《陶瓷基板制造技术》PPT课件

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1、第一节 陶瓷基板概论,1、陶瓷基板具备条件 2、陶瓷基板的制造方法 3、流延成型工艺 4、陶瓷基板的金属化 第二节 各类陶瓷基板 1、氧化铝基板2、莫来石基板 3、氮化铝基板4、碳化硅基板 5、氧化铍基板,1,第三章 陶瓷基板制造技术,1、氧化铝基板 （1）Al2O3陶瓷的基本性质 优良的机械强度； 良好导热特性，适用于高温环境； 具有耐抗侵蚀和磨耗性； 高电气绝缘特性。,2,良好表面特性，提供优异平面度与平坦度； 抗震效果佳； 低曲翘度； 高温环境下稳定性佳； 可加工成各种复杂形状。,3,（2）Al2O3晶体结构 具有多种同质异晶体; a(三方)、b(六方)、g(四方)、h(等轴)、r(晶系

2、未定)、 (六方)、(六方)、(四方)、(单斜)-Al2O3等10多种变体； 主要有a(三方)、b(六方)、g(四方)相； a-Al2O3为高温稳定相，工业上使用最多。,4,a-Al2O3,Al3+与O2-之间为强固的离子键； O2-阴离子近似于密排六方排列； Al3+阳离子占据了2/3的八面体空隙位置，即每个Al3+位于6个O2-构成的八面体的中心; a-Al2O3结构的填充极为密实，其物理性能，化学性能稳定， 具有密度高、机械强度大等特性。,5,（3）Al2O3 陶瓷的分类及性能,6,7,（4）Al2O3 陶瓷原料生产,8,Buyer法,铝矾土,铝酸苏打溶液,成核剂,水铝矿,过滤、煅烧、脱

3、水,a-Al2O3,1100-1200 C,Al2O3 3H2O,NaOH aq.,（5）Al2O3 陶瓷基板制作方法 (a) Al2O3 陶瓷成型 助烧剂 厚膜用：Al2O3-SiO2-MgO、CaO，提高金属化层的浸润性； 薄膜用：0.2 w% MgO, 得到密度高、表面平滑基板，MgO抑制烧成时Al2O3颗粒长大（Cr2O3抑制MgO表面蒸发）。,9,10,粘结剂： PVB(聚乙烯醇聚丁醛树脂） 分散剂： DBP（邻苯二甲酸二丁酯）、鱼油、合成油 烧成温度： 1500-1600 C 气氛： 加湿H2、H2-N2、NH3的分解混合气,11,(b) Al2O3陶瓷金属化 共烧法 厚膜法 薄膜

4、法 难熔金属法,12,(c) Al2O3基板表面金属化 难熔金属法 1938年德利风根（德）、西门子公司 Mo法、Mo-Mn法、Mo-Ti法 Mo-Mn法 （常用）: 以耐热金属Mo粉为主成分，易形成氧化物Mn为副成分，混合成浆料，涂布在表面已研磨、处理的Al2O3基板表面，在加湿气氛高温烧成金属层。 Mn + H2O MnO + H2 MnO + Al2O3 MnO Al2O3 此外，在表面电镀Ni、Au、Ag等，改善导体膜的焊接性能。,13,MnO -Al2O3系相图,14,经Mo-Mn法处理的Al2O3基板焊接截面结构,15,（6）Al2O3 陶瓷基板的应用 (a) 混合集成电路用基板,

5、16,Al2O3%,17,厚膜混合IC用基板 表面粗糙度，价格 、与布线导体结合力; 常用96wt%的Al2O3基板。 薄厚膜混合IC用基板 厚度几百nm以下，薄膜的物理性能、电气性能受表面粗糙度影响很大; 保证表面平滑，表面被覆玻璃釉（几十微米）。 薄膜混合IC用基板 纯度99%以上，表面粗糙度小,18,(b) LSI用基板 同时烧成技术制作的LSI封装，气密性好、可靠性高； 机械强度高、热导率高，在多端子、细引脚节距、高散热性等高密度封装中，Al2O3基板作用重大。,19,(c) 多层电路基板,IBM308X, TCM， 基板：90mm 90mm, 布线：共烧Mo； L：120 m,20,

6、NEC, 100 mm 100mm, PI布线; PI介电常数低，提高信号传输速度。,21,2、莫来石基板 3Al2O3 2SiO2, 是Al2O3-SiO2体系最稳定晶相之一； 机械强度、热导率比Al2O3低； 介电常数比Al2O3低，有利提高传输速度； 制造、金属化方法与Al2O3基本相同；,22,日立公司开发莫来石用于多层电路板； 导体层：W，44层,23,3、氮化铝基板 （1） AlN 陶瓷性质 热导率高（ Al2O3） 热膨胀系数与Si匹配 (适用高密度封装、MCM),AlN晶体结构,a = 0.31 nm; c = 0.498 nm; 属六方晶系，是以【AlN4】四方体为结构单元的

7、纤维矿型； 共价键化合物； AIN晶体呈白色或灰色； 常压下分解温度为2 2002 450； 理论密度为3.26 gcm3。,24,25,(2) AlN 的导热机理 通过点阵或晶格振动，即借助晶格波或热波进行热传递; 载热声子通过结构基元(原子、离子或分子)间进行相互制约、相互协调的振动来实现热的传递； 如果晶体为具有完全理想结构的非弹性体，则热可以自由地由晶体的热端不受任何干扰和散射向冷端传递，热导率可以达到很高的数值； 热导率主要由晶体缺陷和声子自身对声子散射控制。,26,AlN的热导率理论值：320 W(mK）；实际值： 200 W(mK）; AlN主要靠声子传热，在热传输过程中，晶体中

8、的缺陷、晶界、气孔、电子以及声子本身都会产生声子散射，从而影响A1N基板的热导率; 声子散射对热导率K的影响关系式为: K =1/3cvl c: 比热容；v = 声子运动速度； l: 声子平均自由程,27,为了提高AlN的热导率： 必须对陶瓷的微结构进行控制，排除点阵畸变、位错、层错、非平衡点缺陷等晶体缺陷，尽量保证晶体的完整性； 减少气孔、第二相析出。,28,(3) AlN 粉的制备 电子级AlN粉要求纯度高、烧结性活性好； AlN粉中的杂质特别是氧的含量，对陶瓷基板的性能有显著影响；氧含量提高会严重降低基板的热导率； 粉体粒度、颗粒形态则是影响成型和烧结条件的关键因素。,29,(a) 铝粉

9、直接氮化法 2Al + N2 AlN 简单易行，已经用于大规模生产； 能够合成大量纯度较高的AlN粉，无副反应； 金属铝在660熔化，大约在800时开始与N2反应；(铝在2490完全气化) 强烈的放热反应，能够保证反应的顺利进行。,30,铝粉直接氮化法缺点： 强烈的放热反应，反应过程难以控制，产品质量不稳定； 制得的AlN粉往往有自烧结现象，一般难以得到颗粒微细、粒度均匀的AlN粉，需要后处理； 转化率：铝粉氮化后表面形成的AlN层会阻碍N2向铝颗粒内部的扩散，阻碍反应继续进行，需长时间才能反应完全； 为了得到高纯度的AlN粉，就需要采用高纯度的原料，相应的成本也高。,31,(b) Al2O3

10、碳热还原法： Al2O3 + N2 + 3C 2AlN + 3CO 两步完成: 第一步由C还原生成气相中间产物Al(g)、Al2O (g)；第二步氮化生成AlN； 常加入CaO、CaF2、Y2O3等作为催化剂；有效地降低活化能，提高反应速率； 加适当过量的碳，既能加快反应速率，提高转换率，也有助于控制粉末团聚，获得理想的粒径分布； AlN粉的纯度较高，成型和烧结性能都比较好； 缺点：合成温度高，反应时间长，颗粒度比较大。,Al2O3碳热还原机理： C还原Al2O3 Al2O3(s) + 3C(s) 2Al(g) + 3CO(g) Al2O3(s) + 2C(s) Al2O(g) + 2CO(g

11、) 2Al(g) + N2(g) 2AlN(s) 或 Al2O(g) + N2(g) + C(s) 2AlN(s) + CO(g) Al2O3分解 2Al2O3(s) 4Al(g) + 3O2(g) 2C(s) + O2(g) 2CO(g) 2Al(g) + N2(g) 2AlN(s) CO还原氧化铝 Al2O3(s) + 2CO(g) Al2O(g) + 2CO(g) Al2O(g) + 2CO(g) + N2(g) 2AlN(s) + CO(g),32,33,(c) 气溶胶(或气相反应)法： 用AlC13或金属铝的有机化合物为原料，通过与NH3进行气相反应合成AlN超细粉: AlCl3 +

12、 NH3 AlN + 3 HCl Al(C2H5)3 + NH3 AlN + 3C2H6 AlC13与NH3反应一般在6001100的温度范围内进行。,34,随着温度的升高和NH3的相对浓度的增大，转化率及生成AlN粉的结晶程度随之提高。(HCl产生影响） Al(C2H5)3 克服HCl影响，反应温度较低(400即可迅速反应生成高纯AlN粉)。 气溶胶法适合进行连续化生产的AlN粉制造工艺。 方便地控制AIN颗粒的成核和生长速率，从而可以获得颗粒度一致的超细AlN粉。,35,(4) AlN 基板的制造,36,(a) 使用超细粉制备基板： 纳米尺度的颗粒，在比该材料的熔化温度低的条件下熔融。颗粒

13、的尺度越小，熔化温度越低。在超细状态下的AlN粉可以在比它的升华温度低得多的时候完成烧结。 受粉体的性能影响较大，如果小粒径的AlN粉没有达到一定的含量，是无法在设定的温度下完成烧结; 生产大量的纳米状态的AlN粉会提高生产成本; 需要解决超细粉的团聚问题，（给后续工艺带来一定的困难，比如流延成型等）。,37,(b) 热压(或热等静压)烧结法： 用于制造高性能的块体AlN陶瓷材料的制备; 工艺条件复杂，不适合进行批量生产； 只能制作简单形状的瓷体，并且共烧基板采用这种工艺会受到很大的局限性，无法用于电子封装基板的生产。,38,(c) 常压烧结法： 助烧剂 选择原则: 在较低的温度与AlN颗粒表

14、层的A12O3发生共溶，形成液相，这样才能降低烧结温度; 产生的液相对AlN颗粒能够具有良好润湿性，有效起到烧结作用; 助烧剂与A12O3有较强地结合能力，有利于去除氧杂质，净化AlN晶格。,39,液相的流动性要好，烧结后期在AlN晶粒生长过程的驱动下向三角晶界处流动，而不致于在AIN晶粒间形成热阻层。 进一步的在烧结的过程中能够从三角晶界处流向基板表面，从而净化AlN的晶界; 助烧剂最好不与AlN发生反应，否则产生晶格缺陷，难以形成AlN完整晶形。 助烧剂：碱土金属或稀土金属的氧化物、氟化物等，如Y2O3、CaO、CaF2等。,40,低温烧结 （ 1600 1800 ）： 近几年，出于减少能

15、耗，降低成本，以及AIN与金属浆料共烧等方面的考虑，AlN低温烧结技术的研究工作取得了一些成果。 采用多元复合体系，降低助烧液相的熔点。,41,42,(5) AlN 基板的金属化 薄膜金属化; 厚膜金属化; 低温金属化(如Ag-Pd导体、Cu导体、Au导体金属化; 高温金属化(如Mo-Mn金属化和W金属化); 直接键合铜金属化; AlN-W共烧金属化。,43,(6) AlN 基板的应用 (a) LSI封装,44,(b) 超高频（VHF)频带功率放大器模块 (c) 大功率器件、激光二极管基板,散热基板结构剖面,45,4、碳化硅(SiC)基板 (1) SiC基板的特性 热扩散系数大（ 铜1.1cm

16、2/s); 热膨胀系数与Si更加接近; 缺点： 介电常数高，不适用高频电路板； 绝缘耐压差。,46,(2) 生产原料,硅石(SiO2),升华,暗绿色多晶SiC,a-SiC,2000C,焦炭,食盐,47,(3) SiC基板的制造,真空热压法烧成（2100C）,SiC不适合制作多层电子基板！,48,(4) SiC基板的应用,多用于耐压性不成问题的低电压电路及高散热封装的基板,高速、高集成度逻辑LSI带散热结构封装实例,49,50,5、氧化铍(BeO)基板 (1) BeO基板的特性 BeO基板的热导率是Al2O3的十几倍，适用于大功率电路； 介电常数低，又可适用高频电路。,51,52,(2) BeO

17、基板的制造 干压法： 成型后，300-600 C预烧，1500-1600 C烧成； 烧成收缩小，尺寸精度好; 打孔时，孔径与孔距较难控制。 问题：BeO粉尘有毒，存在环境污染问题。,第二节 各类陶瓷基板,1、氧化铝基板 （1） Al2O3陶瓷的基本性质 （2） Al2O3晶体结构 （3） Al2O3 陶瓷的分类及性能 （4） Al2O3 陶瓷原料生产 （5） Al2O3 陶瓷基板制作方法 （6） Al2O3 陶瓷基板的应用 2、莫来石基板 3、氮化铝基板 (1)AlN 陶瓷性质 (2)AlN 的导热机理 (3) AlN 粉的制备 (4) AlN 基板的制造 (5) AlN 基板的金属化 (6) AlN 基板的应用,4、碳化硅(SiC)基板 (1)SiC基板的特性 (2) 生产原料 (3) SiC基板的制造 (4) SiC基板的应用 5、氧化铍(BeO)基板 (1)BeO基板的特性 (2) BeO基板的制造,53,