第8章-陶瓷封装

第八章陶瓷封装8.1陶瓷材料特性简介•陶瓷材料大多是氧化物、氮化物、硼化物和碳化物等。由于其化学键通常是离子键或共价键，陶瓷的化学稳定性好。•陶瓷被用做集成电路芯片封装的材料，是因它在热、电、机械特性等方面极稳定，而且陶瓷材料的特性可以通过改变其化学成分和工艺的控制调整来实现，不仅可作为封装的封盖材料，它也是各种微电子产品重要的承载基板。离子键离子键结合的材料也是晶态，其电阻率和相对介电常数都比较高。由于键的强度高，所以其熔点较高，在较高温度下也不易断键。基于此，离子键的陶瓷化学稳定性好，在普通溶液和大部分酸中不易腐蚀。共价键陶瓷中也存在一部分共价键，特别是在硅基和碳基陶瓷中。外层电子共用形成了共价键。共价键也是强度很高的化学键。陶瓷封装的缺点：与塑料封装比较，陶瓷封装的工艺温度较高，成本较高；工艺自动化与薄型化封装的能力逊于塑料封装；陶瓷材料具有较高的脆性，易致应力损害；在需要低介电常数与高连线密度的封装中，陶瓷封装必须与薄膜封装竞争。图陶瓷封装与塑料封装工艺流程陶瓷的表面性质参数1、表面粗糙度它是对表面微观结构的量度，通常来说晶粒尺寸越小，表面越光滑。表征这一量度的参数有两种：RMS值（均方根值）和算术平均值（CLA）。表面形貌示意图rmsrms值（均方根值）法首先将图形等分为n个小段，再度量每小段的高度值，最后通过下式计算出22212...nmmmrmsnCLA平均值（通常指的是中心线平均值，CLA），可由下式算得：其中，a1,a2,a3为分割后每段的面积，L为行程长度。123...naaaaCLALrms与CLA的比较这两种方法中，由于CLA的计算与表面粗糙度联系更直接，这种方法也更受欢迎。但它也有一定的缺陷：对于一些周期不同、振幅相同的表面形貌在实际应用中会有不同的效果，但它们的CLA值相同。•2、弯曲度它表征基板表面与理想平面的偏离程度。弯曲度的单位是长度/长度。表示每单位长度的基板对理想平面的偏离。弯曲度的测量：首先将基板放置在预先排列的平行基板之间。平行板间距根据情况设置。将基板能够通过的最小距离减去基板厚度，再除以基板最长距离。陶瓷的机械性能陶瓷材料的机械性能强烈依赖于陶瓷中原子间化学键的牢固程度。非常小的塑性形变就可能会引起陶瓷失效，陶瓷很容易断裂。1、弹性模量某一材料在较高温度下，每单位长度的净伸长，即应变为上式中，E为长度方向上的线性应变。ETCET热膨胀系数样品每单位长度上的伸长带来的应力(S)由Hooke定律给出：式中，S为材料的应力，单位N/m2,Y为弹性模量，单位N/m2。如果总应力超过材料本身的强度，就会在样品上形成机械裂纹。SEY2、硬度陶瓷是已知最硬的基板。测试硬度的最常用方法是努氏法，即用金刚石压刀在材料上轻压，留下痕迹。然后测量此痕迹的深度，并定量转换为等级，称为努氏等级。表部分陶瓷的努氏等级材料努氏等级（100g）金刚石7000氧化铝2100氮化铝1200氧化铍1200氮化硼5000碳化硅25003、热冲击热冲击是指由于急剧加热或冷却，使物体在较短的时间内产生大量的热交换，温度发生剧烈的变化时，该物体就要产生冲击热应力，这种现象称为热冲击。可以用热承受因子来衡量基板忍受热应力的能力。材料热承受因子氧化铝（99%）0.640氧化铝（96%）0.234氧化铍（99.5%）0.225氮化硼648氮化铝2.325碳化硅1.40金刚石30.298.2陶瓷生产流程图陶瓷生产主要流程原料浆料流延带切片冲孔填孔丝网印刷叠层划切共烧成型电镀1、流延成型法可将随着聚酯薄膜输送带所移出的浆料刮制成厚度均匀的薄带，生胚片的表面同时吹过与输送带运动方向相反的滤净热空气使其缓慢干燥，然后再卷起，并切成适当宽度的薄带。未烧结前，一般生胚片的厚度约在0.2~0.28mm之间。2、干式压制成型（DryPress）与滚筒压制成型（RollCompaction）干式压制的方法为低成本的陶瓷成型技术，适用于单芯片模块封装的基板及封盖等形状简单板材的制作。干式压制成型将陶瓷粉末置于模具中，施予适当的压力压制成所需形状的生胚片后，再进行烧结。滚筒压制成型将以喷雾干燥法制成的陶瓷粉粒经过两个并列的反向滚筒压制成生胚片，所使用的原料中黏结剂的所占的比例高于干式压制法，但低于刮刀成型法所使用的原料。所得的生胚片可以切割成适当形状或冲出导孔。因质地较硬而不适于叠合制成多层的陶瓷基板。3、打孔主要分为机械钻孔法，机械冲孔法和激光打孔法。（1）机械钻孔法：该法打孔速度慢，精度较差。且在打小孔时，由于钻头直径较小，易于弯折。（2）机械冲孔法：该法打孔速度快，精度较高。最小孔径可达0.05mm。（3）激光打孔激光打孔法速度最快，打孔精度和孔径都介于钻孔和冲孔之间。由于激光打孔过程不与工件接触，因此加工出来的工件清洁无污染。图激光打孔形成的微孔图激光打孔机4、通孔填充主要使用的是掩模印刷法。对于高密度布线的LTCC基板，采用掩模印刷法比较合适。掩模版材料通常采用0.03-0.05mm厚的黄铜、不锈钢或聚酯膜制作，在上面刻成通孔。通孔浆料被装在一个球囊里。填充通孔时，使用将生瓷片定位到真空平台上的同一组定位销将掩模校准定位到部件上，通过球囊后面的气压力将浆料挤压通过掩模，浆料连续的流过掩模，直到所有通孔都被完全填充为止。图理想的填充通孔5、生肧片叠压如需制成多层的陶瓷基板，则必须完成厚膜金属化的生胚片进行叠压。生胚片以厚膜网印技术印上电路布线图形及填充导孔后，即可进行叠压。叠压的工艺根据设计要求将所需的金属化生胚片置于模具中，再施予适当的压力叠成多层连线结构。6、划片目前常用激光划片，激光划片又分两种：A、划痕切割采用脉冲激光在陶瓷上沿直线打一系列相互衔接的盲孔，孔的深度只有陶瓷厚度的1/3-1/4。稍加用力，就可沿此直线折断陶瓷。B、穿透切割采用脉冲或连续激光，按通常方法切割。切割速度较低。7、烧结烧结为陶瓷基板成型中的关键步骤之一，高温与低温的共烧条件虽有不同，但目标只有一个就是将有机成分烧除，无机材料烧结成为致密、坚固的结构。图BTU公司的FastFire烧结炉A、高温共烧在高温的共烧工艺中，有机成分的脱脂烧除与无机成分的烧结通常在同一个热处理炉中完成，完成叠压的金属化生胚片先缓慢地加热到500~600℃以除去溶剂、塑化剂等有机成分，缓慢加热的目的是预防气泡（Blister）产生。待有机成分完全烧除后，根据所使用的陶瓷与厚膜金属种类，热处理炉再以适当的速度选择升温到1375~1650℃，在最高温度停留数小时进行烧结。B、低温共烧低温共烧工艺的温度曲线与热处理炉气氛的选择所使用的金属膏种类有关。使用金或银金属膏基板的共烧工艺为先将炉温升至350℃，再停留约1h以待有机成分完全除去，炉温再升至850℃并维持约30min以完成烧结；共烧工艺均在空气中进行，耗时约2~3h。图一种低温烧结曲线8、表层电镀表层电镀及引脚接合的另一个目的在于制作接合的针脚以供下一层次的封装使用。对高温共烧型的陶瓷基板，键合点表面必须使用电镀或无电解电镀技术先镀上一层约2.5um厚的镍作为防蚀保护层及用于针脚焊接，镍镀完成之后必须经热处理，以使其与共烧型的钼、钨等金属导线形成良好的键合。镍的表面通常又覆上一层金的电镀层以防止镍的氧化，并加强针脚硬焊接合时焊料的湿润性。9、终检对排胶、烧结、焊接完成后的陶瓷元件还须进行多方面的检测，以保证其性能的可靠性。这些检测包括外观、尺寸、强度、电性能等方面。8.3陶瓷基板材料•主要材料：氧化铝Al2O3、氧化铍、碳化硅、氮化铝与玻璃陶瓷等。•特点：耐热性好、热导率高、热膨胀系数适当、微细化布线等优点。•应用于LSI封装及混合集成电路中。表陶瓷材料的基本特性比较材料种类介电系数（at1MHz）热膨胀系数（ppm/℃）热导率（W/m·℃）工艺温度（℃）抗扰强度（MPa）92%氧化铝9.26181500～30096%氧化铝9.46.620160040099.6%氧化铝9.97.1371600620氮化硅（Si3N4）72.3301600—碳化硅（SiC）423.72702000450氮化铝（AlN）8.83.32301900350～400氧化铍（BeO）6.86.82402000241氮化硼（BN）6.53.76002000—钻石（高压）5.72.320002000—钻石（CVD）3.52.3400～1000300玻璃陶瓷4～83～5510001501、氧化铝陶瓷浆料浆料（Slurry,orSlip):无机与有机材料的组合。将各种无机和有机材料混合后，经一定时间的球磨后即称为浆料。也称为生胚片载体系统。①无机材料组成：氧化铝粉与玻璃粉末②有机材料组成：粘合剂、塑化剂、有机溶剂无机材料中添加玻璃粉末的目的包括：调整纯氧化铝的热膨胀系数、介电系数等特性；降低烧结温度。8.3.1氧化铝2、陶瓷基板材料配比陶瓷基板又可区分为高温共烧型与低温共烧两种。在高温共烧型的陶瓷基板中，无机材料通常为约9:1的氧化铝粉末与钙镁铝硅酸玻璃（Calcia-Magnesia-AluminaSillicateGlass）或硼硅酸玻璃（BorosilicateGlass）粉末；在低温共烧型的陶瓷基板中，无机材料则为约1:3的陶瓷粉末与玻璃粉末，陶瓷粉末的种类则根据基板热膨胀系数的设计而定。3、有机材料黏结剂为具有高玻璃转移温度、高分子量、良好的脱脂烧化特性、易溶于挥发性有机溶剂的材料，主要的功能在提高陶瓷粉粒暂时性的黏结以利生胚片（GreenTape）的制作及厚膜导线网印成型的进行。塑化剂的功能及塑化作用（Plasticization）是调整黏结剂的玻璃转移温度，并使用生胚片具有扰屈性。有机溶剂的功能包括在球磨过程中促成粉体的分离（Deagglomeration），挥发时在生胚片中形成微细的孔洞。4、合成浆料将前述的各种无机与有机材料混合后，经一定时间的球磨后即称为浆料（或称为生胚片载体系统，Green-Sheet-VehicleSystem），再以刮刀成型技术（Doctor-BlazeProcess）制成生胚片。8.3.2氮化铝氮化铝为具有六方纤锌矿结构的分子键化合物，它的结构稳定，无其它的同质异形物（Polytyes）存在，熔点高、低原子量、简单晶格结构等特性。与氧化铝相比，氮化铝材料具有极为优良的热导率，较低的介电系数（约8.8），与硅相近的热膨胀系数，因而它亦是陶瓷封装重要的基板材料。氮化铝粉体制备氮化铝粉体制备最常见的方法为碳热还原反应（CarbothermicRedution）和铝直接氮化技术。•碳热还原反应将氧化铝与碳置于氮气的气氛中，氧化铝与碳反应还原的产物同时被氮化而形成氮化铝。•铝直接氮化的工艺为将熔融的微小铝颗粒直接置于氮气反应气氛中而形成氮化铝。基板制造热压成型（HotPressing）与无压力式烧结（PressurelessSintering）为制成致密的氮化铝基板常见的方法，工艺中通常加入氧化钙（CaO）或三氧化二钇（Y2O3）烧结助剂以制成致密氮化铝基板，氧化铍、氧化镁、氧化锶（SrO）等亦为商用氮化铝粉末常见的添加物。8.3.3氧化铍氧化铍是铍的氧化物，剧毒，化学式BeO。氧化铍为白色粉末，有很高的熔点。氧化铍是密排立方的闪锌矿结构。氧化铍的热导率极高，高于金属铝，被广泛使用在要求热导率较高的场合。但高于300度时，其热导率会下降。氧化铍具有毒性，机械加工时必须防止吸入其粉尘。8.3.4碳化硅碳化硅又称金钢砂或耐火砂。分子式为SiC，其硬度介于刚玉和金刚石之间，纯碳化硅是无色透明的晶体。工业碳化硅因所含杂质的种类和含量不同，而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色，透明度随其纯度不同而异。碳化硅材料的优点为优良的热导率与极为接近硅的热膨胀系数，但纯碳化硅的特性接近半导体材料，因此早年它并不被考虑作为基板材料。碳化硅基板制造技术利用SiO2+2C→SiC+CO2反应生成的碳化硅粉末并与适量的氧化铍粉末及有机成分等混合，再用喷洒干燥法（SprayDrying）制成粉末。所得的粉粒先以冷压制成薄圆板状，与