第一章先进基板技术概述

课程内容第一章先进基板技术概述第二章基板的结构与性能第三章陶瓷基板第四章复合基板第五章有机基板第六章纳米技术与基板性能第七章高端基板实例11、电子基板(ElectronicSubstrate)的概念半导体芯片封装的载体搭载电子元器件的支撑构成电子电路的基盘PrintedCircuitBoard(PCB)2第一节基板的概念与内涵2、电子基板的作用从芯片、电子元器件，大到电路系统、电子设备整机，都离不开电子基板；在电子基板中，高密度多层基板的比例越来越大；实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气连接或电绝缘、提供所要求的电气特性，如特性阻抗等。第二节基板材料及分类1、按结构分类：4模块(module)基板搭载在PCB上，以球栅阵列（BallGridArray,BGA)、芯片级封装（ChipSizePackage,CSP)、多芯片模块（Multi-ChipModule,MCM)等为代表的封装基板。2、按电气绝缘或材料分类：67无机基板金属类基板陶瓷类基板其它基板金属芯型金属基型包金属型氧化铝基板（Al2O3,3Al2O3.2SiO2)氮化铝基板(AlN)碳化硅基板(SiC)低温共烧陶瓷基板(LTCC)(硼硅酸玻璃-陶瓷，硼硅酸铅玻璃陶瓷）玻璃基板（用于LCD,PDP显示器等）硅基板金刚石基板8有机基板纸基板玻璃布基板复合材料基板耐热性塑性基板挠性基板积层多层板基材9纸、酚醛树脂覆铜板（FR-1,FR-2,XPC,XXXPC)纸、环氧树脂覆铜板（FR-3)纸、聚酯树脂覆铜板纸基板10玻璃布基板玻璃布、环氧树脂覆铜板（FR-4,G10)玻璃布、耐高温环氧树脂覆铜板(FR-5,G11)玻璃布、聚酰亚胺树脂(PI)覆铜板（GPY)玻璃布、聚四氟乙烯树脂（PTFE)覆铜板玻璃布、BT树脂覆铜板玻璃布、PPE树脂覆铜板11复合材料基板环氧树脂类聚酯树脂类纸（芯）、玻璃布（面）的环氧树脂覆铜板(CEM-1)玻纤非织布（芯）、玻纤布（面）的环氧树脂覆铜板（CEM-3)玻纤非织布（芯）、玻璃布（面）的聚酯树脂覆铜板(CRM-7,CRM-8)12耐热性塑性基板聚砜系树脂基板聚醚酰亚胺树脂基板聚醚酮树脂基板13挠性基板聚酯覆铜膜基板玻璃布-环氧树脂覆铜积层板聚酰亚胺覆铜膜基板14积层多层板基材感光性树脂（液体、干膜）热固性树脂（液体、干膜）附树脂铜箔（RCC)其它半固化基材（芳酰胺纤维非织布的环氧树脂基材等）15有机基板纸基板玻璃布基板复合材料基板耐热性塑性基板挠性基板积层多层板基材3、按基板结构分类：导体层数绝缘板材料的刚柔程度材料Z方向（厚度方向）的连接（立体连接）方式等分类16Z方向的连接方式举例第三节基板的特点与作用1、无机基板:传统无机基板：Al2O3、SiC、BeO和AlN等为基材；优良的热导率、抗弯强度、热膨胀系数等特性；广泛用于混合集成电路（HybridIntegratedCircuit,HIC）和MCM等大功耗器件。202、有机基板:有机PCB己有100年的发展史；体薄量轻；具有优良的电气绝缘及介电特性；原材料便宜，便于自动化大批量生产；易于实现多层化，在电子封装领域己有广泛应用。213、积层多层板(BUM):电子电路（包括基板电路）要求实现HDI而出现和发展的;很好解决一般多层PCB难于完成的薄型化、微细内导通孔(IVH）和导线图形的制作、高密度布线PCB的高生产效率等问题。22第四节先进基板的要求与制造1、先进基板的性能要求：具备必要的电气、机械、物理和化学特性；能实现在重量、厚度、外形、层数等方面的种种要求；在PCB制造和元器件搭载方向还要涉及许多高新技术。如印刷、金属化等。232、先进制造技术：材料技术（设计、制备、性能、表征、功能化、工程化）；光加工技术（塑料薄膜印刷、粘接、复合。电镀、沉积、喷涂、表面改性、抛光、防腐蚀等）；电镀及刻蚀等电化学技术；丝网印刷技术，制孔、叠层、热压等机械加工技术；材料表面处理技术，以及多种特种加工技术；纳米技术。24当代电子基板是集各种现代化技术之大成者!3、先进基板技术实例：例1、氧化铝电子陶瓷基板制造25密度/g·cm-3断裂强度/MPa膨胀系数ppm/oC硬度/HRA气孔率/%断裂韧性/MPa·m1/2烧结表面粗糙度/μm加工表面粗糙度/μm氧化铝/%~3.86006.39113~40.10~0.350.03~0.199.0~99.91)氧化铝基板材料物理性能2)图纸及技术要求双平面平面外圆弧粗糙度处理3)陶瓷基板烧结与精细加工工艺(1)控制素烧坯和烧结体尺寸a)素烧坯精度控制：外直径D±0.2mm,厚度B±0.3mm,误差范围(±1~3%)。b）烧结体精度控制：厚度均匀，厚薄差不得大于0.3mm(±2.5%)，外圆及孔的尺寸精度为±1~±2.5%。大尺寸取±1%，小尺寸取±2.5%。(2)氧化铝陶瓷精细加工工艺进行粗、精磨削加工，保证尺寸精度。再采用抛光处理保证最低表面粗糙度。例2、透明陶瓷超高压电极塞1）技术要求：陶瓷电极塞上表面粗糙度Ry:0.05~0.1μm;上表面陶瓷与金属导线接触处无间隙;Al2O3含量99.9%;部分尺寸按照需方要求可调整302)透明陶瓷成品工艺路线：氧化铝粉(性能同日本住友AES-21氧化铝微粉)+石蜡热压铸成型素烧修坯烧结抛光(抛光介质氧化铝粉，瓷米+抛光液+钻石粉)成品检验3)透明Al2O3陶瓷组织：高纯Al2O3（99.99％）制造，由三种独特的晶粒组成，其中存在严格的两种大、小晶粒的配合，其晶界由非常小的晶界相组成，所以称为3GMC（ThreeKindofGrainMicrostructureCeramic）陶瓷材料，即由三类特殊晶粒显微结构组成的陶瓷材料。4）透明陶瓷电路金属化工艺：溶胶凝胶等方法制备金属化涂浆超细粉加入活化剂和粘接剂涂敷印刷在陶瓷表面在氢气气氛下合适的温度进行金属化选择电极材料较好焊接特性的焊料进行陶瓷、电极材料封接工艺。第五节基板的发展及特点1、PCB和PWB的概念与区别：PWB(printedwiringboard,印制线路板）指表面和内部布置有导体图形的绝缘基板;PCB（printedcircuitboard，印制电路板）搭载电子电路的整个基板;两者是同义词，但是PCB(整体)，PWB(载体);34电子基板（ElectronicSubstrate，ES):封装基板（PackageSubstrate，PKG);高密度互连基板（HighDensityInter-connectionsubstrate，HDI)。2、基板的发展历程：36摇篮期（1903-1950）发展期（1950-1960）多层板期（1959-1988）积层多层板期（1988-）37•AlbertP.Hanson(英）为了无线电装置接线，在绝缘板上利用金属粉末原沉积，实现了电气连接，并获得专利。•酚醛树脂被发明和应用；L.Baekland博士发明了用棉织物或纸等浸入酚醛树脂，由此制作绝缘材料的方法。•Berry（英）采用抗蚀剂涂敷在金属箔上，再进行蚀刻，以去除未加保护的部分。由这种方法发明制作的产品，成功用于电阻加热元件。•M.U.Schoop发明喷涂熔融金属形成导体图形的方法，并获得专利。1903190919131918（摇篮期）38•Formica将酚醛层压板首次用于无线电制品中。•CharlesDucas(美）成功地在绝缘材料上采用印刷方式制成图形，再利用电镀法形成导体。•Rhuysenaers通过不锈钢模板，在绝缘体上喷涂熔融金属，成功制作导体图形•ParagonRubber公司提出了四种制作导电图形的专利申请，这四种方式是：金属喷涂法、金属镀法、金属箔冲压成形法、低熔点浇注法。1920192519261926（摇篮期）39•C.Paralimi(法）在绝缘板（玻璃或陶瓷基板）上先印制绝缘树脂，再敷上金属粉，将金属粉与绝缘板通过绝缘树脂达到粘接，并用电（化学）镀法，来加强电路导体金属结构的致密性和连贯性。•O’Connell发明金属箔冲压成形法和以浆料做抗蚀剂的蚀刻成型法。•英国专利提出：把铜箔的背面贴在一块托板上，在铜箔表面上涂布一层薄的耐酸漆，然后用刀具在漆膜上刻出所要求的图形，再用王水等蚀刻掉铜箔，由此得到布线图形，这就是后来的铜箔蚀刻法的雏形；20世纪30年代初，Schlack（德）关于环氧树脂制造专利首次发表，引起众多商家的极大兴趣。•Bell电话研究所（美）采用喷涂高温（600ºC）熔融金属法，在基板上布线，并在基板的两面布线，以达到可交叉布线的目的，这也是双面板发展的起源。1927192919301935（摇篮期）401935•PaulEisler博士（英）•根据印刷技术的启发，首先提出“印刷电路”的概念，发明蚀刻箔技术(EtchedFoilTechnique)，即采用照相印制工艺，在绝缘板的金属表面上，形成具有耐酸性掩蔽层的导体图形，然后用化学药品溶解掉未被掩蔽的金属，获得世界上首块名副其实的印制电路板。•该项技术奠定了以后的光刻工艺（Photo-EtchingProcess)的基础。•由于Eisler博士对整个印制电路板做出的开创性贡献，被后人称为“印制电路之父”。1936（摇篮期）41•宫田喜之助（日）提出金属喷涂布线法在绝缘板上制作电路图形的专利。•美国国防部为了满足第二次世界大战中对军事电子设备体积小、质量轻、可靠性高的要求，在世界上率先把PCB制造技术应用于军事产品中，他们在陶瓷基板上网漏印银（或铜）浆料，制成PCB。采用这种方法制造的PCB,应用在迫击炮弹的微型近炸引信管（Proximityfuse)上。•用电木（Bakelite,酚醛塑料）基材料制作的覆铜箔层压板开始进入实用化。193619411943（摇篮期）42•美国国家标准局（NBS)开始研究在一张绝缘基板上，由印刷技术将线圈、电容、电阻等构成电路，制成PCB。•S.O.Greenlee对环氧树脂的潜心研究，于1945年和1946年取得两项专利，其中包括利用聚酰胺、酚醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂固化环氧树脂的工艺法。这些研究成果，使环氧树脂进入了另一发展方向—在绝缘材料上的应用。1947年，环氧树脂在PCB基板材料上开始得到应用。•SignalCorps（美）解决了大面积铜箔与绝缘基板的粘合问题。19471945-19471947（摇篮期）1947•由美国航空商会和美国国家标准局(NBS)联合在华盛顿组织召开了“线路研讨会”，这是世界上首次召开的PCB大型学术会议。•会议总结了当时的PCB制造的主要工艺方法，在会上提出的二十几种制造工艺路线中，归纳确定了六中有代表性的工艺法:（涂布法、模压法、粉末烧结法、喷涂法、真空镀膜法、化学沉积法）。（--摇篮期）44•以蚀刻箔技术（EtchedFoilTechnique)作为主流制作的晶体管，开始走向实用化。•聚酰亚胺树脂层压板在世界上出现，它推进了PCB用基材所用树脂向着高耐热性方向发展。•美国摩托罗拉公司研制成功电镀通孔互连得双面PCB。•20世纪50年代中期，日本东芝公司提出在铜箔粘合面上形成氧化铜的工艺方法，从此，大面积、高粘合强度的覆铜板开始问世。195019511953（发展期）45•日本利用输入铜箔生产的酚醛树脂纸基铜板，制作成单面PCB,并开始应用于无形电接收机上。•美国通用电气公司提出采用铅锡合金作为抗蚀的金属导体保护层制造PCB。它标志着图形电镀-蚀刻法的开始。•日本出现专门从事PCB生产的厂商。195319541956（发展期）46•日本开发出聚酯纤维布环氧树脂积层板。•电镀金属化通孔的工艺法制作双面PCB,在日本开始实现工业化，试制成功金属化孔的双面PCB。•V.Dahlgreen发明在热塑性薄膜上粘接金属箔制成的电路图形的挠性PCB。（--发展期）19591960196047•美国德克萨斯仪器公司试制世纪上第一块集成电路。在此以后，随着集成电路生产技术的迅速发展，电子产品对P