第8章-陶瓷封装

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：
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。
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-Alumina Sillicate Glass） 或硼硅酸玻璃（Borosilicate Glass）粉末；
氮化铝粉体制备最常见的方法为碳热还原反 应（Carbothermic Redution）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（Hot Pressing）与无压力式烧结 （Pressureless Sintering）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。
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-Vehicle System），再以 刮刀成型技术（Doctor-Blaze Process）制成生 胚片。
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
热膨胀系数
E TCET
上式中，E为长度方向上的线性应变。
样品每单位长度上的伸长带来的应力(S)由 Hooke定律给出：
S EY
式中，S为材料的应力，单位N/m2,Y为弹性模量， 单位N/m2 。
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。
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（Green Tape）的制作及厚膜导线网 印成型的进行。
•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
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。
2、干式压制成型（Dry Press）与滚筒压 制成型（Roll Compaction）
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。
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
rms
rms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
rms m12 m22 ... mn2 n
CLA
平均值（通常指的是中心线平均值，CLA）， 可由下式算得：
6 6.6 7.1 2.3 3.7 3.3 6.8 3.7 2.3 2.3 3～5
热导率 （W/m·℃）
18 20 37 30 270 230 240 600 2000 400 5
工艺温度 （℃） 1 500 1 600 1 600 1 600 2 000 1 900 2 000 >2 000 >2 000 ～1 000 1 000
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0.03-0.05 mm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。
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。
氧化铍
1200
氮化硼
5000
碳化硅
2500
3、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 氧化铝（99%） 氧化铝（96%） 氧化铍（99.5%）
氮化硼 氮化铝 碳化硅 金刚石
热承受因子 0.640 0.234 0.225 648 2.325 1.40 30.29
8.2陶瓷生产流程
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
图 陶瓷生产主要流程
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。
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
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
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
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。
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。