當(dāng)前,隨著微電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,對陶瓷材料有了更高的需求。高溫共燒陶瓷(HTCC),采用材料為鎢、鉬、鉬、錳等高熔點(diǎn)金屬發(fā)熱電阻漿料按照發(fā)熱電路設(shè)計(jì)的要求印刷于92~96%的氧化鋁流延陶瓷生坯上,4~8%的燒結(jié)助劑然后多層疊合,在1500~1600℃下高溫下共燒成一體。
HTCC技術(shù)可實(shí)現(xiàn)密封的直通過孔密集的金屬互連。因此HTCC技術(shù)常用于軍事、航空航天、醫(yī)療器械、和高溫領(lǐng)域,特別是在汽車、高功率、無線通信和RF封裝方面。
PART1HTCC的分類
HTCC材料是在高于1500℃的環(huán)境下燒結(jié)而成。由于HTCC材料的熱穩(wěn)定性良好,因此它非常適合在超高溫環(huán)境下的應(yīng)用,在大功率微組裝電路中具有廣泛的應(yīng)用前景。
高溫共燒陶瓷中較為重要的是以氧化鋁、莫來石(主體為Al2O3-SiO2)和氮化鋁為主要成分的陶瓷。常見的HTCC生瓷帶有氧化鋁陶瓷、氮化鋁陶瓷以及氧化鋯陶瓷等,采用流延法制備的生瓷帶厚度一般為50μm到700μm不等。
① 氧化鋁
在燒結(jié)過程中,陶瓷顆粒相變?yōu)橹旅懿牧?,樣品大約收縮15%到20%不等。其中,在超高溫領(lǐng)域中,99.99%氧化鋁高溫共燒陶瓷的應(yīng)用最為廣泛,HTCC氧化鋁生瓷帶的一些基本材料特性參數(shù)如下表所示。
參數(shù) | 大小 |
介電常數(shù) | 9.5-9.9 |
密度(g/cm3) | 3.8-3.95 |
楊氏模量(GPa) | 340-380 |
泊松比 | 0.2-0.23 |
抗彎強(qiáng)度(MPa) | 450-650 |
熱導(dǎo)率(Wm-1K-1) | 25-35 |
熱膨脹系數(shù)(ppm℃-1) | 6-8 |
莫氏硬度 | 9.0 |
介電損耗(25℃,1MHz) | 0.0001 |
體積電阻率(Ω.cm) | 1×1014 |
介電擊穿電壓(KV/mm) | >15 |
燒結(jié)溫度 | 1500-1700 |
生瓷坯在進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)的過程中往往會有一定的收縮比例,其收縮比例大約在15%-20%之間,為了使本論文設(shè)計(jì)的傳感器達(dá)到設(shè)計(jì)要求以及性能要求,在燒結(jié)前,必須給生瓷坯按照收縮比來計(jì)算尺寸,防止其最終產(chǎn)品達(dá)不到要求。
氧化鋁陶瓷技術(shù)是一種比較成熟的微電子封裝技術(shù),它由92~96%氧化鋁,外加4~8%的燒結(jié)助劑在1500-1700℃下燒結(jié)而成,其導(dǎo)線材料為鎢、鉬、鉬一錳等難熔金屬。該基板技術(shù)成熟,介質(zhì)材料成本低,熱導(dǎo)率和抗彎強(qiáng)度較高。
但氧化鋁多層陶瓷基板的介電常數(shù)高,影響信號傳輸速度的提高;導(dǎo)體電阻率高,信號傳輸損耗較大;熱膨脹系數(shù)與硅相差較大,從而限制了它在巨型計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用。
② 莫來石
莫來石的介電常數(shù)為7.3-7.5,而氧化鋁(96%)的介電常數(shù)為9.4,高于莫來石,所以莫來石的信號傳輸延遲時(shí)間可比氧化鋁小17%左右,并且,莫來石的熱膨脹系數(shù)與硅很接近,所以這種基板材料得到了快速發(fā)展。
例如日立、Shinko等公司均開發(fā)了莫來石多層陶瓷基板,并且其產(chǎn)品具有良好的性能指標(biāo)。不過此基板的布線導(dǎo)體只能采用鎢、鎳、鉬等,電阻率較大而且熱導(dǎo)率低于氧化鋁基板。
③ 氮化鋁
對于氮化鋁基板來說,由于氮化鋁熱導(dǎo)率高,熱膨脹系數(shù)與Si、SiC和GaAs等半導(dǎo)體材料相匹配,其介電常數(shù)和介質(zhì)損耗均優(yōu)于氧化鋁,并且AlN是較硬的陶瓷,在嚴(yán)酷的環(huán)境條件下仍能很好地工作。
材料 | Al?O? | AlN |
熔點(diǎn)/℃ | 1860 | 2470 |
熱導(dǎo)率 (W·m-1·K-1) |
29 | 240 |
相對介電常數(shù) | 9.7 | 8.9 |
擊穿電場強(qiáng)度 (kV·mm-1) |
10 | 15 |
綜合評價(jià) | 性價(jià)比高,應(yīng)用廣 | 性能優(yōu)良,價(jià)格高 |
比如在高溫時(shí)AlN陶瓷依然具有極好的穩(wěn)定性,因此,氮化鋁用作多層基板材料,在國內(nèi)外都得到了廣泛研究并已經(jīng)取得令人矚目的進(jìn)展。但氮化鋁基板也有一定的缺點(diǎn):
● 布線導(dǎo)體電阻率高,信號傳輸損耗較大;
● 燒結(jié)溫度高,能耗較大;
● 介電常數(shù)與低溫共燒陶瓷介質(zhì)材料相比還較高;
● 氮化鋁基板與鎢、鉬等導(dǎo)體共燒后,其熱導(dǎo)率有所下降;
● 絲網(wǎng)印刷的電阻器及其他無源元件不能并入高溫共燒工藝,因?yàn)檫@些無源元件的漿料中的金屬氧化物,會在該工藝的還原氣氛下反應(yīng)而使性能變壞;
● 外層導(dǎo)體必須鍍鎳鍍金保護(hù)其不被氧化,同時(shí)增加表面的電導(dǎo)率并提供能夠進(jìn)行線焊和錫焊元器件貼裝的金屬化層。
雖然有這些缺點(diǎn),但從總體上來說,氮化鋁基板比其他高溫共燒陶瓷基板有更多的優(yōu)勢,在高溫共燒陶瓷領(lǐng)域有很好的發(fā)展前途。主要應(yīng)用在傳感器封裝、表面貼裝封裝、MEMS封裝、光通信封裝、LED封裝等。
PART2HTCC的應(yīng)用
HTCC陶瓷發(fā)熱片是一種新型高效環(huán)保節(jié)能陶瓷發(fā)熱元件,相比PTC陶瓷發(fā)熱體,具有相同加熱效果情況下節(jié)約20~30%電能。
整體而言,HTCC基板具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性好和布線密度高等優(yōu)點(diǎn),因此在當(dāng)前大功率微組裝電路中具有廣泛的應(yīng)用前景。被廣泛應(yīng)用于日常生活、工農(nóng)業(yè)技術(shù)、軍事、科學(xué)、通訊、醫(yī)療、環(huán)保、宇航等眾多領(lǐng)域。
PART3HTCC的發(fā)展
HTCC作為一種新型的高導(dǎo)熱基板和封裝材料,具有高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、低介電常數(shù)和低介質(zhì)損耗、高機(jī)械強(qiáng)度等特點(diǎn)。因此它可以實(shí)現(xiàn)電性能、熱性能和機(jī)械性能的優(yōu)化設(shè)計(jì),能夠滿足器件、模塊和組件的高功、高密度、小型化和高可靠要求。
但是,高溫共燒陶瓷(HTCC)電路互連基板中,W、Mo的電阻率較高,電路損耗較大。隨著超大規(guī)模集成電路的應(yīng)用頻率和電路速度提升,電子設(shè)備的小型化等趨勢對高密度封裝提出更高要求。
而且,HTCC的陶瓷粉末并無加入玻璃材質(zhì),HTCC必須在高溫1300~1600℃環(huán)境下干燥硬化成生胚,接著鉆上導(dǎo)通孔,以網(wǎng)版印刷技術(shù)填孔與印制線路,因其共燒溫度較高,使得金屬導(dǎo)體材料的選擇受限,而且會大大增加其成本。因此,低溫共燒陶瓷(LTCC)應(yīng)運(yùn)而生。
審核編輯:郭婷
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原文標(biāo)題:HTCC:在大功率微組裝電路中具有廣泛的應(yīng)用前景
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