电子封装-第六章.ppt
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1、电子封装材料20092010学年 第二学期,第六章 基板技术()陶瓷基板,1、陶瓷基板概论陶瓷基板应具备的条件陶瓷基板的制作方法陶瓷基板的金属化、各类陶瓷基板氧化铝基板莫来石基板氮化铝基板碳化硅基板氧化铍基板、低温共烧陶瓷多层基板()基板应具有的性能玻璃陶瓷材料的制作方法及烧结特征多层基板的应用多层基板的发展动向,第六章 基板技术()陶瓷基板,4、其他类型的无机基板液晶显示器()用玻璃基板等离子体显示板()用玻璃基板5、复合基板复合基板()功能复合复合基板()结构复合复合基板()材料复合,第六章 基板技术()陶瓷基板概述,为什么要用陶瓷基板?优势:(1)耐热好;(2)热导率高;(3)热膨胀系数
2、小;(4)微细化布线较容易(5)尺寸稳定性高高密度实装要求(1)布线:微细化、高密度化、低电阻化(2)基板材料:低介电常数、低热膨胀系数、高热导率上述要求陶瓷基板比有机基板更容易达到近年开发成功了计算机封装基板、汽车控制电路用基板、高密度封装基板等的多层布线陶瓷基板,第六章 基板技术()陶瓷基板陶瓷基板概论 1、陶瓷基板应具备的条件,基板应具备的条件如下表所列,第六章 基板技术()陶瓷基板陶瓷基板概论 1、陶瓷基板应具备的条件,电路布线是决定陶瓷基板性能的关键之一:基板的作用:(1)搭载电子元件和部件;(2)实现电气连接因此:导体电路布线十分重要形成电路布线的方法(1)薄膜法;(2)厚膜多次印
3、刷法;(3)烧成法;(4)薄膜光刻法其中:薄膜光刻法最有利于高密度封装布线,特点为线宽:100;基板要表面平滑化学性能稳定;布线与基板间附着性好,第六章 基板技术()陶瓷基板陶瓷基板概论 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;射出成形其中,流延成形法特点:易实现多层化生产效率较高近年来在封装及混合集成电路用基板的制造中多被采用下图为流延法制作生片而后制成各类基板的流程图,第六章 基板技术()陶瓷基板陶瓷基板概论 2、陶瓷基板的制作方法,陶瓷基板的制作工艺流程(流延法),首先,根据不同的使用及工艺要求,在陶瓷原料粉末中
4、添加0.5的添加物(对于Al2O3陶瓷来说,为MgO、SiO2、CaO等氧化物),目的在于降低烧成温度且便于布线用导体材料的金属化,然后混入聚乙烯醇缩丁醛或聚异丁基丙烯酸酯等有机粘结剂及其相应的有机溶剂等,经球磨制成流延机用陶瓷浆料。为了防止浆料中陶瓷粉末的凝聚,使其均匀分散,必须加入一定量的表面活性剂(分散剂),将陶瓷浆料倒入流延机中,浆料通过金属刃口的间隙以一定的膜厚流延在匀速运动的等有机带基上,经干燥得到具有一定可塑性的柔软陶瓷生片,经干燥得到具有一定可塑性的柔软陶瓷生片。经定尺裁片、冲定位孔等,再根据不同的使用要求,按图所示的三条工艺路线制取不同类型的基板。,第六章 基板技术()陶瓷基
5、板陶瓷基板概论 2、陶瓷基板的制作方法,陶瓷基板的制作工艺流程(流延法),叠片热压脱脂基片烧成形成电路图形电路烧成。在烧成的基片上可以利用厚膜法或薄膜法形成电路。由于基片烧成和电路烧成分别进行,工艺参数选择灵活,导体可采用熔点较低的贵金属,对烧结气氛无特殊要求。一般的封装及混合集成电路多采用这种陶瓷基板。,叠片表面印刷电路图形热压脱脂共烧。由于采取陶瓷基板与电路图形共烧工艺,故当陶瓷烧成温度较高(如Al2O3的烧结温度为)时,导体材料只能选用熔点高的难熔金属,如、等;为了防止其氧化,需要在氮等保护性气氛及氢等还原性气氛中烧成。一般说来,烧成金属的电阻率也较高。,印刷电路图形叠层热压脱脂共烧,用
6、以制取多层共烧基板。共烧条件与相同。这是目前多层陶瓷基板的主要制作方法之一。,第六章 基板技术()陶瓷基板陶瓷基板概论 2、陶瓷基板的制作方法,陶瓷多层基板各种制作方法的比较湿法在烧成前的生片上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采用厚膜、薄膜混成法形成下表给出陶瓷多层基板各种制作方法的比较,第六章 基板技术()陶瓷基板陶瓷基板概论 2、陶瓷基板的制作方法,湿法例举:陶瓷生片多层积层法采用最多如以Al2O3多层基板:陶瓷生片上冲孔形成电路图形:用Mo或W等难熔金属导体浆料 两次丝网印刷 充填层间电路埋孔叠层热压成形脱脂烧成 形
7、成导体层与陶瓷一体化的共烧Al2O3多层基板AlO3多层基板结构图,第六章 基板技术()陶瓷基板陶瓷基板概论 2、陶瓷基板的制作方法,湿法例举:陶瓷生片生片多层印刷基本工艺丝网印刷浆料导体层印刷与生片相同材质的绝缘层层间互连孔的连接按层数要求,重复进行多次一体化烧成结构如图,第六章 基板技术()陶瓷基板陶瓷基板概论 2、陶瓷基板的制作方法,干法例举:厚膜多层印刷法厚膜、薄膜混成法下图为厚膜、薄膜混成法多层基板的结构,第六章 基板技术()陶瓷基板陶瓷基板概论 2、陶瓷基板的制作方法,四种方法(陶瓷生片积层、陶瓷生片印刷、厚膜多层印刷、厚膜薄膜混成)比较讨论:陶瓷生片多层积层法,大量采用,因为:共
8、烧体:结构致密、无针孔等缺陷绝缘层:耐压高导体层:电阻率低整体散热性:好层间导体连接:可靠,检查较方便共烧体的层数:可达数十层输入、输出端子连接方式:可用引线连接式、针脚插入式、焊盘钎焊式、QFP、BGA等多种类型,第六章 基板技术()陶瓷基板陶瓷基板概论 2、陶瓷基板的制作方法,四种方法(陶瓷生片积层、陶瓷生片印刷、厚膜多层印刷、厚膜薄膜混成)比较讨论:生片多层印刷法、厚膜多层印刷法,适于多品种小批量生产,因为:缺点:积层数增加,膜表面凹凸严重,需用高超印刷技术或配合表面研磨连接:易形成层间埋孔成本:低,印刷法形成绝缘层,不要生片冲孔用模具、设备及冲孔工序导体的电阻率:最低烧成温度:低设计:
9、比较灵活,第六章 基板技术()陶瓷基板陶瓷基板概论 3、陶瓷基板的金属化,概念陶瓷基板表面、内部金属化形成电路图形实现元器件搭载及输入、输出端子的连接分为:厚膜法薄膜法共烧法,第六章 基板技术()陶瓷基板陶瓷基板概论 3、陶瓷基板的金属化,厚膜法:概念丝网印刷形成导体层电路布线、电阻烧结形成电路、引线厚膜导体浆料(1)粒度的金属粉末+(2)百分之几的玻璃粘结剂+(3)有机载体(包括有机溶剂、增稠剂和表面活性剂等)球磨混炼而成烧成后的导体断面结构图,陶瓷基板概论 3、陶瓷基板的金属化,厚膜导体层与陶瓷基板之间起结合作用的玻璃粘结剂,分三种类型,即:玻璃(玻璃结合)系氧化物(化学结合)系玻璃与氧化
10、物的混合(混合结合)系,特点:软化点:要在粉末金属的烧结温度附近形成表面金属含量高、界面玻璃含量高的梯度结构烧结过程,玻璃软化,由导体侧向基板侧流入基板表面的凹凸之中网络结构收缩,玻璃与其形成相互钩连结构表面金属含量高,利于提高电导率、便于焊接键合界面附近玻璃含量高,利于导体层与基板机械结合,陶瓷基板概论 3、陶瓷基板的金属化,特点:选用与陶瓷发生反应形成固溶体的氧化物Al2O3基板,用CuO及Bi2O3比玻璃系更易获得较强结合力,导体层焊接性能好,但烧成温度较高,陶瓷基板概论 3、陶瓷基板的金属化,特点:降低烧成温度,同时保证较高的结合力,第六章 基板技术()陶瓷基板陶瓷基板概论 3、陶瓷基
11、板的金属化,薄膜法概念:导体层为厚度1微米的薄膜制备技术:真空蒸镀、离子镀、溅射镀膜等特点:气相沉积法原则上,无论任何金属都可成膜,无论对任何基板都可金属化金属膜层与陶瓷基板的热膨胀系数应尽量一致,应设法提高金属化层的附着力,第六章 基板技术()陶瓷基板陶瓷基板概论 3、陶瓷基板的金属化,薄膜法多层结构中的材料选用:与陶瓷基板相接触的薄膜金属一般选有充分反应性,结合力强的A族金属Ti、Zr及A族金属Cr、Mo、W等上层金属选用Cu、Au、Ag等延展性金属电导率高,不易氧化由热膨胀系数不匹配造成的热应力易被缓解,第六章 基板技术()陶瓷基板陶瓷基板概论 3、陶瓷基板的金属化,共烧法概念:烧成前的
12、陶瓷生片上,丝网印刷Mo、W等难熔金属厚膜浆料一起脱脂烧成陶瓷与导体金属烧的一体结构也适用于多层基板制造,即陶瓷生片多层积层法,第六章 基板技术()陶瓷基板陶瓷基板概论 3、陶瓷基板的金属化,共烧法特点:电路布线可微细电路化布线能实现高密度布线易实现多层化,可实现气密封装绝缘体与导体的一体化结构,第六章 基板技术()陶瓷基板陶瓷基板概论 3、陶瓷基板的金属化,共烧法特点:烧结收缩率可以控制通过选择成分、成形压力、烧结温度可用于高密度封装平面方向零收缩率基板的研制成功BGA、CSP、裸芯片等高密度封装应用,第六章 基板技术()陶瓷基板陶瓷基板概论 3、陶瓷基板的金属化,上述金属化方法形成的导体表
13、面电阻比较:,对于厚膜与薄膜来说,可使用各种不同的导体材料,通过膜厚的控制,可以获得较低的电阻率,普通共烧法中,陶瓷烧结温度高,导体材料必须选用熔点高的、等难熔金属,电阻率较高,且要在保护性气氛中烧成,第六章 基板技术()陶瓷基板,、各类陶瓷基板氧化铝基板莫来石基板氮化铝基板碳化硅基板氧化铍基板,第六章 基板技术()陶瓷基板各类陶瓷基板1、氧化铝基板,概况:价格较低综合性能最好:综合考虑机械强度、绝缘性、导热性、耐热性、耐热冲击性、化学稳定性等方面加工技术最先进与其他材料相比Al2O3基板典型制造方法Buyer法原料铝矾土(水铝矿、一水软铝石及相应的化合物),第六章 基板技术()陶瓷基板各类陶
14、瓷基板1、氧化铝基板,Al2O3典型制造方法Buyer法过程:NaOH水溶液溶解,形成铝酸苏打溶液加入形核剂,析出水铝矿(Al2O3 3H2O)过滤烧成脱水:旋转炉,11001200,第六章 基板技术()陶瓷基板各类陶瓷基板1、氧化铝基板,Al2O3典型制造方法Buyer法特点:Al2O3含0.3左右的Na2O作为基板,Na2O对形成的电路布线及厚膜、薄膜元件会产生不利影响近年来,为获得更高纯度的Al2O3,一般用金属铝重熔的方法来制取,第六章 基板技术()陶瓷基板各类陶瓷基板1、氧化铝基板,原料结构高温稳定相:Al2O3,即刚玉其他:Al2O3,Al2O3工业上多使用 Al2O3,特殊情况采
15、用 Al2O3原料粉末促进烧结,因为在烧成加热时,伴随着 Al2O3向 Al2O3的相变,有热量放出,利于烧结下图为 Al2O3结构图,铝离子与氧离子间:离子键,Al位于个O构成的面体中心因此,Al2O3结构的充填极密实 Al2O3的物理性能,化学性能稳定,密度高、机械强度大,第六章 基板技术()陶瓷基板各类陶瓷基板1、氧化铝基板,制作方法:一般用生片叠层法成形厚膜用基板助烧剂Al2O3SiO2MgOCaO系共晶成分附近的组成目的:提高与金属化层的浸润性,达到足够金属化强度,第六章 基板技术()陶瓷基板各类陶瓷基板1、氧化铝基板,制作方法:薄膜用基板助烧剂添加质量分数0.2左右MgO目的:抑制
16、烧成时Al2O3晶粒异常长大,获得致密烧结体其他特点:MgO易在基板表面蒸发,不能防止表面部位异常晶粒长大除了MgO外再添加Cr2O3,抑制MgO蒸发,保证基板表面十分平滑,第六章 基板技术()陶瓷基板各类陶瓷基板1、氧化铝基板,制作方法:粘结剂一般用聚乙烯醇聚丁醛()树脂表面活性剂邻苯二甲酸二丁脂()、鱼油、合成油防止浆料中Al2O3粉末凝聚,使其均匀分散,烧成温度与助烧剂有关15501600,第六章 基板技术()陶瓷基板各类陶瓷基板1、氧化铝基板,制作方法:烧成气氛加湿氢气、氢氮混合气体、氨的分解混合气体调节水分比例目的:防止金属导体材料氧化、调整烧成收缩率,第六章 基板技术()陶瓷基板各
17、类陶瓷基板1、氧化铝基板,制作方法:Al2O3基板的各种金属化方法如下图所示,厚膜法及共烧法从使用的浆料到工艺技术都比较成熟,目前可满足各方面的使用要求,关于薄膜法,包括电阻及电容器等无源元件的成膜在内,技术上也已确立,第六章 基板技术()陶瓷基板各类陶瓷基板1、氧化铝基板,难熔金属法按照所用金属分为Mo法,Mo Mn法,Mo Ti法其中,Mo Mn法用得最多工艺过程配料:主成分耐热金属钼(Mo)粉末,副成分氧化物的锰(Mn)粉末制作浆料:均匀混合涂布:基板表面:预先表面研磨及表面处理高温烧成加湿氢气气氛,第六章 基板技术()陶瓷基板各类陶瓷基板1、氧化铝基板,难熔金属法特点:、水的作用:被水
18、分氧化形成与Al2O3反应形成 Al2O3。作为中间层增加了金属化层与Al2O3基板的结合力导体层直接焊接困难表面电镀,改善,第六章 基板技术()陶瓷基板各类陶瓷基板1、氧化铝基板,应用,可用于如下方面()混合集成电路用基板()封装用基板()多层电路基板,第六章 基板技术()陶瓷基板各类陶瓷基板1、氧化铝基板,应用()混合集成电路用基板,依纯度,分厚膜用、薄厚膜混合IC膜用两大类厚膜用多用纯度为96%的Al2O3基板,因为:纯度严重影响基板表面粗糙度,纯度低玻璃相多,表面粗糙度大表面粗糙度大,价格较低,与布线导体间的结合力强纯度不同,电学性质几乎不受影响,但机械性能及热导率变化很大,第六章 基
19、板技术()陶瓷基板各类陶瓷基板1、氧化铝基板,应用()混合集成电路用基板,依纯度,分厚膜用、薄厚膜混合IC膜用两大类厚膜用特点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与基板中的玻璃相起作用 Al2O3中的玻璃相、较粗糙表面会明显提高厚膜导体的结合力,第六章 基板技术()陶瓷基板各类陶瓷基板1、氧化铝基板,应用()混合集成电路用基板,依纯度,分厚膜用、薄厚膜混合IC膜用两大类薄厚膜混合用使用纯度99%以上的Al2O3,因为:纯度高,采用表面粗糙度小,烧成状态表面非常平滑,可形成缺陷较少的高品质薄膜薄膜厚度一般数百纳米,薄膜物理性能、电气性能与基板表面粗糙度关系很大,
20、特别是对像电容器等采用多层结构的薄膜元件,影响更大,第六章 基板技术()陶瓷基板各类陶瓷基板1、氧化铝基板,应用()混合集成电路用基板,依纯度,分厚膜用、薄厚膜混合IC膜用两大类在基板表面涂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,可保证表面更平滑被釉基板表面导热性、耐热性、耐药性等都低于Al2O3,因此,常用局部被釉基板微波领域,Al2O3基板作为介电质可用作基板、波导、共振器、透射窗等,第六章 基板技术()陶瓷基板各类陶瓷基板1、氧化铝基板,应用()LSI封装用基板陶瓷LSI封装中,几乎都采用Al2O3。因为烧成技术制作的LSI封装,气密性好,可靠性高Al2O3在从DI
21、P、LCC、PGA、BGA、CSP、裸芯片实装的发展历程中,一直起着十分关键的作用,因为机械强度高热导率高其他优点Al2O3在高密度封装中发挥着不可替代的作用多端子、细引脚节距、高散热性,第六章 基板技术()陶瓷基板各类陶瓷基板1、氧化铝基板,应用()多层电路基板发展历史20世纪60年代起,IBM,开始研发Al2O3多层电路基板最早应用:IBM 4300系列计算机代表性应用:IBM 308X系列的TCM。结构如下图所示,尺寸布线:与Al2O3共烧的,布线总长可同时搭载块 倒装芯片,第六章 基板技术()陶瓷基板各类陶瓷基板1、氧化铝基板,应用,分()多层电路基板是开发的的Al2O3多层电路基板,
22、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: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,故可提高信号传输速度其他Al2 O3基板:单晶形态(蓝宝石),用于单晶外延,制作微波器件及其他半导体器件,第六章 基板技术()陶瓷基板各类陶瓷基板2、莫来石基板,概况成分:3Al2O3 2SiO2特点Al2O3SiO2二元系中最稳定的晶相之一机械强度、热导率比Al2O3低,介电常数比Al2O3低,可进一步提高信号传输速度热膨胀系数也低,可减小搭载的热应力与导体材料Mo、W的热膨胀系数差小,共烧时与导体间出现的应力低,第六章 基板技术()陶瓷基板各类陶瓷基板2、莫来石基板
23、,概况制造方法与金属化方法基本上与Al2O3所用的相同添加MgO,可在降低介电常数的同时,减小热膨胀系数,减小基板弯曲变形及应力如下图所示,第六章 基板技术()陶瓷基板各类陶瓷基板2、莫来石基板,应用日立公司开发的莫来石多层电路基板已用于大型计算机作导体层,共44层如下图所示,在这种基板搭载了莫来石为基板材料,由层导体层构成的芯片载体,第六章 基板技术()陶瓷基板各类陶瓷基板3、氮化铝基板,概况:热导率是Al2O3的10倍以上热膨胀系数CTE与硅片相匹配对于大功率半导体芯片的封装及高密度封装至关重要,特别是作为MCM封装基板有良好应用前景原料:1862年由Genther等人最早合成的人造矿物闪
24、锌矿型结构,强共价键化合物,质量轻(密度3.26)、强度高、耐热性高(3060分解)、耐腐蚀,第六章 基板技术()陶瓷基板各类陶瓷基板3、氮化铝基板,原料:高热导性强共价键,其传热机制为晶格振动(声子)Al和N的原子序数均小热导率理论值高达320()AlN单晶的热导率达到250()但陶瓷材料过去仅到4060(),相当低,因为原料中的杂质在烧结时固溶于晶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,致使热导率下降如下图所示,第六章 基板技术()陶瓷基板各类陶瓷基板3、氮化铝基板,原料:高热导性提高AlN陶瓷热导率的方法控制陶瓷微结构排除点阵畸变、位错、层错、非平衡点缺陷等晶体缺
25、陷,保证晶体结构的完整性减少气孔、第二相析出等AlN原料粉末及烧结技术:采取必要措施AlN粉末的代表性制作方法还原氮化法直接氮化法其他方法,第六章 基板技术()陶瓷基板各类陶瓷基板3、氮化铝基板,原料:AlN粉末的代表性制作方法还原氮化法原料:Al2O3,高纯碳(),N2反应式:Al2O3 3CN22AlN3CO吸热反应特点:所用Al2O3粉末粒径小、粒度分布整齐容易获得粒径小、粒度分布一致性好的AlN粉末,第六章 基板技术()陶瓷基板各类陶瓷基板3、氮化铝基板,原料:AlN粉末的代表性制作方法直接氮化法Al粉末与N2发生反应直接氮化,后将生成物粉碎成所需要的AlN粉末,反应式为AlN2 Al
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