数字电子技术Chapter 2

1、第二章第二章 基基 片片第第2章章 基基 片片PCB电路基片电路基片第第2章章 基基 片片IC电路基片电路基片2.1 功功 能能混合电路基片的三种主要功能：混合电路基片的三种主要功能：装配器件的机械支撑装配器件的机械支撑电气互连图案和批量制造膜电阻器的基底电气互连图案和批量制造膜电阻器的基底器件散热的媒质器件散热的媒质树脂基板树脂基板金属铝基板金属铝基板氧化铝陶瓷基板氧化铝陶瓷基板2.1 功功 能能基板的性能基板的性能对厚膜元件和整个电路性能、工艺有很大的影对厚膜元件和整个电路性能、工艺有很大的影响，特别在可靠性和工艺重现性等方面关系十分密切。响，特别在可靠性和工艺重现性等方面关系十分密切。基

2、本要求基本要求：表面平整、光滑，具有表面平整、光滑，具有适当的表面光洁度。适当的表面光洁度。v 、s 高，高，tg小，小，保证绝缘性能保证绝缘性能。基板的基板的热膨胀系数热膨胀系数应与电路所用的材料相应与电路所用的材料相匹配匹配。机械强度和硬度高机械强度和硬度高-能经受机械振动、冲击和热冲击良能经受机械振动、冲击和热冲击良好的加工性能好的加工性能-切割、加工和钻孔等。切割、加工和钻孔等。化学稳定性高化学稳定性高-不受各种化学试剂和溶剂的影响。与电不受各种化学试剂和溶剂的影响。与电路材料有很好的相容性。路材料有很好的相容性。耐高温耐高温，经受多次高温烧结不变形，经受多次高温烧结不变形;成本要低；

3、重量轻。成本要低；重量轻。表面粗糙度（光洁度）表面粗糙度（光洁度）：与横贯表面上峰点和谷点中心线：与横贯表面上峰点和谷点中心线的平均偏差，单位为的平均偏差，单位为in。中心线的平均值（中心线的平均值（CLA）：若表面轮廓线用金刚石记录针：若表面轮廓线用金刚石记录针（表面光洁度仪）记录，画一任意线，使线上面峰的面积等（表面光洁度仪）记录，画一任意线，使线上面峰的面积等于线下面谷的面积，则距这线的平均偏差叫中心线平均值。于线下面谷的面积，则距这线的平均偏差叫中心线平均值。2.2 表面特性表面特性 2.2.1 表面粗糙度表面粗糙度u当薄膜电阻做在粗糙的表面上时，有较大的可能形成不当薄膜电阻做在粗糙的

4、表面上时，有较大的可能形成不完全的、有微裂的、应力的和不连续的膜，这种问题对完全的、有微裂的、应力的和不连续的膜，这种问题对厚膜不存在，它的厚度范围从厚膜不存在，它的厚度范围从0.5mil到几到几mil,这样它完这样它完全覆盖住粗糙的表面。全覆盖住粗糙的表面。图图2-1 用于薄膜电路的用于薄膜电路的99.6%的氧的氧化铝陶瓷基片表面粗糙度轮廓曲线化铝陶瓷基片表面粗糙度轮廓曲线图图2-2 用于厚膜电路的用于厚膜电路的99.6%的氧的氧化铝陶瓷基片表面粗糙度轮廓曲线化铝陶瓷基片表面粗糙度轮廓曲线 2.2.1 表面粗糙度表面粗糙度 2.2.2 翘翘 度度翘度翘度：基片的翘曲或与完美：基片的翘曲或与完

5、美的平面总偏差。翘度可以用的平面总偏差。翘度可以用总翘曲（单位用总翘曲（单位用in或或mil）除以基片发生翘曲的方向上除以基片发生翘曲的方向上的最大尺寸来进行标准化表的最大尺寸来进行标准化表达。对方形可长方形式的基达。对方形可长方形式的基片，翘度是对角线的距离。片，翘度是对角线的距离。如图如图2-3所示。所示。图图2-3 翘度翘度 2.2.3 颗粒的粒度颗粒的粒度S颗粒的颗粒的尺寸尺寸和每单位面积内颗粒的和每单位面积内颗粒的数量数量，可以，可以影响影响陶瓷表面的陶瓷表面的光洁度光洁度和气相沉积的金属化薄膜的和气相沉积的金属化薄膜的附着力附着力。S颗粒的颗粒的尺寸尺寸和和密度密度由陶瓷配方中由陶

6、瓷配方中氧化物杂质的性氧化物杂质的性质质和和数量数量及及烧成条件烧成条件所决定。所决定。注意：注意：n过烧过烧会产生大的颗粒结构和粗糙的陶瓷表面。会产生大的颗粒结构和粗糙的陶瓷表面。n氧化钠或氧化钾氧化钠或氧化钾会产生大的颗粒尺寸和多孔的陶瓷，会产生大的颗粒尺寸和多孔的陶瓷，应避免应避免。n氧化镁和氧化硅氧化镁和氧化硅可促成可促成细的细的颗粒结构，并有颗粒结构，并有利于形成金属化薄利于形成金属化薄膜附着膜附着的化学机理。的化学机理。2.3 氧化铝基片氧化铝基片图图2-4氧化铝陶瓷基板氧化铝陶瓷基板氧化铝陶瓷广泛用于薄膜电路和厚膜电路氧化铝陶瓷广泛用于薄膜电路和厚膜电路图图2-5 薄膜电路使用薄

7、膜电路使用的的99.6%氧化铝基片的氧化铝基片的SEM图图图图2-6 厚膜电路使用的厚膜电路使用的99.6%氧化铝基片的氧化铝基片的SEM图图2.3 氧化铝基片氧化铝基片氧化铝基片氧化铝基片：主要成分主要成分Al2O3 ，Al2O3含量越高，基含量越高，基板性能（电性能、机板性能（电性能、机械强度、表面光洁度械强度、表面光洁度等）越好。但烧结温等）越好。但烧结温度高、价格贵。度高、价格贵。厚膜电路一般采用厚膜电路一般采用 94Al2O3瓷（晶粒瓷（晶粒 尺寸尺寸35m）。）。85瓷和瓷和75瓷性能较瓷性能较 前者稍差，但成本较前者稍差，但成本较 低，所以目前国内外低，所以目前国内外 也有采用。

8、也有采用。图图2-7 热导率与氧化铝含量百分数热导率与氧化铝含量百分数优点优点：价格适中，基本满足厚膜电路的要求，与：价格适中，基本满足厚膜电路的要求，与厚膜混合集成电路厚膜混合集成电路相容性比较好相容性比较好。缺点缺点：热导率热导率没有没有氧化铍基板氧化铍基板、氮化铝氮化铝基板高。基板高。2.3 氧化铝基片氧化铝基片氧化铝基片的性能氧化铝基片的性能2.4 氧化铍基片氧化铍基片u热导率高（常温下热导率高（常温下2.64J/cm s），仅次于银、铜、金），仅次于银、铜、金 与铝相近，为氧化铝的与铝相近，为氧化铝的10倍；体积电阻率大；倍；体积电阻率大；u介电系数小、高频下损耗小、适于高频、大功率

9、电路；介电系数小、高频下损耗小、适于高频、大功率电路；u能与大多数厚膜浆料相容。能与大多数厚膜浆料相容。优优 点点粉末有毒，价格较贵，机械强度不粉末有毒，价格较贵，机械强度不如氧化铝。如氧化铝。 缺缺 点点如果不考虑成本和毒性，氧化铍是一种理想的基片材料如果不考虑成本和毒性，氧化铍是一种理想的基片材料密度（密度（g/cm3)2.95抗弯强度抗弯强度(N/cm2)18620热胀系数热胀系数(10-6)8.5热导率热导率 (J/cm）2.64介电常数介电常数(J/cm）6.8介电损耗（介电损耗（ 10- ）2体电阻率体电阻率（ cm）1017（25）绝缘强度（绝缘强度（/cm）与基板的厚度有关与基

10、板的厚度有关最高使用温度最高使用温度(）18002.4 氧化铍基片氧化铍基片氧化铍基片的性能氧化铍基片的性能图图2-8 99.5%氧化铍氧化铍介电强度与厚度的关系介电强度与厚度的关系图图2-9 99.5%氧化铍氧化铍电阻率与温度的关系电阻率与温度的关系氧化铍陶瓷有负的电氧化铍陶瓷有负的电阻率温度系数阻率温度系数2.4 氧化铍基片氧化铍基片2.4 氧化铍基片氧化铍基片图图2-10 陶瓷和金属的热导率与温度的函数关系陶瓷和金属的热导率与温度的函数关系2.5 氮化铝基片氮化铝基片热导率高（与热导率高（与99.5%BeO陶瓷大致相同，陶瓷大致相同， 为氧化铝的为氧化铝的810倍）；倍）；热导率与温度的

11、关系比氧化铍瓷小；热导率与温度的关系比氧化铍瓷小；抗弯强度大、硬度小、机械加工比较抗弯强度大、硬度小、机械加工比较 容易（抗弯强度比氧化铝大但硬度仅容易（抗弯强度比氧化铝大但硬度仅 为氧化铝的一半）；为氧化铝的一半）；热胀系数比氧化铍小（热胀系数比氧化铍小（4.4ppm/），）， 与与Si接近，这有利于组装大规模接近，这有利于组装大规模IC芯片；芯片；与与Au、Ag-Pd和和Cu浆料的相容性较好，浆料的相容性较好， 可作高频、大功率电路基板，还适于高可作高频、大功率电路基板，还适于高 密度、大功率的微波电路以及大规模密度、大功率的微波电路以及大规模 厚膜厚膜IC。优优 点点缺点缺点：成本高；成

12、本高；对杂质含对杂质含量敏感量敏感2.5 氮化铝基片氮化铝基片AlNAl2O3BeO密度（密度（g/cm3)3.33.92.9抗弯强度抗弯强度(N/cm2)392002352018620热胀系数热胀系数(10-6)4.57.3 8热导率热导率(J/cm）11.60.22.51介电常数介电常数(J/cm）8.88.56.5介电损耗（介电损耗（10-）51035体电阻率（体电阻率（/cm）1011011014绝缘强度（绝缘强度（/cm）140170100100氧化铝、氧化铍、氮化铝基板性能比较氧化铝、氧化铍、氮化铝基板性能比较2.5 氮化铝基片氮化铝基片图图2-11 氮化铝和其它陶瓷的氮化铝和其它

13、陶瓷的热膨胀与温度的关系的比较热膨胀与温度的关系的比较图图2-13 氮化铝、氧化铍、氮化铝、氧化铍、氧化铝的热导率作为温度的函数氧化铝的热导率作为温度的函数2.6 金属金属-陶瓷复合材料基片陶瓷复合材料基片定义：金属定义：金属-陶瓷结合的材料。陶瓷结合的材料。最常用金属矩阵复合物：碳化硅最常用金属矩阵复合物：碳化硅/铝、铜铝、铜/金刚石金刚石工艺：将熔融的金属铝注入到多孔的碳化硅中，采用流工艺：将熔融的金属铝注入到多孔的碳化硅中，采用流 延法或干压法形成所需形成。延法或干压法形成所需形成。工艺过程工艺过程优点：优点：将金属的高热导率和陶瓷可剪裁的低膨胀系数相结合。将金属的高热导率和陶瓷可剪裁的

14、低膨胀系数相结合。提供了更强的硬度和更轻的重量。提供了更强的硬度和更轻的重量。制造净形产品的能力，不需要再进行机械加工。制造净形产品的能力，不需要再进行机械加工。缺点：缺点：高电导率、高成本。高电导率、高成本。不能共烧，因此不能做成多层电路基片。不能共烧，因此不能做成多层电路基片。u最先进且被广泛研究的复合材料基片碳化硅最先进且被广泛研究的复合材料基片碳化硅-铝（铝（SiC/Al）2.6 金属金属-陶瓷复合材料基片陶瓷复合材料基片2.7 陶瓷基片的制造陶瓷基片的制造生产氧化铝及陶瓷基片有两种方法：生产氧化铝及陶瓷基片有两种方法：干压法干压法：混合的陶瓷配方在金属模具中：混合的陶瓷配方在金属模具

15、中10000-20000psi压力压力压制盛开成形，然后烧结。制备尺寸精确，机械强度高。压制盛开成形，然后烧结。制备尺寸精确，机械强度高。流延法流延法：将配制的陶瓷料铸成薄片，干燥成为柔软的生坯：将配制的陶瓷料铸成薄片，干燥成为柔软的生坯带状态，切成所需要的尺寸，然后烧结。带状态，切成所需要的尺寸，然后烧结。2.8 上釉的金属基片上釉的金属基片l相比于陶瓷基片有以下优点：相比于陶瓷基片有以下优点：基片不易折断、开裂或掉屑，基片不易折断、开裂或掉屑，它们是抗冲击的。它们是抗冲击的。基片在上釉前能冲成小片或基片在上釉前能冲成小片或切成各种不规则的形状尺寸，切成各种不规则的形状尺寸，钻上小孔。钻上小

16、孔。金属芯可当做内部散热板。金属芯可当做内部散热板。金属芯（特别是钢）比陶瓷金属芯（特别是钢）比陶瓷便宜。便宜。金属芯可作为内部的接地平金属芯可作为内部的接地平面。面。介电常数介电常数822损耗因数（损耗因数（%）0.10.64击穿电压（击穿电压（V/mil）55675表面绝缘电阻（表面绝缘电阻（）110721012体积绝缘电阻（体积绝缘电阻（）110771011厚度（厚度（mil）56上釉基片上釉基片也叫瓷化基片或上釉金属也叫瓷化基片或上釉金属 基片。涂覆瓷釉性能如下表所示。基片。涂覆瓷釉性能如下表所示。2.8 上釉金属基片上釉金属基片 陶瓷基板缺点：脆、易碎。陶瓷基板缺点：脆、易碎。 上釉

17、金属基片：也叫瓷化基片或上釉基片。在金属板（主要上釉金属基片：也叫瓷化基片或上釉基片。在金属板（主要 是钢板和铝板）上涂复绝缘膜而成。是钢板和铝板）上涂复绝缘膜而成。上釉金属基片上釉金属基片适用于传真机、各类感热适用于传真机、各类感热记录仪、微波介质滤波器、记录仪、微波介质滤波器、振荡器和微波集成电路。振荡器和微波集成电路。 柔性基片柔性基片分类：硬质树脂基板分类：硬质树脂基板 柔性树脂基板柔性树脂基板韩国三星电子开发出了厚度仅为韩国三星电子开发出了厚度仅为1.8mm的的10.1英寸液晶面板，开发品采用厚度英寸液晶面板，开发品采用厚度为为0.09mm的树脂基板。以的树脂基板。以+220以下以下的工艺形成了非晶硅的工艺形成了非晶硅TFT。 利用精密模具挤压成形，树脂板多层结合，利用精密模具挤压成形，树脂板多层结合，轻易形成最小宽为轻易形成最小宽为50m的微細流路。的微細流路。 激光微细熔覆布线技术实现无掩模下导线制备激光微细熔覆布线技术实现无掩模下导线制备 环氧树脂基板导线环氧树脂基板导线2.9 质量保证和测试方法质量保证和测试方法表面特性（