5第五讲_无机封装基板.ppt

1、无 机 封 装 基 板,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 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）,1 、 作为陶瓷基板应具有的条件,电路布线的形成 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 厚膜多次印制法 同时烧成法,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,（2）电学性质,对基板电学性质的要求： 绝缘电阻高； 介电常数要低（信号传输速度高）； 介电损耗要小； 上述性质不随温度和

2、湿度的变化而变化。,（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310-6/）尽量接近,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，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）。,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,图1 流延法制作生片（green sheet）而后制成各类基板的流程图,图2 流延机结构示意图,陶瓷

3、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。,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15m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。,图3 厚膜导体

4、的断面结构,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。,（2） 薄膜法,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、W等。上层金

5、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。,（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。,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

6、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,（2）-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，-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。,（3）Al2O3陶瓷基板制作方法,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

7、，分Mo法，Mo-Mn法和Mo-Ti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MnOAl2O3（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 +H2OMnO+H2 MnO+Al2O3 MnOAl2O3 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。,（4）应

8、用,混合集成电路用基板 LSI封装用基板 多层电路基板,a、混合集成电路用基板,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Al2O

9、3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。,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

10、封装中， Al2O3正发挥着不可替代的作用。,b、LSI封装用基板,C、多层电路基板,NEC开发的100mm100mm的Al2O3多层电路基板,IBM308X系列的TCM（thermal conduction module）的Al2O3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。,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

11、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。,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。,3、氮化铝（AlN）基板,氮化铝的热导率是Al2O3的

12、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。 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/（mK）。,过去虽然在AlN单晶中达到较高的热导率（大约为250

13、W/（mK），但对于陶瓷材料来说仅达到4060 W/（mK），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。,影响AlN陶瓷热导率的各种因素,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 Al2O33CN22AlN3CO 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

14、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。 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 2AlN22AlN 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。,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。 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

15、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。,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。,AlN基板的特性,AlN基板热导率受残留氧杂质的影响,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。,AlN基板的应用,VHF(超高频)

16、频带功率放大器模块采用AlN结构的示意图。在AlN基板上用激光加工通孔，用丝网印刷在通孔中填入Pd-Ag浆料并形成电路图形，同图 (a)所示采用Al2O3与BeO相组合的复合基板相比，结构简单，其热阻为7.4/W，同图 (b)的热阻7.1/W相比，不相上下，频率及输入、输出特性也基本相同。,3、碳化硅（SiC）基板,碳化硅是非天然出产而是由人工制造的矿物。由硅石(SiO2)、焦碳及少量食盐以及粉末状混合，用石墨炉将其加热到2000以上发生反应，生成- SiC，再通过升华析出，可得到暗绿色块状的多晶集合体。由于加热和升华过程中，金属性杂质及卤化物等由于挥发会自动排除，因此很容易获得高纯度制品。

17、SiC是强共价键化合物，硬度仅次于金刚石、立方氮化硼(c-BN)，而且具有优良的耐磨性、耐药品性。高纯度单晶体的热导率仅次于金刚石。,碳化硅（SiC）基板制作方法,采用普通方法烧成难以达到致密化，需要添加烧结助剂并采用特殊方法烧成。将暗绿色SiC块状多晶体经研磨精制成粉末原料，添加作为烧结助剂的质量分数0.1%3.5%的BeO以及粘结剂、溶剂等，利用喷雾干燥机造粒。将造粒粉在室温及100MPa压力下加压成板状，然后放入石墨模具中加压的同时(热压)，在大约2100下烧成。利用这种工艺，可以获得平均粒径大约6m，相对密度达98%以上的的密的黑灰色SiC基板。,由于SiC基板的烧成温度为2100，能

18、承受这么高温度的导体材料很难找到，本质上说，SiC材料不适合制作多层电路基板，但可以利用基板的表面，形成薄膜多层电路基板。,碳化硅（SiC）基板特性,优点： 热扩散系数突出 热导率高 热膨胀系数与Si相近 缺点： 与Al2O3等基板相比，介电常数高（不适用于通信机等高频电路基板 ） 绝缘耐压差 （电场强度达到数百伏每厘米以上时，会迅速丧失绝缘性，很容易击穿 ）,各种基板与Si的热膨胀系数的对比,SiC基板的热导率与温度关系,碳化硅（SiC）基板应用 -低电压电路及VLSI高散热封装的基板,由于SiC与Si的热膨胀系数向匹配，不必采用Mo等的应力缓冲材料，且SiC的热扩散系数比Cu还高，因此，L

19、SI产生的热量会迅速在SiC基板上散开，再通过由硅胶粘结的Al散热片高效率的扩散。在此例中，二者的热阻基本相同，大致都为9/W，而采用SiC基板的一方要略低些,SiC基板用于高速高集成度逻辑LSI带散热结构封装的实例,采用SiC基板的MCM封装的情况，从芯片到散热片外界的总热阻，采用Al2O3基板时，为4.9/W，后者降低50%。换句话说，同样尺寸的封装，采用后者，可以满足防热量大1倍的芯片的要求。除此之外，SiC基板在超大型计算机，光通信用二极管的基板应用等方面还有不少实例。,多芯片模块（MCM）中采用Al2O3基板和SiC基板时热阻的对比,5、氧化铍（BeO）基板,氧化铍基板的热导率是Al

20、2O3基板的十几倍，适用于大功率电路，而且其介电常数又低，又可用于高频电路。 BeO基板，基本上采用干压法制作。成型后先经300600预烧，再经15001600烧成。这种方法烧成收缩小，因此尺寸精度好。但在烧成后的基板上打孔时，孔径及孔距较难控制。此外，也可在BeO中添加微量的MgO及Al2O3等，利用生片法制作BeO基板。 BeO基板烧成后的粒径很难控制，一般说来，其粒径也比Al2O3的大。因此，采用薄膜金属化时，表面必须研磨。其金属化的另一个特征是，Cu与之的结合力要优于Mo或W等。,由于BeO粉尘的毒性，存在环境问题。,6、低温共烧陶瓷（LTCC）多层基板,Al2O3、莫来石及AlN基板

21、烧结温度在15001900，若采用同时烧成法，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不太好解决的问题： 1、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，需要采用特殊烧结炉。 2、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。 3、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。 4、Al2O3的热膨胀系数（710-6/）与Si的热膨胀系数（3.010-6/）相差太大，若用于裸芯片实装，则热循环过程中产生的热应力不好解决。,LTCC基板应具有的性能,低温共烧陶瓷基板：兼顾其它性能的基础上，能做到低温烧成。基板的烧结温度必须能控制在850950。,LTCC基板的要求主要有： 烧成温度必须能控制在950以下； 介电常数要低； 热膨胀系数要与搭载的芯片接近； 有足够的高的机械强度。,（1） 硼硅酸铅玻璃-Al2O3 ：硼硅酸铅晶化玻璃（质量分数45）+ Al2O3（质量分数55%）组成 ，最大弯曲强度达350MPa （2） 硼硅酸盐玻璃-石英玻璃-堇青石系 ：石英玻璃15%，堇青石20%，硼硅酸玻璃为65%，在该组成下，烧成体的介电常数为4.4，是比较低的 （3）