2O3基板制造的各种方法都可以用于AlN基板的制造。 其中用的最多的是生片叠层法，即将AlN原料粉末、有 机粘结剂及溶剂、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。

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过去虽然在AlN单晶中达到较高的热导率（大约为250 W/（m· K））， 但对于陶瓷材料来说仅达到40～60 W/（m· K），是相当低的。其原因 是原料中的杂质在烧结时因溶于AlN颗粒中产生各种缺陷，或发生反应 生成低热导率化合物，对声子造成散射，致使热导率下降。 为了提高AlN的热导率，必须对陶瓷的微结构进行控制，诸如点阵畸变、 位错、层错、非平衡点缺陷等晶体缺陷，尽量保证晶体结构的完整性， 同时减少气孔、第二相析出等。

但应特别指出的是，由于金属杂质及氧、碳等杂质的含
量及存在状态对AlN基板的热导率有很大影响，必须从 原料粉末的选择和处理、烧结助剂、烧成条件等方面采 取措施，严格控制这些杂质。
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AlN基板金属化
金属化膜的形成，各种方法都可以适用。但有两
点需注意：

一点是AlN的烧成温度很高，必须采用高熔点金
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2、莫来石基板



莫来石（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 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。基于上述理由，作为 Al2O3的替代材料进行过广泛的开发。 莫来石基板的制造及金属化方法基本上与Al2O3所采用 的方法相同。 为了在降低莫来石介电系数的同时，减小其热膨胀系数， 可以添加MgO。由于莫来石的热膨胀系数较低，再通 过添加少量的MgO。确实能减小基板的弯曲变形及应 力。
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b、LSI封装用基板

在陶瓷LSI封装中，前几年几乎都采用Al2O3。利用同时
烧成技术制作的LSI封装，气密性好，可靠性高。

在电子封装从DIP-LCC-PGA-BGA-CSP-裸芯片实装的 整个发展历程中， Al2O3一直起着十分关键的作用。特 别是基于其机械强度高及热导率高两大优势，近年来在 多端子、细引脚节距、高散热性等高密度封装中， Al2O3正发挥着不可替代的作用。
印刷、烧成导体层和绝缘层，或在烧成的陶瓷基板 上，采用厚膜、薄膜混成法形成多层电路图形，再 一次烧结制成多层基板。
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3、陶瓷基板的金属化
（1） 厚膜法 厚膜金属化法：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。 厚膜导体浆料一般由粒度1～5µm的金属粉末， 添加百分之几的玻璃粘结剂，再加有机载体，包 括有机溶剂、增稠剂和表面活性剂等，经球磨混 炼而成。烧成后的导体在其与基板的界面通过不 同的结合机制，与基板结合在一起。

用真空蒸镀、离子镀、溅射镀膜等真空镀膜法进行金属化。
封

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
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对任何基板都可以金属化。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。

在多层结构中，与陶瓷基板相接触的膜金属，一般选用具有充
分的反应性，结合力强的IVB族金属Ti、Zr、及VIB族金属Cr、Mo、
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图3 厚膜导体的断面结构
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对于玻璃系来说，其软化点要选择在粉末金属的烧结温度附近。
在氧化物系中，一般用与陶瓷发生反应形成固溶体的氧化物。例如，
对于Al2O3基板来说，采用CuO及Bi2O3等。一般说来，氧化物系比玻 璃系更容易获得较高的结合力。
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（2） 薄膜法
（3）Al2O3陶瓷基板制作方法
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难熔金属法，作为Al2O3基板表面的金属化方法，是在 1938年由德国的得利风根公司和西门子公司分别独立 开发的。按难熔金属种类，分Mo法，Mo-Mn法和MoTi法等。 Mo-Mn法是以耐热金属钼（Mo）的粉末为主成分，副 成分采用易形成氧化物的锰（Mn）粉末，是二者均匀 混合制成浆料，涂布在预先经表面研磨及表面处理的 Al2O3基板表面，在加湿氢气气氛中经高温烧成金属化 层。 在本方法中，Mn及气氛中的水起着重要的作用，Mn被 水分氧化成MnO，MnO与Al2O3反应生成MnO· Al2O3 （MnAl2O4），作为中间层增加了金属化层与Al2O3基 板的结合力，化学反应式为 Mn +H2O→MnO+H2 MnO+Al2O3 →MnO·Al2O3 但是，这样获得的导体膜直接焊接比较困难，一般要在 其表面电镀Ni, Au, Ag等。

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二、各类陶瓷基板
1、氧化铝基板 ----氧化铝（Al2O3）价格较低，
从机械强度、绝缘性、导热性、耐热性、耐热 冲击性、化学稳定性等方面考虑，其综合性能 好，作为基板材料，使用最多，其加工技术与 其他材料相比也是最先进的。
（1） Al2O3原料的典型制造方法： Buyer法 金属铝液重熔法
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一、陶瓷基板概论
陶瓷基板同由树脂材料构成的PWB相比：

耐热性好，


热导率高
热膨胀系数小
板


微细化布线较容易
尺寸稳定性高点
它作为 LSI 封装及混合电路 IC 用基板得到广泛应
用。（多层布线陶瓷基板）
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1 、 作为陶瓷基板应具有的条件
①
电路布线的形成
介电损耗要小；
上述性质不随温度和湿度的变化而变化。
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（3）热学性质
耐热性
高导热率
低热膨胀系数：基板与硅的热膨胀系数
（后者大约为3×10-6/℃）尽量接近
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陶瓷基板的应用分两大类：

一类主要要求适用于高速器件，采用介电系
数低、易于多层化的基板（如Al2O3基板，
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C、多层电路基板
由Al2O3陶瓷多层电路基板与聚酰 亚胺多层薄膜布线板构成的复合 基板。信号线采用聚酰亚胺绝缘 层薄膜多层布线，由于聚酰亚胺 的介电常数低，可提高信号传输 速度。
IBM308X系列的TCM（thermal conduction module）的Al2O3多层 电路基板 NEC开发的100mm×100mm的Al2O3 多层电路基板
影响AlN陶瓷热导率的各种因素
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AlN粉末制作方法
1、还原氮化法
以Al2O3为原料，通过高纯碳还原，再与N2反应形成AlN,其反应为 Al2O3﹢3C﹢N2→2AlN﹢3CO↑ 该反应为吸热反应，为维持反应进行要持续加热。一般所采用的 Al2O3原料粉末粒径小、粒度分布整齐，因此由还原氮化法比较容 易获得粒径小、粒度分布一致性好的AlN粉末。
无 机 封 装 基 板 日立公司开发的莫 来石多层电路基板 已用于大型计算机，
这种基板由W做导
体层，共44层，在 这种基板上还搭载
了以莫来石为基板
材料、由7层W导体 层构成的芯片载体。
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3、氮化铝（AlN）基板
氮化铝的热导率是Al2O3的十倍以上，CTE与硅片相匹 配，这对于大功率半导体芯片的封装及高密度封装无疑是 至关重要的，特别是作为MCM封装的基板具有良好的应 用前景。
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（2）α-Al2O3 的晶体结构
铝离子与氧离子之间为 强固的离子键，每个铝 原子位于由6个氧原子 构成的八面体的中心。 因此，α-Al2O3结构的
充填极为密实，铝与氧
靠离子间的库仑力相结 合，因此，Al2O3的物
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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基板主要作用是搭载电子元件或部件，实现相互之间 电器连接，因此导体电路布线很重要。
陶瓷基板电路布线方法：

薄膜光刻法
基本表面平滑
化学性能稳定
微细图形与基板之间良好的附着


厚膜多次印制法 同时烧成法
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（2）电学性质
对基板电学性质的要求：

绝Biblioteka Baidu电阻高；
介电常数要低（信号传输速度高）；
玻璃陶瓷共烧基板等），
另一类主要适用于高散热的要求，采用高热 导率的基板（如AlN基板、 BeO基板等）。
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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：容易实现多层化且生产效率较高 射出成形