电子封装材料chapter 3解析.ppt

第三章 陶瓷和玻璃 简 介 n大多数长距离通信都是通过光纤进行的，其中信号是以光的形式 在玻璃纤维中传输的，而不是通过金属线中的电子高质量的 玻璃纤维能够在原始信号失真很小的情况下，以光频长距离、大 容量地传输数据 n高介电常数的电绝缘陶瓷是蓄能电容器的重要组成部分 n随着电子工业的快速发展，铁氧体陶瓷的应用领域不断扩大，包 括电感器、变压器、永磁铁、磁-光器件，机械电子器件及微波电 子器件等 用于微电子的陶瓷互连 n陶瓷封装可分为薄膜，厚膜或多层几大类 n理想的陶瓷基板材料应具有： n热膨胀系数与半导体芯片相匹配； n低介电损耗，影响传输损耗； n高热导率； n高的机械强度； n低介电常数可使信号线具有更小间距和更高传输速度等；在 某些器件中，较高介电常数降低特征尺寸 薄 膜 n陶瓷基板上薄膜金属化的开发主要是利用了陶瓷基板高的电 路密度、淀积和蚀刻金属的尺寸精确、高导热率及高机械稳 定等特点 n常用基板有高纯氧化铝、玻璃、多层陶瓷和磁性陶瓷； n薄膜材料：高导电的金、银、铜、铝等用作金属电路；TaN, Ta2N、NiCr等则用作薄膜电阻材料；SiO2或Si3N4作为钝化层 和电容的介质层。

n淀积方法有蒸发、溅射、电镀、化学气相沉积CVD等 n蒸发法 n把源金属在高真空下（10-6-10-5 torr）加热到其汽化温度的一 种真空沉积工艺 n溅射 n金属靶作为阴极，而带镀的基板作为阳极 n在真空室中的两电极间施加高电场时，纯净的氩气将会电离 然后Ar+被电场加速并轰击金属阴极 n高能量的碰撞使金属靶中的离子溅射出来，形成等离子体， 然后沉积到阳极板的基板上 n优点：溅射是在高能下沉积的，溅射膜比蒸发膜的结合强度 更高，也更加致密 厚 膜 n最简单的形式是利用丝网印刷技术在致密的陶瓷基板 上沉积金属电路 n在金属中添加玻璃和氧化物有助于金属在相对低的温 度下（600~950℃）致密化和与基板粘接 n主要优点：可使用绝缘介质形成多层电路常用作混 合电路封装 n金属、介质、电阻及铁氧体浆料是由有机载体、金属 或氧化物粉料及玻璃料组成的 n有机载体包括溶剂、分散剂及粘结剂 n粘结剂：把细小的无机颗粒结合起来，在烧结工 艺前形成与基板的临时结合 n溶剂、分散剂、粘结剂和无机粉料一起，形成一 种可通过橡胶刮板涂覆到基板上的浆料 n一般，把由高铅或铋玻璃组成的玻璃料加入到浆 料混合物有助于增加结合力。

n选择的玻璃，熔点比浆料烧结温度低200℃左右 厚膜工艺 n丝网印刷：使用橡胶刮板迫使厚膜浆料通过丝网，在基板材料上的 形成电路 n不锈钢丝网，网孔填满可紫外光固化的感光胶通常，刮板一侧感 光胶厚度与丝网高度一致，而在基板的另一侧厚度超过丝网（万分 之几英寸），由超出的感光胶厚度来控制印刷的厚度 n采用在聚酯胶片或玻璃板上的正像布线图，将待印电路图成像于丝 网感光胶上，暴露在紫外光下的区域固化，未固化的感光胶是水溶 的，可被水冲洗掉，留下未被感光胶遮盖的不锈钢丝网，厚膜浆料 可在这些地方涂覆 n丝网参数，如网孔目数、感光胶厚度、丝径、网孔角度等决定了 印刷电路的厚度和质量 n丝网网孔一般在200~400目之间，325目最常用 n一般希望丝径越小越好 n设备参数，如刮板压力、速度、角度及印刷高度等也影响印刷的 质量 n材料参数，如浆料的流变性、基板表面的光洁度、气孔率及平面 度也影响印刷质量 n一般，将每个介质层印刷2次，以避免出现针孔，导 致层间短路 n两个介质层可以印刷-干燥-烧结-印刷-干燥-烧结或 印刷-干燥-印刷-干燥-烧结的方式涂覆 n在介质层上设计约0.25mm的开孔以备在后续工艺中 填充导电浆料，作为电路层间的互连。

n随涂覆层数的增加， 基板表面变得越来越 不平→给元器件与封 装的自动化组装带来 困难 限定了厚膜技术所能 涂覆的电路层数在七 八层左右 还在开发其他新技术 多层封装 n多层陶瓷技术允许将多个电路安装在一个单独的气密封 装中，这种包含埋置元件的结构，提供了在同一介质中 建立带状线和微带线的方法，增加了设计的灵活性 n采用低介电常数材料的多层系统，与设计成介质层、内 部电路金属化和陶瓷介质共烧的传统陶瓷基板相类似 n需注意：金属化和陶瓷介质共烧需要开发相互兼容的系 统，如热膨胀系数，厚膜浆料的溶剂、粘结剂和玻璃料 等 高温共烧陶瓷（HTCC） nHTCC（high-temperature co-fired ceramics）是一以采用 材料为钨、钼、钼、锰等高熔点金属电阻浆料按照电 路设计的要求印刷于92～96％的氧化铝流延陶瓷生坯 （其余为4～8％的烧结助剂）上，然后多层叠合，在 1500～1600℃下高温下共烧成一体的工艺 n具有耐腐蚀、耐高温、寿命长、高效节能、温度均匀 、导热性能良好、热补偿速度快等优点 高温共烧陶瓷（HTCC） n以氧化铝（90~94%）为基的材料，其中加入二氧化硅及碱土熔剂 （如MgO及CaO）作为烧结助剂。

n少量玻璃的形成对改善介质层的致密性和获得更好结合的金属化层 很重要 n以氧化铝为基的陶瓷烧结温度很高（1600℃），内部共烧需要采 用难熔金属（如W、Mo和Mn等） n但这些金属的电阻率较高，故电损耗比其他陶瓷封装要大；且不 能用传统方法进行互连，即它们与钎料系统或线、带键合不润湿 因此需要一个以Ni为底，然后是薄Au层的镀层，以提供用于互 连的、可软钎料润湿及可引线键合的引出端 nHTCC封装的制造工艺 n流延生瓷带→冲切→冲孔→填充通孔→丝网 印刷→叠层/层压→分离成形→共烧→镀镍 →钎焊→镀NiAu 低温共烧陶瓷（LTCC） nLTCC (Low-temperature cofired ceramics，LTCC)主要采用低温（ 800~900℃）烧结瓷料与有机粘合剂/增塑剂按一定比例混合，通过流延 生成生瓷带或生瓷片，在生瓷带上冲孔或激光打孔、金属化布线及通孔 金属化（采用微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图 形），并将多个无源元件埋入其中，然后进行叠片、热压、切片、排胶 ，最后约900℃低温烧结制成多层布线基板 n可制成三维电路网络的无源集成组件，也可制成内置无源元件的三维电 路基板。

n在其表面可以贴装 IC和有源器件，制成无源/有源集成的功能模块 低温共烧陶瓷（LTCC） n低温共烧陶瓷基板的显著特征是与导体（Cu、 Ag等）布线，以及可内置（埋）构成无源元件 的电阻器、电容器、电感器等材料同时烧成， 在顶层键合IC、LSI、VLSI等有源器件的芯片 n基本流程为下料-通孔成形-通孔填充-电路印刷 -形成腔体-叠片-层压-烧结-后加工 LTCC的特点 n传统的LTCC材料是能在烧结过程中经历玻璃到晶相转 变的玻璃基体系或带有晶体填料的玻璃基体 n玻璃相的致密化温度比结晶相的致密化温度低；晶体 填料的加入是为了使其热膨胀系数与半导体芯片的相 匹配、控制LTCC的致密化和获得稳定的电性能 n其独特之处是低的烧结温度，使得在多层结构中能采 用高导电的金属化 电容器 n具有能量储存、电流阻断、电噪声过滤、高频调谐等功能 n流延及共烧金属化技术的开发使得极高电容密度的多层电容器（ MLC）制造成为可能 n电容器的电容是施加单位电压所能储存的电荷 n所有的电容器都建立在由介电隔离的金属电极之上；电容器单位 体积电容的增加可以通过增加厚度比或使用高介电常数的材料来 实现。

n陶瓷电容器可用四种常见的工艺制造：薄膜、厚膜、单层及多层 多层电容器的制作步骤 图3.12 多层陶瓷电容器制作步骤 电容器分类 n根据材料分类：聚合物薄膜电容器、电解电容器、钽电容器、云 母电容器、陶瓷电容器、多层陶瓷电容器、厚膜电容器、薄膜电 容器； n根据电容值及温度敏感性分类：1类电容器是温度和时间高度稳 定，并具有低损耗的电容器（例如不老化），一般由钛酸盐或钽 制成；2类电容器是容易受到温度、时间和频率影响的电容器， 一般由较高介电常数的材料制成，如铁电材料 n2类电容器的分类由三个字符码表示第一个字符代表工作温度下限 ，第二个字符代表工作温度上限，第三个字符代表在整个工作温度 范围内电容的变化p104，表3.4） 电容器材料 nBaTiO3具有高介电常数、高稳定性和容易掺杂的特点，故是最常见的电 容器材料 nBaTiO3的相变：顺电立方相→铁电四方相→斜方相→菱方相 n顺电钙钛矿，具有立方结构，一个晶胞就是一个分子式ABO3其中A处 在晶胞八个角，B处在晶胞中心，而O则处在晶胞的面心位置 n铁电钙钛矿相具有相同的排列，但晶胞轻微扭曲成四角形、菱形或正方 形结构。

nSrTiO3（ST）室温介电常数大约为300左右，纯SrTiO3是一种转变温度接 近0K的顺电物质；CaTiO3（CT）的介电常数只有ST的一半； MgTiO3（ MT）具有低但稳定的介电常数（K=16），PbTiO3（PT）是一种居里温 度在490℃左右的铁电钙钛矿材料 110℃-10℃-100℃ 添加物的作用 n一般来说介电性能随温度急剧变化是不 实用的，通过添加能在其结构中形成固 溶体的材料进行改性，通过施主离子及 受主离子置换、晶格中氧空位之类的载 流子存在等产生作用 机电陶瓷 n机电材料是一类引起关注的物质，他们具有从 机械刺激产生电信号（无源器件）或者通电产 生机械位移（有源器件）的能力 n应用：传感器，如医疗设备中的超声波传感器 及防震装置中的传感器；微位移器件和声发射 装置 压电材料 n受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体 材料 n1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发 现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会 产生电荷，电荷量与压力成比例这一现象被 称为压电效应随即，居里兄弟又发现了逆压 电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变 铁电材料 n铁电材料的特点是不仅具有自发极化，而且在一定温 度范围内，自发极化偶极矩能随外施电场的方向而改 变。

它的极化强度P与外施电场强度E的关系曲线如图 所示，与铁磁材料的磁通密度与磁场强度的关系曲线 （B-H曲线）极为相似极化强度P滞后于电场强度E， 称为电滞曲线电滞曲线是铁电材料的特征 n基本特征：在某些温度范围会具有自发极化，而且极 化强度可以随外电场反向而反向，从而出现电滞回线 铁电物质随电场变化的电极化曲线 电致伸缩材料 n纯电致伸缩材料是顺电和中心对称的，即它们 没有极轴，并且一般是立方结构最有价值的 电致伸缩材料是工作温度高于或接近转变温度 的铁电材料 n电致伸缩效应是一种二级现象，凭借外电场会 导致材料晶格扭曲和机械扭曲 机电材料 n“硬”压电材料（即P117表3.11第Ⅰ-Ⅳ类）在转变温度以下工作很好，其压电相高 度稳定，矫顽力高，畴壁运动很小，电滞也较小，常用于无源和有源声呐和许多 需要高矫顽力及稳定响应的商业应用中 n“软”压电材料，即Ⅴ和Ⅵ类，可以在接近转变区域工作，高极化获得高应变，有 较高的电滞和介质损耗，且对压力去极化和老化更敏感这类材料适合用于高电 场诱发高应变的高灵敏度无源换能器或执行器的应用 n当电致伸缩材料在稍高于转变区工作时，由于压电和电致伸缩的双重作用，导致 其应变最大化。

这种双重作用会使材料达到最高的机电能量密度及具有最高的灵 敏度这类材料对温度很敏感，且由于其相应的电容和功率耗散较高，因而在有 源应用时需要高功率驱动器 n在大多数机电材料中，用掺杂剂调整某一具体应用的特性，也经常用等价置换改 变材料的介电性能 机电材料的应用 n机电材料能为电能和机械能提供一种耦合尽管其机械位移 相当小，但这些材料却能产生相当大的电能和机械能 n输入电能产生机械位移的执行器，其应用范围包括精密定位。