1. 常用電子封裝陶瓷基片材料的分類及特點(diǎn)
電子封裝基片材料的種類很多，常用基片主要分為塑料封裝基片、金屬封裝基片和陶瓷封裝基片3大類。塑料封裝材料通常熱導(dǎo)率不高、可靠性不好，在要求較高的場(chǎng)合并不適用；金屬封裝材料熱導(dǎo)率高，但一般熱膨脹系數(shù)不匹配，而且價(jià)格較高。
陶瓷基片是電子封裝中一種常用的基片材料，與塑料基片和金屬基片相比，優(yōu)點(diǎn)在于：（1）絕緣性能好，可靠性高；（2）介電系數(shù)較小，高頻性能好；（3）熱膨脹系數(shù)小，熱導(dǎo)率高；（4）氣密性好，化學(xué)性能穩(wěn)定，對(duì)電子系統(tǒng)起到較強(qiáng)的保護(hù)作用[3]。因而它適用于航空、航天和軍事工程的高可靠、高頻、耐高溫、氣密性強(qiáng)的產(chǎn)品封裝。超小型片式電子元器件在移動(dòng)通信、計(jì)算機(jī)、家用電器和汽車電子等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，而其載體材料也常采用電子封裝陶瓷基片。
目前幾種常用的電子封裝用陶瓷基片材料有氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)、氧化鈹(BeO)。
1.1 Al2O3陶瓷基片
Al2O3陶瓷一般是指以Al2O3為主要原料，α-Al2O3為主晶相、Al2O3含量在75%以上的各種陶瓷，它具有原料來源豐富、價(jià)格低廉、機(jī)械強(qiáng)度和硬度較高、絕緣性能良好、耐熱沖擊性能、抗化學(xué)侵蝕性能良好、尺寸精度高、與金屬附著力好等優(yōu)點(diǎn)，是一種綜合性能較好的陶瓷基片材料。Al2O3陶瓷基片廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)，占陶瓷基片總量的90%，已成為電子工業(yè)不可缺少的材料。
目前使用的Al2O3陶瓷基片大多采用多層基片，Al2O3含量提高了電絕緣性能、熱導(dǎo)率和耐沖擊性能都會(huì)有所提高，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)溫度的上升和生產(chǎn)成本增加。為了降低燒結(jié)溫度，同時(shí)保證Al2O3陶瓷基片的力學(xué)性能和電性能，往往加入一定量的燒結(jié)助劑，如B2O3、MgO、CaO、SiO2、TiO2、Nb2O5、Cr2O3、CuO、Y2O3、La2O3和Sm2O3等金屬氧化物來促進(jìn)燒結(jié)[1]。
雖然Al2O3陶瓷基片的產(chǎn)量多、應(yīng)用廣，但因?yàn)闊釋?dǎo)率相對(duì)硅單晶而言偏高，故Al2O3陶瓷基片在高頻、大功率、超大規(guī)模集成電路的使用中受到限制。
1.2 AlN陶瓷基片
AlN陶瓷基片是一種新型的基片材料，AlN晶體的晶格常數(shù)為a=0.3110nm，c=0.4890nm，屬六方晶系，是以[AlN4]四面體為結(jié)構(gòu)單元的纖鋅礦型共價(jià)鍵化合物，具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性、可靠的電絕緣性、低的介電常數(shù)和介電損耗、無毒，以及與硅相匹配的熱膨脹系數(shù)等一些列優(yōu)良特性，被認(rèn)為是新一代高集成度半導(dǎo)體基片和電子器件封裝的理想材料[2]。
上世紀(jì)80年代，部分發(fā)達(dá)國(guó)家就開展AlN陶瓷基片的研發(fā)，其中日本處于世界的前列。日本如今還有許多企業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)AlN陶瓷基片，如京陶、日本特殊陶業(yè)、住友金屬工業(yè)、富士通、東芝、日本電氣等。制備AlN陶瓷的核心原料AlN粉體制備工藝復(fù)雜、能耗高、周期長(zhǎng)、價(jià)格昂貴。高成本限制了AlN陶瓷的廣泛應(yīng)用，因此目前AlN陶瓷基片主要應(yīng)用于高端產(chǎn)業(yè)[4]。
1.3 Si3N4陶瓷基片
Si3N4具有3種結(jié)晶結(jié)構(gòu)，分別是α相、β相和γ相，其中α相和β相是Si3N4最為常見的形態(tài)，均為六方結(jié)構(gòu)。Si3N4具有硬度大、強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小、高溫蠕變小、抗氧化性能好、熱腐蝕性能好、摩擦系數(shù)小等諸多優(yōu)異性能。單晶氮化硅的理論熱導(dǎo)率可達(dá)400W/（m·K），具有成為高導(dǎo)熱基片的潛力。此外，Si3N4的熱膨脹系數(shù)為3.0×10-6℃左右，與Si、SiC和GaAs等材料匹配良好，這使Si3N4陶瓷成為一種極具吸引力的高強(qiáng)高導(dǎo)熱電子器件基板材料[4]。
但Si3N4陶瓷介電性能稍差（介電常數(shù)為8.3，介電損耗為0.001~0.1），生產(chǎn)成本也偏高，限制其作為電子封裝陶瓷基片的應(yīng)用。
1.4 SiC陶瓷基片
SiC陶瓷的熱導(dǎo)率很高，高溫下為100~400W/(m·k)，是Al2O3的13倍；抗氧化性能好，分解溫度在2500℃以上，在氧化氣氛中1600℃仍可以使用；而且電絕緣性好，熱膨脹系數(shù)低于Al2O3和AlN。SiC陶瓷有很強(qiáng)的共價(jià)鍵特性，較難燒結(jié)，通常添加少量的硼或鋁的氧化物作為燒結(jié)助劑來提高致密度。實(shí)驗(yàn)表明，鈹、硼、鋁及其化合物均是最有效的添加劑，可使SiC陶瓷致密度達(dá)到98%以上[3]。
但是SiC的介電常數(shù)太高，是AlN的4倍，耐壓強(qiáng)度低，所以僅適合密度較低的封裝而不適合高密度封裝。除了用于集成電路組件、陣列組件以及激光二極管等之外，也用于具有導(dǎo)電性的結(jié)構(gòu)零件。
1.5 BeO陶瓷基片
BeO是堿土金屬氧化物中唯一的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，由于BeO具有纖鋅礦型和強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，而且相對(duì)分子質(zhì)量很低，因此，BeO具有極高的熱導(dǎo)率，是氧化鋁的10倍左右，其室溫?zé)釋?dǎo)率可達(dá)250W/（m·K），與金屬的熱導(dǎo)率相當(dāng)，并且在高溫、高頻下，其電氣性能、耐熱性、耐熱沖擊性、化學(xué)穩(wěn)定性俱佳。
BeO雖然有一些良好的特性，但BeO的致命缺點(diǎn)是其粉末的劇毒性，長(zhǎng)期吸入BeO粉塵會(huì)引起中毒甚至危及生命，并會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，這極大影響了BeO陶瓷基片的生產(chǎn)和應(yīng)用[5]。另外，BeO的生產(chǎn)成本很高，這也限制了它的生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。其用途僅限于以下幾個(gè)方面：高功率晶體管的散熱片、高頻及大功率半導(dǎo)體器件的散熱蓋板、發(fā)射管、行波管、激光管、速調(diào)管等。在航空電子設(shè)備和衛(wèi)星通訊中，為了追求高導(dǎo)熱和理想高頻特性，有時(shí)也采用BeO陶瓷基片。
1.6 BN陶瓷基片
BN有2種不同的結(jié)晶形式：六方晶型和立方晶型。其中立方晶型BN硬度很高，耐溫度高達(dá)1500~1600℃，適用于超硬材料；六方晶型BN在正確的熱處理作用下，在很高的溫度仍能保持很高的化學(xué)及機(jī)械穩(wěn)定性。BN材料具有較高的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和電絕緣性，同時(shí)BN陶瓷的熱導(dǎo)率常溫下與不銹鋼相等，介電性能好。BN比大多數(shù)的陶瓷脆性好，并且熱膨脹系數(shù)小，有很強(qiáng)的抗熱震性，可以承受1500℃以上的溫差急劇變化。
立方BN和六方結(jié)構(gòu)的BN都是在高溫高壓下制備的，是比較典型的共價(jià)鍵晶體。BN由于具有熱導(dǎo)率高，且熱導(dǎo)性能幾乎不隨溫度變化，介電常數(shù)小，絕緣性能好等特點(diǎn)，應(yīng)用于雷達(dá)窗口、大功率晶體管的管座、管殼、散熱片以及微波輸出窗等。但立方BN價(jià)格昂貴，不宜用于生產(chǎn)通常使用的高熱導(dǎo)率陶瓷材料；熱膨脹系數(shù)與硅不匹配也限制了其應(yīng)用[3]。
2. 電子封裝陶瓷基片流延成型工藝
流延成型是電子陶瓷基片材料的一種重要的成型工藝。流延成型已經(jīng)成為生產(chǎn)多層電容器(MLC)和多層陶瓷基片(MLCP)的主要技術(shù)。
2.1 非水基流延成型
傳統(tǒng)的流延成型工藝即非水基流延成型工藝，其工藝包括漿料制備、球磨、脫泡、成型、干燥、剝離基帶等工序。先將配好的粉料加上溶劑，必要時(shí)再加上抗聚凝劑、除泡劑、燒結(jié)促進(jìn)劑等，在球磨罐中進(jìn)行濕式混磨，使活性粉粒在溶劑中充分分散、懸浮、均勻化，然后再加入粘合劑、增塑劑、潤(rùn)滑劑等再次混磨，形成穩(wěn)定、流動(dòng)性好的漿料。經(jīng)過真空除泡，進(jìn)行流延機(jī)成型，坯片厚度由刮刀調(diào)整，最后經(jīng)過合適溫度、濕度等環(huán)境再將坯帶脫模備用[3]。
非水基流延成型工藝的適用范圍較廣、坯體缺陷尺寸較小、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品性能較穩(wěn)定等，獲得廣泛的應(yīng)用。其不足之處在于使用的溶劑是有機(jī)物，不僅增加成本呢，而且對(duì)環(huán)境也有一定的污染。另外，由于漿料中有機(jī)物含量較高，生坯密度低，脫脂過程中坯體易變形，影響產(chǎn)品質(zhì)量。所以水基流延法被研究并獲得了很大的發(fā)展。
2.2 水基流延成型
由于水基流延成型工藝是用水代替有機(jī)物溶劑，因此，水基流延成型具有成本低、使用安全和便于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但也由此產(chǎn)生一些不足，如水對(duì)陶瓷粉料的潤(rùn)濕性能較差，揮發(fā)慢，干燥時(shí)間長(zhǎng)；漿料脫氣困難，影響坯體的質(zhì)量；陶瓷坯片柔韌性較差，強(qiáng)度不高，容易出現(xiàn)裂紋缺陷等[1]。
為彌補(bǔ)上述兩種方法的不足，人們提出了一些新的流延工藝，如凝膠流延成型工藝、紫外引發(fā)聚合物成型工藝、流延等靜壓復(fù)合成型工藝等。
結(jié)語(yǔ)
隨著微電子封裝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電子封裝材料將成為一個(gè)技術(shù)含量高、經(jīng)濟(jì)效益好，具有重要地位的工業(yè)領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展前景。為了滿足電子系統(tǒng)小型化、低成本、開發(fā)可靠性、散熱性優(yōu)良、價(jià)格適宜的多層陶瓷基片材料是今后的發(fā)展重點(diǎn)。
 |
 |
