厚膜混合集成电路课件第21章

第二章厚膜元件与材料2.1厚膜基板2.2厚膜导体与材料2.3厚膜电阻及材料2.4厚膜介质材料2.5厚膜铁氧体磁性材料及厚膜电感器2.6其他厚膜材料第二章厚膜元件与材料2.1厚膜基板12.1厚膜基板一、基板的作用与要求1.作用承载作用：厚膜元件、外贴元器件、互连导体以及整个电路；绝缘作用：提供元器件之间的电绝缘；导热、散热作用：将元器件工作时产生的热量即时散发出去；2.1厚膜基板一、基板的作用与要求2厚膜混合集成电路课件第21章3厚膜混合集成电路课件第21章4

2、要求基板的性能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。基板要求:1）表面性能表面平整、光滑，具有适当的表面光洁度。2）电性能ρv、ρs高，tgδ小，保证绝缘性能。2、要求53）热性能导热性高基板的热膨胀系数应与电路所用的材料相匹配。4）机械性能机械强度和硬度高---能经受机械振动、冲击和热冲击良好的加工性能---切割、加工和钻孔等

3）热性能65）化学性能化学稳定性高--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。6）其他性能耐高温，经受多次高温烧结不变形;成本要低;重量轻;5）化学性能7二、常用的基板材料常用基板种类：陶瓷基板；金属（包括金属芯型）基板；树脂基板；二、常用的基板材料常用基板种类：8氧化铝陶瓷基板金属基板氧化铝陶瓷基板金属基板9树脂基板树脂基板101、陶瓷基板：

优点：耐高温（1000℃），热胀系数小，导热性好，绝缘强度高。

缺点：脆、易碎。

种类：氧化铝陶瓷（Al2O3）、氧化铍（BeO）、氮化铝（AlN）、碳化硅（SiC）、多层陶瓷基板。1、陶瓷基板：111）氧化铝基板：主要成分Al2O3，Al2O3含量越高，基板性能（电性能、机械强度、表面光洁度等）越好。但烧结温度高、价格贵。厚膜电路一般采用94～Al2O3瓷（晶粒尺寸3～5μm）。85瓷和75瓷性能较前者稍差，但成本较低，所以目前国内外也有采用。1）氧化铝基板：12氧化铝基板的性能氧化铝基板的性能13热导率和氧化铝含量的关系热导率和氧化铝含量的关系14优点：价格适中；各种性能基本满足厚膜电路的要求；与厚膜混合集成电路相容性比较好，目前使用最广泛；缺点：热导率没有氧化铍基板、氮化铝基板高。优点：152）氧化铍基板：优点：热导率高（常温下2.64J/cm·℃·s），仅次于银、铜、金与铝相近，为氧化铝的10倍；体积电阻率大；介电系数小、高频下损耗小、适于高频、大功率电路；能与大多数厚膜浆料相容。2）氧化铍基板：16缺点：粉末有毒，价格较贵、机械强度不如氧化铝。

如果不考虑成本和毒性，氧化铍是一种理想的基片材料。

厚膜混合集成电路课件第21章17密度（g/cm3)2.95抗弯强度(N/cm2)18620热胀系数(×10-6)8.5热导率(J/cm·℃·ｓ）2.64介电常数(J/cm·℃·ｓ）6.8介电损耗（×10-４）2体电阻率（Ω·cm）1017（25℃）绝缘强度（ｋＶ/cm）与基板的厚度有关最高使用温度(℃）1800氧化铍（９９.５％）基板的性能密度（g/cm3)2.95抗弯强度(N/cm2)1862018氧化铍陶瓷有负的电阻率温度系数。99.5%氧化铍电阻率与温度的关系氧化铍陶瓷有负的电阻率温度系数。99.5%氧化铍电阻率与温度19厚膜混合集成电路课件第21章203）氮化铝基板是一种新型陶瓷基板。优点：热导率高（与99.5%BeO陶瓷大致相同，为氧化铝的8～10倍）；热导率与温度的关系比氧化铍瓷小；抗弯强度大、硬度小、机械加工比较容易（抗弯强度比氧化铝大但硬度仅为氧化铝的一半）；3）氮化铝基板21热胀系数比氧化铍小（4.4ppm/℃），与Si接近，这有利于组装大规模IC芯片；与Au、Ag-Pd和Cu浆料的相容性较好，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厚膜IC。缺点：

成本高；对杂质含量敏感；热胀系数比氧化铍小（4.4ppm/℃），与Si接近，22AlNAl2O3BeO密度（g/cm3)3.33.92.9抗弯强度(N/cm2)392002352018620热胀系数(×10-6)4.57.38热导率(J/cm·℃·ｓ）1~1.60.22.51介电常数(J/cm·℃·ｓ）8.88.56.5介电损耗（×10-４）5~1035体电阻率（Ω/cm）＞101４＞101４＞1014绝缘强度（ｋＶ/cm）140~170100100氧化铝、氧化铍、氮化铝基板性能比较AlNAl2O3BeO密度（g/cm3)3.33.92.9抗23氧化铝、氮化铝、氧化铍的热导率与温度的关系氧化铝、氮化铝、氧化铍的热导率与温度的关系24几种陶瓷基板热膨胀系数的比较几种陶瓷基板热膨胀系数的比较254）碳化硅基板：以α-SiC为主，掺以微量BeO(0.1-0.35%)的新型基板。优点：热导率是金属铝的1.2倍，比BeO瓷还要高，从热扩散系数、热容量看该基板传热比Cu还要好。SiC基板的抗弯强度为44100N/㎝2与氧化铝相近。4）碳化硅基板：26热胀系数与单晶硅几乎相同，所以适合组装大规模IC芯片。缺点体积电阻率比氧化铝和氧化铍低。介电系数高，因此高频性能不如氧化铝。热胀系数与单晶硅几乎相同，所以适合组装大规模IC芯片。27新型SiC陶瓷与其它材料的性能比较

性能材料热导率(J/cm·℃·ｓ)体电阻率（Ω/cm）热胀系数0~400℃(×10-6/℃)介电常数（室温，1MHz）新型SiC陶瓷2.714×10133.740一般SiC陶瓷0.67＜10134.2-BeO陶瓷2.41＞101386.8Al2O3陶瓷0.17＞10146.88.5Si单晶1.283.5～4.0119新型SiC陶瓷与其它材料的性能比较性能热导率(J/cm·285）多层陶瓷基板：为了提高组装密度，使电路高密度化、小型化、高速化而研制的陶瓷基板（多为氧化铝瓷）。

多层化的方法有三种：

5）多层陶瓷基板：29a.厚膜多层法：在氧化铝基板上交替印烧导体（Au、Ag-Pd等）和介质浆料。特点：制造灵活性大;可在空气中烧结，温度＜1000℃;层内含电阻、电容等，制造过程容易实现自动化。缺点：

制作微细线困难，层数也不能太多；可焊性、密封性不如其它二种方法。

a.厚膜多层法：30厚膜电路底层布图

厚膜电路介质层布图

厚膜电路底层布图厚膜电路介质层布图31厚膜电路顶层布图厚膜电路顶层布图32b.印刷多层法：将与生基板成分相同的氧化铝制成浆料；交替在氧化铝基板上印刷和干燥Mo、W等导体以及氧化铝介质浆料；（此时各层间的印刷导体就可以通过层间的通孔实现层间连接）。在1500～1700℃的还原气氛中烧成；在烧成导体部分镀Ni、Au形成焊接区；b.印刷多层法：33c.生基板叠层法：在生基板上冲好通孔；在生基板上印刷Mo、W等导体；

重叠所需层数，在490-1470N/cm2压力和80–150℃下叠压；在1500-1700℃的还原气氛中烧成。

在烧结过程中，薄片里的SiO2、CaO、MgO扩散到导体层中形成中间层，从而可得牢固的结合强度

c.生基板叠层法：34优点：（后两种二种方法）＊利用生基板有柔软性、容易吸收有机溶剂的特性，可印出高分辨率的微细线，容易实现多层化和高密度布线。＊由于导体和绝缘层烧结成整体，所以密封性好，可靠性高。缺点：设计灵活性不如厚膜多层法，烧结温度也偏高。

优点：（后两种二种方法）352.金属基板陶瓷基板缺点：脆、易碎。

不易制成大面积的基板，为此开发了金属基板。

金属基板：在金属板（主要是钢板和铝板）上涂复绝缘膜而成。2.金属基板陶瓷基板缺点：脆、易碎。36金属铝基板金属铝基板37优点：价格比陶瓷低；

散热性良好；

加工和成形简单，可用于通孔连接；

缺点：通孔周围和基板边缘的釉层会凸起，影响

印刷；

釉层中的碱离子也会发生迁移；

工作温度低600℃

分类：优点：价格比陶瓷低；

散热性良好；

38

1）涂釉钢板低碳钢上涂敷玻璃釉层，850℃烧成

1）392）金属芯基板：

2）金属芯基板：403）衬铜金属基板：

3）衬铜金属基板：414）绝缘金属基板（IMST基板）

4）绝缘金属基板（IMST基板）423、树脂基板

分类：硬质树脂基板柔性树脂基板硬质板的主要材料：纸酚醛树脂、纸环氧树脂、玻璃环氧树脂。柔性板主要材料：聚酯、聚酰亚胺、玻璃环氧树脂等。3、树脂基板43厚膜混合集成电路课件第21章44优点：加工简便；成本低；可电镀制作细线，适于自动化生产。缺点：耐热性差；热冲击性差；高温下的化学稳定性差。优点：45各种树脂基板的特性性能材料体积电阻率Ω·cm介电常数耐热性℃/min热导率J/cm·℃·ｓ尺寸精度%纸酚醛树脂1013-10144.2-4.8130/30-0.1纸环氧树脂1013-10144.3-4.8130/30-0.1耐热玻璃环氧树脂5×1015-164.6-5.0300/30S2.9×10-30.05玻璃聚酰亚胺3×1015-164.6-5.0300/2-0.04聚酯4×10153.1130/240-0.2各种树脂基板的特性性能体积电介电常数46小结掌握厚膜基板种类、作用、基本要求、各类基板的主要性能。小结47作业1、基板在厚膜电路中起什么作用？基板的性能对电路有什么影响？2、厚膜电路中使用的基板有哪些?各有什么特点？作业48THANKYOUTHANKYOU49第二章厚膜元件与材料2.1厚膜基板2.2厚膜导体与材料2.3厚膜电阻及材料2.4厚膜介质材料2.5厚膜铁氧体磁性材料及厚膜电感器2.6其他厚膜材料第二章厚膜元件与材料2.1厚膜基板502.1厚膜基板一、基板的作用与要求1.作用承载作用：厚膜元件、外贴元器件、互连导体以及整个电路；绝缘作用：提供元器件之间的电绝缘；导热、散热作用：将元器件工作时产生的热量即时散发出去；2.1厚膜基板一、基板的作用与要求51厚膜混合集成电路课件第21章52厚膜混合集成电路课件第21章53

2、要求基板的性能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。基板要求:1）表面性能表面平整、光滑，具有适当的表面光洁度。2）电性能ρv、ρs高，tgδ小，保证绝缘性能。2、要求543）热性能导热性高基板的热膨胀系数应与电路所用的材料相匹配。4）机械性能机械强度和硬度高---能经受机械振动、冲击和热冲击良好的加工性能---切割、加工和钻孔等

3）热性能555）化学性能化学稳定性高--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。6）其他性能耐高温，经受多次高温烧结不变形;成本要低;重量轻;5）化学性能56二、常用的基板材料常用基板种类：陶瓷基板；金属（包括金属芯型）基板；树脂基板；二、常用的基板材料常用基板种类：57氧化铝陶瓷基板金属基板氧化铝陶瓷基板金属基板58树脂基板树脂基板591、陶瓷基板：

优点：耐高温（1000℃），热胀系数小，导热性好，绝缘强度高。

缺点：脆、易碎。

种类：氧化铝陶瓷（Al2O3）、氧化铍（BeO）、氮化铝（AlN）、碳化硅（SiC）、多层陶瓷基板。1、陶瓷基板：601）氧化铝基板：主要成分Al2O3，Al2O3含量越高，基板性能（电性能、机械强度、表面光洁度等）越好。但烧结温度高、价格贵。厚膜电路一般采用94～Al2O3瓷（晶粒尺寸3～5μm）。85瓷和75瓷性能较前者稍差，但成本较低，所以目前国内外也有采用。1）氧化铝基板：61氧化铝基板的性能氧化铝基板的性能62热导率和氧化铝含量的关系热导率和氧化铝含量的关系63优点：价格适中；各种性能基本满足厚膜电路的要求；与厚膜混合集成电路相容性比较好，目前使用最广泛；缺点：热导率没有氧化铍基板、氮化铝基板高。优点：642）氧化铍基板：优点：热导率高（常温下2.64J/cm·℃·s），仅次于银、铜、金与铝相近，为氧化铝的10倍；体积电阻率大；介电系数小、高频下损耗小、适于高频、大功率电路；能与大多数厚膜浆料相容。2）氧化铍基板：65缺点：粉末有毒，价格较贵、机械强度不如氧化铝。

如果不考虑成本和毒性，氧化铍是一种理想的基片材料。

厚膜混合集成电路课件第21章66密度（g/cm3)2.95抗弯强度(N/cm2)18620热胀系数(×10-6)8.5热导率(J/cm·℃·ｓ）2.64介电常数(J/cm·℃·ｓ）6.8介电损耗（×10-４）2体电阻率（Ω·cm）1017（25℃）绝缘强度（ｋＶ/cm）与基板的厚度有关最高使用温度(℃）1800氧化铍（９９.５％）基板的性能密度（g/cm3)2.95抗弯强度(N/cm2)1862067氧化铍陶瓷有负的电阻率温度系数。99.5%氧化铍电阻率与温度的关系氧化铍陶瓷有负的电阻率温度系数。99.5%氧化铍电阻率与温度68厚膜混合集成电路课件第21章693）氮化铝基板是一种新型陶瓷基板。优点：热导率高（与99.5%BeO陶瓷大致相同，为氧化铝的8～10倍）；热导率与温度的关系比氧化铍瓷小；抗弯强度大、硬度小、机械加工比较容易（抗弯强度比氧化铝大但硬度仅为氧化铝的一半）；3）氮化铝基板70热胀系数比氧化铍小（4.4ppm/℃），与Si接近，这有利于组装大规模IC芯片；与Au、Ag-Pd和Cu浆料的相容性较好，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厚膜IC。缺点：

成本高；对杂质含量敏感；热胀系数比氧化铍小（4.4ppm/℃），与Si接近，71AlNAl2O3BeO密度（g/cm3)3.33.92.9抗弯强度(N/cm2)392002352018620热胀系数(×10-6)4.57.38热导率(J/cm·℃·ｓ）1~1.60.22.51介电常数(J/cm·℃·ｓ）8.88.56.5介电损耗（×10-４）5~1035体电阻率（Ω/cm）＞101４＞101４＞1014绝缘强度（ｋＶ/cm）140~170100100氧化铝、氧化铍、氮化铝基板性能比较AlNAl2O3BeO密度（g/cm3)3.33.92.9抗72氧化铝、氮化铝、氧化铍的热导率与温度的关系氧化铝、氮化铝、氧化铍的热导率与温度的关系73几种陶瓷基板热膨胀系数的比较几种陶瓷基板热膨胀系数的比较744）碳化硅基板：以α-SiC为主，掺以微量BeO(0.1-0.35%)的新型基板。优点：热导率是金属铝的1.2倍，比BeO瓷还要高，从热扩散系数、热容量看该基板传热比Cu还要好。SiC基板的抗弯强度为44100N/㎝2与氧化铝相近。4）碳化硅基板：75热胀系数与单晶硅几乎相同，所以适合组装大规模IC芯片。缺点体积电阻率比氧化铝和氧化铍低。介电系数高，因此高频性能不如氧化铝。热胀系数与单晶硅几乎相同，所以适合组装大规模IC芯片。76新型SiC陶瓷与其它材料的性能比较

性能材料热导率(J/cm·℃·ｓ)体电阻率（Ω/cm）热胀系数0~400℃(×10-6/℃)介电常数（室温，1MHz）新型SiC陶瓷2.714×10133.740一般SiC陶瓷0.67＜10134.2-BeO陶瓷2.41＞101386.8Al2O3陶瓷0.17＞10146.88.5Si单晶1.283.5～4.0119新型SiC陶瓷与其它材料的性能比较性能热导率(J/cm·775）多层陶瓷基板：为了提高组装密度，使电路高密度化、小型化、高速化而研制的陶瓷基板（多为氧化铝瓷）。

多层化的方法有三种：

5）多层陶瓷基板：78a.厚膜多层法：在氧化铝基板上交替印烧导体（Au、Ag-Pd等）和介质浆料。特点：制造灵活性大;可在空气中烧结，温度＜1000℃;层内含电阻、电容等，制造过程容易实现自动化。缺点：

制作微细线困难，层数也不能太多；可焊性、密封性不如其它二种方法。

a.厚膜多层法：79厚膜电路底层布图

厚膜电路介质层布图

厚膜电路底层布图厚膜电路介质层布图80厚膜电路顶层布图厚膜电路顶层布图81b.印刷多层法：将与生基板成分相同的氧化铝制成浆料；交替在氧化铝基板上印刷和干燥Mo、W等导体以及氧化铝介质浆料；（此时各层间的印刷导体就可以通过层间的通孔实现层间连接）。在1500～1700℃的还原气氛中烧成；在烧成导体部分镀Ni、Au形成焊接区；b.印刷多层法：82c.生基板叠层法：在生基板上冲好通孔；在生基板上印刷Mo、W等导体；

重叠所需层数，在490-1470N/cm2压力和80–150℃下叠压；在1500-1700℃的还原气氛中烧成。

在烧结过程中，薄片里的SiO2、CaO、MgO扩散到导体层中形成中间层，从而可得牢固的结合强度

c.生基板叠层法：83优点：（后两种二种方法）＊利用生基板有柔软性、容易吸收有机溶剂的特性，可印出高分辨率的微细线，容易实现多层化和高密度布线。＊由于导体和绝缘层烧结成整体，所以密封性好，可靠性高。缺点：设计灵活性不如厚膜多层法，烧结温度也偏高。

优点：（后两种二种方法）842.金属基板陶瓷基板缺点：脆、易碎。

不易制成大面积的基板，为此开发了金属基板。

金属基板：在金属板（主要是钢板和铝板）上涂复绝缘膜而成。2.金属基板陶瓷基板缺点：脆、易碎。85金属铝基板金属铝基板86优点：价格比陶瓷低；

散热性良好；

加工和成形简单，可用于通孔连接；

缺点：通孔周围