第1章混合集成电路基片2

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热膨胀(thermal expansion)系数
对于可近似看做一维的物体，这时的热膨胀
系数可简化定义为：单位温度变化所导致的 长度的增加量与的原长度的比值，即线膨胀 系数。 单位温度变化所导致的体积变化百分比，即 热膨胀系数。
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几种常用基片材料和铜、铝金属的导热系数与温度的关系
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导热系数定义
复习
一、混合集成电路对基片的要求
1．基片平整度、光洁度高 2．良好的电气性能（绝缘性能） 3．高的导热系数 4．与其他材料相匹配的热膨胀系数 5．良好的机械性能 6．高稳定性 7．良好的加工性能 8．价格便宜

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二、表面缺陷 根据表面缺陷尺度的大小，基片表面缺陷大 致可以分为下面四类： 1 原子尺度的缺陷 2 亚微米尺度的缺陷：抛光划痕等 3 微米尺度缺陷：研磨划痕等 4 宏观缺陷：表面弯曲，烧结是掉在基片上 的融粒。
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氧化铍和一些常用的电子材料的热传导率的比较
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陶瓷和金属的热导率与温度的函数关系
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2. 氧化铍基片的温度特性

在室温和混合电路所能遇到的最高温度下 （约230℃）（例如当再流焊组装时）下， 99.5%氧化铍的绝缘电阻是很好的。与其他 陶瓷，无机材料和塑料一样，氧化铍陶瓷釉 负的电阻率的温度系数，即当温度增加时， 电阻率减小。
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氮化铝基片具有低的热膨胀系数

在高密度电路中使用氮化铝的另一个好处是 其低的热膨胀系数， 约为4ppm/℃） 与硅的热膨胀系数（3ppm/℃）密切匹配。
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氮化铝和其他电子材料的热膨胀与温度的关系的比较 38
氮化铝、氧化铍和氧化铝的热导率作为温度的函数
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氮化铝介电常数作为温度和频率的函数
1.3.2 氧化铍基片

氧化铍（BeO）是一种独特种类的电子材料， 同时具有高的绝缘电阻和高热导率。只有少 数材料能组合这两种截然相反的性能，这类 材料还包括金刚石、氮化铝、单晶氮化硼和 碳化硅等。
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1．氧化铍基片高的热导率
一般说来，好的绝缘体（塑料和陶瓷）具有
很低的到中等的热导率，而导电体（金属） 才有高的热导率。氧化铍的热导率接近于金 属铝，而且具有最好塑料才有的绝缘电阻。 高纯度的氧化铍陶瓷热导率比典型的环氧塑 料高1200倍，比大多数玻璃高200倍，优于 氧化铝陶瓷6~10倍
孔的中心 表面光洁度
薄膜用的氧化铝基片

薄膜用的氧化铝基片一般为99.6%氧化铝基 片。市场上基片的尺寸范围是从0.25 in×0.25 in ~ 4.25 in×4.25 in 。非常小的 电路一般不单个加工，而是在大基片上做成 复合图形进行加工，在基片背面预先划槽， 以便在加工以后能被分开。在基片预先刻槽 的深度约为基片厚度的1/3。基片厚度为 0.005~0.050 in, 常见为0.01 in 和0.025 in。
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薄膜用和厚膜用的氧化铝基片比较
特性 96%氧化铝（用于厚 99.6氧化铝（用于薄膜） 膜）
颗粒尺寸（μm）
表面光洁度（μin CLA） 翘度（mil/in） 抗弯强度（psi） 比重（g/cm3） 热导率（cal/cm.s.℃） 热膨胀率（ppm/℃,20～ 300℃） 介电常数（1 MKZ） 损耗因数（1 MKZ）
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10 ~ 25 约4 40 000 ~ 50 000 3.75 0.04 ~ 0.08 6.7 ~ 6.8
<1.2
1~6 约2 70 000 ~ 80 000 3.8 0.09 6.3 >1014 9.8 ~ 9.9 0.0001
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体电阻率（Ω.cm，300℃) 1014 9.4 0.0002
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1. Alumina ( Al2O3 substrate )
Al2O3
substrate is the most popular ceramic substrate, with excellent heat resistance high, mechanical strength , abrasion resistance and small dielectric loss . The surface of alumina substrate is quite smooth and low porosity , 99.6% alumina substrate is suitable for thin film device , 96% alumina substrate is suitable for thick film device application .
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99.5%氧化铍电阻率与温度的关系
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3. 氧化铍基片的击穿强度

氧化铍陶瓷的击穿强度大于混合电路应用所 要求的数值，它的范围决定于厚度，为 600~800V/mil。如塑料一样，击穿强度是 随样品厚度增加而减小。 。
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99.5%氧化铍介电强度与厚度的关系
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4. 氧化铍基片的介电常数K和损耗因数
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96%即烧的氧化铝基片的尺寸公差
外边尺寸（长或宽） 厚度 ±1% 不小于±0.003 in ±10% 不小于±0.0015in ≤0.004 in/in ≤0.003 in/in 0.003~0.004 in/in 0.002 in/in(特殊) ±1% ≤25μin CLA
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垂直边 边线直度 翘度
22.3
8.0 9.5 >1014
29.5
8.2 9.8 >1014
160 -190
4.6 8.7 >1014
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氧化铝粉末
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氧化铝块
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薄膜电路要求基片的氧化铝含量大于99.6%
（重量百分比）和表面光洁度1~6μin CLA(中 心线平均值)，
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薄膜电路使用的99.6%氧化铝基片的SEM照片
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厚膜电路要求氧化铝基片含量在94%~96%和
表面光洁度15~25μin CLA。
氧化铍陶瓷的介电常数K和损耗因数优于 （低于）氧化铝陶瓷。99.5氧化铍的K值是 6.7，而相等纯度的氧化铝的K值是9.9。在 很宽的频率范围内（1kHz ~ 10GHz），氧 化铍陶瓷的K值和损耗因数十分稳定。
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5. 氧化铍基片的缺点

氧化铍陶瓷的成本比较高，并有一定的毒性。
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1.3.3氮化铝基片
3
翘度
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四、基片的电气特性(electrical characteristics) 1. 体电阻率 要求大 2. 小的介电常数（dielectric constant）和低的 介电损耗(dielectric loss)
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五、基片的热学性质与力学性质 1. 热膨胀系数要求匹配 2. 导热系数要求大 3. 有一定的机械强度
掌握常用基片材料的热学性能和电学性能。
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1.3 常用基片材料
混合电路中广泛使用的基片是氧化铝陶瓷。
其次，也使用氧化铍和氮化铝陶瓷基片，氧 化铍和氮化铝基片仅限用于要求大约十倍或 更高热导率基片的大功率电路。
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1.3.1 氧化铝基片

氧化铝基片可用于薄膜电路和厚膜电路， 但薄膜电路所用到的氧化铝基片在质量和等 级必须有明显的差别。因为薄膜电路主要用 于精密、小间隙导线，小公差、高稳定电阻 的高密度的电路中，所以氧化铝的纯度和表 面光洁度必须有很高的等级。
导热系数（thermal
conductivity）是指在稳 定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温 差为1度（K,℃），在1小时内，通过1平方米 面积传递的热量，单位为瓦/米•度 （W/m•K， 此处为K可用℃代替）。
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第一章 混合集成电路的基片 1.3 常用基片材料
主要教学知识或能力要求
氮化铝（AlN）作为基片和封装材料已得到重
视，特别是作为高功率混合微电路和高密度 多芯片模块。
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氮化铝基片
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1. 氮化铝基片具有高的热导率

使用氮化铝的主要好处是它的高热导率 （170 ~ 200 W/m· K）与优良电器机械性能 组合。在这一点上，氮化铝类似于氧化铍， 但不像氧化铍那样有毒性。 。
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2. Aluminium Nitride ( AlN substrate )
Aluminium
Nitride has higher ther来自百度文库al conductivity , compared to alumina substrate. It is about 7 to 8 times high . AlN substrate is an excellent electronic package material .
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厚膜电路使用的96%氧化铝基片的SEM照片
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厚膜用的氧化铝基片
96%氧化铝基片--—有高的抗弯、抗压强度
和良好的热导率（约为铝的1/7）。基片有即 烧的基片，也有经过研磨和抛光的基片。经 过研磨和抛光的基片尺寸公差较小，可达 ±0.001 in或甚至达±0.0005 in。翘度为 0.001 in/in或甚至达0.0005 in/in。但其成本 比即烧的要高5~7倍
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三、描述基片的几何特征尺寸的参数 1. 表面粗糙度（光洁度） Surface roughness (smoothness) 粗糙度（光洁度）—— 与横贯表面上峰点和 谷点中心线的平均偏差，单位为μin 。 2. 翘度 camber 翘度 —— 基片最高点与最低点的距离除以发生 翘曲方向上的最大的尺寸，单位为in/in或 mil/in。
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Ceramic Substrates Properties
Materials Color Density (g/cm 3 ) Al2O3 96% White 3.72 99.6% White 3.85 LAN Gray 3.3
Thermal conductivity (W/m. K)
Thermal Expansion (x10 -6 / oC) Dielectric Constant (at 1MHZ) Volume Resistivity (ohm-m)