第一章混合集成电路的基片

热膨胀系数应与薄膜 的尽量相近，否则将导致热应 力。 一般用热膨胀系数α来定量 描述固体的热膨胀。热膨胀系 数随温度的变化不明显。在0～ 300℃范围内常用一个平均的热 膨胀系数表示。
2. 导热系数 在大功率电路中，基片的 导热系数K是选择基片的一 个主要指标。 电路温升的影响： ①膜材再结晶、氧化，甚 至熔化、蒸发 ②端头、膜、基片间的互扩 散、反应扩散、电化学腐蚀
表 Al2O3和BeO基板性能
性能 材 料 组成 热胀系数 热导率 体电阻率 介电常 介质损耗 密度 绝缘强度 最高使 抗弯强度 (×10-6) (J／cm°C ( .cm) Ω -4 (g／ ( 10 ) (kV／cm) 用温度 数 × 2 (25 C ／ ° (N／cm ) (25~ S)(25°C/ cm3) (1MHz) (1MHz) (°C) (60Hz) 800° C) 300°C) 500°C) 31360 32340 39200 58800 18620 7.5 7.7 8.1 8.2 8.5 0.167/ 0.109 0.200/ 0.126 0.293/ 0.145 0.335/ 0.167 0.264／ 0.117 8.5 9.3 9.7 9.8 6.8 5 3 1 1 2 ＞1014/ 9×109 ＞1015／ 3×1010 ＞1015/ 8×1012 ＞1015/ l×1012 ＞1017 5×1013 150 150 160 l500 1550 1750 1800 1800
99.5％ Al2O3 陶瓷电性能优良，光洁度较高（细晶陶瓷， 未经研磨，粗糙度1 μm）。适于低损耗、高频电路应用， 是目前微波集成电路中应用最广泛的基板材料。 但99.5％ Al2O3 基板烧结温度高，价格贵，与厚膜的结合 较差。厚膜可用85％和75％Al2O3瓷，成本较低。氧化铝基 板的一般尺寸精度为宽±1％、厚±10％、反翘0.1／25mm以 下。 2. BeO基片 最大特点是高热导率，在常温下为2.64J／cm·℃·s， 仅次于银、铜、金而与铝相近，约为氧化铝的10倍。 机械强度不如氧化铝，但体积电阻率大、介电常数小、 高频下损耗小，适于作高频、大功率电路基板。 氧化铍基板能与大多数厚膜浆料相容。但氧化铍粉末有 毒，材料价格较贵，限制了它的应用。
第一章 混合集成电路的基片
电子科技大学 微电子与固体电子学院 杨邦朝 2010.03.
第一节 混合集成电路对基片的要求
一、 基片的作用 基片在HIC中起承载膜式元件，互连线，支撑各种外贴元器件并 起着封装的绝缘体作用。此外， 基片还有散热作用。 二、HIC电路对基片的基本要求
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良好的表面光洁度。 薄膜基片：<100nm 厚膜基片：<3μm 细线化→高的光洁度（光洁度与附着力关系）。 例：薄膜电容器。。。造成击穿。
3. 基片表面状态对混合集成电路的影响 1）对薄膜电阻器的影响：对基片的粗糙度就不很敏感， 但有一定影响。 粗糙度↑，方阻↑ 2）对薄膜电容器的影响： 对基片的表面缺陷敏感，在膜 薄处易于击穿。 3）对薄膜导电带的影响：细线条要求低的粗糙度。
二、基片的电气性能 1）体电阻率 玻璃从25到300℃，电阻率下降了7个数量级。许多 玻璃中含有一定数量的碱金属离子（Na+），玻璃中主 要是离子电导。右图的斜率是离子电导的激活能。 随着温度升高，碱金属离子 向负极运动加快，与电阻膜金 属发生电化学反应，把该处金 属“腐蚀”掉。玻璃基片的碱金属 离子向薄膜电容器中的迁移， 被认为是薄膜电容器早期失效 的原因之一。
四.金属基复合基板 1.不锈钢基复合基板
2.铝基绝缘基板和多层布线基板
第四节 基片的清洗
目的：去除表面污染，在薄膜淀积之前提供干净的基片， 保证薄膜具有良好的附着力和元件不受污染破坏。 基片的清洗方法主要有机械清洗和化学清洗。 机械清洗：擦拭，超声波清洗 化学清洗法：通过溶液中某些氧化物与有机污染物(如 脂肪类)产生化学反应，并生成可溶性化合物而达到去 污目的。 通常用丙酮、酒精去油脂，用酸去除金属离子。
（3）BN为填料的绝缘金属基片 为了提高基板的导热性，在环氧树脂中大量填入高热 导率的无机材料，如氮化硼，制成了一种导热性很好的 基板。适于大面积和高密度组装，应用于大功率电路。 3. 等离子体喷涂基片 等离子体喷涂基片是用等离子体喷涂技术在铝板上， 喷涂Al2O3层，再在 Al2O3 上喷涂铜导体图案，最后浸以 聚合物并固化。
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化学稳定性好。耐酸、耐碱。基片本身的化学组份能保持长期稳
定性，不与膜反应，扩散小。
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表面电阻和体积电阻高。膜式元件之间的绝缘程度取 决于基片的表面电阻和体积电阻。（表面漏电） 机械强度高。耐受恶劣的机械应力。 热膨胀系数尽可能接近膜层材料的热膨胀系数，以减 少热应力、减少因形变导致的电阻改变等。 导热性好（特别是大功率混合集成电路和高密度组装 电路） 抗热冲击性好。能承受薄膜沉积、厚膜烧成过程的高 温（200-900℃），以及使用环境的高低温度变化。 无气孔、吸水性要接近于零（缩短抽真空时间，延长 薄膜器件的稳定性）。
2. 描述基片表面的几何特征参数 三个参数：粗糙度、波动度、平整度。 1）波动度：某一位置附近最 高点与最低点的距离，h2。 2）粗糙度：反映基片上从一 个点到另一个点的起伏，h1。
基片的粗糙度与波动度或平整度无直接关系； 多晶基片的粗糙度直接受晶粒大小的控制。 3）平整度 整个基片上最高点与最低点的距离h3称为平整度。 平整度对掩膜、光刻、印刷等工艺有直接影响。 一般用h3除以基片的长度来衡量基片的平整度，称为基 片的翘度。
92％ 3.60 A12O3 96％ 3.75 A1203 99.5％ 3.90 A12O3 99.9％ 3.96 A12O3 99.5％ 2.95 BeO
4. 新型SiC基片 成分：α-SiC+0.1-3.5%BeO； 高导热，比BeO高，是铝的1.2倍，从热扩散系数，热 容量来考虑，传热性比铜还好； 体积电阻率比氧化铝低，介电常数则高很多，不适合高 频电路 热胀系数与硅几乎相同，很适合于组装大规模集成电路 芯片，不需要散热器，简化了结构； 缺点：厚膜浆料与氧化铝的不同，需特殊研制。
3.机械强度 基片应具有一定的机械强度，以承受电路、外贴 元器件，以及在封装、焊接时的机械应力和热应力 的冲击。 陶瓷比玻璃坚韧；且玻璃只能在远低于软化点的 温度下工作
4. 基片热学性质和力学性质对薄膜电阻器性能的影响 热膨胀系数失配对电阻膜的方阻和电阻温度系数均 能产生影响。 薄膜电阻材料的电阻温度系数与块状材料的电阻温 度系数TCR以及基片材料热膨胀系数和膜状材料热膨 胀系数之间满足以下关系： TCRf = TCR + 1.4( as—af )
三、加工条件对基片的要求
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平整度好，以便和掩膜贴紧； 外框尺寸公差小，以便套刻、套蒸、套印。 基板应与膜材料有很好的相容性，在物理、化学性能上与 膜材料相容。 成本低。至少要达到在大批量生产时能够接受的成本和价 格。 在微波电路中，对基片的介电常数和厚度等还有严格的要 求；在某些特殊应用对基片的绝缘强度，损耗角正切值、 密度、硬度、最高使用温度也有一定的要求。
2）陶瓷 一般温度下，陶瓷的电导主要是由某些缺陷、杂质等引 起的电子电导。多晶陶瓷中的气孔会使电阻率增加。基片 表面吸附的水汽有时会使基片的电阻率下降。
2) 介电特性 玻璃和陶瓷的介电常数一般在4～10之间。高频电路 中，小的介电常数和介质损耗往往作为选择基片的主要指 标。 玻璃中有活动性大的碱金属离子（1兆赫以下）。 陶瓷是一种良好的电介质，可用于10千兆赫以下。应 选用高铝瓷，因低铝瓷中含有较多的玻璃相。
小
结
陶瓷基板材料具有耐磨、耐热、绝缘、热膨胀系数小 等特点，但存在介电常数较大，烧结温度高等缺点，并 且成型工艺较为复杂。 高分子材料由于低熔点的限制，选择面不宽，但近几 年，改性后的高熔点高分子材料性能已能满足电子工业 的高速发展所需。另外，高分子基板较为便宜。 复合基板可以充分发挥各种材料的优势，应用前景十 分乐观。
3. AlN基片 热导率高，与BeO接近，且几乎不随温度升高而降低； 电性能优良，绝缘电阻高、介电常数低和介质损耗小； 抗弯强度大，硬度为氧化铝的一半，机械加工较容易； 具有低的介电常数和热膨胀系数，与硅片的很接近，有利 于组装大面积的集成电路芯片。 AlN在厚膜电路中可作大功率、高频电路的基板，还能用 于高密度、大功率微波电路和大规模厚膜集成电路。 缺点： 金属化厚膜与AlN基片之间难于形成牢固的结合， 需要研制匹配的浆料。
三、复合基片 由于陶瓷基片的加工性较差、介电常数较高、机械强 度不够、不易制成大面积，为了克服这些缺点，并适应 大功率的需要，开发了复合基片。 复合基片是指以金属为基底、上面覆盖绝缘层而构成 的一类基片。已开发并用于生产的复合基片有瓷釉金属 基片、有机材料－金属基片和等离子喷涂基片。 具有高热导率，而且加工性较陶瓷基片好得多，成本 也可降低。可制成大型基板，图形精度良好，基板的金 属芯增大电路间的固有电容量。 金属主要是钢板、铜板和铝板。
四、基片的化学稳定性 高温稳定性：厚膜在1000℃以内烧结，要求高温时性 能稳定。 化学腐蚀的稳定性：光刻、阳极氧化等，钽膜电路的 腐蚀液中含氢氟酸，所以不能采用玻璃基片、被釉陶瓷 基片。
基片的化学性质直接与元件的电气性能相关。 玻璃中的Na+与TaN反应，所以Na2O含量越多，电阻越不 稳定。
2. 有机材料－金属基片 （1）金属－聚合物厚膜基片（M-PTF) 在钢板、铝板等表面涂上环氧树脂、聚酰亚胺树脂，在压上 几十微米厚的铜箔。工作温度在200℃以下。可焊性良好。 （2）树脂绝缘金属基片(Insulated Metal Substrate-IMS) 在铝板上，用阳极氧化法形成几十微米厚的氧化铝膜，然后 在单面涂上环氧树脂或聚酰亚胺树脂层，再压上铜箔，并电 镀以镍层，便制成IMS基板。
高纯氧化铝、氧化铍和蓝宝石是优良的基片材料。
第三节 常用基片材料