現(xiàn)有陶瓷基板制造技術(shù)PPT課件.ppt

第一節(jié)陶瓷基板概論 1 陶瓷基板具備條件2 陶瓷基板的制造方法3 流延成型工藝4 陶瓷基板的金屬化第二節(jié)各類陶瓷基板1 氧化鋁基板2 莫來(lái)石基板3 氮化鋁基板4 碳化硅基板5 氧化鈹基板 1 第三章陶瓷基板制造技術(shù) 1 氧化鋁基板 1 Al2O3陶瓷的基本性質(zhì)優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度 良好導(dǎo)熱特性 適用于高溫環(huán)境 具有耐抗侵蝕和磨耗性 高電氣絕緣特性 2 良好表面特性 提供優(yōu)異平面度與平坦度 抗震效果佳 低曲翹度 高溫環(huán)境下穩(wěn)定性佳 可加工成各種復(fù)雜形狀 3 2 Al2O3晶體結(jié)構(gòu)具有多種同質(zhì)異晶體 a 三方 b 六方 g 四方 h 等軸 r 晶系未定 六方 六方 四方 單斜 Al2O3等10多種變體 主要有a 三方 b 六方 g 四方 相 a Al2O3為高溫穩(wěn)定相 工業(yè)上使用最多 4 a Al2O3 Al3 與O2 之間為強(qiáng)固的離子鍵 O2 陰離子近似于密排六方排列 Al3 陽(yáng)離子占據(jù)了2 3的八面體空隙位置 即每個(gè)Al3 位于6個(gè)O2 構(gòu)成的八面體的中心 a Al2O3結(jié)構(gòu)的填充極為密實(shí) 其物理性能 化學(xué)性能穩(wěn)定 具有密度高 機(jī)械強(qiáng)度大等特性 5 3 Al2O3陶瓷的分類及性能 6 7 4 Al2O3陶瓷原料生產(chǎn) 8 Buyer法 鋁礬土 鋁酸蘇打溶液 成核劑 水鋁礦 過(guò)濾 煅燒 脫水 a Al2O3 1100 1200 C Al2O3 3H2O NaOHaq 5 Al2O3陶瓷基板制作方法 a Al2O3陶瓷成型助燒劑厚膜用 Al2O3 SiO2 MgO CaO 提高金屬化層的浸潤(rùn)性 薄膜用 0 2w MgO 得到密度高 表面平滑基板 MgO抑制燒成時(shí)Al2O3顆粒長(zhǎng)大 Cr2O3抑制MgO表面蒸發(fā) 9 10 粘結(jié)劑 PVB 聚乙烯醇聚丁醛樹脂 分散劑 DBP 鄰苯二甲酸二丁酯 魚油 合成油燒成溫度 1500 1600 C氣氛 加濕H2 H2 N2 NH3的分解混合氣 11 b Al2O3陶瓷金屬化共燒法厚膜法薄膜法難熔金屬法 12 c Al2O3基板表面金屬化 難熔金屬法1938年德利風(fēng)根 德 西門子公司Mo法 Mo Mn法 Mo Ti法Mo Mn法 常用 以耐熱金屬M(fèi)o粉為主成分 易形成氧化物Mn為副成分 混合成漿料 涂布在表面已研磨 處理的Al2O3基板表面 在加濕氣氛高溫?zé)山饘賹?Mn H2O MnO H2MnO Al2O3 MnO Al2O3此外 在表面電鍍Ni Au Ag等 改善導(dǎo)體膜的焊接性能 13 MnO Al2O3系相圖 14 經(jīng)Mo Mn法處理的Al2O3基板焊接截面結(jié)構(gòu) 15 6 Al2O3陶瓷基板的應(yīng)用 a 混合集成電路用基板 16 Al2O3 17 厚膜混合IC用基板表面粗糙度 價(jià)格 與布線導(dǎo)體結(jié)合力 常用96wt 的Al2O3基板 薄厚膜混合IC用基板厚度幾百nm以下 薄膜的物理性能 電氣性能受表面粗糙度影響很大 保證表面平滑 表面被覆玻璃釉 幾十微米 薄膜混合IC用基板純度99 以上 表面粗糙度小 18 b LSI用基板同時(shí)燒成技術(shù)制作的LSI封裝 氣密性好 可靠性高 機(jī)械強(qiáng)度高 熱導(dǎo)率高 在多端子 細(xì)引腳節(jié)距 高散熱性等高密度封裝中 Al2O3基板作用重大 19 c 多層電路基板 IBM308X TCM 基板 90mm 90mm 布線 共燒Mo L 120m 20 NEC 100mm100mm PI布線 PI介電常數(shù)低 提高信號(hào)傳輸速度 21 2 莫來(lái)石基板3Al2O3 2SiO2 是Al2O3 SiO2體系最穩(wěn)定晶相之一 機(jī)械強(qiáng)度 熱導(dǎo)率比Al2O3低 介電常數(shù)比Al2O3低 有利提高傳輸速度 制造 金屬化方法與Al2O3基本相同 22 日立公司開發(fā)莫來(lái)石用于多層電路板 導(dǎo)體層 W 44層 23 3 氮化鋁基板 1 AlN陶瓷性質(zhì)熱導(dǎo)率高 Al2O3 熱膨脹系數(shù)與Si匹配 適用高密度封裝 MCM AlN晶體結(jié)構(gòu) a 0 31nm c 0 498nm 屬六方晶系 是以 AlN4 四方體為結(jié)構(gòu)單元的纖維礦型 共價(jià)鍵化合物 AIN晶體呈白色或灰色 常壓下分解溫度為2200 2450 理論密度為3 26g cm3 24 25 2 AlN的導(dǎo)熱機(jī)理通過(guò)點(diǎn)陣或晶格振動(dòng) 即借助晶格波或熱波進(jìn)行熱傳遞 載熱聲子通過(guò)結(jié)構(gòu)基元 原子 離子或分子 間進(jìn)行相互制約 相互協(xié)調(diào)的振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱的傳遞 如果晶體為具有完全理想結(jié)構(gòu)的非彈性體 則熱可以自由地由晶體的熱端不受任何干擾和散射向冷端傳遞 熱導(dǎo)率可以達(dá)到很高的數(shù)值 熱導(dǎo)率主要由晶體缺陷和聲子自身對(duì)聲子散射控制 26 AlN的熱導(dǎo)率理論值 320W m K 實(shí)際值 200W m K AlN主要靠聲子傳熱 在熱傳輸過(guò)程中 晶體中的缺陷 晶界 氣孔 電子以及聲子本身都會(huì)產(chǎn)生聲子散射 從而影響A1N基板的熱導(dǎo)率 聲子散射對(duì)熱導(dǎo)率K的影響關(guān)系式為 K 1 3cvlc 比熱容 v 聲子運(yùn)動(dòng)速度 l 聲子平均自由程 27 為了提高AlN的熱導(dǎo)率 必須對(duì)陶瓷的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制 排除點(diǎn)陣畸變 位錯(cuò) 層錯(cuò) 非平衡點(diǎn)缺陷等晶體缺陷 盡量保證晶體的完整性 減少氣孔 第二相析出 2020 2 5 28 29 3 AlN粉的制備電子級(jí)AlN粉要求純度高 燒結(jié)性活性好 AlN粉中的雜質(zhì)特別是氧的含量 對(duì)陶瓷基板的性能有顯著影響 氧含量提高會(huì)嚴(yán)重降低基板的熱導(dǎo)率 粉體粒度 顆粒形態(tài)則是影響成型和燒結(jié)條件的關(guān)鍵因素 30 a 鋁粉直接氮化法2Al N2 AlN簡(jiǎn)單易行 已經(jīng)用于大規(guī)模生產(chǎn) 能夠合成大量純度較高的AlN粉 無(wú)副反應(yīng) 金屬鋁在660 熔化 大約在800 時(shí)開始與N2反應(yīng) 鋁在2490 完全氣化 強(qiáng)烈的放熱反應(yīng) 能夠保證反應(yīng)的順利進(jìn)行 31 鋁粉直接氮化法缺點(diǎn) 強(qiáng)烈的放熱反應(yīng) 反應(yīng)過(guò)程難以控制 產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定 制得的AlN粉往往有自燒結(jié)現(xiàn)象 一般難以得到顆粒微細(xì) 粒度均勻的AlN粉 需要后處理 轉(zhuǎn)化率 鋁粉氮化后表面形成的AlN層會(huì)阻礙N2向鋁顆粒內(nèi)部的擴(kuò)散 阻礙反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行 需長(zhǎng)時(shí)間才能反應(yīng)完全 為了得到高純度的AlN粉 就需要采用高純度的原料 相應(yīng)的成本也高 32 b Al2O3碳熱還原法 Al2O3 N2 3C 2AlN 3CO兩步完成 第一步由C還原生成氣相中間產(chǎn)物Al g Al2O g 第二步氮化生成AlN 常加入CaO CaF2 Y2O3等作為催化劑 有效地降低活化能 提高反應(yīng)速率 加適當(dāng)過(guò)量的碳 既能加快反應(yīng)速率 提高轉(zhuǎn)換率 也有助于控制粉末團(tuán)聚 獲得理想的粒徑分布 AlN粉的純度較高 成型和燒結(jié)性能都比較好 缺點(diǎn) 合成溫度高 反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng) 顆粒度比較大 Al2O3碳熱還原機(jī)理 C還原Al2O3Al2O3 s 3C s 2Al g 3CO g Al2O3 s 2C s Al2O g 2CO g 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還原氧化鋁Al2O3 s 2CO g Al2O g 2CO g Al2O g 2CO g N2 g 2AlN s CO g 33 34 c 氣溶膠 或氣相反應(yīng) 法 用AlC13或金屬鋁的有機(jī)化合物為原料 通過(guò)與NH3進(jìn)行氣相反應(yīng)合成AlN超細(xì)粉 AlCl3 NH3 AlN 3HClAl C2H5 3 NH3 AlN 3C2H6AlC13與NH3反應(yīng)一般在600 1100 的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行 35 隨著溫度的升高和NH3的相對(duì)濃度的增大 轉(zhuǎn)化率及生成AlN粉的結(jié)晶程度隨之提高 HCl產(chǎn)生影響 Al C2H5 3克服HCl影響 反應(yīng)溫度較低 400 即可迅速反應(yīng)生成高純AlN粉 氣溶膠法適合進(jìn)行連續(xù)化生產(chǎn)的AlN粉制造工藝 方便地控制AIN顆粒的成核和生長(zhǎng)速率 從而可以獲得顆粒度一致的超細(xì)AlN粉 36 4 AlN基板的制造 37 a 使用超細(xì)粉制備基板 納米尺度的顆粒 在比該材料的熔化溫度低的條件下熔融 顆粒的尺度越小 熔化溫度越低 在超細(xì)狀態(tài)下的AlN粉可以在比它的升華溫度低得多的時(shí)候完成燒結(jié) 受粉體的性能影響較大 如果小粒徑的AlN粉沒有達(dá)到一定的含量 是無(wú)法在設(shè)定的溫度下完成燒結(jié) 生產(chǎn)大量的納米狀態(tài)的AlN粉會(huì)提高生產(chǎn)成本 需要解決超細(xì)粉的團(tuán)聚問(wèn)題 給后續(xù)工藝帶來(lái)一定的困難 比如流延成型等 38 b 熱壓 或熱等靜壓 燒結(jié)法 用于制造高性能的塊體AlN陶瓷材料的制備 工藝條件復(fù)雜 不適合進(jìn)行批量生產(chǎn) 只能制作簡(jiǎn)單形狀的瓷體 并且共燒基板采用這種工藝會(huì)受到很大的局限性 無(wú)法用于電子封裝基板的生產(chǎn) 39 c 常壓燒結(jié)法 助燒劑選擇原則 在較低的溫度與AlN顆粒表層的A12O3發(fā)生共溶 形成液相 這樣才能降低燒結(jié)溫度 產(chǎn)生的液相對(duì)AlN顆粒能夠具有良好潤(rùn)濕性 有效起到燒結(jié)作用 助燒劑與A12O3有較強(qiáng)地結(jié)合能力 有利于去除氧雜質(zhì) 凈化AlN晶格 40 液相的流動(dòng)性要好 燒結(jié)后期在AlN晶粒生長(zhǎng)過(guò)程的驅(qū)動(dòng)下向三角晶界處流動(dòng) 而不致于在AIN晶粒間形成熱阻層 進(jìn)一步的在燒結(jié)的過(guò)程中能夠從三角晶界處流向基板表面 從而凈化AlN的晶界 助燒劑最好不與AlN發(fā)生反應(yīng) 否則產(chǎn)生晶格缺陷 難以形成AlN完整晶形 助燒劑 堿土金屬或稀土金屬的氧化物 氟化物等 如Y2O3 CaO CaF2等 41 低溫?zé)Y(jié) 1600 1800 近幾年 出于減少能耗 降低成本 以及AIN與金屬漿料共燒等方面的考慮 AlN低溫?zé)Y(jié)技術(shù)的研究工作取得了一些成果 采用多元復(fù)合體系 降低助燒液相的熔點(diǎn) 42 43 5 AlN基板的金屬化薄膜金屬化 厚膜金屬化 低溫金屬化 如Ag Pd導(dǎo)體 Cu導(dǎo)體 Au導(dǎo)體金屬化 高溫金屬化 如Mo Mn金屬化和W金屬化 直接鍵合銅金屬化 AlN W共燒金屬化 44 6 AlN基板的應(yīng)用 a LSI封裝 45 b 超高頻 VHF 頻帶功率放大器模塊 c 大功率器件 激光二極管基板 散熱基板結(jié)構(gòu)剖面 46 4 碳化硅 SiC 基板 1 SiC基板的特性熱擴(kuò)散系數(shù)大 銅1 1cm2 s 熱膨脹系數(shù)與Si更加接近 缺點(diǎn) 介電常數(shù)高 不適用高頻電路板 絕緣耐壓差 47 2 生產(chǎn)原料 硅石 SiO2 升華 暗綠色多晶SiC a SiC 2000 C 焦炭 食鹽 48 3 SiC基板的制造 真空熱壓法燒成 2100 C SiC不適合制作多層電子基板 49 4 SiC基板的應(yīng)用 多用于耐壓性不成問(wèn)題的低電壓電路及高散熱封裝的基板 高速 高集成度邏輯LSI帶散熱結(jié)構(gòu)封裝實(shí)例 50 51 5 氧化鈹 BeO 基板 1 BeO基板的特性BeO基板的熱導(dǎo)率是Al2O3的十幾倍 適用于大功率電路 介電常數(shù)低 又可適用高頻電路 52 53 2 BeO基板的制造干壓法 成型后 300 600 C預(yù)燒 1500 1600 C燒成 燒成收縮小 尺寸精度好 打孔時(shí) 孔徑與孔距較難控制 問(wèn)題 BeO粉塵有毒 存在環(huán)境污染問(wèn)題 第二節(jié)各類陶瓷基板 1 氧化鋁基板 1 Al2O3陶瓷的基本性質(zhì) 2 Al2O3晶體結(jié)構(gòu) 3