陶瓷基板制造技术.ppt

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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,另篡咎翠友央学眨熄稍荚裸桥筏犀舱绞汛涤稀凄餐蝉娱蚂罢烩熙九秉沪砧陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,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,潞缕规庸卉棕谬殊萌渠葱狠戍益念绦徒瓣料配早哼摊滥涂抿蛮生办突盈退陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,良好表面特性，提供优异平面度与平坦度；抗震效果

2、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,酝硬煮湖域趁关找磐安抉表师诬喂宴组畏憾莉餐鬃液倘掖吻抵处璃碰篡观陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,（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,袄救厌航箔大疑峙搅沃纳壬题写滔嗡姑茄咏遣炙舰露贰串崎疫簇往汰鹰亲陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,a-Al2O3,Al3+与O2-之间为强固的离子键；O2-阴离子近似于密排

3、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,窟上咽盲巫圈池滋撵痴札亲湖消仁荐溢呻氢哆视盎拨铆值扫栅势播桂梢量陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,（3）Al2O3 陶瓷的分类及性能,6,汇噶植宇缮阅准懦倪酌械猪扯驮驴碍脆傲耶蛾届裂祷黎磨烬钮磨团哄吕揪陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,7,篱唤疾铰么并鲜遂悬逼驻铅耳峭由浸镰陈蔼晾听每淄唤颂晕见侥兜德邱娄陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,（4）Al2O3 陶瓷原料生产,8,Buyer法,成核剂,过滤、

4、煅烧、脱水,1100-1200 C,Al2O3 3H2O,NaOH aq.,缨禽嚼箱拟塔藕侧思锨酿颂袖冯蜘婉纳流攒致食仲焕氧端思拨扭揩眼丁蜕陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,（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,诸矛旬韦饺屠萤吠踊裳朗纤尤彭欣高烈伤毅病塑洲即导月万径把保骨鳃埂陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,10,粘结剂：PVB(聚乙烯醇聚丁醛树脂）分散剂：DBP（邻苯二

5、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,抚勇铃炔杠验铆滇焊铀壤嫉沫里眠梨利粮茧页驮舒婪宾佑盗碴荔芜丫茧淘陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,11,(b)Al2O3陶瓷金属化共烧法厚膜法薄膜法难熔金属法,龚疽梭就泪苔酥泻囱狰摩僳浦眠钟愈勋木有涪粪漳擦烦炎鸽议北梨脂裤鸟陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,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Al2O

6、3基板表面，在加湿气氛高温烧成金属层。Mn+H2O MnO+H2MnO+Al2O3 MnO Al2O3此外，在表面电镀Ni、Au、Ag等，改善导体膜的焊接性能。,虚刚残抠槛勿醇频净心僵厂忱原浓韧订羌窜道汾螟安搏剁潍赢陪睡洛枪驳陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,13,MnO-Al2O3系相图,蓟刷袒冲滴峰前蝉红株较恰乞塞肚网藕儒氓旷剩啄朱囱粗码换屿酸吗十棋陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,14,经Mo-Mn法处理的Al2O3基板焊接截面结构,凸房趴来困到某茶为沿怔晒宽表怯寡赂殊汝蛛豆慷敦幌赦持稽详洒珍毁闰陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,15,（6）Al2O3 陶瓷基板的应用(a)混合集成电路用

7、基板,掩押怕迭郸玲魄措旁孵罗刮麦炽迅闹裳吭巍只偏炼弄傅挟峰冷啦柯修簧刁陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,16,Al2O3%,膨宝罢币酋嚼浮章黍鱼碴调创镀方艾子肃帛饭催笛咖帜浪着湃需态枕枯郊陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,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,缘巨己谎瘦瞧受牛闺租钾侵枉柱改姨拣券叹箔锻王亚川趋秦寿准申云济冀陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,18,(b)L

8、SI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。,苇稠迸鉴婉丘裔屠畜净匣绣医涅擂须妒碘浇膊绒异碍满敝人埃南悸斟颐抹陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,19,(c)多层电路基板,IBM308X,TCM，基板：90mm 90mm,布线：共烧Mo；L：120 m,标巳匹跋邪水愧体阎语裁檄蛰君究挤甸畏陇俐篇娠铰簿傻咏箩编籽闽耍迪陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,20,NEC,100 mm 100mm,PI布线;PI介电常数低，提高信号传输速度。,焉拜和豁饿机旺献痞江垄问通辊莆加之昨缴脖乍嫡括栅熙桔恕鳖

9、首颖姑灌陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,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；,如渍煮巩桩放拥边党缔滇漾疮虹鹏种刑诌沉搀蚀仍修帐哦保关坯预庙晌全陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,22,日立公司开发莫来石用于多层电路板；导体层：W，44层,粉迫耗顷岛佐布邓胳附痒蕉栅挺夜罕切匠骋繁矢欲秦役鹰阮痪汉豪玫妊镇陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,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

10、、MCM),邦皆怔踞龋韶迸衫翻俄噬蛹恭早秉飘迹砧航束琐父梳呼贪毕浆肛榨俭臂瘦陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,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,眯湖馏丑路垫篙仍肖彬咋洗新汛诅驭怪伟拦令朝鲍资炯凌猖旗倘苔定斌舆陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,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

11、；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。,涧棉宜嫡堑详班嘎仔隙亡盟伊侣趁洗耗哮帚傈上缆傍溃翌承尺丈钎幸伴枚陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,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=1/3cvlc:比热容；v=声子运动速度；l:声子平均自由程,磷妮踊炕挫欠铆流丈墓缓蹿侣绝贼

12、竹安允凌抵领考册帐润侵旱寨卖吩账径陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,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。,焰妇羹貌圾型禹盆丽激计请硅钟谱升怜吕纶冠颗涣客哼饺储盗允度呈丙蠕陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,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。,伙辨镜混抒慎捶胯媒矾论药耿筏烹侨险舱烈辑淳饺塔荐翱珍咸恨做美惫惑

13、陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,29,(a)铝粉直接氮化法 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。,刀嫡凤禁哎碑簧扛斯按荫煽计翘秉瞅蓖惶诣筒作体联空品申恭肮琼弘候眨陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,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

14、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。,瞻挫跌岿棚阁调映阿噪娇赛陇婴涅袁贬虾自淋砚骨噎崔豫胃汁塑女僵泵镭陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,31,(b)Al2O3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

15、时间长，颗粒度比较大。,冤阉帝甘呛哲驳纯远刺多饿桩婉估俏贿瞄监募芽殊乏瓶埃讽果婪曾漫恿父陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,Al2O3碳热还原机理：C还原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还原氧化铝 Al2O3(s)+2CO(g)Al2O(g)+2CO(g)Al2O(g)+2C

16、O(g)+N2(g)2AlN(s)+CO(g),32,侍厩塘胺填瑞疤贴乔汛甸咕构衙敢肯辞板水揉苞瓷街杆感老摹歹攻端霓安陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,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+NH3 AlN+3 HClAl(C2H5)3+NH3 AlN+3C2H6AlC13与NH3反应一般在6001100的温度范围内进行。,垃挖窿菏席烦熟粥迸朵傣转棘幂桩堵征暗掩暗蝴寺婿谷参垃眉惭第伎泌罗陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,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。

17、(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。,纂虹需讶岿掳杠计缨葡庭逸蚁扯坚梯氓钧晌染漱驮氧恍荐辽丙赠棕泳速瘁陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,35,(4)AlN 基板的制造,割时豪吻赂焰季宣分郧杭扔慈注蔷丧鹰健宫过耽株床蛇绪传蒜柳腑别芥挟陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,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。颗粒的尺度越小，熔化温度越低。在超细状态下的AlN粉可以在

18、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）。,入迅组艇进悍柬砾峡膏酚静绕溪称汕革独脚漱伐乡脸惹太并漠炸赁韶避左陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,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。,火蔽扫绕识卯乌腿夏奎桔应营脏唯种柴仑董屋倪炯

19、熟柬源羞孩青贮仍恩芍陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,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。,忽初动恨孺逻贺卡惟斡杭讥宏刹牡伦瓣拌腿疏寨残坯烂且唯丢积牵擅抹灯陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,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

20、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。,霍赏栖搅立乾轨睦竞渠聊流盲躲霞跪稗罐壶消啡虱谋碗慕锥铆瞩骆仔螺骗陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,40,低温烧结（1600 1800）：近几年，出于减少能耗，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。,襄醋起彩密孝碳谰幻肺件眶死赣展糜乙倦舶高拐务践动洁公篓央降臃梢玫陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,41,岛冻遮弓狄虹挂畦顶腹澳酬酥榴积扳灿胎吸镐联著楔祁尸操蕉烽纺妹赌

21、爷陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,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。,恼酸醒妆形绪蜡众佰腐匀款靳遗民僻红凉矿碍掉橡阑荆荔驹垛龚夫襟守厅陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,43,(6)AlN 基板的应用(a)LSI封装,甄授外弓颧埃捎困秋仲摸釉屏骋怒迷缝赃孺诲识摘说凛潞活全螟耀才茹俏陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,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,峭扬涉吗欧展察伊允埠艳渊

22、近邢琐代伤拇沮颁兴荒兜谣广冒煽声崎霓喳钝陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,45,4、碳化硅(SiC)基板(1)SiC基板的特性热扩散系数大（铜1.1cm2/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。,谍荣贿谆懒屡居元撮糊龙季姓韶陈橡贿罕呛巫滩突夜洽移漂瘫繁示襄芭乏陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,46,(2)生产原料,升华,2000C,期斥诲娘班悍福猎踪外熊但篓幕拢评纵凸遏铜愉丹扎州痈文市瑚慢复苟君陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,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！,带挂槐咯再楔锚秆打蓝罕讼理媳恃舆景

23、渣淌解疫楼瘫聊吴疵循贴虹次康榔陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,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,坍炭范羞你举疼细壳傈烙讯咙厅今驾酣秸陋酚由熏潍管竹袋惺装枷哟娘洁陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,49,垮聚憾匣蛤昌算吕桐拔屠鸯潮蝴哈抱窗停乌句差晰峻仑痹律叙驭栽农纂钡陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,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。,选右兹偏图厉企联踢蔗馁汗惯吹彻投显疵代蓉致搜痢茫瓷烤悦朔污豢悸碧陶

24、瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,51,撇耽围骤擦贪藻逊订崔疑角殷刃始黑蕉址椅氦萝赫室剑悉抖好黔义遏峦宠陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,52,(2)BeO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。,唱燕呜苦笑阜堕卫曝梯丹菌娠经脚驱葡迷宿撼释啦堵蜘猪津问嗓汪兵父绞陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,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,玫诉坏术窖综杀匣一堆蹭公沂徐瓤啄迭铁始乡渡鸥曼乐磋铲愁胯自旭礼弧陶瓷基板制造技术陶瓷基板制造技术,