厚膜混合集成電路課件第21章

第二章厚膜元件與材料2.1厚膜基板2.2厚膜導體與材料2.3厚膜電阻及材料2.4厚膜介質(zhì)材料2.5厚膜鐵氧體磁性材料及厚膜電感器2.6其他厚膜材料第二章厚膜元件與材料2.1厚膜基板12.1厚膜基板一、基板的作用與要求1.作用承載作用：厚膜元件、外貼元器件、互連導體以及整個電路；絕緣作用：提供元器件之間的電絕緣；導熱、散熱作用：將元器件工作時產(chǎn)生的熱量即時散發(fā)出去；2.1厚膜基板一、基板的作用與要求2厚膜混合集成電路課件第21章3厚膜混合集成電路課件第21章4

2、要求基板的性能對厚膜元件和整個電路性能、工藝有很大的影響，特別在可靠性和工藝重現(xiàn)性等方面關(guān)系十分密切?；逡?1）表面性能表面平整、光滑，具有適當?shù)谋砻婀鉂嵍取?）電性能ρv、ρs高，tgδ小，保證絕緣性能。2、要求53）熱性能導熱性高基板的熱膨脹系數(shù)應與電路所用的材料相匹配。4）機械性能機械強度和硬度高---能經(jīng)受機械振動、沖擊和熱沖擊良好的加工性能---切割、加工和鉆孔等

3）熱性能65）化學性能化學穩(wěn)定性高--不受各種化學試劑和溶劑的影響。與電路材料有很好的相容性。6）其他性能耐高溫，經(jīng)受多次高溫燒結(jié)不變形;成本要低;重量輕;5）化學性能7二、常用的基板材料常用基板種類：陶瓷基板；金屬（包括金屬芯型）基板；樹脂基板；二、常用的基板材料常用基板種類：8氧化鋁陶瓷基板金屬基板氧化鋁陶瓷基板金屬基板9樹脂基板樹脂基板101、陶瓷基板：

優(yōu)點：耐高溫（1000℃），熱脹系數(shù)小，導熱性好，絕緣強度高。

缺點：脆、易碎。

種類：氧化鋁陶瓷（Al2O3）、氧化鈹（BeO）、氮化鋁（AlN）、碳化硅（SiC）、多層陶瓷基板。1、陶瓷基板：111）氧化鋁基板：主要成分Al2O3，Al2O3含量越高，基板性能（電性能、機械強度、表面光潔度等）越好。但燒結(jié)溫度高、價格貴。厚膜電路一般采用94～Al2O3瓷（晶粒尺寸3～5μm）。85瓷和75瓷性能較前者稍差，但成本較低，所以目前國內(nèi)外也有采用。1）氧化鋁基板：12氧化鋁基板的性能氧化鋁基板的性能13熱導率和氧化鋁含量的關(guān)系熱導率和氧化鋁含量的關(guān)系14優(yōu)點：價格適中；各種性能基本滿足厚膜電路的要求；與厚膜混合集成電路相容性比較好，目前使用最廣泛；缺點：熱導率沒有氧化鈹基板、氮化鋁基板高。優(yōu)點：152）氧化鈹基板：優(yōu)點：熱導率高（常溫下2.64J/cm·℃·s），僅次于銀、銅、金與鋁相近，為氧化鋁的10倍；體積電阻率大；介電系數(shù)小、高頻下?lián)p耗小、適于高頻、大功率電路；能與大多數(shù)厚膜漿料相容。2）氧化鈹基板：16缺點：粉末有毒，價格較貴、機械強度不如氧化鋁。

如果不考慮成本和毒性，氧化鈹是一種理想的基片材料。

厚膜混合集成電路課件第21章17密度（g/cm3)2.95抗彎強度(N/cm2)18620熱脹系數(shù)(×10-6)8.5熱導率(J/cm·℃·ｓ）2.64介電常數(shù)(J/cm·℃·ｓ）6.8介電損耗（×10-４）2體電阻率（Ω·cm）1017（25℃）絕緣強度（ｋＶ/cm）與基板的厚度有關(guān)最高使用溫度(℃）1800氧化鈹（９９.５％）基板的性能密度（g/cm3)2.95抗彎強度(N/cm2)1862018氧化鈹陶瓷有負的電阻率溫度系數(shù)。99.5%氧化鈹電阻率與溫度的關(guān)系氧化鈹陶瓷有負的電阻率溫度系數(shù)。99.5%氧化鈹電阻率與溫度19厚膜混合集成電路課件第21章203）氮化鋁基板是一種新型陶瓷基板。優(yōu)點：熱導率高（與99.5%BeO陶瓷大致相同，為氧化鋁的8～10倍）；熱導率與溫度的關(guān)系比氧化鈹瓷小；抗彎強度大、硬度小、機械加工比較容易（抗彎強度比氧化鋁大但硬度僅為氧化鋁的一半）；3）氮化鋁基板21熱脹系數(shù)比氧化鈹?。?.4ppm/℃），與Si接近，這有利于組裝大規(guī)模IC芯片；與Au、Ag-Pd和Cu漿料的相容性較好，可作高頻、大功率電路基板，還適于高密度、大功率的微波電路以及大規(guī)模厚膜IC。缺點：

成本高；對雜質(zhì)含量敏感；熱脹系數(shù)比氧化鈹小（4.4ppm/℃），與Si接近，22AlNAl2O3BeO密度（g/cm3)3.33.92.9抗彎強度(N/cm2)392002352018620熱脹系數(shù)(×10-6)4.57.38熱導率(J/cm·℃·ｓ）1~1.60.22.51介電常數(shù)(J/cm·℃·ｓ）8.88.56.5介電損耗（×10-４）5~1035體電阻率（Ω/cm）＞101４＞101４＞1014絕緣強度（ｋＶ/cm）140~170100100氧化鋁、氧化鈹、氮化鋁基板性能比較AlNAl2O3BeO密度（g/cm3)3.33.92.9抗23氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹?shù)臒釋逝c溫度的關(guān)系氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹?shù)臒釋逝c溫度的關(guān)系24幾種陶瓷基板熱膨脹系數(shù)的比較幾種陶瓷基板熱膨脹系數(shù)的比較254）碳化硅基板：以α-SiC為主，摻以微量BeO(0.1-0.35%)的新型基板。優(yōu)點：熱導率是金屬鋁的1.2倍，比BeO瓷還要高，從熱擴散系數(shù)、熱容量看該基板傳熱比Cu還要好。SiC基板的抗彎強度為44100N/㎝2與氧化鋁相近。4）碳化硅基板：26熱脹系數(shù)與單晶硅幾乎相同，所以適合組裝大規(guī)模IC芯片。缺點體積電阻率比氧化鋁和氧化鈹?shù)汀＝殡娤禂?shù)高，因此高頻性能不如氧化鋁。熱脹系數(shù)與單晶硅幾乎相同，所以適合組裝大規(guī)模IC芯片。27新型SiC陶瓷與其它材料的性能比較

性能材料熱導率(J/cm·℃·ｓ)體電阻率（Ω/cm）熱脹系數(shù)0~400℃(×10-6/℃)介電常數(shù)（室溫，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單晶1.283.5～4.0119新型SiC陶瓷與其它材料的性能比較性能熱導率(J/cm·285）多層陶瓷基板：為了提高組裝密度，使電路高密度化、小型化、高速化而研制的陶瓷基板（多為氧化鋁瓷）。

多層化的方法有三種：

5）多層陶瓷基板：29a.厚膜多層法：在氧化鋁基板上交替印燒導體（Au、Ag-Pd等）和介質(zhì)漿料。特點：制造靈活性大;可在空氣中燒結(jié)，溫度＜1000℃;層內(nèi)含電阻、電容等，制造過程容易實現(xiàn)自動化。缺點：

制作微細線困難，層數(shù)也不能太多；可焊性、密封性不如其它二種方法。

a.厚膜多層法：30厚膜電路底層布圖

厚膜電路介質(zhì)層布圖

厚膜電路底層布圖厚膜電路介質(zhì)層布圖31厚膜電路頂層布圖厚膜電路頂層布圖32b.印刷多層法：將與生基板成分相同的氧化鋁制成漿料；交替在氧化鋁基板上印刷和干燥Mo、W等導體以及氧化鋁介質(zhì)漿料；（此時各層間的印刷導體就可以通過層間的通孔實現(xiàn)層間連接）。在1500～1700℃的還原氣氛中燒成；在燒成導體部分鍍Ni、Au形成焊接區(qū)；b.印刷多層法：33c.生基板疊層法：在生基板上沖好通孔；在生基板上印刷Mo、W等導體；

重疊所需層數(shù)，在490-1470N/cm2壓力和80–150℃下疊壓；在1500-1700℃的還原氣氛中燒成。

在燒結(jié)過程中，薄片里的SiO2、CaO、MgO擴散到導體層中形成中間層，從而可得牢固的結(jié)合強度

c.生基板疊層法：34優(yōu)點：（后兩種二種方法）＊利用生基板有柔軟性、容易吸收有機溶劑的特性，可印出高分辨率的微細線，容易實現(xiàn)多層化和高密度布線。＊由于導體和絕緣層燒結(jié)成整體，所以密封性好，可靠性高。缺點：設計靈活性不如厚膜多層法，燒結(jié)溫度也偏高。

優(yōu)點：（后兩種二種方法）352.金屬基板陶瓷基板缺點：脆、易碎。

不易制成大面積的基板，為此開發(fā)了金屬基板。

金屬基板：在金屬板（主要是鋼板和鋁板）上涂復絕緣膜而成。2.金屬基板陶瓷基板缺點：脆、易碎。36金屬鋁基板金屬鋁基板37優(yōu)點：價格比陶瓷低；

散熱性良好；

加工和成形簡單，可用于通孔連接；

缺點：通孔周圍和基板邊緣的釉層會凸起，影響

印刷；

釉層中的堿離子也會發(fā)生遷移；

工作溫度低600℃

分類：優(yōu)點：價格比陶瓷低；

散熱性良好；

38

1）涂釉鋼板低碳鋼上涂敷玻璃釉層，850℃燒成

1）392）金屬芯基板：

2）金屬芯基板：403）襯銅金屬基板：

3）襯銅金屬基板：414）絕緣金屬基板（IMST基板）

4）絕緣金屬基板（IMST基板）423、樹脂基板

分類：硬質(zhì)樹脂基板柔性樹脂基板硬質(zhì)板的主要材料：紙酚醛樹脂、紙環(huán)氧樹脂、玻璃環(huán)氧樹脂。柔性板主要材料：聚酯、聚酰亞胺、玻璃環(huán)氧樹脂等。3、樹脂基板43厚膜混合集成電路課件第21章44優(yōu)點：加工簡便；成本低；可電鍍制作細線，適于自動化生產(chǎn)。缺點：耐熱性差；熱沖擊性差；高溫下的化學穩(wěn)定性差。優(yōu)點：45各種樹脂基板的特性性能材料體積電阻率Ω·cm介電常數(shù)耐熱性℃/min熱導率J/cm·℃·ｓ尺寸精度%紙酚醛樹脂1013-10144.2-4.8130/30-0.1紙環(huán)氧樹脂1013-10144.3-4.8130/30-0.1耐熱玻璃環(huán)氧樹脂5×1015-164.6-5.0300/30S2.9×10-30.05玻璃聚酰亞胺3×1015-164.6-5.0300/2-0.04聚酯4×10153.1130/240-0.2各種樹脂基板的特性性能體積電介電常數(shù)46小結(jié)掌握厚膜基板種類、作用、基本要求、各類基板的主要性能。小結(jié)47作業(yè)1、基板在厚膜電路中起什么作用？基板的性能對電路有什么影響？2、厚膜電路中使用的基板有哪些?各有什么特點？作業(yè)48THANKYOUTHANKYOU49第二章厚膜元件與材料2.1厚膜基板2.2厚膜導體與材料2.3厚膜電阻及材料2.4厚膜介質(zhì)材料2.5厚膜鐵氧體磁性材料及厚膜電感器2.6其他厚膜材料第二章厚膜元件與材料2.1厚膜基板502.1厚膜基板一、基板的作用與要求1.作用承載作用：厚膜元件、外貼元器件、互連導體以及整個電路；絕緣作用：提供元器件之間的電絕緣；導熱、散熱作用：將元器件工作時產(chǎn)生的熱量即時散發(fā)出去；2.1厚膜基板一、基板的作用與要求51厚膜混合集成電路課件第21章52厚膜混合集成電路課件第21章53

2、要求基板的性能對厚膜元件和整個電路性能、工藝有很大的影響，特別在可靠性和工藝重現(xiàn)性等方面關(guān)系十分密切?；逡?1）表面性能表面平整、光滑，具有適當?shù)谋砻婀鉂嵍取?）電性能ρv、ρs高，tgδ小，保證絕緣性能。2、要求543）熱性能導熱性高基板的熱膨脹系數(shù)應與電路所用的材料相匹配。4）機械性能機械強度和硬度高---能經(jīng)受機械振動、沖擊和熱沖擊良好的加工性能---切割、加工和鉆孔等

3）熱性能555）化學性能化學穩(wěn)定性高--不受各種化學試劑和溶劑的影響。與電路材料有很好的相容性。6）其他性能耐高溫，經(jīng)受多次高溫燒結(jié)不變形;成本要低;重量輕;5）化學性能56二、常用的基板材料常用基板種類：陶瓷基板；金屬（包括金屬芯型）基板；樹脂基板；二、常用的基板材料常用基板種類：57氧化鋁陶瓷基板金屬基板氧化鋁陶瓷基板金屬基板58樹脂基板樹脂基板591、陶瓷基板：

優(yōu)點：耐高溫（1000℃），熱脹系數(shù)小，導熱性好，絕緣強度高。

缺點：脆、易碎。

種類：氧化鋁陶瓷（Al2O3）、氧化鈹（BeO）、氮化鋁（AlN）、碳化硅（SiC）、多層陶瓷基板。1、陶瓷基板：601）氧化鋁基板：主要成分Al2O3，Al2O3含量越高，基板性能（電性能、機械強度、表面光潔度等）越好。但燒結(jié)溫度高、價格貴。厚膜電路一般采用94～Al2O3瓷（晶粒尺寸3～5μm）。85瓷和75瓷性能較前者稍差，但成本較低，所以目前國內(nèi)外也有采用。1）氧化鋁基板：61氧化鋁基板的性能氧化鋁基板的性能62熱導率和氧化鋁含量的關(guān)系熱導率和氧化鋁含量的關(guān)系63優(yōu)點：價格適中；各種性能基本滿足厚膜電路的要求；與厚膜混合集成電路相容性比較好，目前使用最廣泛；缺點：熱導率沒有氧化鈹基板、氮化鋁基板高。優(yōu)點：642）氧化鈹基板：優(yōu)點：熱導率高（常溫下2.64J/cm·℃·s），僅次于銀、銅、金與鋁相近，為氧化鋁的10倍；體積電阻率大；介電系數(shù)小、高頻下?lián)p耗小、適于高頻、大功率電路；能與大多數(shù)厚膜漿料相容。2）氧化鈹基板：65缺點：粉末有毒，價格較貴、機械強度不如氧化鋁。

如果不考慮成本和毒性，氧化鈹是一種理想的基片材料。

厚膜混合集成電路課件第21章66密度（g/cm3)2.95抗彎強度(N/cm2)18620熱脹系數(shù)(×10-6)8.5熱導率(J/cm·℃·ｓ）2.64介電常數(shù)(J/cm·℃·ｓ）6.8介電損耗（×10-４）2體電阻率（Ω·cm）1017（25℃）絕緣強度（ｋＶ/cm）與基板的厚度有關(guān)最高使用溫度(℃）1800氧化鈹（９９.５％）基板的性能密度（g/cm3)2.95抗彎強度(N/cm2)1862067氧化鈹陶瓷有負的電阻率溫度系數(shù)。99.5%氧化鈹電阻率與溫度的關(guān)系氧化鈹陶瓷有負的電阻率溫度系數(shù)。99.5%氧化鈹電阻率與溫度68厚膜混合集成電路課件第21章693）氮化鋁基板是一種新型陶瓷基板。優(yōu)點：熱導率高（與99.5%BeO陶瓷大致相同，為氧化鋁的8～10倍）；熱導率與溫度的關(guān)系比氧化鈹瓷小；抗彎強度大、硬度小、機械加工比較容易（抗彎強度比氧化鋁大但硬度僅為氧化鋁的一半）；3）氮化鋁基板70熱脹系數(shù)比氧化鈹?。?.4ppm/℃），與Si接近，這有利于組裝大規(guī)模IC芯片；與Au、Ag-Pd和Cu漿料的相容性較好，可作高頻、大功率電路基板，還適于高密度、大功率的微波電路以及大規(guī)模厚膜IC。缺點：

成本高；對雜質(zhì)含量敏感；熱脹系數(shù)比氧化鈹小（4.4ppm/℃），與Si接近，71AlNAl2O3BeO密度（g/cm3)3.33.92.9抗彎強度(N/cm2)392002352018620熱脹系數(shù)(×10-6)4.57.38熱導率(J/cm·℃·ｓ）1~1.60.22.51介電常數(shù)(J/cm·℃·ｓ）8.88.56.5介電損耗（×10-４）5~1035體電阻率（Ω/cm）＞101４＞101４＞1014絕緣強度（ｋＶ/cm）140~170100100氧化鋁、氧化鈹、氮化鋁基板性能比較AlNAl2O3BeO密度（g/cm3)3.33.92.9抗72氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹?shù)臒釋逝c溫度的關(guān)系氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹?shù)臒釋逝c溫度的關(guān)系73幾種陶瓷基板熱膨脹系數(shù)的比較幾種陶瓷基板熱膨脹系數(shù)的比較744）碳化硅基板：以α-SiC為主，摻以微量BeO(0.1-0.35%)的新型基板。優(yōu)點：熱導率是金屬鋁的1.2倍，比BeO瓷還要高，從熱擴散系數(shù)、熱容量看該基板傳熱比Cu還要好。SiC基板的抗彎強度為44100N/㎝2與氧化鋁相近。4）碳化硅基板：75熱脹系數(shù)與單晶硅幾乎相同，所以適合組裝大規(guī)模IC芯片。缺點體積電阻率比氧化鋁和氧化鈹?shù)?。介電系?shù)高，因此高頻性能不如氧化鋁。熱脹系數(shù)與單晶硅幾乎相同，所以適合組裝大規(guī)模IC芯片。76新型SiC陶瓷與其它材料的性能比較

性能材料熱導率(J/cm·℃·ｓ)體電阻率（Ω/cm）熱脹系數(shù)0~400℃(×10-6/℃)介電常數(shù)（室溫，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單晶1.283.5～4.0119新型SiC陶瓷與其它材料的性能比較性能熱導率(J/cm·775）多層陶瓷基板：為了提高組裝密度，使電路高密度化、小型化、高速化而研制的陶瓷基板（多為氧化鋁瓷）。

多層化的方法有三種：

5）多層陶瓷基板：78a.厚膜多層法：在氧化鋁基板上交替印燒導體（Au、Ag-Pd等）和介質(zhì)漿料。特點：制造靈活性大;可在空氣中燒結(jié)，溫度＜1000℃;層內(nèi)含電阻、電容等，制造過程容易實現(xiàn)自動化。缺點：

制作微細線困難，層數(shù)也不能太多；可焊性、密封性不如其它二種方法。

a.厚膜多層法：79厚膜電路底層布圖

厚膜電路介質(zhì)層布圖

厚膜電路底層布圖厚膜電路介質(zhì)層布圖80厚膜電路頂層布圖厚膜電路頂層布圖81b.印刷多層法：將與生基板成分相同的氧化鋁制成漿料；交替在氧化鋁基板上印刷和干燥Mo、W等導體以及氧化鋁介質(zhì)漿料；（此時各層間的印刷導體就可以通過層間的通孔實現(xiàn)層間連接）。在1500～1700℃的還原氣氛中燒成；在燒成導體部分鍍Ni、Au形成焊接區(qū)；b.印刷多層法：82c.生基板疊層法：在生基板上沖好通孔；在生基板上印刷Mo、W等導體；

重疊所需層數(shù)，在490-1470N/cm2壓力和80–150℃下疊壓；在1500-1700℃的還原氣氛中燒成。

在燒結(jié)過程中，薄片里的SiO2、CaO、MgO擴散到導體層中形成中間層，從而可得牢固的結(jié)合強度

c.生基板疊層法：83優(yōu)點：（后兩種二種方法）＊利用生基板有柔軟性、容易吸收有機溶劑的特性，可印出高分辨率的微細線，容易實現(xiàn)多層化和高密度布線。＊由于導體和絕緣層燒結(jié)成整體，所以密封性好，可靠性高。缺點：設計靈活性不如厚膜多層法，燒結(jié)溫度也偏高。

優(yōu)點：（后兩種二種方法）842.金屬基板陶瓷基板缺點：脆、易碎。

不易制成大面積的基板，為此開發(fā)了金屬基板。

金屬基板：在金屬板（主要是鋼板和鋁板）上涂復絕緣膜而成。2.金屬基板陶瓷基板缺點：脆、易碎。85金屬鋁基板金屬鋁基板86優(yōu)點：價格比陶瓷低；

散熱性良好；

加工和成形簡單，可用于通孔連接；

缺點：通孔周圍