集成电路系统级封装
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4.1.1 厚膜陶瓷基板

厚膜陶瓷基板(Thick-Film Ceramic Substrate)通过厚膜丝网印刷、烧结等工序,在陶瓷基板上制作电阻、电感、电容等元器件,以及互连导线、绝缘介质,形成具有一定功能、可以贴装或焊接芯片的封装载体。厚膜陶瓷基板通常为平板形状。厚膜陶瓷基板可以为组装在其上的元器件提供机械支撑保护、电互连功能,起到绝缘作用,并将它们产生的热量向四周扩散。厚膜陶瓷基板是高性能电子部件、整机、子系统实现所需功能的构建技术之一,既是一种组装技术,也是电子元器件与整机系统之间的一种接口技术。

陶瓷基板按材料主要分为氧化铝、氧化铍、氮化铝、碳化硅、氮化硅等类型。由于陶瓷基板具有良好的导热性能、高温稳定性、绝缘性,并且热膨胀系数较低,因此在高电压、大电流和功率密度较大,以及高温、高湿、高压力、多灰尘等场合获得广泛应用,如LED照明、仪器仪表、汽车电子、雷达、航空航天、通信等领域。

陶瓷基板材料性能直接决定和影响陶瓷基板性能。对陶瓷基板而言,陶瓷基板材料的导热系数、热膨胀系数、耐热性、耐电压性等都是非常关键的参数指标,必须符合GB/T 9531—1988《电子陶瓷零件技术条件》等相关技术要求。陶瓷基板参数的检测依据相关国家标准,如GB/T 5594—2015《电子元器件结构陶瓷材料性能测试方法》、GB/T 5598—2015《氧化铍瓷导热系数测定方法》、GB/T 5597—1999《固体电介质微波复介电常数的测试方法》、GB/T 18791—2002《电子和电气陶瓷性能试验方法》等。

陶瓷基板材料的成分和工艺差异会使其性能参数有所不同。厚膜陶瓷基板材料典型的性能参数如表4-1所示。

表4-1 厚膜陶瓷基板材料典型的性能参数

AlN、BeO、SiC陶瓷的电阻率都大于1014Ω·cm,是优良的电绝缘体,导热系数为140~200W/(m·℃),接近甚至超过金属铝的导热系数[25℃时为170W/(m·℃)],是Al2O3陶瓷导热系数的6~10倍。BeO陶瓷在加工过程中会产生具有毒性的粉尘,所以被限制使用。AlN陶瓷没有BeO陶瓷的毒性问题,并且热膨胀系数和硅的热膨胀系数最接近,故部分BeO陶瓷被AlN陶瓷取代。SiC陶瓷介电常数偏高,只适合作为热沉积材料,不适合作为对传输速率、延迟等有要求的封装基板。Al2O3陶瓷具有优良的机械强度,良好的热稳定性和化学稳定性,较低的介电常数和介质损耗,批量生产工艺成熟稳定,价格低廉且易获得等特点,在陶瓷基板中的应用最为广泛。

厚膜陶瓷基板的电阻、导体、介质层的膜厚通常大于10μm,导体的宽度、间隙等主要由丝网印刷工艺能力及电性能设计要求综合决定。厚膜陶瓷基板的典型制造工艺包括印刷网版设计、丝网制作、浆料准备、浆料印刷、浆料烘干、烧结、激光调阻、基板分割。厚膜陶瓷基板典型制造工艺流程图如图4-1所示。

图4-1 厚膜陶瓷基板典型制造工艺流程图

厚膜陶瓷基板的浆料通常由功能相、黏接相和载体三部分组成。浆料中的功能相决定了厚膜的电性能和机械性能;浆料中的黏接相通常是玻璃、金属氧化物或二者的组合,其作用是将厚膜黏接到陶瓷基板上。用作导体的浆料,其功能相通常为贵金属或贵金属混合物(如Ag-Pd、Ag-Pt微细粉);电阻浆料中的功能相通常为金属合金或钌系化合物;高介电常数的电容层、多层介质层、密封剂基本由玻璃或玻璃-陶瓷等无机相组成。与浆料有关的固体含量、细度、黏度、分辨率、方阻、附着力、可焊性和耐焊性等的测定参见GB/T 17473—2008《微电子技术用贵金属浆料测试方法》。浆料主要供应商有湖南利德电子浆料股份有限公司、厦门信瑞昌电子科技有限公司、西安宏星电子浆料科技有限责任公司、苏州固锝电子股份有限公司、江苏鼎启科技有限公司、杜邦(Dupont)、ESL、德国Heraeus、法国福禄等。

厚膜陶瓷基板通常采用多层布线,利用丝网印刷技术将浆料按预定方案涂覆在陶瓷基板表面,经过干燥和600~950℃高温烧结依次制备导体层、电阻层、绝缘层、介质层及其他功能层。为防止未干燥的浆料相互污染,以及过厚浆料在烧结时产生变形、开裂等缺陷,每一层均须经过印刷、干燥、600~950℃高温烧结后再制备下一层。厚膜陶瓷基板典型单面布线工艺流程和结构图如图4-2所示。

图4-2 厚膜陶瓷基板典型单面布线工艺流程和结构图

双面厚膜陶瓷基板还涉及激光打孔(或超声钻孔)、印刷填孔等工序。厚膜陶瓷基板产品图如图4-3所示。

图4-3 厚膜陶瓷基板产品图

厚膜陶瓷基板的生产设备主要有浆料用真空脱泡搅拌机、丝网印刷机、烘干机、高温烧结炉(空气、氮气或还原气体,根据浆料确定)、激光打孔机等,投资相对较少。

厚膜陶瓷基板除需要检验尺寸、外观、互连关系、电性能等外,还需要检验膜层结合强度、可焊性、耐焊性、耐热性、热冲击等可靠性。膜层结合强度根据GB/T 17473.4—2008《微电子技术用贵金属浆料测试方法 附着力测定》进行测定,可焊性和耐焊性根据GB/T 17473.7—2008《微电子技术用贵金属浆料测试方法 可焊性、耐焊性测定》进行测定。在进行耐热性测定时,将厚膜陶瓷基板置于根据用途设定温度的加热板上加热规定时间后,观察厚膜有无起泡、变色、剥落、起皮等缺陷,无这些缺陷则表示合格。在进行热冲击测定时,将厚膜陶瓷基板样品放入热冲击试验机中,在根据用途设定的试验条件(如空气介质、液体介质、温度范围等)下进行试验,记录厚膜陶瓷基板出现脱膜、分层、裂纹等现象时的循环次数,若大于20次,则表示合格。

随着厚膜元器件功率的不断增大,耗散功率密度提高,陶瓷基板脆性增大,机械加工性能变差,抗热冲击能力减弱,厚膜陶瓷基板部分采用厚膜金属基板、复合基板。厚膜陶瓷基板技术进一步发展为多层陶瓷共烧技术,包括高温共烧陶瓷(High Temperature Co-fired Ceramics,HTCC)技术和低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics,LTCC)技术。